Сравнение двух методик определения параметров облачного покрова и осадков по данным наблюдений с полярно-орбитальных метеоспутников для Европейской территории России

На полярно-орбитальных спутниках серии NOAA и российском Метеор-М №2 установлена аппаратура со схожими техническими характеристиками: радиометр AVHRR и сканер МСУ-МР. На основе измерений этими приборами альбедо и радиационной температуры (5-6 спектральных каналов) автором в «НИЦ «Планета» была создана Комплексная пороговая методика (КПМ) для информации AVHRR/NOAA (Волкова, 2013), а затем адаптирована к данным МСУ-МР/Метеор (Волкова, 2017). Специализированные программные комплексы «ETRavh» и «MSUMRetr», созданные на основе КПМ, автоматически в круглосуточном режиме попиксельно классифицируют соответствующую спутниковую информацию с целью определения макро- и микрофизических параметров облачного покрова, зон осадков и опасных явлений погоды для Европейской территории России и сопредельных стран (46-63° с.ш. и 20-50° в.д.), а также валидируют выходные продукты результатами наблюдений за аналогичными метеопараметрами на наземных метеостанциях и климатическими оценками (Волкова и др., 2015). Результаты валидации показывают, что получаемые по данным МСУ-МР и AVHRR сведения об облачном покрове и осадках хорошо согласуются с наземными наблюдениями и климатическими оценками, не уступают по качеству зарубежным аналогам (например, использующимся в EUMETSAT SAF CM (http://www.cmsaf.eu)) и в основном удовлетворяют предъявляемым к ним пользователями требованиям (Волкова, Успенский, 2015; Волкова, 2017).
Несмотря на схожесть приборов МСУ-МР и AVHRR, между ними существуют различия (например, используются разные спектральные аппаратные функции для соответствующих каналов, имеются погрешности бортовой калибровки МСУ-МР и др.). Проведённое автором попиксельное сопоставление между собой исходных измерений альбедо и радиационной температуры по данным приборов МСУ-МР и AVHRR, а также получаемых на их основе выходных продуктов двух вариантов КПМ для близких сроков спутниковых наблюдений (разница по времени не более 5 мин, архив 2015-2018 гг., 198 пар сроков) показало следующее:
1) измеренные значения альбедо (λ=0,6 мкм (А06), λ=0,9 мкм (А09),) и радиационной температуры (λ=3,7 мкм (Т37), λ=10,8 мкм (Т108), λ=12,0 мкм (Т120)) (в т.ч. их разности (А09-А06), (Т37-Т108) и (Т108-Т120)) по данным МСУ-МР и AVHRR различаются достаточно сильно (кроме Т108), поэтому формулы для расчёта пороговых значений в КПМ должны быть разными для разных видов спутниковой информации;
2) КПМ по данным МСУ-МР завышает (в среднем на 1,5 К) значения температуры верхней границы облачности (ВГО) и, следовательно, занижает высоту ВГО (в среднем на 200 м) относительно аналогичных оценок по данным AVHRR. Несовпадение оценок ТВГО и hВГО больше для перистообразной (Ci) и высокослоистой (As) облачности, в т.ч. в составе многослойной (оценки высоты ВГО и толщины облачного слоя получаются на 1-1,5 км ниже по данным МСУ-МР, чем по данным AVHRR);
3) облачная маска обеими методиками детектируется похоже только летом: HR=75 % (Hit Rate); в холодный период года HR≤50 % из-за потери облаков по данным МСУ-МР с радиационными характеристиками ВГО, близкими к поверхности земли;
4) при использовании данных МСУ-МР суточные, месячные и годовые суммы осадков завышены относительно аналогичных оценок по данным AVHRR в среднем соответственно на 10, 5 и 6 %;
5) совпадение результатов обеих классификаций получается тем выше, чем меньше классов/градаций имеет параметр облачности или осадков. Например, для двух классов обычно HR>85 % (кроме зон осадков (70-75 %) и облачной маски (50-75 %));
6) значения HR часто получаются выше в холодный период года, чем в тёплый (кроме облачной маски, водозапаса облачного слоя и типа осадков у земли (2 класса));
7) при полном совпадении (ошибка 0 классов/градаций) результатов обеих классификаций для параметров облачного покрова и осадков (с количеством классов/градаций 4 и более) обычно HR≤50-60 % (кроме высоты нижней границы облачности (4 градации) – HR>80 %). При «совпадении» с точностью/ошибкой ±1 соседний класс/градация HR=65-95 %, а с точностью/ошибкой ±2 класса/градации – HR>85 %. Отличие результатов классификаций в 3 и более классов/градаций преимущественно получается из-за неточного совмещения двух видов спутниковой информации, при разных углах наблюдения и разной освещённости одного и того же облака;
8) совпадение результатов обеих классификаций обычно получается лучше (выше значения POD (Probability of Detection) и ниже значения FAR (False Alarm Ratio)) для более часто встречающихся (с наибольшей повторяемостью) классов/градаций и, наоборот, ниже – для малочисленных (редко встречающихся) классов/градаций;
9) из-за проблем с распознаванием оптически тонких Ci и As по данным МСУ-МР (низкая чувствительность к ним предиктора (Т108-Т120)) КПМ обычно заметно хуже детектирует облачные классы, содержащие эту облачность (получается похожий класс, но без Ci и As), а также классы/градации с минимальными значениями параметра облачности или осадков (завышает значения) относительно оценок по данным AVHRR и относительно классов/градаций с более высокими значениями того же параметра;
10) по результатам классификации КПМ по данным МСУ-МР ВГО облаков получается более «твёрдой» (т.е. более кристаллической), а водозапас облачного слоя больше, чем по данным AVHRR. Также больше оказываются зоны осадков, слабого обледенения, гроз и града в облаках (особенно в тёплый период года).
В целом, выходные продукты классификации КПМ, полученные по данным МСУ-МР/Метеор, в значительной степени похожи на аналогичные выходные продукты классификации КПМ по данным AVHRR/NOAA – в подавляющем большинстве случаев (80-99,5 %) расхождения оценок не превышают ±1-2 градации. Больших различий следует ожидать в ситуациях с Ci и As как над подстилающей поверхностью, так и над другими облачными слоями (ошибки тем больше, чем оптически более тонкие Ci и/или As).