Сопоставление характеристик различных типов облачности по спутниковым данным MODIS и VIIRS в ночное время суток

В настоящее время данные дистанционного зондирования Земли из космоса являются единственным надежным источников информации о глобальном поле облачности. Современная аппаратура позволяет получать не только изображения облаков в видимом диапазоне спектра, но и восстанавливать их физические характеристики, например, высоту верхней границы, оптическую толщину, водозапас и другие. При этом существует два типа спутников метеорологического назначения: геостационарные и полярно-орбитальные [1]. Первые из них позволяют получать изображения одного и того же положения земного диска с пространственным разрешением, как правило, не менее 1000 м каждые несколько десятков минут. С одной стороны это делает их эффективным инструментом для изучения эволюции облаков. Однако пространственное разрешение геостационарной съемки существенно ухудшается при приближении к полюсам. Аппаратура полярно-орбитальных систем позволяет сканировать поверхность Земли с более высоким и относительно постоянным пространственным разрешением. При этом набор спектральных каналов указанных радиометров существенно шире, чем у геостационарных аналогов. Основным недостатком такого типа систем является периодичность съемки, которая составляет не менее 1-2 снимка в сутки. Однако на орбите в настоящее время функционирует большая группировка полярно-орбитальных спутников, оборудованных радиометрами со схожими свойствами: AVHRR, MODIS, VIIRS, МСУ-МР и другими. Это позволяет покрывать снимками один и тот же регион планеты практически каждый час. Поэтому использование полярно-орбитальных систем для изучения эволюции облачности и анализа изменчивости ее характеристик является перспективным подходом. Однако встает вопрос о согласованности данных, полученных различной аппаратурой.
Одной из актуальных задач климатологии и метеорологии является анализ суточной изменчивости характеристик различных типов облачности. Основной проблемой при ее решении является интерпретация спутниковых данных, полученных в ночное время суток. Очевидным ее решением является использование результатов зондирования земной поверхности в инфракрасном диапазоне. Но текстура изображений некоторых разновидностей облаков (особенно подтипов их основных форм) на таких изображениях становится размытой, а спектральные характеристики схожи. В 2011 году был запущен прибор VIIRS на борту Suomi-NPP, отличительной особенностью которого является наличие датчиков низкого уровня освещенности [2]. Они позволяют регистрировать отраженное излучение от слабых источников света (атмосферы, звезд, Луны) и испускаемого от искусственных (городов, пожаров, транспорта) в видимом диапазоне спектра. Учитывая положения Луны и Солнца, данный прибор в ночное время суток дает возможность получать 10-12 дней в месяце снимки, аналогичные дневным. В настоящее время сенсор VIIRS установлен еще и на NOAA-20. В ближайшие 10 лет планируется запуск еще трех аналогичных спутников. Такого объема информации вполне достаточно для изучения суточной изменчивости характеристик облаков не только в научных целях, но для оперативного мониторинга. На данный момент для детального анализа необходимо привлекать данные других спутниковых систем.
В докладе представлена методика сопоставления характеристик различных типов облачности, восстановленных по данным MODIS и VIIRS в ночное время суток. Основная ее суть заключается в использовании результатов классификации облаков в ночное время суток по снимкам VIIRS, предложенным ранее алгоритмом [3], основанном на применении технологии искусственных нейронных сетей и методов нечеткой логики. На проклассифицированных изображениях выбирается тип облачности, занимающий наибольшую площадь в пределах исследуемого региона. Затем на ИК-снимках MODIS эта область локализуется на основе сходства контуров. Восстанавливаются средние значения характеристик (высоты, температуры и давления на верхней границе, эффективной излучательной способности) рассматриваемого типа облачности в пределах выделенного участка на обоих изображениях. Определяется разница значений между ними. Применение данной методики к результатам многолетней спутниковой съемки позволяет выявить типичные отклонения характеристик для каждой разновидности облаков. Обсуждаются результаты сопоставления характеристик различных типов облачности по данным MODIS и VIIRS, полученные в ночное время суток над территорией Томской области в период с 2017 по 2020 год. Предлагаются перспективные направления развития данной работы в части создания детальных параметризации облаков, наблюдаемых над конкретным регионом планеты.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта №19-71-00049.