Нейросетевой метод восстановления вертикальных профилей атмосферы по данным спутникового микроволнового радиометра МТВЗА-ГЯ КА Метеор-М №2-2

Одной из традиционных задач космической метеорологии является определение вертикальных атмосферных профилей физических величин (температуры, влажности и др.) с использованием спутниковых зондировщиков в инфракрасной и микроволновой части электромагнитного спектра. Получаемые с их помощью продукты температурно-влажностного зондирования атмосферы существенно дополняют данные наземной наблюдательной сети и служат одним из основных источников информации для моделей численного прогноза погоды.
В настоящей работе рассматривается статистический метод интерпретации измерений микроволновых радиометров на основе искусственных нейронных сетей на примере данных прибора МТВЗА-ГЯ космического аппарата «Метеор-М» № 2-2. Указанный прибор обладает функциями сканера и атмосферного зондировщика и позволяет оценивать температурно-влажностные профили на сетке изобарических уровней, в том числе в условиях наличия или отсутствия облачности и осадков.
Используемый подход основан на применении полносвязной нейронной сети прямого распространения с пятью скрытыми слоями для моделирования аппроксимирующей нелинейной функции, связывающей измерения антенных температур каналов прибора и «эталонные» величины температур и влажности на различных изобарических уровнях. При этом в качестве «эталонных» профилей используются результаты расчетов численных прогностических моделей. Помимо антенных температур используется информация о географической широте, рельефе подстилающей поверхности и угле наблюдения, что в свою очередь позволяет повысить качество получаемых продуктов.
Валидация полученных результатов осуществлялась с использованием данных реанализа численной прогностической модели ECMWF и радиозондирования атмосферы в различных условиях, включая несколько типов подстилающей поверхности, наличие и отсутствие облачности и осадков, а также температурных инверсий. Кроме того, был проведен сравнительный анализ атмосферных профилей, получаемых с использованием зарубежного программного комплекса MiRS применительно к данным радиометра ATMS спутника NOAA-20.
По результатам проведенных исследований установлено, что среднеквадратичная погрешность оценки профилей температуры не превышает 3.0 К у поверхности земли и 2.0 К в слое атмосферы. Анализ ошибок показал, что наибольшая погрешность наблюдается в горной местности (до 3.4 К), а основным источником ошибок в нижней части тропосферы являются приземные температурные инверсии. Максимальная погрешность оценки относительной влажности составила до 37% при сравнении с результатами радиозондирования в районе тропопаузы, а при сравнении с данными реанализа ECMWF не превышает 20% во всем атмосферном слое.