Использование данных ИК-зондирования при выборе СВЧ-модели облачной атмосферы

В случае безоблачной атмосферы многие задачи спутникового дистанционного зондирования могут быть разрешены с вполне удовлетворительной точностью средствами видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов. Все возрастающее значение при этом имеют новые мульти- и гипер- спектральные методы исследования. Это касается, как технологий атмосферного, так и поверхностного зондирования. Безусловным преимуществом ИК-технологий является повышенное, по сравнению с СВЧ-радиометрией, пространственное разрешение. Тем не менее, остается значительное количество задач ДЗЗ, которые удается решать только с помощью средств спутниковой СВЧ радиометрии [1]. Кроме этого, говорить о возможной конкуренции технологий видимого или ИК диапазонов с СВЧ технологиями становится бессмысленным при появлении в атмосфере значительной облачности или интенсивных осадков. СВЧ радиометрия по-прежнему является наиболее универсальной технологией, позволяющей оценивать интегральные показатели атмосферы и восстанавливать 3D-распределения влажности и температуры, как при безоблачной погоде, так и в условиях плохой видимости и сложной метеообстановки. Статистика облачности на планете характеризуется сильной регионально-сезонной зависимостью. При этом вероятность наличия облачности во многих значимых с точки зрения климатологии и прогноза погоды регионах превышает 50%. Например, летом в Арктике на фоне таяния больших масс льда и снега устанавливается преимущественно пасмурная погода с повторяемостью облачности свыше 80%. Таким образом, в контексте общих требований повышения качества восстановления параметров системы «атмосфера – подстилающая поверхность» необходимо искать новые возможные направления развития и улучшения технологии всепогодного СВЧ атмосферного зондирования.
В работе [2] было показано, что любая дополнительная по отношению к обычно используемым среднеклиматическим характеристикам априорная информация о состоянии атмосферы способствует повышению эффективности функционирования применяемых алгоритмов. В частности, это было показано для задачи восстановления атмосферных профилей температуры и влажности по данным спутниковых СВЧ радиометрических наблюдений. В качестве источников подобной информации рассматривались наземные измерения на калибровочных и тестовых участках, а также данные с регулярно запускаемых метеорадиозондов. Дополнительную достаточно важную информацию о распределении поля осадков можно также получать, используя данные национальной сети метеолокаторов. Однако уточняющей информации от такого рода источников присущ своего рода «кусочно-непрерывный» характер распределения, и, фактическое отсутствие его над обширными районами поверхности морей и океанов. Возможным вариантом непрерывного получения и использования подобной дополнительной информации, к тому же «привязанной по времени и пространству» к текущему процессу микроволнового зондирования, является технология совместной обработки данных ИК и СВЧ сканирующих систем с согласованным режимом поперечного сканирования. Примером может служить семейство многоканальных микроволновых (СВЧ) атмосферных зондировщиков: MSU – AMSU – ATMS [3, 4] и ИК-сканеров, начиная с AVHRR [5] и более поздних. Данные ИК-сканирования позволяют повысить качество решения обратной задачи ДЗ в СВЧ диапазоне путем обоснованного выбора расчетной модели облачной атмосферы и оценки ее параметров. Это достигается за счет предварительной сегментации радиоизображения по оценке совмещенного с ним ансамбля ИК-данных и описания структуры облачности, входящей в поле зрения СВЧ-антенны. Напомним, что при съемке над облаками в тепловом ИК диапазоне яркостная температура практически равна температуре атмосферы на высоте верхней границы облака, что выделяет его на фоне более горячих нижних слоев. В ближнем ИК-диапазоне при освещении Солнцем, наоборот, облако выглядит более ярким и «горячим». Это означает возможность попиксельно определить наличие или отсутствие облака, т.е. долю покрытия облачностью в поле зрения антенны СВЧ-радиометра. А с учетом зависимости радиационных характеристик облаков от их типа и мощности возможно также дополнительное уточнение существующей картины. Т.о. можно рассчитывать на существенное повышение эффективности функционирования алгоритмов восстановления атмосферных профилей по данным спутниковых СВЧ радиометрических наблюдений за счет введения в расчетную модель температур на вершине облаков и на уровне подстилающей поверхности, высоты ВКО, бинарной маски облачности и пространственного распределения ее фазового состава в поле зрения антенны. Представляется также вполне вероятным использование каких-то комбинаций из показаний различных ИК-каналов в качестве показателей структурных и термодинамических особенностей текущего состояния атмосферы. В докладе рассматриваются некоторые аспекты предлагаемого подхода на примере данных, полученных с помощью аппаратуры MODIS [6-11].
Работа выполнена в рамках ГЗ по теме 0030-2019-0008 “Космос” и при поддержке грантов РФФИ 20-07-00200А и 20-02-00703А.