Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

наблюдаются в любом пункте земного шара в то или иное время. На-

клонные ИСЗ проектируются на поверхность Земли только в пределах

широт Δ

= ± i.

Все ИСЗ могут разделяться на прямые и обратные. Прямые

движутся в направлении вращения Земли с запада на восток, для них

0° ≤ i ≤ 90°; обратные — с востока на запад и для них 90° < i < 180°.

Искусственные спутники Земли разделяются на периодические

и непериодические. Период вращения первых кратен периоду обраще-

ния Земли. Ввиду этого положение спутника относительно поверхно-

сти Земли каждые сутки повторяется. Непериодические спутники этим

свойством не обладают.

По высоте орбиты ИСЗ могут быть разделены на три группы:

низкоорбитальные, среднеорбитальные и высокоорбитальные. В пер-

вую группу включены сутники, запускаемые на высоты 200–500 км. К

ним относятся пилотируемые космические корабли, орбитальные кос-

мические станции. Вторая группа представлена спутниками, запускае-

мыми на высоты от 500 до нескольких тысяч километров. На этих вы-

сотах летают спутники метеорологического, геодезического, астроно-

мического назначения. К третьей группе относятся спутники с высотой

полета в десятки тысяч километров. Эти высоты используются для

запуска метеорологических стационарных спутников, технологических

ИСЗ и пилотируемых космических кораблей.

К орбитам метеорологических спутников Земли (МСЗ) предъяв-

ляются определенные требования, основные из которых могут быть

сведены к следующему:

– обеспечение широкой полосы обзора со спутника;

– предоставление возможности получения высокого разрешения

космических изображений объектов атмосферы и земной поверхности;

– обеспечение требуемой для метеорологических наблюдений

периодичности;

– получение метеорологических данных над конкретным гео-

графическим районом в определенное время.

Эти требования могут быть удовлетворены путем выбора высо-

ты, формы и наклонения орбиты, а также путем определения опти-

мального времени запуска МСЗ.

Для максимального охвата земной поверхности наблюдениями

обзорной аппаратурой применяются полярные орбиты. Для получения

изображений над определенным районом Земли в одно и то же мест-

ное время, которое зависит от времени запуска МСЗ, используют так

называемые солнечно-синхронные орбиты, плоскость которых повора-

чивается (прецессирует) синхронно с обращением Земли вокруг Солн-

ца в восточном направлении со скоростью 0,986 град/сут. Орбиталь-

ная плоскость спутника должна быть компланарна с направлением

Земля—Солнце. Необходимая скорость прецессии обеспечивается при

запуске выбором соответствующего угла наклона орбиты к экватору.

В первом приближении скорость прецессии восходящего узла

орбиты

ПA

cos)1(10

5,3−

+−≈Ω

, (2.38)

где Н

и Н

— соответственно расстояния от земной поверхности до

точек апогея и перигея орбиты, r

— экваториальный радиус.

Следовательно, для солнечно-синхронной орбиты угол наклона

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

+−≈

− 5,3

)1(0986,0arccos

ПA

. (2.39)

Так как прецессия в восточном направлении имеет положи-

тельный знак, i

сс

> 90°.

Для метеорологических наблюдений используются круговые

или близкие к ним орбиты. Они обеспечивают упрощение геогра-

фической привязки, обработки и анализа спутниковой информации.

2.2.7. Определение географических координат ИСЗ

Мгновенное положение спутника на небесной сфере можно оп-

ределить сферическими углами, аналогичными географической ши-

роте и долготе. Спроектируем некоторое мгновенное положение спут-

ника на поверхность вращающейся Земли. Назовем эту проекцию под-

спутниковой точкой. Геометрическое место подспутниковых точек,

или проекция орбиты ИСЗ на поверхность вращающейся Земли, назы-

вается трассой ИСЗ.

Форма трассы определяется главным образом наклонением ор-

биты и периодом обращения. Поскольку трасса вычерчивается спут-

ником на вращающейся Земле, угол пересечения трассой экватора все-

гда отличается от наклонения орбиты. В частности, для полярных ор-

бит он отличен от 90°, при пересечении экватора проекция спутника

отклоняется к западу. Для спутников, выведенных на низкую прямую

наклонную орбиту, трасса напоминает синусоиду, многократно опоя-

сывающую земной шар.

Знание трассы ИСЗ важно для выработки целеуказаний. Прием

информации со спутника осуществляется в зоне радиовидимости, оп-

ределяемой для каждого пункта приема. Поэтому необходимо заранее

знать районы, в которых ожидается прохождение спутника.

Для определения географических координат ИСЗ необходимо

широту

, долготу

и радиус-вектор r

спутника выразить через эле-

менты орбиты, т. е. получить зависимость вида:

= f

(а, е, i,

, Ω, t),

= f

(а, е, i,

, Ω, t),

ящий узел,

′ — проекция

нисход

ской широте

, а прямое восхождение Ω — географической долготе

до мери-

диана,

мотрим сферический прямоугольный треугольник

′, S′, D

(рис. 2.5):

.40)

= f

(а, е, i,

, Ω, t).

Элементы орбиты спутника представлены на рис. 2.5. Здесь Ω

— прямое восхождение восходящего узла,

— угловое расстояние

перигея,

— угол истинной аномалии, i — угол наклонения плоскости

орбиты к плоскости земного экватора,

— долгота восходящего узла

относительно Гринвичского меридиана,

— долгота спутника отно-

сительно направления в точку весеннего равноденствия,

— широта

спутника, S — положение спутника на орбите, S′ — проекция спутника

на земную поверхность, П — точка перигея, П′ — проекция перигея на

земную поверхность, А — точка апогея, А′ — проекция апогея на зем-

ную поверхность,

— восходящий узел,

′ — проекция восходящего

узла на земную поверхность,

— нисход

ящего узла на земную поверхность.

Для получения формул, определяющих сферические коорди-

наты спутника, сравним рис. 2.4 и 2.5, где приведены схемы опре-

деления угловых координат спутника с помощью второй эквато-

риальной и сферической систем. Сравнение двух систем координат

позволяет отметить аналогию в определении и отсчете угловых вели-

чин. Так, оказывается, что угол склонения

аналогичен географиче-

На рис. 2.5 видно, что широта отсчитывается по меридиану от

плоскости экватора до проекции спутника, а долгота — по экватору

против часовой стрелки от точки весеннего равноденствия

на котором находится ИСЗ в данный момент времени.

Расс

∪

′

∪

′

,iDS

′

∠

ой тригонометрии для этого треуголь-

ника можно записать

По формулам сферическ

)sin(sinsin

. (2. 41)

)cos(sec)cos(

−

′

P .5. Схема определения географических координат спутника

Развернув синус и косин углов и зам

иc. 2

ус суммы двух енив в них cos

sin

согласно формуле

cos1

cos

−

, получим

[]

1sincos)(cossin

cos1

sincoscossin)sin(

eEeE

−+−

−

ωω

(2.42)

[]

1sinsin)(coscos

cos1

EeE

+−

−

sinsincoscos)cos(

e−

ωω

Подставив в (2.41) выражения (2.42), находим

[

]

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

−+−

−

1sincos)(cossin

cos1

sin

arcsin eEeE

ωωϕ

[

]

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

−−−

−

+Ω=

1sinsin)(coscos

cos1

sec

arccos EeE

ωω

(2.43)

)cos1( Eear

−

Так как средняя аномалия является линейной функцией времени

полета спутника, то обычно выражают координаты спутника через эту

величину. Однако записать выражения для координат через среднюю

аномалию в конечном виде не представляется возможным. Это обстоя-

тельство вызывает необходимость в представлении указанных зависи-

мостей

ты, которые могут быть вычислены с помощью соот-

ношений:

в виде рядов.

При определении географических координат спутника с учетом

возмущающих сил необходимо в систему (2.43) ввести средние эле-

менты орби

aNaa Δ+=

eNee

, ,

TNTT Δ+=

NΔΩ+Ω=Ω

−

)(2

, (2.44)

где количество оборотов спутника определяется формулой

)2(

ωπ

)(2

Δ−

−

формул (2.30)

при ко

движущегося по эллип-

тическ

эфемерид для наземных пунктов приема спутниковой

информации.

a, е, Т, Ω,

— первоначальные значения элементов орбиты. При-

ращения элементов орбиты определяются с помощью

нкретном учете тех или иных возмущающих сил.

Выражения (2.43) с учетом соотношений (2.44) позволяют опре-

делить географические координаты спутника,

ой орбите с учетом возмущающих сил.

Рассмотренная схема определения географических координат

может быть использована для прогнозирования движения спутника.

Прогнозирование движения ИСЗ заключается в расчете его орбиты в

определении

МЕТЕО АНИЕ

АТМОСФЕРЫ ИЗ КОСМОСА

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ИЗ КОСМОСА

ологии (анализ сумеречных явлений, прожекторное зондирова-

ние).

я от 144000 до 390000

км

те

Глава 3

РОЛОГИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВ

3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ

Дистанционные методы измерений достаточно давно и широко

используются при исследованиях разнообразных явлений и процессов

в различных областях науки и техники. Косвенные оптические методы

измерений применяются в астрофизике, оптике и спектроскопии, мо-

лекулярной физике, физике плазмы и т. д. Так, в астрофизике до не-

давнего времени практически всю экспериментальную информацию о

различных объектах вселенной получали на основе интерпретации

измерений электромагнитного излучения в различных областях спек-

тра. Дистанционные методы имеют достаточно долгую историю и в

метеор

Исследования общей циркуляции атмосферы и океана, анализ и

прогноз погоды различной заблаговременности, изучение совре-

менных тенденций изменения климата Земли и контроль факторов, его

определяющих, проблемы охраны окружающей среды, а также много-

численные потребности различных отраслей народного хозяйства тре-

буют периодического получения разнообразной информации о пара-

метрах физического состояния системы атмосфера — подстилающая

поверхность в глобальном масштабе. Существующая и планируемая

сеть прямых измерений, несмотря на постоянное ее совершенствова-

ние и расширение, не способна обеспечить глобальность наблюдений

при разумных затратах на ее организацию и обслуживание. В настоя-

щее время на земном шаре функционирует 800 станций радиозондиро-

вания (из них 650 в северном и 140 в южном полушариях). При этом

на одну станцию радиозондирования приходитс

рритории суши или водной поверхности.

Именно поэтому после запуска первого советского искусст-

венного спутника Земли в 1957 г. начались интенсивные разработки

дистанционных методов измерений и соответствующей аппаратуры

для их реализации. Первый метеорологический спутник Земли (МСЗ)

был запущен в 1962 г. И хотя он позволил исследовать только гло-

бальное поле облачности, этот первый космический эксперимент на-

глядно продемонстрировал огромные потенциальные возможности

нового типа метеорологических наблюдений. В последующие годы в

России, США и ряде других стран были запущены и успешно функ-

ционировали десятки различных МСЗ как оперативного, так и иссле-

довательского характера, позволившие получить очень много разнооб-

разной количественной информации о параметрах физического со-

стояния системы атмосфера—подстилающая поверхность. О совре-

менной роли спутниковых систем наблюдений наглядно говорит сле-

дующий перечень, характеризующий объем различной метеоинформа-

ции, п

ратуры, влаж-

ности

вертикальных профилей давления и температуры

с поля

рных спутников;

ях и автоматических буях, вклю-

чая те

60000 измерений температуры поверхности воды со спут-

ников

личных научных и

прикл

дящего излучения (области спектра, числа, положения, ширины спек-

олучаемой и используемой ежедневно в прогностических целях:

– 2500 вертикальных профилей давления, темпе

и скорости ветра по данным радиозондирования;

– 12000–16000

рных МСЗ;

– 2500 измерений скорости ветра с геостациона

– 50000 наблюдений наземных метеостанций;

– 5500 наблюдений на корабл

мпературу поверхности воды;

–

Рассматриваемые дистанционные методы относятся к обратным

задачам теории переноса излучения. Эти задачи сводятся к решению

некорректных в классическом смысле интегральных уравнений Фред-

гольма 1–го рода. Для решения этих уравнений необходимо использо-

вать специальные регуляризующие алгоритмы, а также располагать

данными о ядре интегрального уравнения (или определять его в рам-

ках регрессионного подхода к решению обратных задач). Ядро задачи

определяется физико-математической моделью переноса излучения и

количественными характеристиками взаимодействия излучения с сис-

темой атмосфера–подстилающая поверхность. Таким образом, в отли-

чие от прямых методов измерений, для которых предварительная гра-

дуировка чувствительного элемента позволяет относительно легко

получать требуемую информацию о состоянии объекта исследования,

косвенные дистанционные методы измерений фактически включают в

себя не только аппаратуру для измерений тех или иных характеристик

полей излучения, но и совокупность алгоритмов и исходной (априор-

ной) информации, используемой в этих алгоритмах для получения ис-

комых параметров. Поэтому точность косвенных методов измерений, а

следовательно, возможности и качество решения раз

адных задач зависят от следующих факторов:

– характеристик спутниковой аппаратуры для измерений ухо-

тральных каналов измерений, времени измерений, угловой апертуры,

абсолютной и относительных погрешностей измерений и т. д.);

– качества и объема априорной информации о закономерностях

переноса излучения, о количественных характеристиках взаи-

модействия излучения со средой и о параметрах физического со-

стояния атмосферы и подстилающей поверхности;

– используемого алгоритма обращения радиационных изме-

рений.

В связи с этим значительное внимание уделено математическим

аспектам дистанционных методов зондирования и проблеме информа-

тивности косвенных измерений, выполняемых с помощью спутнико-

вых наблюдательных систем.

3.1.1. Общая характеристика методов

дистанционного зондирования

Метеорологические величины и метеорологическая инфор-

мация.

Метеорологические величины — это общее название для раз-

личных характеристик состояния воздуха и подстилающей поверхно-

сти, к которым прежде всего относятся атмосферное давление, темпе-

ратура, влажность, ветер, облачность, количество и вид выпадающих

осадков. В последние годы часто, особенно в физике атмосферы и ис-

следованиях окружающей среды, используется близкое понятие —

параметры физического состояния системы атмосфера–подстилающая

поверхность.

Совокупность сведений о состоянии атмосферы и подстилаю-

щей поверхности, задаваемая с помощью значений отдельных ме-

теорологических величин, называется

метеорологической информаци-

ей

. По своему виду метеорологическая информация подразделяется на

первичную, т. е. непосредственно получаемую в результате метеороло-

гических наблюдений, и

вторичную, получаемую на основе обработки

первичной метеорологической информации и обычно представляемую

в форме различных сводок, синоптических карт.

От объема, качества и своевременности поступления первичной

метеорологической информации в значительной степени зависит эф-

фективность ее использования потребителями. В частности, именно

эти параметры первичной метеорологической информации позволяют

достичь точности анализа и успешности прогноза атмосферных про-

цессов. Прогнозирование погоды невозможно без информации о теку-

щем и предшествующих состояниях атмосферы и подстилающей по-

верхности. Причем чем больше заблаговременность прогноза, тем бо-

лее полная и с большего пространства должна поступать информация.

Совокупность требований к первичной метеорологической ин-

формации зависит от целей и задач по ее использованию. Важнейшей

характеристикой первичной метеорологической информации является

точность ее измерения. Требования к точности диктуют требования к

измерительным системам, используемым для проведения метеороло-

гических измерений.

Большое значение имеют также требования к

разрешению в про-

странстве и времени (периодичности) поступающей информации. Ос-

нованием для формирования конкретных требований по степени раз-

решения информации в пространстве и времени является оценка по-

терь и преимуществ, связанных с использованием информации,

имеющей различную степень разрешения и точности. В задачах про-

гноза погоды эти требования возникают также в связи с конкретной

реализацией численных моделей циркуляции атмосферы.

Поскольку основным потребителем первичной метеорологиче-

ской информации является служба погоды, отметим общие требования

качественного характера, предъявляемые этой службой: глобальность,

трехмерность, комплексность, регулярность и синхронность.

Глобальность предполагает, что первичная метеорологическая

информация должна быть получена с территорий, соизмеримых с пло-

щадью континентов, а в идеале — со всего земного шара. Так как раз-

витие атмосферных процессов происходит не только на обширных

территориях, но и в значительной толще воздуха, то и данные наблю-

дений должны характеризовать состояние атмосферы не только над

большими площадями, но и в значительном диапазоне высот, т. е. пер-

вичная метеорологическая информация должна быть

трехмерной.

Поскольку анализ атмосферных процессов включает одновре-

менное рассмотрение полей различных метеорологических величин, то

естественным становится требование

комплексности первичной ин-

формации.

Непрерывный характер и относительно большая скорость из-

менения атмосферных процессов приводят к тому, что самая полная и

качественная метеорологическая информация теряет свою ценность

для прогноза погоды, если она устарела. Поэтому неотъемлемым тре-

бованием к первичной метеорологической информации является

опе-

ративность

ее поступления к потребителю, т. е. она должна быть по-

лучена, обработана и передана потребителю в минимально допусти-

мые сроки.

Очевидным является требование

регулярности осуществления

наблюдений для получения первичной метеорологической информа-

ции. А вот включавшееся до последнего времени требование

синхрон-

ности проведения метеорологических наблюдений (в единые физиче-

ские моменты времени) на всей территории земного шара в настоящее

время не носит столь категоричного характера. Существующие в на-

стоящее время численные схемы анализа и прогноза погоды могут,

наряду с синхронной, использовать и

асинхронную информацию, т. е.

информацию, получаемую в произвольных точках и в произвольные

(не совпадающие между собой) моменты времени. Это очень важно

для метеорологической информации, получаемой с помощью методов

дистанционного зондирования атмосферы и, в частности, для спут-

никовой информации, по своей природе являющейся асинхронной

(иногда такую информацию называют асиноптической).

В последние годы на основе специальных исследований были

сформулированы конкретные требования к получаемой различными

методами метеорологической информации. При этом в связи с исполь-

зованием метеорологической информации при решении многочислен-

ных научных и практических задач в метеорологии, физике атмосфе-

ры, океанологии, климатологии и охране окружающей среды такие

требования могут заметно отличаться как по точности, так и простран-

ственному и временному разрешению, а также необходимому про-

странственному охвату территории наблюдениями. В табл. 3.1 приве-

дены основные характеристики таких требований, возникающие в

проблемах прогноза погоды и исследованиях климата Земли.

Методы измерений в космической метеорологии. Огромное

разнообразие как по физической природе, так и по пространственным

и временным масштабам явлений и процессов в атмосфере и на ее

подстилающей поверхности определяет разнообразие измерительных

средств, используемых для получения метеорологической информа-

ции. Многие из них были заимствованы из смежных областей науки,

ряд других — специально разработаны для метеорологического при-

менения. Хотя в науке и технике существуют строгие терминологиче-

ские стандарты различных типов измерений, в метеорологической ли-

тературе нашла распространение следующая классификация различ-

ных методов измерений.

Прямые измерения — измерения, в которых используются эта-

лоны интересующих нас характеристик (величин) состояния окру-

жающей среды. Это, например, измерения длин объектов с помощью

эталонов расстояний или массы — с помощью эталонов массы и т. д.

Можно отметить, что прямых измерений, в таком понимании, в метео-

рологии и физике атмосферы осталось мало.

Косвенные измерения — измерения, при которых искомое зна-

чение величины находят на основании известной зависимости между