Мензель П. Применение метеорологических спутников

Подождите немного. Документ загружается.

Пол Мензель

Применение метеорологических спутников

Оглавление

Глава 1 Развитие спутниковой метеорологии 2

1.1 До спутников 2

1.2 Развитие полярно-орбитальных cпутников 3

1.3 Геостационарная программа 14

1.4 Возможности обработки данных 22

1.5 Заключение 23

Глава 2 Природа электромагнитного излучения 31

2.1 Дистанционное измерение электромагнитного излучения 31

2.2 Основные понятия 31

2.3 Основные законы излучения 33

2.4 История закона излучения Планка 35

2.5 Вспомогательные законы излучения 39

2.5.1 Закон смещения Вина 39

2.5.2 Закон теплового излучения Рэлея-Джинса 41

2.5.3 Закон излучения Вина 41

2.5.4 Закон Стефана-Больцмана 42

2.5.5 Яркостная температура 43

P. Menzel Applications with meteorological satellites, 2001, SAT-28, WMO TD N°1078.

Мензель Пол. Применение метеорологических спутников. Технический документ

ВМО No.1078. – 2001. Перевод Н. Федосеевой

Глава 1

Развитие спутниковой метеорологии

1.1 До спутников

С колониальных времен интерес к погоде текущего и последующего дня

привел к попыткам зондирования атмосферы Земли. Исследование атмосферы

до ракет и спутников, выводящихся на околоземную орбиту, заключалось, в

основном, в запуске воздушных шаров и змеев. К ним прикрепляли приборы

для измерения температуры и давления и вдобавок разрабатывали методы

регистрации данных. Среди ранних метеорологических наблюдений наиболее

известными являются запуски воздушных змеев Бенджамином Франклином. В

начале двадцатого века, Бюро Погоды США организовало сеть регулярных

наблюдений, проводимых с помощью воздушных змеев, которая состояла не

более чем из семи станций. Согласно данной программе по исследованию

атмосферы, воздушные змеи запускались на высоту до 3-4 миль в течение 4-5

часов. Наматывание бечевы воздушного змея на катушку редко обходилось без

проблем, о чем свидетельствует этот отчет Бюро по запускам воздушных змеев.

Было похоже, что приближается гроза… Мой мотальщик и я начали

подтягивать воздушного змея. Когда змей еще находился на высоте 3,000

футов, другие очевидцы увидели, что в него ударила молния. Мы перестали

сматывать. При выстреле 6-ти дюймового морского орудия я был

практически напротив него, но этот звук был очень тихим по сравнению со

звуком взрыва, который мы услышали в катушке. К счастью, мотальщик был в

резиновых галошах, а я нет, поэтому подошвы моих ботинок обгорели.

Случается, что когда змей ведет себя не так как следует, происходят по-

настоящему нелепые события. Иногда операторы бывают сбиты с ног и змей,

которого они пытаются опустить, тащит их по земле, в то время как

уличные мальчишки выкрикивают в их адрес разные колкости.

Но даже с учетом подобных проблем, воздушные змеи были более

практичными, чем управляемые человеком воздушные шары, и их

использование продолжалось до 1933 года, пока им на смену не пришли

аэропланы.

Быстрое развитие аэропланов во время Первой мировой войны дало

толчок к развитию новых способов проведения наблюдений в верхних слоях

атмосферы. В 1925 году Бюро приступило к выполнению экспериментальной

программы ежедневных наблюдений, получаемых с датчиков, которые

крепились на крыльях самолетов. Сравнительно легкий способ получения этих

данных вскоре показал, что эра воздушных змеев полностью завершилась.

Благодаря полетам летательных аппаратов стало возможным проведение

наблюдений над достаточно большими территориями, и начались ранние

попытки описания погодных изменений.

В 1929 году Роберт Годдард запустил ракету с полезной нагрузкой,

включающей барометр, термометр и фотоаппарат. Эта попытка часто

рассматривается как отправная точка метеорологических спутниковых

программ. Достижения в области ракетных технологий в течение Второй

мировой войны позволили получить первые композиционные фотографии

верхнего слоя атмосферы. Одновременно достижения в разработке

телевизионных камер сделали возможным создание первых метеорологических

спутников.

1.2 Развитие полярно-орбитальных cпутников

Началом эры спутниковой метеорологии стал день запуска Советским

Союзом спутника №1 04 октября 1957 года. Со спутника №1 были получены

первые изображения атмосферы и поверхности нашей планеты из космоса.

Соединенные Штаты ускорили свои разработки, чтобы 01 апреля 1960 года

запустить первый метеорологический спутник ТИРОС-1. Сразу же стали

явными значительные преимущества использования спутниковой платформы

для проведения метеорологических измерений над большими территориями.

Впервые были получены полные изображения облачных систем, связанных с

крупномасштабными погодными системами. С этого времени оперативная

метеорологическая спутниковая программа стала быстро развиваться. Всего

было запущено десять спутников серии ТИРОС (последний 2 июля 1965 года),

на которых были установлены системы телекамер «видикон» для получения

видимых изображений в дневное время и пассивные инфракрасные радиометры

для съемки, как днем, так и ночью. Важные этапы программы ТИРОС

включали в себя:

(a) автоматическую передачу изображений (АПИ), технологию,

которая впервые была применена на спутнике ТИРОС – VIII; в настоящее

время очень простые наземные приемные станции по всему миру могут

получать изображения со спутника в реальном времени – AПИ была признана

одним из величайших американских «послов доброй воли» (Popham, 1985);

(b) переход к съемке в надир, начиная со спутника ТИРОС-IX, которая

заключается в том, что телевизионное изображение получается в тот момент,

когда камера направлена непосредственно в подспутниковую точку, что

позволило облегчить географическую привязку спутниковых изображений;

спутник на каждом смежном витке орбиты пересекает экватор в одно и то же

солнечное местное время. Это позволило создавать глобальные мозаики

спутниковых изображений и открыло дорогу ряду важных научных проектов,

включая Всемирную программу исследования климата.

Экспериментальная серия спутников ТИРОС уступила дорогу девяти

оперативным спутникам серии ТОС, запускавшихся в период между 1966 и

1969 гг., и называемых от ESSA – 1 до ESSA – 9, по аббревиатуре головного в

то время ведомства: Environmental Science Services Administration (Управление

по изучению окружающей среды). Параллельно с серией оперативных

спутников ESSA, НАСА разработала и поддерживала серию исследовательских

спутников «Нимбус», одной из главных целей которой было служить в

качестве полигона для тестирования оборудования будущих полярно-

орбитальных оперативных спутников. В этой области программа оказалась

очень плодотворной (трехосная стабилизация, усовершенствованная система

камер видикон, инфракрасные построители изображений, микроволновые

радиометры, инфракрасные атмосферные зонды). Более детально о влиянии

инструментария «Нимбус» на оперативные полярно-орбитальные спутники

можно найти в статье Allison и др. (1977). Серия «Нимбус» обеспечила

научную базу и заложила фундамент для использования спутниковых данных в

ряде прикладных наук о Земле. Гасс и Шапиро (1982) опубликовали

превосходный обзор достижений серии «Нимбус» в области метеорологии,

океанографии, гидрологии, геологии, геоморфологии, географии, картографии

и сельского хозяйства. Они отмечают, что программа «Лэндсат» своими

корнями уходит непосредственно к «Нимбус».

Спутники «Нимбус» использовались также для проведения глобальных

погодных экспериментов, организованных Комитетом по космическим и

атмосферным исследованиям (КОСПАР). Решения и публикации 6-ой Рабочей

группы КОСПАР послужили основой для общей структуры и детального

состава экспериментальной спутниковой наблюдательной системы в рамках

Первой Программы по атмосферным исследованиям (First Global Atmospheric

Research Programme Global Experiment) и для последующей международной

оперативной спутниковой системы.

Значительные достижения серии спутников ESSA заключались в

глобальном покрытии, обеспечиваемым бортовыми системами записи на

нечетно пронумерованных космических аппаратах, и AПИ на четно

пронумерованных спутниках. Как и предсказывали Оливер и Фергюсон (1966),

глобальное покрытие, достигаемое размещением на борту записывающих

устройств, позволило NESS ( National Environmental Satellite Service) впервые

обеспечить центры прогнозирования погоды оперативными спутниковыми

данными. Согласно работе Оливера и др., (1964), струйные течения, ложбины и

гребни средней тропосферы и очаги турбулентности без труда распознавались

на снимках ESSA. Хотя целесообразность использования спутниковой съемки

для обнаружения и слежения за тропическими штормами была признана почти

сразу же (Sadler, 1962), эта возможность не была реализована до тех пор, пока

не был обеспечен оперативный обзор со спутников ESSA, и методики оценки

интенсивности ураганов со спутников не стали регулярной частью прогнозов

погоды (Дворак, 1972). За серией ESSA последовала серия спутников

следующего поколения ТOS (ITS), которая позволила объединить возможности

глобального дистанционного покрытия и AПИ на одном спутнике. Первый из

операционных спутников с трехосной стабилизацией, ITS-1, был запущен в

Январе 1970 года. Трехосная стабилизация позволила сканирующим

радиометрам на оперативных метеорологических спутниках обеспечивать

съемку в инфракрасном диапазоне, как днем, так и ночью. Запуск спутника

NОАА-2 15 Октября 1972 года стал значимым событием для оперативной

программы мониторинга облачного покрова, он ознаменовал окончание эры

телевизионных камер видикон и начало эры многоканальных радиометров

высокого разрешения. Телевизионные камеры уступили дорогу калиброванным

сканирующим радиометрам, хотя изначально датчик VHRR (Very High

resolution Radiometer) мог обеспечивать данные только в видимом и

инфракрасном диапазонах. Следующим важным шагом стал запуск спутника

ТИРОС-Н в октябре 1978 года. Основным прибором для получения снимков на

ТИРОС-Н был четырехканальный датчик (AVHRR Advanced VHRR). Согласно

статье Рао и др., (1990) запуск этого спутника сделал доступными не только

данные съемки в дневное и ночное время в видимом и инфракрасном каналах,

но и данные для определения температуры поверхности моря, оценки

компонент теплового баланса, и идентификации снега и морского льда.

Радиометр AVHRR быстро стал пятиканальной системой, причем во всех

каналах обеспечивалась съемка в надир с разрешением 1.1 км. Следующие

каналы являлись основой данной системы съемки: (a) 0.58-0.68 мкм; (b) 0.72-1.1

мкм; (c) 3.55-3.93 мкм; (d) 10.3-11.3 мкм; и, (e) 11.5-12.5 мкм.

В связи с успешным получением глобального изображения атмосферы и

земной поверхности, завершенным в 1964 году, главный акцент сместился в

сторону измерения вертикального распределения температуры и влажности в

атмосфере для лучшей калибровки глобальных численных моделей прогноза

погоды. Кинг (1958) и Каплан (1959) опубликовали работы, в которых

говорилось о том, что температуру атмосферы или концентрацию разряженного

газа можно представить в виде функции уровня атмосферного давления. Кинг

показал, что измерения атмосферы при нескольких тангенциальных углах

обзора также могут обеспечить информацию об изменении температуры с

высотой. Каплан предположил, что это может быть выполнено с помощью

измерений в нескольких узких и тщательно отобранных спектральных

интервалах, путем инверсии процесса радиационного переноса. Температурные

профили получают, используя интенсивность излучения CO

в атмосфере, а

концентрация влаги затем выводится, основываясь на интенсивности излучения

O в атмосфере. Приземные температуры оценивают из наблюдений в

спектральных диапазонах, где атмосфера наиболее прозрачна. Варк и Флеминг

(1966) подробно изложили методы косвенных измерений атмосферных

профилей со спутников.

Метеорологические наблюдения из космоса производятся посредством

измерения уходящей электромагнитной радиации. Уходящая от земли в космос

радиация изменяется с длиной волны по двум причинам: (a) из-за зависимости

функции Планка от длины волны; (b) из-за поглощения атмосферными газами с

разной молекулярной структурой (CO

, H

O, O

...). На рисунке 1.1 показан

инфракрасный спектр излучения Земли. Вблизи полос поглощения газов,

входящих в состав атмосферы, могут быть получены вертикальные профили

атмосферных параметров. Зондирование в спектральном диапазоне в центре

полосы поглощения регистрирует излучение от верхних слоев атмосферы (т.е.,

радиация, идущая с нижних слоев, уже была поглощена атмосферным газом);

зондирование в спектральных областях вдали от центра зоны поглощения

регистрирует излучение от нижележащих слоев атмосферы. Зоны,

располагающиеся вдали от полос поглощения – это окна к нижней границе

атмосферы. В 1969 году IRIS (Инфракрасный спектрометр интерферометр)

зарегистрировал приземные температуры около 320

K в диапазоне,

соответствующему окну прозрачности, с центральной длиной волны 11 мкм, и

излучение тропопаузы порядка 210

K в полосе поглощения с центральной

длиной волны 15 мкм. По мере приближения спектральной области к центру

полосы поглощения CO

, яркостная температура уменьшается вследствие

уменьшения температуры с высотой в нижних слоях атмосферы.

Было выдвинуто предположение, что при тщательном выборе

спектральных каналов в центре и вблизи полос поглощения, многозональные

наблюдения могут обеспечить информацию о вертикальной структуре

температуры и влажности в атмосфере. Концепция восстановления данных по

вертикальному распределению основана на том факте, что поглощение и

пропускание атмосферы сильно зависит от частоты радиации и количества

поглощающего газа. При частотах близких к центрам полос поглощения

небольшое количество газа приводит к значительному ослаблению

трансмиссии; следовательно, больше всего уходящей радиации поступает от

верхних слоев атмосферы. При частотах далеких от центров полос поглощения

для ослабления пропускания требуется относительно большое количество

поглощающего газа; соответственно, уходящая радиация поступает с нижних

слоев атмосферы. Однако восстановление температурных профилей

усложняется тем фактом, что измеренная для определенной длины волны

уходящая радиация поступает скорее с большой глубины (приблизительно 10

км) атмосферы. Кроме того, зарегистрированная в соседних спектральных

областях радиация поступает от глубоких перекрывающихся слоев. Это

является причиной того, что радиационные наблюдения являются зависимыми,

а решение обратной задачи с помощью уравнения радиационного переноса для

восстановления вертикального распределения температуры не является

единственным. Для того, чтобы наложить ограничения на решение уравнения

восстановления температурных профилей, требуются различные аналитические

подходы и типы вспомогательных данных.

Первое восстановление температурных профилей было осуществлено с

помощью инфракрасного спутникового спектрометра (SIRS), дифракционного

спектрометра на борту «Нибус»-3, в 1969 году. (Варк и др., 1970). Сравнение с

данными наблюдений, полученными с радиозонда, показало, что вертикальные

профили температуры, полученные со спутника, были характерно

осредненными, со сглаженными деталями вертикального распределения.

Главные проблемы ранних наблюдений с помощью SIRS были вызваны

наличием облачности в пределах зоны обзора прибора, 250 километрового

диаметра. Наблюдения с SIRS также проводились только в надир,

соответственно существовали большие пробелы в данных между смежными

витками орбиты. Несмотря на эти проблемы, данные SIRS, оказались настолько

перспективными в плане преимуществ анализа текущей погоды и

прогнозирования, что стали использоваться в оперативной практике с 24 Мая

1969 года, всего лишь месяц спустя после запуска спутника, (Смит и др., 1970).

Пример вклада данных SIRS в модельный анализ показан на рисунке 1.2. В

полезную нагрузку «Нимбус-3» также входили инфракрасный спектрометр

интерферометр (IRIS), интерферометр Майкельсона, который измерял

вторичное излучение Земли с высоким спектральным разрешением (5см

-1

IRIS имел 100 километровое разрешение, а наблюдения проводились только в

надир, вдоль траектории движения спутника. Измеренный с помощью этого

интерферометра спектр излучения Земли позволил выявить неизвестные до

того времени детали о полосах поглощения углекислого газа, водяного пара и

озона (Хэнел и др., 1971).

В 1972 году был разработан проект, позволяющий сократить влияние

облачности за счет более высокого пространственного разрешения (30 км) и

использования пространственно непрерывных наблюдений, ставших с тех пор

возможными благодаря возможности сканирования не вдоль, а поперек

траектории движения спутника. Что стало возможным благодаря

использованию семиканального инфракрасного радиометра ITPR на борту

«Нимбус-5» (Смит и др., 1974a). С использованием метода обзора смежных

полей, стало возможным определять значения чистой радиации, предполагая,

что различия в интенсивности излучения между двумя смежными полями

обзора существуют только из-за количества облаков. Концепция ITPR была

крайне успешной для уменьшения влияния облачности в задачах

синоптического масштаба. Действительно, зондирование земной поверхности

стало тогда возможным над 95 процентами Земного шара со средней полосой

обзора порядка 250 морских миль.

Также на борту «Нимбус-5» находилось первое микроволновое

зондирующее устройство - экспериментальный микроволновый спектрометр

(NEMS) - пятиканальный прибор, производящий наблюдения в надир (Стэлин и

др., 1973). NEMS продемонстрировал возможность зондирования сквозь

облачный покров даже в условиях сплошной плотной облачности. Было

достигнуто хорошее согласование результатов зондирования радиозонда, ITPR

и NEMS. Было выявлено, тем не менее, что лучшие результаты могут быть

достигнуты при объединении данных инфракрасного и микроволнового

диапазонов в процессе восстановления температурных профилей, тем самым,

позволяя получить максимум доступной информации о температуре,

независимо от условий облачности (Смит и др., 1974).

Третий спутник серии ITS был запущен в середине октября 1972 года под

названием NOAA-2, по названию головного ведомства, переименованного в

Национальную администрацию по исследования океана и атмосферы США

(NОАА). На его борту был установлен первый радиометр VHRR и радиометр

VTPR, с помощью которого стало возможным оперативное термодинамическое

зондирование. В то время как ранее вклад в численные модели прогноза погоды

опирался на интерпретацию изображений облаков с помощью программы с

легко запоминающейся аббревиатурой SINAP (Satellite Input to Numerical

Analysis and Prediction, Нейджел и Хайден, 1971), с этого момента результаты