Методы и программные средства моделирования условий исследования малоразмерных аномалий нижней тропосферы спутниковыми СВЧ радиометрическими комплексами

СВЧ радиометрические зондировщики в настоящее время являются основными поставщиками актуальной информации о температурно-влажностных профилях атмосферы, тем самым определяя уровень развития средств и методов наблюдения температурно-влажностных характеристик атмосферы. Получаемые на базе этой информации оценки параметров атмосферы имеют точности восстановления и вертикальное разрешение примерно в 2-3 раза ниже требований ВМО, а горизонтальное разрешение – ниже примерно в 3-5 раз. Эти требования требуют обеспечения точностей восстановления температуры и относительной влажности не хуже 7 К и 10 %, соответственно, а пространственного разрешения – порядка 12 км. Широко применяемые в настоящее время для зондирования атмосферы СВЧ радиометрические комплексы (в частности, ATMS SUOMI-NPP (NASA, NOAA, США) и МТВЗА-ГЯ (Россия)) не позволяют достичь этих точностей в значительной степени потому, что исчерпали потенциал развития используемой ими технологической базы.
Для решения указанной проблемы повышения точностей восстановления температурно-влажностных профилей, как показывает проведенный в рамках работы анализ, целесообразно использовать гиперспектральные СВЧ радиометрические средства спутниковых наблюдений сантиметрового и миллиметрового диапазонов. По оценкам, приведенным в докладе на базе литературных источников, это в конечном итоге даст возможность снизить ошибки восстановления температуры и влажности примерно на 35-40% и увеличить вертикальное разрешение примерно в 2 раза. При этом требуемое улучшение пространственного разрешения по горизонтали, по нашим предварительным оценкам, может быть достигнуто средствами пассивного синтеза апертуры распределенной антенной системы.
Для успешной реализации проекта создания СВЧ радиометрического гиперспектрометра (СВЧ РГ) необходимо его постоянное научно-методическое сопровождение, включающее, в качестве одного из базовых элементов, и разработку специального моделирующего программного обеспечения (СМПО), необходимого для оптимизации, проверки (тестирования) и верификации разрабатываемых технических и научно-методологических решений. Создание такого специального программного обеспечения и является основной целевой задачей представленной работы. Предполагается, что указанное СМПО будет востребовано на всех этапах реализации проекта СВЧ РГ, начиная с моделирования процедур измерения радиояркостных характеристик системы атмосфера – подстилающая поверхность на этапе проектирования и отладки научной аппаратуры и заканчивая решением обратных задач при тематической обработке получаемых экспериментальных данных.
В докладе представлены результаты разработки средств СМПО, обеспечивающих
• генерацию температурно-влажностных профилей атмосферы, в том числе с учетом их пространственной статистической связности в различных погодно-климатических условиях,
• оценки спектров радиотеплового излучения атмосферы миллиметрового – сантиметрового диапазонов, наблюдаемых с аэрокосмических платформ (с использованием возможностей симулятора ARTS),
• формирование радиационных характеристик поверхности суши при наличии растительности,
• моделирование функционирования перспективных СВЧ гиперспектральных радиометрических комплексов,
• получение оценок информационной емкости СВЧ радиометрических гиперспектральных комплексов,
• формирования и верификации технических требований к антенным системам СВЧ радиометрических комплексов с распределенной апертурой для наблюдения Земли из космоса.
Исследование выполнено при поддержке РФФИ в рамках научных проектов №16-07-00956, 16-29-09615.