Линейные и нелинейные методы определения температуры морской поверхности

Требования к точности дистанционного определения температуры морской поверхности (ТМП) в инфракрасном и микроволновом диапазоне, выдвигаемые климатическими программами, возрастают от 0,5 до 0,3К. Реализуемый уровень шумового сигнала в зондировщиках с охлаждаемыми приемниками излучения составляет 0.05К. Различие достижимой точности и уровня шума возникает как из-за многопараметричности генерации излучения поверхности и его трансформации в атмосфере, так и в следствие стремления к широкой полосе захвата при сканировании по поверхности, что приводит к ограничению времени и числа измерений. Валидация результатов измерений и методов определения температуры осуществляется несколькими методами: - сравнением температуры поверхности Тr, полученной из спутниковых измерений с учетом влияния атмосферы, с радиационной температурой поверхности Тs, измеренной приборами-аналогами на судах в подспутниковых полигонах; - сравнением с датчиками температуры воды на буях; - сравнением с модельными расчетами с использованием данных аэрологических зондов. Применяемые в оперативной практике методы перехода от измеряемой интенсивности излучения к температуре поверхности Тr последовательно развивались в следующей последовательности:
1. Многоканальные методы (MCSST). Измеряется интенсивность уходящего излучения и соответствующая радиационная температура Тbi (i- номер канала) в нескольких, обычно в 2-3, спектральных интервалах в области “окон прозрачности” атмосферы. Линейная зависимость температуры поверхности Тr от значений температуры Тbi обосновывается линейным приближением функции пропускания атмосферы от оптической толщи и коэффициентов поглощения в спектральных каналах (Deschamps, Phulpin, 1980).. Используя выборку массива значений температуры воды, измеренной с помощью буев, методом регрессионного анализа определяются коэффициенты перехода от значений температуры Тbi к температуре поверхности Тr. В результате метод характеризуется значением диапазона изменения массива значений ТМП, климатическими и географическими условиями региона сопоставления, средним отклонением и среднеквадратичной ошибкой σ. Для радиометров AVHRR на спутниках NOAA для умеренных широт получено σ в диапазоне 0,5-0,7К. Однако ошибка возрастает для измерений в районах низких и высоких широт. Возрастание ошибки вызывается нелинейностью модели. Отчасти это увеличение ошибки учитывается в улучшенном нелинейном методе для условий Тr более 295К.
2. Улучшенный многоканальный метод (cross-product CPSST). В этом методе вводится зависимость коэффициента для произведения разности радиационной температуры в двух каналах от самой температуры. Количество коэффициентов в уравнении регрессии возрастает до 6-8 вместо 3 для простого двухканального метода. Введение нелинейности позволяет устранить увеличение ошибок для диапазона изменения температуры поверхности Тs. до значений, характерных для тропиков (Walton, 1988).
3. Метод учета содержания водяного пара в атмосфере. (WVSST). В этом методе в уравнение регрессии включается произведение общего содержания водяного пара на разность радиационной температуры в двух каналах. Это позволяет представить разложение функции пропускания атмосферы в виде многочлена второго порядка, что уменьшает ошибки в районах с большой влажностью (Emery, 1994).
4. Квадратичный метод (QDSST). Отсутствие сведений о содержании водяного пара в атмосфере компенсируется введением в уравнение регрессии квадрата разности радиационной температуры в двух каналах. Отмечается, что такой прием сопровождается некоторым увеличением среднего значения температуры Тr (Emery, 1994). .
5. Метод региональных констант. Региональные центры обработки данных накапливают и хранят массивы данных локальных измерений температуры морской поверхности с максимальным пространственным разрешением. При обработке текущих данных в уравнении регрессии используют значение локальной температуры поверхности, полученное за предыдущие сутки (Hosodai et al., 2007). Тем самым учитывается термическая инерция больших водных масс при повторяющихся метеоусловиях, что стабилизирует решение.
Приведенные методы применяются в различных сочетаниях при обработке данных радиометров Modis функционирующих спутников Terra, Aqua и радиометра SEVIRI на GOES (Merchant, Le Borgne, 2004). Используются два канала с центрами 11 и 12 мкм, расположенные в соседних участках спектра в пределах общего окна прозрачности атмосферы. По этой причине способ получил название метода расщепления (split-window). Дополнительно в ночное время используется участок спектра 3,7 мкм, в котором, однако, днем имеется составляющая отраженного солнечного излучения. Все перечисленные методы предназначены для работы в безоблачных условиях или в условиях, позволяющих устранить облачные пикселы. При сканировании по пространству с изменением зенитного угла увеличение воздушной массы m учитывается введением множителя m-1. Используемые алгоритмы обработки данных измерений отраженного солнечного излучения в каналах видимого и ближнего инфракрасного диапазона спектра позволили установить значительное ослабление интенсивности излучения в диапазоне 10-13 мкм в периоды сильных вулканических извержений, продукты которых длительное время сохраняются в верхней атмосфере. Это усилило понимание роли аэрозоля в задаче определения температуры поверхности. Эффективным методом учета как молекулярного газового ослабления, так и аэрозольного ослабления излучения в атмосфере является измерение углового распределения излучения, формируемого одним и тем же участком поверхности, под несколькими зенитными углами.
6. Угловые и спектрально-угловые методы. Угловые и спектрально-угловые методы определения ТМП (Городецкий, 1989) адекватно учитывают реальное состояние и замутненность атмосферы, в том числе и влияние слоистой структуры аэрозольных слоев. Изучение трансформации излучения в области 10-12 мкм по высоте в атмосфере, проведенное в различных условиях с помощью радиометров с борта самолета, позволило подготовить базу для осуществления и применения таких методов на спутнике “Космос-1151”. Применительно к задаче определения температуры поверхности Тr разработан метод нулевой воздушной массы, реализованный для измерений излучения под тремя зенитными углами (Городецкий, 1985 и Малкевич, Горолецкий, 1985). Ошибки метода приводятся в работе (Городецкий, Мамедов, 1988). Вместе с тем необходимо отметить, что стремление к большой полосе захвата по земной поверхности естественным образом ограничивает число измерений с различными воздушными массами для выделенного пиксела на поверхности. Некоторый компромисс реализуется для измерений под двумя углами.
7. Измерения под двумя зенитными углами. Измерения осуществлены с радиометрами ATSR-1,2 и AATSR на спутниках ERS-1,2 и ENVISAT. Сканирование проводится с зенитными углами от 0 до 21,6 градуса для надирного положения и от 52,4 до 55 градуса для направления вперед по полету. Наклон оси конуса сканирования по отношению к надиру обеспечивает полосу захвата 500 км. Измерения в видимом участке спектра дают возможность определять аэрозольную оптическую толщу и учитывать ее в задаче определения температуры поверхности. Метод применяет байесовскую вероятностную стратегию с использованием большого массива данных предварительного решения прямой задачи переноса излучения (Embury, Merchant, Corlett, 2012). Накопленные базы данных подвергаются реанализу и сопоставлению с данными измерения температуры на буях с максимально возможным учетом состояния морской поверхности и условий измерений. Целью реанализа является установление причин различия средних и модальных значений ТМП и вариации отклонений, возникающих для измерений с разных спутников в двух и трех каналах под одним и двумя зенитными углами (Le Borgne et al.,2012). Делается вывод, что для адекватного учета скин-слоя представительной является редукция от радиационной температуры к температуре, измеренной на буях (Embury, Merchant, Corlett, 2012).
Перспективным направлением методов определения температуры морской поверхности является сочетание спектрально-углового метода сканирующих радиометров с высоким пространственным разрешением Фурье-спектрометров. Это сочетание значительно повышает возможности измерения как температуры поверхности, так и оптической толщи атмосферы.