Микроволновое зондирование океана, атмосферы и земных покровов
по данным спутника Метеор-М № 2

В докладе рассмотрены особенности конструкции СВЧ радиометра МТВЗА-ГЯ на метеорологическом спутнике Метеор-М № 2, приведены сведения о функционировании его в космосе и результаты анализа измерений над различными физико-географическими областями Земли. Спутник был запущен 8 июля 2014 г. на солнечно-синхронную круговую орбиту высотой 830 км. 29 каналов радиометра измеряют восходящее излучение Земли в диапазоне от 10 до 190 ГГц в полосе обзора шириной 1500 км. Антенна диаметром 65 см сканирует Землю по конусу под углом θ = 65º к местной нормали. Частоты 42,0 и 48,0 ГГц и зондирование при θ = 65º ранее в спутниковых СВЧ радиометрах не использовались. По измерениям на вертикальной (В) и горизонтальной (Г) поляризациях на частотах f в диапазонах 10-48 и 92 ГГц, где поглощение атмосферы меньше, определялись характеристики подстилающей поверхности и интегральные параметры атмосферы. Оценки температуры и влажности тропосферы и нижней стратосферы выполнялись по измерениям в полосе поглощения кислорода (52-58 ГГц) и в областях линий поглощения водяного пара 22,2 и 183,3 ГГц. По данным телеметрии были определены вариации шумов и усиления каналов радиометра, температуры согласованной нагрузки для внутренней калибровки и др. Внутренняя калибровка каналов МТВЗА-ГЯ (отсчетов n(f)) обеспечила коррекцию вариаций коэффициента усиления на каждом скане. Преобразование n(f) в яркостные температуры Тя(f) выполнялось по расчетным значениям Тя(f) над однородными горячими (леса Амазонки) и холодными (Тихий и Атлантический океан у побережья Антарктиды при слабом ветре и отсутствии облаков) областями (внешняя калибровка). Тя(f) были рассчитаны при численном интегрировании уравнения переноса излучения в системе подстилающая поверхность - атмосфера. Для этого были заданы вертикальные профили давления, температуры и влажности воздуха и параметры поверхности: температуры и соленость воды, коэффициенты излучения леса и др. По значениям n(f) и Тя(ν) для калибровочных областей были определены коэффициенты в связывающих их уравнениях линейной регрессии. По измерениям на восходящих и нисходящих витках были построены глобальные поля Тя(f) которые дают представление о температуре и влажности различных слоев атмосферы, о внетропических и тропических циклонах над океаном, о температуре земных и растительных покровов, Антарктиды и Гренландии. Долговременная стабильность функционирования в космосе МТВЗА-ГЯ высокая, что следует из сравнения временных рядов Тя(f) МТВЗА-ГЯ и AMSR2 (спутник GCOM-W1) над тестовыми областями диаметром 200 км в лесах Амазонки и вблизи станций Concordia (Восточная Антарктида) и Summit (Гренландия). Показания AMSR2 рассматривались в качестве эталонных: радиометр стабильно работает с мая 2013 г., и значения Тя(f) хорошо калиброваны. Изменение разности DТя(f) =Тя(f)AMSR2-Тя(f)МТВЗА-ГЯ за два года (1 октября 2014 г. - 31 мая 2017 г.) было меньше 1 К на большинстве каналов и только на 23.8 и 36.5 ГГц на Г-поляризации достигало 1,7-2,0 К.
Из анализа временных рядов Тя над Амазонкой и результатов моделирования следует, что появление мощной облачности и осадков приводит к уменьшению яркостных температур. Сезонные вариации Тя(f) также были заметны, но не превышали 2-3 К. Над Восточной Антарктидой и Гренландией сезонный ход яркостных температур был отчетливо выражен и следовал за изменениями температуры воздуха у поверхности. Амплитуда вариаций Тя(f) лето - зима увеличивалась с частотой (с уменьшением глубины проникновения электромагнитной волны в среду) и на f = 42,0 и 48,0 ГГц составляла 30-40 К (Mitnik et al., 2017a).
Паросодержание атмосферы V над станциями Concordia и Summit менялось от ≈ 0,1 до 3-5 кг/м2. На фоне плавных сезонных вариаций V выделялись резкие изменения большой амплитуды, особенно в холодный сезон, связанные со сменой воздушных масс. На частотах f ≤ 48,0 ГГц изменения Тя были малы, однако в области линии 183,31 ГГц рост V от 0,1-0,2 до 0,8-1,5 кг/м2 вызывал приращение Тя на 10-50 К.
В глобальных полях Тя в диапазоне 52-57 ГГц хорошо прослеживаются динамические процессы в атмосфере на высотах до 35 км. По данным МТВЗА-ГЯ зарегистрировано несколько внезапных потеплений стратосферы. При этих событиях изменения Тя на частоте 57,290344 ± 0,3222 ± 0,025 ГГц (максимум весовой функции на высоте ≈ 27-31 км) достигали над Гренландией 30-50 К за 1-2 суток (Mitnik et al., 2017b).
Яркостные температуры, измеренные радиометрами МТВЗА-ГЯ, AMSR2, ATMS и GMI, а также поля ветра по данным скаттерометров и другие сопутствующие спутниковые и контактные измерения были применены при изучении структуры и эволюции параметров внетропических и тропических циклонов в Северном и Южном полушариях. В умеренных и высоких широтах зондирование под углом 65º обеспечивает оценку скорости ветра и малых значений водозапаса облаков в опасных погодных системах. Теплое ядро в тропических циклонах надежно зарегистрировано на различных высотах в атмосфере по данным МТВЗА-ГЯ и ATMS на частотах 52,8, 53,3, 53,8, 54,64 и 55,63 ГГц.
Для проведения научных исследований и оперативного использования количественной информации о характеристиках атмосферы и подстилающей поверхности, которая может быть получена микроволновым радиометром МТВЗА-ГЯ со спутников Метеор-М № 2-1 (запуск в ноябре - декабре 2017 г.), Метеор-М № 2-2 и Метеор-М № 2-3 (запуск в 2018 и в 2019 гг.) и усовершенствованным радиометром МТВЗА-ГЯ-МП на новом метеорологическом спутнике Метеор-МП (Cherny et al., 2017), должны быть развернуты работы по калибровке радиометров, разработке алгоритмов восстановления параметров и валидации продуктов. Данные измерений и продукты должны быть доступны для пользователей в нашей стране и за рубежом.

Работа выполнена при частичной поддержке Комплексной программы Дальневосточного отделения РАН (проект 15-I-1-009).

Mitnik L., Kuleshov V., Mitnik M., Streltsov A.M., Cherniavsky G., Cherny I. Microwave scanner sounder MTVZA-GY on new Russian meteorological satellite Meteor-M N 2: modeling, calibration and measurements // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2017. Vol. 10. N. 7. P. 3036-3045, doi: 10.1109/JSTARS.2017.2695224.
Mitnik L.M., Kuleshov V.P., Mitnik M.L., Cherny I.V. Statistics of surface and atmospheric microwave properties at Summit Station, Greenland from MTVZA-GY observations in the range 10–190GHz // Progress in Electromagnetics Research Symposium Abstracts, St Petersburg, Russia, 22–25 May 2017, p. 327.
Cherny I.V., Chernyavsky G.M., Mitnik L.M., Kuleshov V.P., Mitnik M.L. Advanced Microwave Imager/Sounder MTVZA-GY-MP for New Russian Meteorological Satellite // Proc. IGARSS 2017, 23-28 July 2017, Fort Worth, Texas, USA. P. 1220-1223.