Температурно-влажностное зондирование атмосферы в проекте КЭ «Конвергенция»

Последние исследования показывают, что атмосферный водяной пар оказывает определяющее влияние на радиационный баланс Земли и является основным переносчиком энергии в атмосфере. Все современные модели формирования погоды и прогноза климата опираются, так или иначе, на температурно-влажностные данные, которые необходимо предоставлять в глобальных масштабах и с малым периодом обновления.
В рамках КЭ «Конвергенция» планируется проводить восстановление профилей температуры в тропосфере на 6 высотных уровнях и влажности - на 7 уровнях. Для определения состава проектируемого комплекса и характеристик аппаратуры, которая позволила бы решить данную задачу, было проведено исследование существующих подходов и моделирование излучения системы океан-атмосфера принимаемое на спутнике. В основе подходов температурно-влажностного зондирования атмосферы лежит тот факт, что атмосфера имеет несколько сильных полос поглощения кислорода в микроволновом диапазоне длин волн. Это позволяет предположить, что излучение системы океан-атмосфера испускаемое на частотах ближе и дальше от центра полосы поглощения испытывает насыщение в атмосфере на различных высотах. Для определения оптимальных частотных каналов чувствительных к температуре и влажности атмосферы были построены весовые функции, показывающие чувствительность сигнала к изменениям искомого параметра в том или ином атмосферном слое.
Традиционно, для температурного зондирования используется полоса частот с центром 60 ГГц. Её особенность заключается в наличии внутри неё множества отдельных линий поглощения различной ширины и интенсивности. В ходе моделирования были определены 6 частотных каналов, которые имеют хорошую чувствительность и высотную избирательность к температуре атмосферы в диапазоне высот от 0 до 16 км. Выбраны следующие частоты: 52800; 53596±115; 54400; 54940; 55500; 57290,344 МГц. Данные частотные каналы близки к каналам прибора ATMS, что обеспечит возможность взаимной калибровки аппаратуры.
Для влажностного зондирования традиционно используется полоса частот с центром 183,31 ГГц. Это наиболее сильная полоса поглощения водяного пара в микроволновом диапазоне. Стандартный набор частотных каналов для влажностного зондирования атмосферы, который используется в настоящее время в приборе ATMS, имеет следующие центральные частоты: 166,3; 183,31±7; 183,31±4,5; 183,31±3; 183,31±1,8; 183,31±1; 183,31±0,3 ГГц. Однако, результаты моделирования показывают, что чувствительность данного набора каналов к влажности атмосферы в нижних слоях 0 - 3 км очень низкая. Так, вклад влажности в слое 0-1.5 км составляет менее 8% от сигналов на всех частотах. Это приводит к плохой обусловленности обратной задачи и высоким погрешностям при восстановлении профиля влажности в нижних слоях тропосферы.
Для решения этой проблемы был предложен новый метод дифференциальных измерений в полосе поглощения водяного пара с центром 22,235 ГГц. (Стерлядкин и др. 2017) Метод заключается в использовании разности сигналов, измеренных на склоне линии поглощения водяного пара вместо традиционных одноканальных измерений. Слабое поглощение в полосе 22,235 ГГц приводит к тому, что у дифференциального сигнала появляется хорошая чувствительность к изменению влажности в нижних атмосферных слоях 0 – 4 км. В результате моделирования был получен набор из трёх дифференциальных каналов, которые демонстрируют высокую чувствительность и высотную избирательность к водяному пару на нижних слоях тропосферы. Например, вклад слоя 0-1.5 км в дифференциальный сигнал составляет 40-50%, что обеспечивает надежное решение обратной задачи восстановления профиля водяного пара в нижних слоях атмосферы. Для восстановления влажности в слоях выше 4 км предлагается использовать традиционные каналы в полосе 183 ГГц. Таким образом, объединив в проекте «Конвергенция» традиционные измерения в полосе 183 ГГц с новыми дифференциальными измерениями планируется улучшить качество восстановления профиля влажности в нижних атмосферных слоях, которые несут основной запас водяного пара.
Работа выполнена при поддержки гранта РФФИ 15-05-08401