Применение ЭОФ параметризации в задаче восстановления термической структуры тропосферы по данным радиометрического наземного зондирования

Дистанционное зондирование атмосферы Земли посредством приборов спутникового базирования широко используется как в научных целях, так и в рутинном прогнозе погоды. Такие измерения имеют ряд неоспоримых преимуществ, например, на высотах средней атмосферы при исследовании процессов с большими пространственно-временными масштабами, однако сталкиваются с существенными проблемами при измерении основных характеристик тропосферы (в частности, профилей температуры и влажности), прежде всего, в ее нижней части. В последнее время достаточно активно развивается дистанционное зондирование тропосферы с помощью микроволновых пассивных приборов наземного базирования (тропосферных профайлеров) производства Radiometer Physics (ФРГ), Radiometrics (США) и АТТЕХ (РФ). В ЕС, США, Канаде и некоторых других странах расширяется сеть таких приборов для непрерывного круглосуточного мониторинга профилей температуры и влажности, а также проводятся исследования по ассимиляции результатов радиометрических наблюдений в задачах численного прогноза погоды.
Тропосферные профайлеры обладают рядом достоинств, в частности, высоким временным разрешением (1-2 мин). Это позволяет измерять очень быстрые локальные метеорологические процессы, что особенно актуально в задачах сверхсрочного прогноза (наукастинга). Эти приборы автоматизированы, не требуют расходных материалов, экологически безопасны, а их обслуживание обходиться значительно дешевле традиционных радиозондовых измерений. Отметим, что использование микроволнового диапазона делает измерения гораздо менее зависимыми от погодных условий и времени суток по сравнению с измерениями в оптическом и ИК диапазонах.
В пассивном микроволновом зондировании атмосферы требуемые характеристики определяются в результате решения некорректной обратной задачи: атмосферные профили находятся (восстанавливаются) по спектру собственного излучения атмосферы, измеренному радиометром. Основная проблема такого рода задач состоит в существенной зависимости результата восстановления от используемого алгоритма, в частности от выбранных априорных ограничений и параметризации.
Данный доклад посвящен процедуре выбора линейной параметризации на основе аппарата эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) в алгоритме восстановления термической структуры тропосферы по данным измерений радиометров, разрабатываемых в ИПФ РАН. Рассматриваются несколько вариантов восстановления с использованием частотных диапазонов 50-55ГГц, 55-59ГГц и 50-59ГГц. Описан алгоритм восстановления, основанный на методе оптимальной оценки с использованием априорной статистики радиозондовых измерений. Отличительной особенностью данной задачи является то, что априорный ансамбль профилей радиозондирования задан на меняющей от профиля к профилю сетке. Описываемая параметризация на основе ЭОФ позволяет существенно уменьшить размерность задачи и соответственно ускорить вычисления, а также уйти от проблемы выбора оптимального разрешения по высоте и корректно усваивать статистику радиозондовых измерений. На основе симуляций был проведен анализ ошибок восстановления в зависимости от количества базисных функций. Обсуждается выбор оптимального количества этих функций.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 18-72-10113.