Спутниковая микроволновая радиометрия: калибровка измерений, восстановление геофизических параметров и их валидация, антропогенные помехи

Калибровка данных микроволнового зондирования, разработка алгоритмов восстановления геофизических параметров и валидация продуктов, полученных при обработке измерений, являются важнейшими составляющими каждого спутникового эксперимента. Только калиброванные яркостные температуры и восстановленные по ним поля параметров находят применение в задачах прогноза погоды, в исследованиях изменения климата, предоставляются организациям, занимающимся оперативной и научной работой, и отдельным пользователям. За рубежом разработка алгоритмов, наземные эксперименты по калибровке и валидации данных начинаются за 3-5 лет до запуска и продолжаются на протяжении нескольких лет после запуска спутника. Калибровка каналов радиометра и разработка алгоритмов выполняются с использованием массивов расчётных значений яркостных температур Тяв,г(ν,θ) на частотах ν на вертикальной (в) и горизонтальной (г) поляризациях для заданного угла визирования θ микроволнового радиометра. Тяв,г(ν) определяются путём численного интегрирования уравнения переноса излучения в системе подстилающая поверхность-атмосфера. Сигналы, зарегистрированные микроволновым радиометром на спутнике, преобразуются вначале в антенные температуры по измерениям изотропного реликтового космического излучения и излучения горячей согласованной нагрузки, температура которой определяется по показаниям термисторов. Переход от антенных температур к яркостным осуществляется с использованием диаграммы направленности антенны, измеренной в лабораторных условиях. В докладе упомянуты проблемы, возникавшие при калибровке радиометров, связанные с неопределенностью коэффициента излучения антенны, подсветкой от элементов конструкции спутника, вариациями температуры горячей нагрузки из-за меняющегося нагрева солнцем, нелинейной зависимостью выходного сигнала радиометра от температуры сцены и др. Рассмотрены особенности внешней калибровки по “холодной” и “горячей” опорным областям. В качестве холодной опорной области выбираются районы океана со слабым приводным ветром, малым паросодержанием атмосферы, отсутствием облачности и при оптимальном диапазоне изменения температуры поверхности океана, определенном при моделировании, что отображается в минимальных значениях и в незначительной изменчивости измеряемых сигналов. В качестве горячей опорной области выбираются зоны влажного тропического леса в Южной Америке и в Африке с минимальной площадью рек и озёр и при отсутствии мощной облачности и осадков. Для опорных областей рассчитываются яркостные температуры с использованием вертикальных профилей метеорологических элементов по данным радиозондирования атмосферы. Обсуждаются характеристики алгоритмов восстановления параметров атмосферы (паросодержание атмосферы, водозапаса облаков), океана (температуры и солёности поверхности, скорости приводного ветра, сплочённости морского льда) и подстилающей поверхности (влажности почвы, водосодержания снега) по данным микроволнового зондирования со спутников DMSP, Aqua, TRMM, SMOS и др., базы данных, использованных при конструировании алгоритмов. Приведены данные о радиочастотных помехах, генерируемых наземными и спутниками устройствами, влияние которых на оценку температуры океана, ветра и других параметров возрастает с каждым годом.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-05-10033-к, ФЦП «Мировой океан» и соглашения ТОИ ДВО РАН с Японским аэрокосмическим исследовательским агентством JAXA.