Использование искусственных нейронных сетей в температурно-влажностном зондировании атмосферы на примере аппаратуры спутника Метеор 3М (численное моделирование)

Приведены основные характеристики приборов, устанавливаемых на борту спутника "МЕТЕОР-3M" (ИКФС-2, МТВЗА-ГЯ, МСУ-МР) для измерения уходящего излучения в видимом, БИК, ИК и микроволновом спектральных диапазонах. Характеристики информативности измерений уходящей радиации (число степеней свободы, количество информации по Шеннону) приборами ИКФС-2 и МТВЗА-ГЯ проанализированы при облачных и безоблачных условиях.
Описано программное обеспечение, разработанное для интерпретации измерений приборов ИКФС-2 и МТВЗА-ГЯ. Программное обеспечение основано на методах множественной линейной регрессии и статистической регуляризации (optimal estimation). Линейная регрессия используется для получения первого приближения к решению, а нелинейное обобщение метода статистической регуляризации для окончательного уточнения решения. Приводится также методика численного статистического моделирования дистанционных измерений, основанного на ансамбле реализаций состояния атмосферы, облачности и подстилающей поверхности.
Рассмотрена возможность использования при температурно-влажностном зондировании атмосферы метода искусственных нейронных сетей (ИНС). На основе моделирования получены оценки погрешностей различных методов решения обратной задачи и выполнен их сравнительный анализ применительно к приборам на борту МЕТЕОР 3М. В частности, показано, что метод искусственных нейронных сетей позволяет уменьшить по сравнению с линейно-регрессионным подходом погрешности определения как скалярных параметров, так и профиля температуры. При этом, например, погрешности микроволновых измерений при определении температуры поверхности уменьшаются в 2 раза, а погрешности общего содержания водяного пара почти втрое. Погрешности определения профиля температуры для микроволновых измерений также уменьшаются, уменьшение достигает 0,5 К в приземном слое. Для инфракрасных измерений улучшение точности наблюдается в меньшей степени. Обсуждаются возможности, преимущества и недостатки использования метода ИНС в температурно-влажностном зондировании. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-05-00445а и ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (госконтракты № П969 от 27.05.2010 и № 16.740.11.0048), НИР СПбГУ № 11.31.547.2010 и 11.37.28.2011.