WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Уваров Николай Викторович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА МЕТОДОМ ВАРИАЦИОННОГО УСВОЕНИЯ ДАННЫХ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Специальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва 2007 г.

Работа выполнена в

Институте вычислительной математики РАН

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор

ЧАВРО Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Лукин Д. С.

доктор физико-математических наук, Козодеров В. В.

Ведущая организация:

ГУ “НИЦ” “Планета”.

Защита состоится «___» _______ 2007 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 002.045.01 в Институте вычислительной математики РАН по адресу: 119991 ГСП-1, Москва, ул. Губкина, 8.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института вычислительной математики РАН. С текстом автореферата можно ознакомится на сайте ИВМ РАН www.inm.ras.ru.

Автореферат разослан «___» __________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д. ф.-м. н. Бочаров Г. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Важнейшая на сегодняшний день проблема изменения климата, обусловленная как естественными, так и антропогенными факторами, приводит к необходимости организации глобального климатического мониторинга Земли. Известно, что в формировании климата планеты важную роль играет подстилающая поверхность и атмосфера - её оптически активные компоненты: пары воды, углекислый газ, озон, аэрозоли, а также малые газовые составляющие, такие как - метан, фреоны и т.д. Оценка изменений климата возможна лишь с помощью многопараметрических теоретических моделей, для создания и использования которых требуются, в том числе и данные о пространственно-временном распределении газовых составляющих, аэрозолей, термодинамических характеристик атмосферы. Естественно, что для получения такой информации необходимо проведение регулярных измерений характеристик и параметров, оказывающих влияние на климатообразование, а также анализ этих результатов.

Технологии зондирования атмосферы со спутников с целью определения метеорологических параметров разрабатывается уже более 40 лет. До недавнего времени зондирование атмосферы основывалось на данных, получаемых многоканальными спектрорадиометрами, регистрирующими тепловое излучение атмосферы в нескольких спектральных интервалах. Однако, с ростом возможностей электроники число используемых узкополосных каналов возросло до сотен и даже тысяч, регистрирующих излучение с непрерывным спектральным покрытием в широкой области спектра – от ультрафиолетовой до дальней ИК-области. В последнее время, в дополнение к орбитальным многоканальным спектрорадиометрам, которые регистрируют уходящее тепловое излучение атмосферы Земли в нескольких спектральных интервалах, на орбиту выводятся или планируются к запуску Фурье-спектрометры высокого спектрального разрешения с непрерывным спектральным покрытием, например IASI.

С одной стороны спектры более высокого разрешения должны позволять восстанавливать атмосферные параметры с большей точностью и более высоким высотным разрешением, а с другой стороны возрастает объём данных, которые следует обрабатывать, что в свою очередь, предъявляет высокие требования к вычислительным ресурсам, которые задействованы в восстановлении атмосферных параметров по спектрам высокого разрешения. Также с увеличением спектрального разрешения уменьшается отношение полезный сигнал/шум. Таким образом, проблема поиска и разработки новых методов и программных инструментов для оценки новых возможностей орбитальных сенсоров на основе Фурье-спектрометра высокого спектрального разрешения является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы.

Целью данной диссертационной работы является решение следующих задач:

1. Разработка, совершенствование и программная реализация методов восстановления высотных профилей температуры и влажности в атмосфере Земли, а также температуры поверхности океана и скорости приводного ветра по тепловым спектрам уходящего излучения системы “подстилающая поверхность – атмосфера”.

2. Построение методик оптимального выбора и комбинирования наиболее информативных спутниковых измерительных каналов.

3. Проведение сравнительного анализа этих методов.

4. Исследование чувствительности решения обратной задачи в зависимости от спектрального разрешения измерительного прибора.

На защиту выносятся:

1. Методика решения прямой задачи с учетом вариаций излучательной способности взволнованной водной поверхности.

2. Комбинированный метод решения нелинейной обратной задачи, основанный на вариационном методе с использованием в качестве первого приближения решения линеаризованной задачи.

3. Оптимальный метод выбора измерительных каналов для восстановления характеристик атмосферы и подстилающей поверхности, состоящий в том, что вначале из первоначальной большой совокупности измерительных спутниковых каналов отбираются наиболее информативные каналы, а затем применяется процедура объединения каналов.

4. Результаты численных экспериментов по исследованию чувствительности решения обратной задачи в зависимости от спектрального разрешения спутникового измерительного прибора для различных методик выбора спектральных каналов.

5. Методика определения скорости приводного ветра в ИК-области спектра.

Научная новизна.

В диссертационной работе реализована строгая нелинейная модель для вычисления спектра атмосферы с учетом вариаций излучательной способности взволнованной поверхности океана и проведены численные эксперименты по восстановлению вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, температуры поверхности океана и скорости приводного ветра для различных методик выбора информативных каналов. Предложена и развита методика объединения спектральных интервалов в “псевдоканалы”, что приводит к существенному повышению точности решения обратной задачи. Предложена методика определения скорости приводного ветра с использованием угловых измерений в ИК-диапазоне спектра уходящего излучения.

Практическая ценность.

Предложенные и реализованные в процессе работы над диссертацией методы и алгоритмы, позволяют:

1) достаточно точно решать прямую задачу переноса ИК излучения в атмосфере;

2) отбирать наиболее информативные спутниковые каналы измерений, а также объединять отобранные спектральные интервалы в “псевдоканалы” с целью улучшения соотношения полезный сигнал/шум;

3) линейными и нелинейными методами восстанавливать над морской поверхностью вертикальные профили температуры и влажности атмосферы, а также температуру поверхности океана и скорость приводного ветра;

4) На основе полученных результатов можно сделать заключение, что для корректного учета излучательной способности водной поверхности и определения скорости приводного ветра бортовая спутниковая аппаратура должна строится с учетом возможности проведения измерений интенсивности собственного излучения системы “океан-атмосфера” как в надир, так и под углами, отличными от нуля в направлении полета спутника.

Численные эксперименты позволили также оценить зависимость ошибки решения обратной задачи от спектрального разрешения измерительной аппаратуры.

Полученные результаты предполагается использовать на российских и зарубежных спутниках, в частности в ИКИ РАН, при обработке информации по дистанционному зондированию атмосферы планеты Венера.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах ИВМ РАН; на семинаре ЭКОСРЕДЫ МГУ; на семинаре "Математическое моделирование волновых процессов" МФТИ, РОСНОУ; на международных конференциях CITES-2005 в Новосибирске, ENVIROMIS-2006 в Томске, на международном симпозиуме по атмосферной радиации (МСАР-2006) в Санкт-Петербург, на научных конференциях МФТИ в 2000-2005г.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 107 страниц, она содержит кроме основного текста 25 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 84 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы основные задачи исследования.

Первая глава содержит обзор и анализ теоретических работ по решению обратных задач спутниковой метеорологии. Модель измерений в общем виде может быть представлена следующим образом:

,

где – вектор измеренных со спутника интенсивностей излучения; - оператор прямой задачи; - вектор длин волн каналов спутникового прибора, – вектор восстанавливаемых параметров; - вектор известных параметров атмосферы; - вектор шума измерительного прибора.

Обратная задача заключается в нахождении оценки вектора при известном векторе. Общий статистический подход к решению обратных задач атмосферной оптики подробно разработан и описан в литературе за последние 40 лет.

Класс линейных методов обычно строится в предположении, что прямая задача может быть представлена в виде:

,

где - линейный оператор, - векторы предиктанта, предиктора и ошибок измерений, при этом предполагается, что ошибка измерений не коррелирует с вектором восстанавливаемых параметров ; т.е., ( - символ математического ожидания), а также известна автоковариационная матрица определяемых параметров, ковариационная матрица ошибок измерений, которая является частью спецификации конкретного прибора.

Метод наилучшей линейной оценки заключается в построении линейной оценки:, минимизирующей математическое ожидание ошибки решения :

.

Оператор в случае, когда является известным оператором, записывается в виде:, а в случае, когда оператор неизвестен, записывается в виде: - линейная регрессия, - взаимно-ковариационная матрица, - ковариационная матрица наблюдений.

Далее рассматривается подход, который учитывает нелинейную связь между предиктором и предиктантом, а именно - вариационный алгоритм, минимизирующий следующую целевую функцию:

,

где - вектор измеренных яркостей, а F(x) – оператор прямой модели. Точность решения зависит от точности задания начального приближения.

Как правило, современные измерительные спутниковые системы развиваются в направлении увеличения спектрального разрешения, что связано с необходимостью получения большего числа “независимых” каналов для более детального восстановления параметров атмосферы и подстилающей поверхности. При этом возникает несколько проблем: во-первых, существенно увеличивается количество доступных данных наблюдений, обработка которых становится весьма затруднительным процессом, во-вторых, с увеличением спектрального разрешения уменьшается энергия полезного сигнала в каждом канале, что негативно сказывается на точности решения обратной задачи. В связи с этим возникает задача отбора небольшого числа наиболее информативных измерительных каналов (частот измерений) из первоначальной относительно большой совокупности каналов с фиксированным спектральным разрешением, что связано с убыванием “полезности” дополнительных каналов при фиксированной “стоимости” каждого канала. Более того, увеличение спектрального разрешения, во-первых, приводит к большим техническим трудностям, а во-вторых, не всегда оправдывается, поскольку сужение измерительных каналов уменьшает отношение сигнал/шум в каждом отдельном канале, что естественно ухудшает возможность восстановления искомых параметров атмосферы. Следовательно, в процессе оптимизации необходимо варьировать не только положение, но и ширину спектральных каналов.

Вторая глава содержит описание физических аспектов решения прямой и обратной задач, а также описание используемых алгоритмов. При наблюдении атмосферы со спутника, выражение для интенсивности уходящего излучения системы “океан – атмосфера” в общем случае, в условиях чистого неба имеет вид:

(1)

где - длина волны; - коэффициент поглощения компонентами атмосферы; - высотные профили температуры и концентраций газовых составляющих; - температура поверхности океана; - скорость приводного ветра; - функция Планка; - излучательная способность водной поверхности; - косинус угла визирования; - верхняя граница атмосферы.

При реальных измерениях спутниковым прибором мы получаем информацию о спектральной зависимости излучения с определенным спектральным и угловым разрешениями:

(2)

где и - спектры высокого и низкого разрешения, а - аппаратная функция прибора.

В параграфах 2.2, 2.3 описывается методика расчета коэффициента поглощения, который включает в себя следующие слагаемые:

- коэффициент молекулярного поглощения газовыми составляющими, который вычисляется с помощью суммирования по спектральным линиям (line-by-line) с использованием параметров известной спектральной базы данных HITRAN-96;

- коэффициент континуального поглощения водяным паром, вычисляемый с помощью параметризации предложенной в работе (S.A.Clough, 1989).

В параграфе 2.4 приводится методика расчета излучательной способности водной поверхности, что позволяет решать прямую задачу при больших углах визирования с учетом скорости приводного ветра.

Для того, чтобы регистрируемое на спутнике уходящее излучение системы “океан-атмосфера” содержало информацию о восстанавливаемых параметрах, необходимо тщательно выбирать частоты измерений. В параграфе 2.5 приводятся методики отбора наиболее информативных каналов (DRM (Menke W., 1984), SVD(DRM) (Prunet P., 1996), Jacobian (Aires F., 2002), Iterative (Rogers C.D., 1996)), а также процедура объединения элементарных спектральных измерительных каналов в “псевдоканалы” (Козлов В.П., 1974), приводящая к увеличению отношения полезный сигнал/шум, что в свою очередь позволяет существенно улучшить точность решения обратной задачи.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»