2. Интерпретация спутниковых измерений

В июле 2014 г. был запущен очередной российский полярно-орбитальный метеорологический КА «Метеор-М» № 2, на борту которого находится разнообразная целевая аппаратура для дистанционного зондирования параметров атмосферы и поверхности Земли, в том числе ИК Фурье-спектрометр ИКФС-2, созданный в ГНЦ «Центр Келдыша» (Москва), и микроволновый сканер-зондировщик МТВЗА-ГЯ.

2.1. Интерпретация спутниковых измерений спектрометром ИКФС-2

Бортовой инфракрасный Фурье-спектрометр ИКФС-2 в составе космического аппарата «Метеор-М» No2 (солнечно-синхронная орбита, средняя высота 835 км) предназначен для измерения спектров восходящего излучения атмосферы Земли и обеспечения нужд глобальной и региональной оперативной метеорологии и климатологии в части получения следующих видов информации: вертикальные профили температуры и влажности в тропосфере, общее содержание и высотное распределение озона, концентрации МГС, температура подстилающей поверхности и др.

На рис. 2.1 дан внешний вид Фурье-спектрометра ИКФС-2, а на рис. 2.2 – упрощенная функциональная оптическая схема прибора. На рис. 2.3 приведены основные характеристики прибора, функционирующего в настоящее время в космосе. Эти характеристики соответствуют лучшим современным приборам этого типа. На рис. 2.4 показаны положение областей сканирования поверхности земли прибором ИКФС-2, пример измеренного спектра и случайные погрешности измерений уходящего теплового излучения системы поверхность-атмосфера. Рис. 2.5 демонстрирует спектры уходящего теплового излучения, измеренные прибором ИКФС-2 в различных регионах земного шара.

Интерпретация данных измерений прибора ИКФС-2 для получения вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы была осуществлена с помощью разработанных в лаборатории алгоритмов и программ. На рис. 2.6 приведены профили температуры атмосферы, восстановленные по измерениям ИКФС-2, и их рассогласование с данными NCEP (National Centers for Environmental Prediction). Аналогичное сравнение представлено на рис. 2.7 для восстановленных профилей относительной влажности.

Измерения ИКФС-2 позволяют выполнять не только температурно-влажностное зондирование атмосферы, но и восстанавливать содержания ряда климатически важных атмосферных газов. В качестве примера на рис. 2.8 представлено сравнение полей общего содержания озона, восстановленных по данным измерений ИКФС-2 и OMI (Ozone Monitoring Instrument).

2.2. Интерпретация спутниковых измерений микроволновым сканером-зондировщиком МТВЗА-ГЯ

Бортовой микроволновый сканер-зондировщик МТВЗА-ГЯ в составе космического аппарата «Метеор-М» No2 предназначен для температурно-влажностного профилирования атмосферы, а также определения ряда интегральных параметров атмосферы и поверхности. На рис. 2.9 приведены технические характеристики МТВЗА-ГЯ, а на рис. 2.10 – внешний вид инструмента.

Численные эксперименты и расчеты матриц ошибок (результаты которых приведены в предыдущем разделе) позволили определить потенциальные погрешности определения различных параметров – вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы, скорости приводного ветра, температуры суши и океанов, общего содержания водяного пара и водозапаса облаков. С помощью разработанных в лаборатории программ интерпретации измерений МТВЗА-ГЯ были восстановлены параметры атмосферы и подстилающей поверхности по данным реальных спутниковых измерений. В качестве примера приведем рис. 2.11, демонстрирующий сравнение профилей температуры по спутниковым измерениям МТВЗА и по данным численного анализа NCEP GFS для широтного пояса измерений 65° с.ш.–65° ю.ш. На рис. 2.11 приведена также кривая естественной изменчивости температуры на различных уровнях. Как следует из приведенного рисунка, средние погрешности близки к 0.3 К, а СК погрешности составляют 1–3 К, что существенно меньше естественной изменчивости температуры для исследуемого массива данных спутниковых измерений (5–11 К). Для температуры поверхности (в основном водной для рассматриваемого района измерений) средние погрешности составляют 0.3 К, а СК погрешности – 2.7 К при априорной изменчивости 9.5 К.

Спутниковым зондированием атмосферы и поверхности занимаются проф. Поляков А.В., к.ф.-м.н. Косцов В.С., к.ф.-м.н. Виролайнен Я.А., к.ф.-м.н. Поберовский А.В., асп. Гаркуша А.С.

Основные публикации

1. Поляков А.В., Ю.М. Тимофеев, Я.А. Виролайнен, А.Б. Успенский, Ф.С. Завелевич, Ю.М. Головин, Д.А. Козлов, А.Н. Рублев, А.В. Кухарский, 2016: Спутниковый атмосферный зондировщик ИКФС-2.1. Анализ измерений спектров уходящего излучения. Иссл. Земли из космоса, принято в печать.
2. Гаркуша А. и др., 2016: Анализ возможностей мониторинга характеристик газового состава атмосферы с помощью ИКФС-2. Иссл. Земли из космоса, принято в печать.
3. Головин Ю.М., Завелевич Ф.С., Козлов Д.А., Козлов И.А., Монахов Д.О., Никулин А.Г., Ушаков Н.Н., Архипов С.А., Целиков В.А., Романовский А.С., Поляков А.В., Тимофеев Ю.М., 2015: Бортовой инфракрасный фурье-спектрометр ИКФС-2: лётные испытания и первые измерения спектров атмосферы. Космонавтика и ракетостроение, 6(85), 51–58.