Использование информации о тропосферной динамике при радиотепловом дистанционном зондировании вертикального профиля влажности атмосферы

Abstract

Present-day satellite multichannel microwave radiometers-imagers measure two-dimensional fields of radiothermal atmospheric radiation. Thus the existing horizontal correlations in remote data, caused by the nature of geophysical atmospheric fields, can be analyzed and taken into account in models. However, in standard schemes for retrieval of vertical profiles of atmospheric humidity, remote measurements at each point are interpreted independently, i.e. a significant part of the received information is ignored. In this paper, an extension of the classical approach to radiothermal satellite sounding of vertical atmospheric profiles is proposed by using additional information in the form of characteristics of advection (horizontal motion) in the lower troposphere. Owing to the complexity of the problem, a sufficient goal of assimilating information on troposphere dynamics is to reduce the a priori uncertainty of the vertical distribution of the humidity profile in the vicinity of horizons of 800-600 hPa. The proposed iterative algorithm is aimed at achieving this goal. Practical implementation of this algorithm requires obtaining robust estimates of the velocities of atmospheric advection of water vapor (integral over the height of the entire atmosphere and over the heights of two layers located above and below a certain horizon). The analysis of the previous research in the field, as well as the results of the implementation and practical application of algorithms of satellite radiothermovision, show that the problem is fundamentally feasible. A large-scale statistical analysis of radiosonde data, including vertical profiles of wind speed and direction, should become the initial step in its solution. The generalization of this information in the form of average values, variances and covariances of the corresponding parameters (by analogy with the statistical regularization approach) will not only provide an adequate initial approximation of the desired advection velocities, but will also allow to formulate quality criteria for rejecting unreliable estimates.

• радиотепловое зондирование атмосферы
• вертикальный профиль влажности
• тропосферная динамика
• radiothermal atmospheric sounding
• vertical humidity profile
• troposphere dynamics

Аннотация (на русском)

Использование информации о тропосферной динамике при радиотепловом дистанционном зондировании вертикального профиля влажности атмосферы

Предложено расширение классической схемы восстановления вертикальных профилей влажности атмосферы по данным спутникового радиотеплового зондирования путем использования дополнительной информации о тропосферной динамике. Это открывает возможность учета горизонтальных корреляционных связей в данных спутниковых измерений над соседними областями пространства, которые обычно обрабатываются независимо друг от друга. Целью такого учета является уменьшение априорной неопределенности профилей влажности в нижней тропосфере. Описан общий итерационный алгоритм расчетов, выполнен предварительный анализ возможности обеспечить сходимость вычислений к искомому профилю, обсуждены некоторые методические аспекты реализации предложенной схемы.

For citation

References

1. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974, 188 с.
2. Поляков В.М. Дистанционное зондирование природной среды радиофизическими методами: Конспект лекций / Под ред. Б.А. Розанова. М.: Изд-во МГТУ, 1995, 104 с.
3. Rodgers C.D. Inverse methods for atmospheric sounding: Theory and practice. Singapore: World Scientific (Ed. Taylor F.W.), 2000, 255 p.
4. Поляков А.В., Тимофеев Ю.М., Виролайнен Я.А. Использование метода искусственных нейронных сетей при восстановлении вертикальных профилей атмосферных параметров // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. N1. с. 34-39.
5. Blackwell W.J. A neural-network technique for the retrieval of atmospheric temperature and moisture profiles from high spectral resolution sounding data // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2005, Vol. 43, No. 11, pp. 2535-2546.
6. Ермаков Д.М., Шарков Е.А., Чернушич А.П. Возможности количественного описания мезомасштабных процессов в атмосфере на основе анимационного анализа // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. N4. c. 153-162.
7. Ermakov D.M., Sharkov E.A., Chernushich A.P. Satellite radiothermovision of atmospheric mesoscale processes: case study of tropical cyclones // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences - ISPRS Archives, 2015, Vol. XL, No. 7/W3, pp. 179-186, doi:10.5194/isprsarchives-XL-7-W3-179-2015.
8. Аквилонова А.Б., Кутуза Б.Г. Радиотепловое излучение облаков // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23. № 9. с. 1792-1806.
9. Башаринов А.Е., Кутуза Б.Г. Исследование радиоизлучения и поглощения облачной атмосферы в мм и см диапазоне волн // Труды ГГО. 1968. Вып. 222. c. 100-110.
10. Гурвич А.С., Кутуза Б.Г. «Космос-243» - первый в мире эксперимент по исследованию Земли из космоса радиофизическими методами // Исследование Земли из космоса. 2010. № 2. c. 14-25.
11. Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986, 264 с.
12. ARTS: The Atmospheric Radiative Transfere Simulator. Available at: http://www.radiativetransfer.org/
13. Кутуза Б.Г., Данилычев М.В., Яковлев О.И. Спутниковый мониторинг Земли: Микроволновая радиометрия атмосферы и поверхности. М.: ЛЕНАНД, 2016, 336 с.
14. Wentz F.J. A well-calibrated Ocean Algorithm for SSM/I // Journal of Geophysical Research, 1997, Vol. 102, No. C4, pp. 8703-8718.
15. Velden C.S., Hayden C.M., Nieman S.J., Menzel W.P., Wanzong S., Goerss J.S. Upper-tropospheric winds derived from geostationary satellite water vapor observations // Bulletin of the American Meteorological Society, 1997, Vol. 78, No. 2, pp. 173-195.
16. Wimmers A.J., Velden C.S. Seamless advective blending of total precipitable water retrievals from polar orbiting satellites // Journal of Applied Meteorology and Climatology, 2011, Vol. 50, No. 5, pp. 1024-1036.
17. Lie W.T., Tang W. Estimating moisture transport over oceans using space-based observations // Journal of Geophysical Research, 2005, Vol. 110, No. D10, D10101, doi:10.1029/2004JD005300.
18. Robertson F.R., Bosilovich M.G., Roberts J.B., Reichle R.H., Adler R., Ricciardully L., Berg W., Huffman G.J. Consistency of estimated global water cycle variations over the satellite era // Journal of Climate, 2014, Vol. 27, No. 16, pp. 6135-6154.