Способ оценки интенсивности дождя по данным измерений спутникового микроволнового радиометра amsr2

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интенсивности дождя над территориями океана, свободными ото льда. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 6.9 ГГц горизонтальной поляризации и 6.9 ГГц вертикальной поляризации, 7.3 ГГц горизонтальной поляризации и 7.3 ГГц вертикальной поляризации, 10.65 ГГц горизонтальной поляризации и 10.65 ГГц вертикальной поляризации. Вычисляют интенсивность дождя с использованием зависимости, учитывающей разницу радиояркостных температур и коэффициенты настроенной Нейронной Сети. При этом численные значения упомянутых коэффициентов получают математическим моделированием уходящего излучения системы Океан - Атмосфера в условиях осадков и проведением численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи. Причем при моделировании излучения применяют уточненные модели ослабления микроволнового излучения молекулярными газами и жидкокапельной влагой в облаках и осадках, а также новую параметризацию излучения океана. Технический результат: повышение точности оценки, расширение диапазона условий применения.

 

Настоящее изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для получения полей интенсивности дождя над районами океана, свободными от морского льда, в оперативном режиме на регулярной основе. Полученные поля интенсивности дождя могут быть использованы в гидрометеорологических прогнозах. Особенностью способа оценки интенсивности дождя (R) по данным измерений спутникового микроволнового радиометра Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) является использование устойчивых к другим параметрам атмосферы каналов и возможность получения точных оценок в широком диапазоне атмосферных и океанических условий.

Известен способ определения интенсивности дождя с относительно высоким пространственным разрешением на основе использования радиометрических данных инфракрасного (ИК) диапазона электромагнитного спектра. Данный способ, описанный в (Robert J. Kuligowski, A Self-Calibrating Real-Time GOES Rainfall Algorithm for Short-Term Rainfall Estimates // J. Hydrometeor, Том 3, №2, 2002. С. 112-130), использует измерения ИК-радиометра на геостационарном спутнике Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) для оценки интенсивности дождя. Данный способ позволяет оценивать R с пространственным разрешением 4×4 км на основании существующей корреляции между ИК радиояркостной температурой верхнего слоя облаков и интенсивностью осадков. Данный способ настроен с использованием измерений GOES ИК-радиометра над океанами и квази-синхронных, пространственно совмещенных измерений интенсивности осадков спутниковым микроволновым радиометром Special Sensor Microwave Imager (SSM/I).

Недостатком этого способа, в отличие от заявленного, является высокая погрешность измерений. Измерения спектрарадиометров ИК-диапазона несут косвенную информацию лишь о верхнем слое облачности, в то время как интенсивность дождя зависит от целого ряда параметров слоя атмосферы, расположенного ниже верхней границы облаков, в частности, от профиля распределения локальной интенсивности в слое дождя. Существующей корреляции между интенсивностью дождя и радиояркостной температурой верхнего слоя облаков недостаточно для получения точных оценок R во всем диапазоне изменчивости характеристик жидких осадков. В отличие от данного способа, заявляемый способ основан на использовании измерений микроволновой радиации, несущей информацию о полном слое атмосферы, начиная с поверхности Земли, и поэтому является существенно более точным во всем диапазоне значений R.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному техническому решению (прототипом) является метод, описанный в (Christian Kummerow, Y. Hong, W.S. Olson, S. Yang, R.F. Adler, J. McCollum, R. Ferraro, G. Petty, D-B. Shin, and Т.T. Wilheit, The Evolution of the Goddard Profiling Algorithm (GPROF) for Rainfall Estimation from Passive Microwave Sensors // J. Appl. Meteor., Том 40, №11, 2001. С. 1801-1820).

Метод заключается в использовании модели радиационногого переноса для вычисления радиояркостных температур для режимов измерений (частота, поляризация, угол наблюдения) спутниковых микроволновых радиометров для большого набора модельных профилей интенсивности дождя. Модельные значения радиояркостных температур рассчитываются путем решения уравнения переноса микроволнового излучения в системе океан-атмосфера с осадками заданного профиля, сопровождающегося поглощением и рассеянием излучения. Решение обратной задачи (получение профиля гидрометеоров и вычисление интенсивности дождя) основано на применении байесовской инверсии, при которой модельные значения векторов радиояркостных температур рассчитываются для каждой реализации вертикального профиля интенсивности дождя (используется статистически достоверная база данных профилей), а обращения векторов производятся с учетом вероятности реализации того или иного профиля.

Недостатком данного прототипа является использование высокочастотных радиометрических каналов, измерения на которых зависят от целого ряда других характеристик атмосферы - влажности атмосферы, содержания жидкокапельной влаги облаков, высоты нулевой изотермы и профиля распределения параметров гидрометеоров по размерам. В результате погрешность прототипа существенно выше (на 40% при ветрах, превышающих 15 м/с и на 60% при слабых дождях с интенсивностью менее 2 мм/ч), чем у предлагаемого метода. Оценка погрешности прототипа и предлагаемого способа проведена путем сопоставления результатов применения способа к данным измерений AMSR2 и измерений интенсивности дождя радаром Precipitation Radar на борту платформы Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM).

Целью настоящего изобретения является разработка способа оценки интенсивности дождя (R) по данным японского спутникового микроволнового радиометра Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2) на борту спутника GCOM-W1 (на орбите с 18 мая 2012 года). Данные измерений AMSR2 свободно распространяются в оперативном режиме, поэтому наличие эффективных способов преобразования этих данных в геофизические параметры открывает новые возможности для центров прогноза погоды, научно-исследовательских институтов, гидрометеорологических служб.

Способ оценки интенсивности дождя R по данным измерениям спутниковых микроволновых радиометров заключается в получении значений радиояркостных температур (Tя) над районами океанов, свободными от морского льда, по шести радиометрическим каналам С- и Х-диапазона электромагнитного спектра, вычислении разниц в измерениях (ΔТя) и вычислении значений R с использованием зависимости, учитывающей значение этих разниц (ΔTя) и коэффициентов предварительно настроенной Нейронной Сети. Используемые радиометрические каналы имеют следующие частоты и поляризационные режимы: υ1=6.9 ГГц горизонтальной поляризации, υ2=6.9 ГГц вертикальной поляризации, υ3=7.3 ГГц горизонтальной поляризации, υ4=7.3 ГГц вертикальной поляризации, υ5=10.65 ГГц горизонтальной поляризации и υ6=10.65 ГГц вертикальной поляризации.

Способ основан на использовании численного эксперимента, заключающегося в последовательном решении прямой и обратной задач атмосферной оптики применительно к микроволновому диапазону. При решении прямой задачи - моделировании радиояркостной температуры уходящего излучения системы океан-атмосфера Тя - использовались современные, уточненные модели ослабления микроволнового излучения молекулярными газами и жидкокапельной влагой в облаках и осадках, новая параметризация излучения океана [Chapron и др., 2010], и модельные значения локальных интенсивностей дождя в слое осадков. В модель расчета излучения включен блок расчета ослабления слоем дождя [Liebe, Layton, 1987], применимый для осадков интенсивности до 30 мм/ч. При решении обратной задачи в качестве оператора решения использовались Нейронные Сети (НС), а в качестве входных параметров - разности в измерениях на каналах С- и Х-диапазона в одном и том же поляризационном режиме. Численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для способа оценки R, получались путем одновременной настройки и тестирования НС на разных массивах данных с целью избежать перенастройки с потерей генерализирующих свойств.

Главными отличительными признаками нового способа оценки R является использование современной модели радиационного переноса излучения при моделировании радиояркостных температур и использование нетрадиционных радиометрических каналов С- и Х-диапазона электромагнитного спектра, нечувствительных к вариациям других параметров атмосферы, что обеспечивает возможность получения оценок с высокой точностью для всего рассматриваемого диапазона интенсивностей (до 30 мм/ч) и во всем диапазоне измерений параметров атмосферы и океана.

Данный способ позволяет получать высокие точности восстановления R (менее 1 мм/ч) во всем диапазоне атмосферных и океанических условий, исключая интенсивные (более 30 мм/ч) осадки. По сравнению с прототипом, данный способ является существенно более точным как в условиях сильных ветров (точность на 40% выше), так и в условиях слабых интенсивностей до 2 мм/ч (точность на 60% выше).

Таким образом, в отличие от аналога и прототипа, данный способ позволяет оценивать интенсивность дождя над районами океанов, свободными от морского льда, с высокой точностью (менее 1 мм/ч) в широком диапазоне природных условий, включая высокие ветра (>15 м/с), весь диапазон температур океана, облачность любого водозапаса и осадки, не превышающие 30 мм/ч.

Реализация способа может быть достигнута следующим образом:

1) Данные AMSR2 распаковываются из научного формата hdf, извлекаются радиояркостные температуры на каналах 6.9 ГГц, 10.65 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризации для каждой частоты (, , , , , );

2) Вычисляются радиояркостные разницы в измерениях на одной поляризации:

ΔТ142;

ΔТ231;

ΔТ364;

ΔТ453;

3) Интенсивность дождя R вычисляется по следующей формуле:

,

где

R - Интенсивность дождя (мм/ч);

R0 - нормировочный показатель настроенной Нейронной Сети в мм/ч;

ω0,1,2(W,B) - весовые коэффициенты (W) смещения (В) на входящем (0), скрытом (1) и выходящем (2) уровнях;

n - номер обрабатывающего нейрона n=1, … 15;

1, 2, 3, 4 - Разности радиояркостных температур в радиометрических каналах

1, 2, 3, 4, 5, 6: ΔТ142; ΔТ23-T1; ΔТ364; ΔТ453;

где , , , , ,

i - номера разностей радиометрических измерений, используемых в расчетах.

Нижеприведенные комбинации частот и режимов поляризации радиометрических каналов (υ1, υ2, υ3, υ4, υ5, υ6) и коэффициенты настроенной Нейронной Сети (R0, ω0,1,2(W,B)) определены с помощью математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера и проведения численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи:

υ1=6.9 ГГц горизонтальной поляризации;

υ2=6.9 ГГц вертикальной поляризации;

υ3=7.3 ГГц горизонтальной поляризации;

υ4=7.3 ГГц вертикальной поляризации;

υ5=10.65 ГГц горизонтальной поляризации;

υ6=10.65 ГГц вертикальной поляризации;

R0=30 мм/ч;

ω1B=-0.7972298

ω2W=2.786512

ω2B=2.787189

Разработанное техническое решение позволяет восстанавливать поля интенсивности дождя над океанами по всему Земному шару во всем диапазоне атмосферных и океанических условий, исключая интенсивные (более 30 мм/ч) осадки. По сравнению с прототипом, данный способ является существенно более точным. Использование предложенного способа позволяет получать более высокие по сравнению с прототипом точности: в условиях сильных ветров (>15 м/с) - на 40%, в условиях слабых интенсивностей дождя (до 2 мм/ч) - на 60% выше.

Литература

1. Robert J. Kuligowski, A Self-Calibrating Real-Time GOES Rainfall Algorithm for Short-Term Rainfall Estimates // J. Hydrometeor, Том 3, №2, 2002. С. 112-130.

2. Christian Kummerow, Y. Hong, W.S. Olson, S. Yang, R.F. Adler, J. McCollum, R. Ferraro, G. Petty, D-B. Shin, and Т.T. Wilheit, The Evolution of the Goddard Profiling Algorithm (GPROF) for Rainfall Estimation from Passive Microwave Sensors // J. Appl. Meteor, Том 40, №11, 2001. С. 1801-1820.

3. Chapron В. и др. Ocean remote sensing data integration-examples and outlook // OceanObs' 09: Sustained Ocean Observations and Information for Society (Vol. 1), Venice, Italy, 21-25 September 2009., 2010.

4. Liebe H.J., Layton D.H. Millimeter-wave properties of the atmosphere: Laboratory studies and propagation modeling: Nat. Tech. Inf. Service Boulder, CO, 1987.

Способ оценки интенсивности дождя по данным измерений спутникового микроволнового радиометра AMSR2 путем получения значений радиояркостных температур (Тя) над районами океанов, свободными от морского льда, с использованием зависимости, учитывающей значения разниц радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети, численные значения которых получены путем математического моделирования уходящего излучения системы Океан-Атмосфера в условиях осадков и проведения численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи, отличающийся тем, что используются шесть радиометрических каналов AMSR2, при вычислении значений R используются разницы в измерениях (ΔТя) с использованием следующих частот и поляризационных режимов: υ1=6.9 ГГц горизонтальной поляризации, υ2=6.9 ГГц вертикальной поляризации, υ3=7.3 ГГц горизонтальной поляризации, υ4=7.3 ГГц вертикальной поляризации, υ5=10.65 ГГц горизонтальной поляризации и υ6=10.65 ГГц вертикальной поляризации; при моделировании излучения применяется новая параметризация излучения океана, позволяющая адекватно воспроизводить измеряемые радиояркостные температуры во всем диапазоне атмосферных и океанических условий; моделируется ослабление излучения слоем осадков до 30 мм/ч, что позволяет получать интенсивности дождя с более высокой точностью в условиях сильных ветров (>15 м/с), в условиях слабых интенсивностей дождя (до 2 мм/ч).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области лабораторного оборудования, используемого при изучении процессов капельно-дождевой эрозии почв, и может быть использовано при исследовании почвенных образцов в процессе изучения протекающих эрозионных процессов.

Изобретение относится к устройствам для определения толщины снежного покрова и может быть использовано для оценки лавинной опасности и определения снегонакопления в горах.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для калибровки оптического измерителя осадков. Заявленный способ калибровки осуществляют с помощью непрозрачного стержня круглого поперечного сечения, который перемещают через оптический канал под прямым углом к направлению светового потока с сохранением ортогональности оси стержня относительно плоскости оптического канала на всем пути следования стержня, при этом значение поправки для каждого из выделенных участков рассчитываются по формуле: где ki - значение поправочного коэффициента для i-го участка оптического канала, Dc - диаметр стержня, - среднее измеренное значение диметра стержня, полученное при его перемещении в участке i.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения интенсивности осадков в реальном времени в авиационных системах улучшенного видения.

Изобретение относится к области метеорологического приборостроения и может быть использовано для расширения области применения оптических осадкомеров. В заявленном оптическом способе измерения атмосферных осадков с помощью источника излучения, линейного сенсора и оптической системы формируют измерительную площадь, размеры которой адаптируют в зависимости от текущей интенсивности осадков, затем регистрируют горизонтальные размеры теней частиц осадков по количеству затененных светочувствительных элементов линейного сенсора, осуществляют передачу потока измерительной информации и вычисление искомых параметров атмосферных осадков.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для измерения нарастающих отложений сублимационного льда-инея на поверхности снежного покрова.

Изобретение относится к способам дистанционного определения толщины снежного покрова и может быть использовано с целью прогнозирования лавинной опасности. Сущность: последовательно проводят летние и зимние зондирования склона с использованием лазерного дальномера.

Датчик высоты снежного покрова относится к метеорологическому приборостроению и предназначен для использования в автоматических и дистанционных метеорологических станциях для оперативного измерения высоты снежного покрова.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для оценки качества полива и оценки работы поливной техники. Сущность: на участке дождевания устанавливают фотоэлектрический датчик системы контроля.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для дистанционного контроля прироста толщины снежного покрова на лавиноопасных склонах. .

Изобретение относится к области дистанционного измерения температур и касается способа измерения температуры потока газа с поглотителем. Измерение температуры проводят в, по крайней мере, трех слоях заданной толщины.

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Заявлен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Тя) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (Ts) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети.

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности.

Изобретение относится к области дистанционного измерения высоких температур газов и может быть применено для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок.

Изобретение относится к оптическому приборостроению. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений энергии оптических импульсов. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к технике оптических измерений. .

Пирометр // 2270984
Изобретение относится к измерительной технике. .

Пирометр // 2225600
Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике. .

Изобретение относится к области измерительной техники и касается фотоприемника для регистрации инфракрасного излучения в области 10,6 мкм. Фотоприемник включает в себя герметичную наполненную газом камеру, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники. Внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи. Камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм и с относительной концентрацией элегаза , где - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства. 1 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интенсивности дождя над территориями океана, свободными ото льда. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 6.9 ГГц горизонтальной поляризации и 6.9 ГГц вертикальной поляризации, 7.3 ГГц горизонтальной поляризации и 7.3 ГГц вертикальной поляризации, 10.65 ГГц горизонтальной поляризации и 10.65 ГГц вертикальной поляризации. Вычисляют интенсивность дождя с использованием зависимости, учитывающей разницу радиояркостных температур и коэффициенты настроенной Нейронной Сети. При этом численные значения упомянутых коэффициентов получают математическим моделированием уходящего излучения системы Океан - Атмосфера в условиях осадков и проведением численного эксперимента с использованием Нейронных Сетей в качестве оператора решения обратной задачи. Причем при моделировании излучения применяют уточненные модели ослабления микроволнового излучения молекулярными газами и жидкокапельной влагой в облаках и осадках, а также новую параметризацию излучения океана. Технический результат: повышение точности оценки, расширение диапазона условий применения.

Наверх