Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Определение температуры поверхности океана дистанционными методами

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Определение температуры поверхности океана дистанционными методами"

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет им. М. В. Ломоносова

Физический факультет

На правах рукописи ЧАВРО АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА ДИСТАНЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ

04.00.22 — геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Институте вычислительной математики РАН.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В. М. ОРЛОВ; доктор физико-математических наук, профессор Г. Г. Хунджуа; доктор технических наук А. М. ШУТКО.

Ведущая организация: ордена Ленина Гидрометеорологи-ЧС'СК ий научно-исследовательский центр России.

Защита диссертации состоится «.—¿1_»___^ ^_1992 г.

в АМ час., па заседании Специализированного совета Д.053.05.81 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899 Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, аудитория _ .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «__» —*?...."1____ 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат физнко-математичяеКю наук

В. В. РОЗАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годи существенно расширились исследования метеопараметров с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ). Эти исследования в значительной степени симулировались необходимостью решения ряда научных и практических задач в области физики атмосферы и океана, метеорологии, климатологии, изучения природных ресурсов. Это в свою очередь требует создания эффективной наблюдательной системы па естествг шымк и антропогенными изменениями физических параметров атмосферы и поверхно' -ти. Согласно требованиям к спутниковой информации в исследованиях краткосрочных изменений климата и прогноза погоды, такой наибол^з важный параметр, как температура поверхности океана (ТПО) должнрс, определяться с точностью не хуле 0,5 К при временном масштабе осреднения в один месяц и пространственном маот-абе 100x100 км. Гэс-тияение такой точности возможно при разработке принципиально новой спутниковой системы, которая должна обеспечивать высокую точность измерений и строиться с учетом возмодности реализации совое-менных методов определения ТПО со спутников. Технические требования к такой системе были разработаны в рамках рабочей группа "ТПО-0,5", в работе которой автор принимал непосредственно^ участие. В настоящее время система реализуется на спутнике "Алмаз".

Известно, что информация о подстилающей поверхности и атмосфере, получаемая дистанционными методами, содержится в характери -тиках собственного и отраженного электромагнитного излученк.. в микроволновом (СВЧ), инфракрасн . (ПК) и видимом диапазонах спектра. Такой характеристикой в ИК-области спектра является интенсивность 1Л(Э) собственного излучения системы "подстилающая поверхность-атмосфера", регистрируемой на спутнике под углом 6 к надиру на длине волны X :

о о и .

+ г и - ,6]их[тц)]¿г, (I)

о 0 и ' .

гдо - иолучатбльная способность поверхности, ВХ(Т) -

функция Планка при температуре Т ; 'р @) - Функция пропус-

кания ИК-иэучения слоя атмосферьМО, "С ), измеряемого в относительных единицах давления воздуха; = интегрально-показательная функция, 1Г(0 - оптическая толщина слоя ^t ,1). Из соотношения (I) видно, что интенсивность 1^(6,) зависит, в частности, от функции пропускания атмосферы и иэлучательной способности • эверхности. Очевидьо, что от того насколько правильно учитываются эти функции в задачах дистанционного зондирования, зависит точность восстановления искомых параметров. Поэтому методы дистанционных исследований со спутников должны строиться с учетом реальных физических механизмов формирования и ' переноса изучения в естественных средах.

К началу 70-х годов усилия исследователей, работающих в этой области, были направлены в основном на совершенствование технических средств в направлении повышения точности измерений. Большое внимание уделялось также разр^-оотке методов решения обратных задач, применяемых в данно. области физики.

Однако повышение только точности измерений и методов решения задач не могли обеспечить требуемую точность определения метеопараметров. Это убедительно демонстрируется на геймере решения задачи термического зондирования поверхности океана космическими средствами. Как выяснилось в последние годы,, причины больших ошибок определения параметров океана и атмосферы связаны с недостаточно корректным учетом механизмов переноса излучения в атмосфере и иэлучательной способности поверхности.

К настоящему времени проведены уже обширные теоретические и экспериментальные исследования как в области физики генерации и переноса электромагнитного излучения в системе "подстилающая по-веохность-атмосФеоа". так и собственно методов зондирования подстилающей поверхности к атмосферы. Однако до сих пор существуют противоречия между натурными и лабораторными исследованиями функции пропускания атмосферы; Предложенные методы определения ТПО недостаточно корректно учитывают влияние функции пропускания атмосферы и, как правило, не учитывают вариации иэлучательной способности поверхности.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется потребностью в новых, обоснованных с физической точки зрения, методах дистанционного определения температуры поверхности океана в связи с совершенствованием средств сбора информации для улучшения

прогноза погоды, изучения климатических изменений и мониторинга океана.

Целью работы является определение термодинамической температуры поверхности океана со спутников с высокой точностью. В отличие от предшествующих методов ставится задача достатично точно учесть влияние функции пропускания атмосферы, вертикального профиля температуры атмосферы и излучательной способности поверхности.

Для решения поставленной задачи необходимо исследовать Физические закономерности вариаций функции пропу кания атмосферы в ИК-диапазоне спектра и на основе этого исследования разработать методы определения ТПО, которые корректно учитывали бы влияние как ; гмос-феры, так и излучательной способности поверхности океана.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается: с»

- применением научно обоснованных физических и статистических методов исследования на материалах ассовых I Злюдений комплексного оптического эксперимента в различных метеорологических условиях;

- установлением степени адекватности полученные результатов путем сопоставления с теоретическими и лабораторными исследованиям:!;

- опытом успешного применения предложенных мето;оз на материалах численного моделирования и реальных данных наблюдении.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе результатов, полученных автором по изучению функции пропускания атмосферы в ИК-области спектра, а также применения новых методов измерений и интерпретации эксперимента, включая понятия надежности модели из. зрений и информативности измерительных каналов, достигнута высокая точность определения ТПО со спутников в ИК-области спектра.

Перечислим основные новые результаты и подходы, содержащиеся в диссертации.

- Впервые на основе комплексного натурного эксперимента удалось разделить вклад в ослабление ИК-излучения в "окнах прозрачности" за счет континиуума водяного пара и аэрозоля. Изучена зависимость коэффициентов континуального поглощения водяного пара в области 2-21 мкм от парциального давления и температуры.

- Показано, что мелкодисперсная фракция аэрозоля играет существенную роль в ослаблении как видимого, так и инфракрасного излучения, причем механизмы ослабления излучения в видимом и ИК-диа-.

пазонах спектра различны: в видимом диапазоне определяющую роль играет рассеяние, а в ИК-диапазоне - поглощение.

- Установлена большая изменчивость мелкодисперсной фракции аэрозоля как по количественному составу, так и по оптическим свойствам в зависимости от относительной влажности воздуха.

- На основе анализа спектрального метода определения ТПО показано, что основные погрешности этого метода связаны с вариациями спектрального хода оптической толщины аэрозоля. Для устранения указанного недостатка автором предложен спектрально-угловой метод, позволяющий учитывать в каждой конкретной ситуации реальный спектральный ход аэрозольного ослабления.

- Автором предложен метод определения ТПО, основанный на угловых измерениях интенсивности уходящего излучения в ИК-области спектра. Метод апробирован на экспериментальных данных, полученных с помощью самолётного ИК-радиометра. При погрешностях измерений -'0,1-0,2 К метод обеспечивает среднеквадратичную точност: восстановления ТПО~0,7 К.

- Впервые предложена малопараметрическая модель для описания угловой структуры интенсивности уходящего собственного излучения системы "океан-атмосфера" с использованием разложения по эмпирическим ортогональным составляющим. На основу этой модели предложен метод определения ТПО с учетом влияния атмосферы и излучтальной способности океана.

- Показано, что сочетание углового метода измерений интенсивности излучения с современными методами интерпретации экспериментов - методами редукции позволяет достичь требуемую точность восстановления термодинамической ТПО < 0,4 К при точностях измерений <.0,2 К.

- Впервые для решения задачи определения ТПО со спутников предложено использовать понятие надежности модели с целью контроля за качеством используемой модели измерений.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования по изучению функции пропускания атмосферы в инфракрасной области спектра в последнее время приобретают особый интерес в связи с тем, что многие .задачи метеоре огии, геофизики и астрофизики требуют глубокого понимания природы функции пропускания атмосферы

и знания достаточно точных количественных характеристик ее параметров. Важность указанной проблемы определяется также задачами прикладного характера, связанными с оценкой работы различных оптико-электронных приборов. Полученные результаты указывают на существенную зависимость функции пропускания атмосферы в "окнал" ИК-ооласти спектра от аэрозольной компоненты. Это вызывает определенные трудности учета ослабляющих свойств этой субстанции в задаче термического зондирования подстилающей поверхности.

Предложенные в работе методы определения термодинамической ТПО с учетом влияния атмосферы и излучательной способности океана, основанные на новых методах интерпретации эксперимента с учетам информативности измерительных каналов, согласованной с погрешностью измерений, а также надежности модели измерений могут найти применение при разработке перспективной ИК-аппаратуры, предназначенной для определения ТПО со спутников.

Результаты численного моделирования и реальные эксперименты с помощью самолетов-лабораторий и спутников показали что предложенные методы обеспечивают требуемую точность определения ТПО.

Результаты, полученные в диссертации, используются в настоящее время на советских спутниковых системах, а также могут найп. применение в организациях Росгидромета (Гидрометеоцентг России, ЦАО, ГТО им.Воейкова) и РАН ( ИО им.П.П.Ширшова, ИКИ, ИФА, ИРЭ).

Публикации результатов диссертации. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, в том числе одна монография и одно авторское свидетельство об изобретении. Основные результаты опубликованы в центральных отечественных журналах: "Доклады АН СССР", "Известия АН СССР. Физика атмосферы и окена", "Исследование Земли из космоса".

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования и разработке принципов их решения, создании научной аппаратуры и проведении натурных наблюдений, интерпретации результатов исследования ТПО со спутников.

Основная часть научных результатов, представленных в диссертации, получена автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное, равное с другими авторами, участие в разработке и создании комплекса аппаратуры для научных исследований, а также в получении < экспериментального материала. Практически самостоятельно проведены

расчеты по статистическому анализу данных наблюдений. Принимал участие в обсуждении и интерпретации полученных результатов, а такие в формулировке научных выводов. Автору принадлежат идеи новых методов определения ТПО. Принимал участие в экспериментах по численному моделированию, а также теоретических расчетах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на I Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (Томск, 1976г.), Международной научной конференции ВМО по итогам АТЭП (Ташкент, 1977г.), Всесоюзном совещании по актинометрии (Таллинн, 1980г.), vn Научных чтениях по космонавтике (Москва, 1983г.), Всесоюзном семинаре по дистанционным методам исследования со спутников (Ленинград, 1986г.), 1U Всесоюзной конференции по проекту "Разрезы" (Одесса, 1988г.), V Всесоюзном совещании-семинаре по спутниковой гидрофизике (Севастополь, 1988г.), Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследованиях океана и атмосферы" (Звенигород,Моек, обл., 1989г.), Школ»,-семинаре МГУ "Использование методов редуции в обратных задачах математической физики" (Красновидово, Моск. обл., 1990г.), vn Всесоюзном совещании-семинаре по спутниковой гидрофизике (Севастополь, 1990г.), Научно-техническом семинаре по проблемам дистанционного зондирования Земли из космоса (Реутово, Моск. обл., 1990г.), научных семинарах ИФА АН СССР, ИО АН СССР, ИКИ АН СССР, МГИ АН УССР, ОВМ АН СССР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения и списка литературы из 228 наименований. Общи объем работы составляет 286 страниц машинописного текста. Диссертация содержит'36 рисунков и 38 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и научные задачи работы, рассмотрены научная н-визна и практическая значимость диссертации, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о личном вкладе автора, апробации работы и структуре диссертации, кратко изложено её содержание.

Глава I. Аппаратура и методика экспериментальных исследований. Для проведения экспериментальных исследований по изучению оптических свойств атмосферы был создан комплекс аппаратуры, вклю-

чающий установки для проведения измерений функции пропускания атмосферы в ИК, видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Измерения функции пропускания атмосферы в области 2-21 мкм проводились с помощью инфракрасной установки, созданной на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы (ИФА) АН СССР. Устэ-овка позволяет измерять спектры пропускания атмосферы как в условиях приземного слоя воздуха (горизонтальная трасса), так и по всей толще атмосферы (наклонная трасса) с использованием Солнца в качестве источника излучения. В качестве регистра ующего прибс. а используется двухлучевой спектрофотометр и £ -20, который позволяет измерять спектры пропускания д максимальным разрешением I см"*. При работе на горизонтальной трассе установ 1 регистр.фу-ет спектры пропускания атмосферы по двухлучевому методу, для чего в качестве источника используется внешний глобар. Излучение, поступающее от глобара, разделяется на два световых потока, один из которых является контрольным канслом, а второй - измерите -,ным. Измерительный канал формируется системой зеркал, которая отправляет излучение вдоль измерительной трассы, возращае'. его обратно и затем направляет в спектрофотометр. При измерениях в облает; 0,37-14 мкм длина оптического пути составляла 1350 м, а в области 15-21 мкм - 136 и 320 м.

При работе на наклонной трассе установка регистрирует отношение потока энергии Солнца к потоку энергии глобара. Солнечное излучение с помощью целостатной установки стабилизируете и подается в помещение лаборатории. Затем с помощью системы зеркал направляется в измерительный канал установки. В контрольный канал подается излучение глобара, ток которого во время измерений поддерживается стабильным. Спектры регистрировались с разреиением 3 см"* в области 8-12 мкм и Д1) ~ 4 см"1 в области 15-21 мкм.

Для измерения функции пропускания атмосферы в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра использовался многоканальный фотометр. Источником света в фотометре является лампа накаливания КИМ-100. Сформированный объективом световой поток направляется вдоль измерительной трассы и затем с помощью катафота возвращается обратно и направляется в измерительный канал фотометра. Конт- . рольный канал формируется с помоцью полупрозрачных пластин, расщепляющих основной поток на измерительный и контрольный. В качестве приемников использовалось фотосопротивление из Р б £ (для измерений в диапазоне Г,2-2,2 мкм) и два фотоумножителя ФЭУ-33 - и

ФЭУ-69 для измерений в диапазоне 0,37.-1,0 мкм. В фотометре использовались восемь фильтров с центрами у Д. =0,37; 0,42; 0,50; 0,63; 0,76; 1,03; 1,63; 2,23 мкм к полушириной ~ 0,01 мкм для первых шести Фильтров и около 0,04 мкм для двух последних.

На этих установках получен основной экспериментальный материал, представленный в диссертации, по изучению функции пропускания атмосферы в ИК-области спектра. В последние годы бьша создана новая система стабилизации светового потока Солнца, а комплекс регистрирующей аппаратуры дополнен спектрофотометрами 5РМ-1, 5РН-2, МДР-3, ДМР-4. Это дало возможность регистрировать непрерывно спектры пропускания атмосферы не только в ПК, но и в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра.

. Функция пропускания атмосферы в "окнах" прозрачности

на горизонтальной трассе определяется соотношением

где - спектральный показательослабления, в - длина трассы. В области 0,37-2,2 икм функция пропускания атмосферы измерялась в абсолютных величинах, а в области 2-14 ыкм в относительных единицах с последующей привязкой в "окне" 2,2 мкм. В области 1521 мкм измерения велись на коротких трассах, поэтому для определения в качестве "окна" с 100% пропусканием использовалось довольно прозрачное "окно" 10,2 мкм.

Оптическая толщина вертикального столба атмосферы оп-

ределяется из Справедливого для "окон" прозрачности соотношения

где I х - внеатмосферное значение интенсивности; - измерен-

ное значение прошедшей через атмосферу интенсивности; и* - атмосферная масса. При этом использовался "долгий" метод Бугера.

• Одновременно со спектрами пропускания атмосферы на горизонтальной трассе измерялись также температура, парциально давление водяного пара, относительная влажность, концентрация и распределение по размерам аэрозольных частиц, а в условиях наклонной трассы измерялось влагосодержание в вертикальном столбе атмосферы.

В этой главе описан также сканирующий ифракрасный радиометр для измерений угловых характеристик собственного излучения систе-

мы "океан-атмосфера" с самолетов-лабораторий. За основу конструкции радиометра была принята модель МИР-3 разработки ЛЭТИ-ЛОГО'ИН.

Радиометр состоит из оптической головки, механического устройства сканирования по углу, пульта управления и регистрирующей системы. Технические характеристики прибора:

- спектральный диапазон 8-12 мкм,

- погрешность измерения радиационной температуры 0,1-0,2 К,

- угол зрения прибора < 10°,

- угол сканирования 0-35°. Радиометр был установлен в специальном отсеке на самолете-лаборатории АН-12.

Измерения радиолркостной температуры системы "океан-агмосфс • ра" проводились в августе-сентябре 1981г. в северо-западном райе не Тихого океана. Полеты проводились на высотах от 50 до 4000 м при различных атмосферных условиях.

Глава П. Функция пропускания атмосферы в инфракрасной области спектра. Эта глава посвящена изучению функции про /екания атмосферы в инфракрасной области спектра, широко используемой для дистанционного зондирования параметров атмосферы и по, зтилающей поверхности со спутников.

Одним из валных вопросов при изучении функцш пропускания атмосферы в ИК-области спектра является выяснение физического механизма ослабления излучения.

С этой целью был проведен обвирный эксперимент по измерению функции пропускания атмосферы в естественных условиях на горизонтальных и наклонных трассах в области спектра 0,37-21 мкм с одновременной регистрацией температуры воздуха, абсолютной и относительной влаяностей, осаженного слоя паров води и концентрации аэрозольных частиц различных размеров.

Если построить зависимость оптической толщины вертикального столба атмосферы Т, или показателей ослабления С> в приземном слое в "окнах" ИК-области спектра как функ—чю осажденного слоя паров воды V»/ , то обнаруживается неоднозначность такой зависимости. Разброс оптических толщин при фиксированных V/ достигает 200-300ж. Причиной такого разброса может быть зависимость коэффициентов поглощения водяного пара от парциального давления водяного пара к температуры воздуха. Однако попытка объяснить вариации оптических толщин атмосферы в ИК-области спектра только за счет вариаций коэффициентов поглощения водяного пара не привела к

успеху. Эти вариации оказались слишком малыми по сравнению с наблюдаемым в натурных условиях разбросом экспериментальных данных. Поэтому была выдвинута гипотеза о существенном вкладе в ослабление ИК-радиации аэрозольной компоненты, сильно варьирующей в пространств" и времени.

Для разделения эффектов ослабления ИК-излучения в "окнах прозрачности", обусловленных водяным паром и аэрозолем был предложен метод минимальных точек. Суть этого метода сводится к тому, что вклад водяного пара в общее ослабление ИК-радиации следует определять 1.о минимальным значениям и. для каждого фиксированного W с учетом ошибок измерений и возможных вариаций за счет температуры воздуха и парциального давления водяного пара. Такой подход соответствует минимизации аэрозольного ослабления и позволяет дать верхнюю оценку вклада водяного пара в общее ослабление ИК-радиации р "окнах прозрачности". В работе показано, что при таком отборе экспериментальных данных, минимальные показатели ослабления, полученные на горизонтальной трассе, можно аппроксимировать нелинейной зависимостью вида

где и к2 -.некоторые коэффициенты. Это обстоятельство дает основание утверждать о возможном существовании зависимости коэффициентов континуального поглощения водяного пара от парциального давления последнего. Для установления этой зависимости били вычислены эффективные значения коэффициентов поглощения

6" / ^ 6"с. + 6"м

¡с я —— = (с + -—- >

где ¡с - коэффициент поглощения водяного пара, - аэрозоль-

ное' ослабление, (>м - молекулярное поглощение за счет других газов. Оказалось, что минимальные значения ¡с $ близки по абсолютной величине к лаборатории).: экспериментам Бёрча; Мак-коя, Рен-ча, Лонга; Арефьева и Дианова-Клокова и аппроксимируются зависимостью вида

/с

где о^^ и <¿2. - постоянные при данной температуре коэффициенты, •С - парциальное давление водяного пара. В наиболее чистых "окнах прозрачности" ИК-диапазона оказались равными нулю, а о62 -

близки к данным Бёрча. В работе приведены эксперимент льные оНаче-ния <¿2 Для "окон прозрачности" спектрального диапазона от 2 до 21 мкм.

Что касается температурной зависимости коэффициентов поглощения водяного пара в "окнах" ИК-диапазона, "о она находится в пределах погрешностей измерений при наших условиях эксперимента.

В работе представлены также результаты теоретических расчетов коэффициентов поглощения водяного пара с контуром линии

где - волновое число, определяющее центр линии, д У - полуширина линии, V - частота внешнего электромагнитного поля, полученного в результате решения кинетического уравнения. Показано, что расчетные значения коэффициентов поглощения водяного па; 1 получаются завышенными в области 8-12 мкм по сравнению с .(инимальны-ии экспериментальными значениями, а в длинноволновой области 1421 мкк - заниженными. Таким образом, с помощью этого контура не удается получить точный расчет коэффициентов поглощении водяного пара в ИК-области спектра. Сопоставление экспериментальных лаче-ний коэффициентов поглощения с теоретическими расчетами Творогова, Фомина и Несмеловой показали хорошее согласие во всем спектральном диапазоне.

Второй субстанцией, определяющей ослабление ЧК-излучения в "окнах прозрачности" ИК-диапазона, является аэрозольная компонента. Существенная изменчивость аэрозольной компоненты как по количественному, так и по качественному составу обусловливает значительные вариации оптической толщины атмосферы как в коротковолновом, так и длинноволновом диапазонах спектра. Важным результатом натурного эксперимента является четко обнаруживаемая зависимость аэрозольного ослабления в инфракрасной области спектра от концентрации мелкодисперсной фракции аэрозоля. В работе приведены теоре- • тические и экспериментальные с нки значений ;'Показателей аэрозольного ослабления в области 0,37-12,0 мкм, а также их дисперсии.

М 4 (а V)_

>

На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что аэрозольная компонента играет определяющую роль в ослаблении излучения видимого диапазона спектра и оказывает влияние в "окнах прозрачности" ИК-диапазона. Такой' весьма изменчивой субстанцией является мелкодисперсная фракция аэрозоля, которая проявляется через рассеяние в коротковолновой области и через поглощение в ИК-диа-пазоне спектра.

Рассмотренные в этой главе зависимости функции пропускания атмосферы в "окнах прозрачности" ИК-области спектра от характеристик влажности, температуры и аэрозольной компоненты свидетельствуют о довольно сложном характере этих зависимостей. Это обстоятельство указывает на принципиальные трудности учета функции пропускания атмосферы в каждом конкретной случае при дистанционном зондировании из космоса и требует разработки специальных методов.

Глава Ш. Статистический анализ характеристик спектральной структуры ослаблении и метеорологических параметров атмосферы. • В этой главе приведены результаты статистического анализа данных одновременных наблюдений оптической толщины атмосферы и метеорологических параметров как в приземном слое, так и по всей толще атмосферы.

Для статистического анализа использовались экспериментальные данные, полученные "а горизонтальной трассе в области 0,37-13 мкм и для вертикального столба атмосферы в области 2-13 мкм, относящиеся к различным метеорологическим ситуациям и различным сезонам года.

Наиболее детальный статистический анализ был выполнен для горизонтальной трассы, т.к. в этом случае была достаточно полная информация о состоянии атмосферы - температуре ( £ ), осажденном слое паров воды на трассе (IV ), парциальном давлении водяного пара ( С ), относительной влажности ( Г ) и спектре аэрозольных частиц . Анализировались корреляционные связи не только между показателями '- ослабления ( 6" ) в различных участках спектра, но и между ослаблением и метеопараметрами, а также между самими метеопараметрами. Это позволило установись некоторые физические закономерности ослабления излучения в видимом и ИК-диалазонах спектра.

В работе анализируется, в частности, статистический ансамбль, полученный в условиях низкой относительной влажности Г ^ 47%, .где практически отсутствовала корреляция между числом частиц мел-

кодисперсной фракции аэрозоля и абсолютной влажностью. Это позволило разделить эффекты аэрозольного ослабления и континуума водяного пара.

Показано, что в среднем спектре аэрозольных частиц наблюдается двухмодальность с максимумом у 0,2 и 0,5 мкм. Ср-!днеква*ра-тичные отклонения концентрации аэрозольных частиц сопоставимы по абсолютной величине со средними значениями, что говорит о значительных вариациях этого параметра в натурных условиях. В работе приводится сопоставление средних спектров аэрозольного ослабления для случаев "влажного" (Г~ 79%) и "сухого" (Г~ 47Х) множеств Показано, что при изменении относительной влажности характер тект ра аэрозольного ослабления сильно меняется. В "сухом множестве я области 8-12 мкм показатели аэрозольного ослабления существенно выше чем во "влажном" и проявляется полоса поглощения в области 9-10 мкм, что свидетельствует об образовании г атмосфере аэрозоля с полосами поглощения в области 9-10 мкм. С ростом относительной влажности полоса поглощения исчезает и наблюдается минимум аэрозольного поглощения в области 10,2 мкм. Такое изменение спектра аэрозольного ослабления связано с обводнением аэрозольных частиц и тем самым уменьшением поглощающих свойств. Аэрозольны. частицы по своим свойствам становятся ближе к каплям воды, поэтому спектр аэрозольного ослабления приближается к спектру жидкой воды.

Коэффициенты корреляции между показателями' полного ослабления £ видимого (X =0,5 мкм) и ИК-диапазонов спектра составляют ~ 0,7, а внутри диапазона 8-12 мкм /2вв ~ 0,9-1,0 После вычитания континуума водяногс пара коэффициенты корреляции аэрозольного ослабления /2 между видимым и ИК-диапазонами

спектра возрастают и составляют ~0,8, что говорит о существенной роли аэрозольного ослабления как в видимом, гак и в ИК-диапа-зонах спектра.

В работе исследованы взаимнокорреляционныо связи между метеорологическими параметрами и спектром аэрозольных частиц. Показано, что изменение относительной влажности ( г ) являемся главным фактором трансформации спектра аэрозольных частиц. С увеличением относительной влажности растет концентрация мелкодисперсной фракции аэрозоля (0,2-0,5 мкм). Коэффициенты корреляции для час-

тиц размером 0,2-0,25 мкм составляют 0,48 и уменьшаются до нуля с увеличением размеров частиц. Интересная закономерность проявилась в коэффициентах взаимной корреляции между температурой и

концентрацией аэрозольных частиц. Они оказались отрицательными для мелкодисперсной фракции аэрозоля, затеи монотонно убывают и становятся положительными для грубодисперсной фракции. Такая закономерность указывает на различные механизмы генерации аэрозольных частиц различных размеров, а именно: с одной стороны, увеличение температуры сопровождается уменьшением относительной влажности, а следовательно и концентрации мелких частиц, с другой стороны, рост температуры способствует развитию конвективных процессов в приземном слое атмосферы и, тем самым, выносу в атмосферу крупных частиц аэрозоля.

Непосредственное влияние различных метеопараметров и спектра аэрозольных частиц на функцию пропускания атмосферы можно проследить, изучая коэффициенты взаимной корреляции Re-yt и , где

- спектр аэрозольных частиц, £ - вектор измеряемых метеопараметров. В результате статистического анализа установлены следующие закономерности:

- Коэффициенты корреляции Rwff (как и Reff > равн~ 0,10 для Д. =0,5 мни ; монотонно возрастают в ИК-области спектра, начиная от значений 0,35 в "окне" 2,2 мкм до О.^б при 12,2 мкм. Такое поведение RwS* отражает спектральную зависимость коэффициентов континуального поглощения водяного пара. Для аэрозольного

же ослабления Rweft близки к нулю вплоть до X =9 мкм и несколько возрастают к У =12,2 мкм.

- Что касается коэффициентов корреляции между темпе-, ратурой и ослаблением излучения, то для полного ослабления они равны 0,33 в видимой области и близки к нулю в ИК-диалаэоне спектра. В аэрозольном множестве все они отрицательного знака и варьируют по спектру в диапазоне от -0,12 до -0,43. Такой характер связи между t и б"л обусловлен, по-видимому, сложной цепочкой

'-> связи t - Г —/V —> б"о. .

- Коэффициенты корреляции между ослаблением и относительной влажностью лежат в диапазоне 0,5-0,6 и показывают, что повышение относительной влажности приводит к росту концентрации мелкодисперсной фракции аэрозоля, а затем к увеличению рассеяния в видимой области спектра и поглощения в ИК-диалазоне.

- Наибольшими оказались корреляции между показателями аэрозольного ослабления и концентрацией мелкодисперсной фракции, аэрозоля (0,2-0,3 мкм) Я^^ • Они лежат в пределах 0,7-0,9. По мере увеличения размеров частиц коэффициенты корреляции уменьшаются во зсем диапазоне длин волн до значений -" 0,3.

Таким образом, основными факторами, определяющими функцию пропускания атмосферы в ИК-диапазоне являются абсолютная влажность и мелкодисперсная фракция аэрозоля.

В работе приведены также статистические характеристики ослабления излучения вертикальным столбом атмосферы. Данные наблюдений были сформированы в виде четырех статистических ансамблей: 1 - генеральное множество, включающее всю совокупность данных; 2 - реализации, относящиеся к зимнему периоду наблюдений; 3 - реализации, относящиеся к летнему периоду наблюдс.ий; 4 - весенне-осенний ансамбль данных.

По всем названным статистическим ансамблям был ; получены средние значения оптической толщины атмосферы в диапазоне

2,1 ^ Я 6 13,05 мкм и их среднеквадратичные отклонения, автокорреляционные матрицы Р-хъ и взаиынокорреляционные матрицы Р. оптических толщин с осажденным слоем паров воды V/ . Кроме того, были проанализированы собственные векторы и собственные значения автокорреляцоионных матриц В •

Характерной особенностью зимнего сезона является то, что средние значения в 2-3-раза меньше, чем в весенне-осен-

ний период, и в 3-4 раза меньше, чем в летний. Анализ показал, что оптические толщины в ИК-диапазоне в этот период определяются главным образом водяным паром, а вклад аэрозольной компоненты составляет в среднем величину 0,01 и определяется в основном зимними ледяными дымками. В летний период средние значения заметно возрастают, но этот рос нельзя объяснить только увеличением содержания водяного пара в атмосфере. В летний период атмосфера оказывается сильно замутненной аэрозольной компонентой - ее средний вклад в этой облает" составляет ~ 0,07. В этом ансамбле наблюдаются также максимальные вариации оптических толщин, что связано с максимальными вариациями водяного пара и аэрозоля. Для весенне-осеннего сезона характерно, что спектральный ход средних оптических толщин близок к спектральному ходу генераль-

ного множества, что отражает особенность этого сазона как переходного периода между зимой и летом.

Что касается коэффициентов автокорреляции Ях'С X}) оп~ тических толщин 'С на разных длинах волн Я;. , а также коэффициентов корреляции оптических толщин с интегральным влаго-'содержанием вертикального столба атмосферы V/ , то в случае генерального множества в области 8-13 мкм они больше 0,8, а между

"окнами" 2,13 и 3,7 мкм и диапазоном 8-13 мкм они лежат в пределах 0,6-0,9; - постепенно возрастают от 0,5 в "окне" 2,1 мкм до 0,9 в "окне" 13 мкм.

Анализ собственных векторов автокорреляционных матриц 1) показап> что более 97% вариаций, а для генерального множества и летнего сезона более 99Ж описывается первыми тремя собственными векторами.

Глава IV. Методы определения температуры поверхности океана и верхнрЧ границы облачности. В данн>' ; главе приводится описание и анализ различных мето, ов определения ТПО со спутникЬв в ИК-области спектра. Эти метох, < основаны на использовании соотношения (I) для интенсивности собственного излучения системы

"океан-атмосфера". Задача определения ТПО состоит в том, чтобы по измерениям интенсивности 1дх(е) в одном или нескольких спектральных интервалах АЛ. определить Вах(т0) и затем, используя обратное преобразование функции Планка, перейти к Те - температуре поверхности океана. Как видно из соотношения (I) 1дх(0) представляет собой нелинейный функционал от вертикальных профилей температуры и оптической толщины атмосферы и, кроме того, зависит от излучательной способности океана. Учет этих факторов представляет основную трудность при решении обратной задачи определения ТПО со спутников.

В настоящее время широкую известность получили методы определения ТПО, основанные на спектральных и угловых измерениях интенсивности собственного излучения системы "океан-атмосфера".

В работе приводится анализ спектрального метода определения ТПО на основе математического моделирования с использованием реальных данных, характеризующих состояние атмосферы и поверхности. Как известно, спектральный метод строится на основе ряда серьезных физических и математических предположений: I) излучательная. способность поверхности океана ¿Г*.5 I; 2) функция пропускания атмосферы в "окнах прозрачности" 3,7; 11,12 икм определяется только континуумом водяного пара; 3) дифференциал функции пропускания атмосферы представим в виде линейного приближения сС 1?, о) = где кх " коэффициент поглощения водяного пара. При таких предположениях ТПО определяется в виде линейной регрессии по радиационным температурам Т{.=ТД^ , регистрируемым различными каналами спутникового ИК-радиометра

Т. = + a^Y, ¿•i

где коэффициенты разложения удовлетворяют условию £а; = 1

и определяются в случае двухканального иетода формулами 1

(2)

( й„ - константа, описывающая отражение от поверхности и поглощение радиации СО^). Причем авторы метода (Дешаыпс, МакКлейн и др.) предлагают использовать два или три "окна прозрачности" у X = =3,7; II; 12 мкм.

Однако, как показано в диссертации, сделанные выше предположения, как правило, нарушаются, поэтому спектральный метод не обеспечивает надежное определение ТПО с требуемой точностью. Так, например, приемлемый учет влияния атмосферы возможен только в том случае, когда выполняется условие

(3)

где fL и ¡сi - оптичесш , толщины и коэффициенты поглощения водяного пара в соответствующих "окнах прозрачности". D диссертации показано, что условие (3) в натурных условиях выполняется с приемлемой точностью, только в 20% случаев безоблачной атмосферы. В остальных случаях это условие нарушается, что приводит к неконтролируемым погрешностям определениь ТПО. Причиной нарушения условия (3) является влияние аэрозольного поглощения, спектральный эд которого может сильно отличаться от спектральною хода водяного пара. Для устранения указана .*о недостатка автором предлагается спектрально-угловой метод. Суть метода состоит в том, что спектральные изме- ния интенсивности дополняются еще и угловыми. Тогда вместо коэффициентов разложения (2) в каждой конкретной ситуации следует брать уточненные значения J

cj^i/a-ji) • <хг = -fi/o-- А),

где fi = ЛТ^/дТ2 . ATl ^TiCe^-Tifo), eL - урлы визирования. Такая процедура позволяет избавиться от неопределенности в коэффициентах и корректно учитывать влияние атмосферы.

В работе анализируются также угловые методы определения ТПО. .Так, в частности, автором предлагается метод определения ТПО, основанный на измерениях радиационной температуры на одной длине . волны в одном из "окон прозрачности" ИК-Диапазона под двумя углами . Радиационную температуру Та. (б) . регистрируемую спутниковым радиометром, можно представить в виде соотношения

где ДТХ(Э) называется тмосферной поправкой и при не очень больших углах визирования 40° и оптических толщинах Т^ 0,2 дается соотношением.

Автором была проведена экспериментальная проверка предложенного метода с .юмощью самолетного ИК-радиометра, описанного в главе I. Приведенные в диссертации результаты показывают, что такой подход обеспечивает точность определения ТПО не хуже 1,1 К при среднеквадратичной погрешности ~0,7 К.

Однако предложенные угловые и спектральные методы строились в предположении, что излучательрая способность океана &x(&)si. Дальнейшее повышение точности определения ТПО возможно только с учетом вариаций и углового хода излучательной способности океана.

Учет функции пропускания и вертикального профиля температуры атмосферы, а также излучательной способности поверхности в задаче определения ТПО возможен в рамках статистического подхода. Для этого в работе методом оптимальной параметризации строится малопараметрическая модель для описания угловой зависимости интенсивности собственного излучения системы "океан-атмосфера" с учетом , влияния излучательной способности океана. Соотношение (I), путем линейных преобразований, представляется в виде соотношения

(4)

*тясе)« $е< В\[т. -ТСР31 л^(Р,0) = е лвд. «>

о

= (7>

X - 19 -

где <Рх(в) - случайная поправка, учитывающая влияние атмосферы и излучательной способности поверхности. Вектор Фх(©) параметризуется в виде соотношения

('«->.

хч~/ IXх"' 4-- 'А.

^ к

где 4\(©) - среднее значение вектооа, а второе слагаемое в (7) описывает отклонение ф(б) °т среднего, - коэффициенты

разложения по базису, состоящему из собственных векторов автокорреляционной матрицы (бг, 0/) • ПРИ наличии измерений 1Х(В) под М углами вектор I = •( 1л(е4) I (© ) т/е Л достаточно точно параметризуется соотношением ' * х>-> ^ и

М 4

1х(6> - ВЛ(т.) - ФхО) «■ I <8)

/о

уже при М=2,3, причем в качестве Я^Сь) берутся М-1 собственных векторов_с наибольшими собственными числами. Если нам априори известны 4*3.(0) и (©)"V . то определение ТПО сводится к решению замкнутой системы ( ) линейных алгебраических уравнений.

Для проверки предложенного метода были проведены модельные эксперименты. По данным атласа статистических характеристик общей циркуляции атмосферы было сформировано несколько статистических ансамблей, включающих информацию о вертикальных профилях температуры и влажности, скорости приь^дного ветра и ТПО. На основе этой информации для каждого из ансамблей расчитывались множеств^

•{^'(б'} и {.Ф^Ы} и затем вычислялись *(« и

Используя эту информацию решалась обратная задача восстановлен«.. ТПО, при этом на модельные значения интенсивности "набрасывались" случайные погрешности имитирующие ошибки измерений. На основе эксперимента было установлено: во-первых, что базисы оказались очень похожими для разлк ,ных географических районов (вклга-">я тропики и Северную Атлантику), что свидетельствует об устойчивости гармоник угловой структуры теплового излучения; во-вторых, точность, решения обратной задачи слабо зависит от того, для какого географического района берется априорная информация ф (в) и

■^Ч^ (в)У , поэтому модель (8) оказалась довольно универсальной;

в-третьих, при погрешностях измерений интенсивности в радиационных

температурах ~ 0,1-0,2 К, что соответствует реальным погрешностям спутниковых радиометров, нужно использовать два угла визирования, чтобы восстановить ТПО с точностью 0,2-0,4 К. Метод оказался также малочувствительным к наличию аэрозольных слоев в атмосфере.

Глава V. Определение температуры поверхности океана методом редукции измерений. В этой главе рассматриваются новые методы решения обратных задач - методы редукции, применительно к задаче определения ТПО со спутников. Эти методы позволяют достаточно корректно 1_польэовать апр. орную информацию об искомом решении в виде таких статистических саракгеристик, как математическое ожидание и ковариационный оператор, а также ввести понятие надежности модели измерений и информативности измерительных каналов.

Пусть измерения сигналов электромагнитного излучения на спутнике проводятся по стан; ¡ртной схеме "обьект-среда-прибор":

£ = А{ ♦ У, (9)

где у fe К н. - регистрируемый сигнал; Де R ж. i4 и. - линейный оператор, описывающий влияние среды и прибор.- на котором производятся измерения; ^eR^c - входной сигнал от объекта; Vé -шум прибг-а. Предположим, что относительно схемы измерений (9) известны: оператор А, математическое ожидание Е шума У : Е У = =0, а также ковариационные операторы сигнала F и шума 2 :

F , Е =Е W* где fo = Ef .кроме

того, вум измерения не коррелирован с входным сигналом. В этом случае будем говорить, что задана модель Щ 1 схемы

измерений (9). Задача редукции сводится к построению такого линейного преобразования R0 , чтобы можно было интерпретировать как сигнал, полученный на гипотетическом приборе U , выходной сигнал которого дает значения параметров исследуемого объекта в минимальной степени возмущенного процессом измерения. Т.е. Ro находится из условия минимума функционала

т^и. -V5«1 (10)

а

Решение задачи (10) дается выражением

- 21 - ♦ _ где 0 - псевдообратный оператор Д = АРА . Погрешность

редукции определяется из соотношения

/с(и) = Б1ИЛ-'и*и1г ~*<ГА'Р)и"

Если относительно схемы измерений известно еще и ,

то мы имеем дело с моделью ГА Р X 1 и наилучшая в среднем квадратичном оценка вектора ц^ чается соотношением

17 { » 17 р А*(А Р А* 4 - А{.) + •

В рамках теории редукции можно получить также ответы на вопросы: насколько наша модель соответствует реальному эксперименту и какаг чнформативность каждого канала измерения? Для этого, в частности, используется понятие надежности оС ) как меры согласия математической модели о результатами эксперимента. Пусть в принятой модели [А,{в) схемы измерения (9) про шум измерения известно, что он имеет нормальное распределение . Тогда задача определения надежности состоит в проверке гипотезы

где <г£{2(А', при альтернативе ,

О. й К (А) ' В этом с-луч^е надежность определяется

статистикой = II (2 (£ ~ А О! , контролируемой "{•

распределением, и дается соотношением

¿О?) = 1 - Ф 1 »

где <|>(£7 3 ' 2 я' , Введенное таким образом понятие

надежности можно использовать для контроля за построенной априори математической моделью, или в случае верной модели за ошибками измерений.

Для решения практической з?"1ачи определения ТПО со спутников использовался алгоритм рекуррентной редукции, который позволяет ипбсаать в процессе вычисления обращения матриц и делает его более предпосчтительным в расчетном плане.

Методы редукции используются в этой главе для решения задачи определения ТПО в ИК и СВЧ-диапазонах спектра. И; генсивность излучения в ИК-области спектра представляется в виде соотношения (б). В случае, когда измерения ведутся под Л, углами визирования,

- 22 -

аналогом соотношения (6) является система уравнений:

1дх(М -ВАХ(Т.) ♦ %*х(в.), к -1,2.....«г. (II)

С учетом соотношения (II) для схемы измерений (9) имеем: +

А =

1 1 о ... о1 1 о 1 ... о

£ о о ... 1

(12)

Априорная информация в виде ковариационного оператора р и среднего значения вектора решения $с была получена на основе модельного эксперимента по множествам, описанным в главе IV. Оператор

У задавался в виде диагональной матрицы 5 I , где I - еди-<1

ничный оператор, & - дисперсия ошибок измерений. Затем, на модельные значения интенсивности "набрасывались" случайные ошибки и решалась обратная задача. В результате математического моделирования показано, что наиболее информативными являются углы измерений в надир и близкие к нему, а при погрешностях измерений 0,1-0,2 К оптимальной является комбинация из двух углов 0 и 60°. Полученные оценки точности восстановления ТПО свидетельствуют о том, что при погрешностях измерений ~ 0,1-0,2 К и двух углах измерений (0,60°) удается восстановить ТПО со среднеквадратичной погрешностью ~ 0,20,4 К. При одном угле измерений (50°) и указанных погрешностях измерений ТПО восстанавливается с точностью 0,5-0,6 К. Достоверность полученных выводов подтверждается также результатами успешного применения метода редукции к реальным данным, полученным на спутнике "Космос-1151". Контроль за надежностью модели позволяет исключать события плохо согласующиеся с нашей моделью и избавиться от больших погрешностей восстановления ТПО.

Аналогичная задача была рассмотрена для случал, когда измерения ведутся в радиодиапазоне практически в любых погодных условиях, включая ситуации с дождем. Измеряемыми величинами в этом случае служили радиояркостные температуры на длине волны 4,6 см

йа вертикальной и горизонтальной поляризациях 3 =В,Г при различных углах визирования 6 . Представим измеряемие сигналы по аналогии с (II) в виде:

Т^(е)-т. .♦ф.(е).

Тогда для схемы измерений (9) получим

* = {То, Ф6 (ед..., Фв<ео, 4>г (в,), •. •,

а матрица оператора А имеет вид (12). Радиояркостные температуры системы "океан-атмосфера" рассчитывались под углами 0; 16,2; 37,2; 50,0; 58,3° для множества, включающего ситуации с интенсивностью дождя 0-5 мм/час, скоростью приводного ветра 0-20 м/сек, водозапасом облаков 0,3 кг/м', влагосодоржанием атмосферы 23,525,6 кг/м'. При скоростях е гра 20 м/сек степень покрытия водной поверхности пеной достигала 27%. По этому ансамблю была получена априорная информация в виде среднего и ковариационного оператора р . Корреляционный оператор 5 задавался подобно тому как это делалось в ИК-диапазоне. Затем решалась обратная задача при различных комбинациях углов и погрешностях измерений. В результате модельного эксперимента оказалось, что наилучшей комбинацией углов является 16,2; 37,2; 58,3°, при которой ТПО восстанавливается в любой из рассмотренных ситуаций со среднеквадратичной погрешностью ~0,8 К при среднеквадратичной погрешности измерений ~0,1 К. 1остановка такой задачи в радиодиапазоне стимулировалась недостаточной оснащенностью советских спутников техническими средствами для пол;, ения информации о ^аличии зон осадков и степени взволнованности морской поверхности. Однако, если такая . информация имеется, то для определения ТПО с такой же точностью, можно ограничиться более простыми экспериментами.

В этой главе даны некоторые практические рекомендации для получения априорной информации о и Р не 2 помощью модельных расчетов, а на основе усвоения информации, получаемой непосредственно со спутников и кораблей.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в работе:

1. Создан комплекс научной аппаратуры для исследования функции пропускания атмосферы в спектральном диапазоне 0,37-21 мкм на наклонных и горизонтальных трассах. Разработан сканирующий ИК-ра-диометр для измерения собственного излучения системы "океан-атмосфера" с самолетов-лабораторий. Предложена методика экспериментальных исследований и получен экспериментальный материал в разнообразных метг оологических уаовиях.

2. Изучена зависимо :ть функции пропускания атмосферы в "окнах" прозрачности 0,5-20 мкм от содержания водяного пара и аэрозоля. Проведенный анализ позволил разделить вклад в функцию пропускания атмосферы за счет континуального поглощения водяным паром

и аэрозолем. При этом пс:сазано, что:

- коэффициенты континуального поглощения водяного пара в области 2-21 мкм линейно зависят от парциального давления водяного пара и по абсолютной величине хорошо согласуются с лабораторными данными Берча;

- температурная зависимость коэффициент ч континуального поглощения водяного пара в условиях приземного слоя воздуха (при парциальных давлениях 0-20 мб) находится в пределах погрешностей измерений и не может объяснить большие вариации показателей ослабления при фиксированных значениях содержания водяного пара в атмосфере;

- показатели аэрозольного ослабления могут существенно превосходить коэффициенты поглощения водяного пара и вызывают значительные вариации функции пропускания атмосферы в естественных условиях.

3. На основе статистического анализа данных одновременных наблюдений показателей ослабления атмосферы в области 0,5-13 мкм, характеристик влажности, температуры и спектра аэрозольных частиц в приземном слое воздуха установлен ряд закономерностей:

- показано, что атмосферный аэрозоль представляем собой в основном мелкодисперсную фракцию размером 0,2-0,4 мкм, и проявляется через рассеяние в видимом диапазоне спектра и через поглощение в ИК-диапазоне. Концентрация к оптические свойства этой фракции сильно зависят от относительной влажности воздуха. С увеличением относительной влажности концентрация частиц растет, а поглощающее свойство их в ИК-диапазоне уменьшается;

- в случае низкой относительной влажности (~50%) в спектре аэрозольного ослабления проявляется полоса поглощения в области 9-10 мкм. По мере увеличения относительной влажности полоса исчезает и характер спектра сильно меняется;

- получена отрицательная корреляционная зависимость между температурой и мелкодисперсной фракцией аэрозоля размером 0,2-0,5 мкм, что указывает на различные механизмы генерации этих фракций аэрозольных частиц в атмосфере.

4. Получен набор статистических характеристик оптических толщин вертикального столба атмосферы в "микроокнах" г-юзрачности диапазона спектра 2-13 мкм для различных сезонов года. Средние значения оптических толщин атмосферы в области 2-13 мкм в летний период в 2 раза превосходят аналогичные величины в зимний период. Это связано со значительным увеличением содержания водяного пара

и аэрозоля в летний период. Что касается коэффициентов корреляции между оптическими толщинами в "окне" 3,7 мкм и областью П-12 мкм, то они составляют величины ~ 0,7-0,8. Внутри области 8-12 мкм коэффициенты корреляции, как правило, С'льше 0,9.

5. Проведен анализ спектральной методики определения ТПО со спутников. Показано, что этот метод при измерениях в двух "окнах" прозрачности 3,7 и 12 (11.1) мкм может обеспечить необходимую точность определения ТПО лишь в 20% случаев безоблачной атмосферы, когда спектральный ход оптических толщин аэрозоля близок к спектральному ходу коэффициентов водяного пара. В остальных случаях погрешности определения ТПО достигают 7 К. Для уточнения этого метода автором предложено дополнить его угловыми измерениями интенсивности с целью получения информации о спектральной зависимости оптической толщины атмосферы.

6. Предложен метод определения ТПО со спутников, основанный на угловых измерениях интенсивности собственного излучения системы "океан-атмосфера" в ИК-области спентра. Метод апробирован на натурных данных измерении, полу ^нных с помощью самолетного инфракрасного радиометра. При точностях измерений по радиационной температуре 0,1-0,2 К обеспечивается среднеквадратичная точность восстановления ТПО 0,7 К.

7. Разработана малопараметрическая модель для описания угловой структуры интенсивности уходящего собственною излучения системы "океан-атмосфе г" с использованием разложения по эмпирическим ортогональным составляющим. Модель обеспечивает высокую точность

апроксиыации интенсивности излучения уже при 2 членах разложения.

8. Предложены методы определения ТПО со спутников с учетом влияния атмосферы и излучательной способности поверхности по измерениям угловых характеристик уходящего собственного излучения системы "океан-атмосфера" с использованием статистической априорной информации об угловой структуре излучения. Методы проверены на данных модельного эксперимента и натурных данных, полученных на спутнике "Космос-1151Методы обеспечивают среднеквадратичную точност восстановления ПО ~ 0,2-0,4 К при точности измерений ~ 0,1-0,2 К.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Аникин П.П., Чавро А.П., Шукуров А.Х. Комплексная оптическая установка для исследований спектрального пропускания атмосферы на наклонных и горизонтальных трассах в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра (0,3-25 мкм) //Физические аспекты дистанционного зондирования системы "океан-атмосфера".-

М.:Наука, 1981.-С.200-211.

2. Бадаев В.В., Галин В.Я., Чавро А.И. Статистический подход к определению температуры поверхности океана по угловым измерениям в ИК-области спектра.-М., 1988.-18 с. (Препринт ОВМ АН СССР

№ 201).

3. Георгиевский С.С., Пирогов С.М., Чавро А.П., Шукуров А.Х. О связи между статистическими характеристиками спектра аэрозоля и коэффициентами ослабления //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1978.-Т. 14.-К? 4.-С.405-411.

4. Георгиевский Ю.С., Халикова Р.Х., Чавро А.И., Шукуров А.Х. О вариациях спектрального коэффициента ослабления в "окнах прозрачности" //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1973.-

Т. 9.-IP 6.-С.655-660.

5. Георгиевский К).С., Шукуров А.Х., Чавро Л.И. Двухлучевая регистрирующая установка для измерений спектрального пропускания атмосферы в ИК-обласги спектра //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1972.-Т. 8.-IP 4.-С.466-470.

6. Князев H.A., Чавро А.И. О расчете поглощения ИК-раднации водяным паром в континууме //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1978.-Т. 14.9.-С.994-996.

7. Малкевич М.С., Георгиевский Ю.С., Розенберг Г.В., Чавро А.И., Шукуров А.Х. 0 прозрачности атмосферы в ИК-области спектра

//Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1973.-Т. 10.12.-C.I257-I268.

8. Малкевич М.С., Георгиевский Ю.С., Чавро А.И., Шукуров А.Х. Статистические характеристики спектральной структуры ослабления радиации в приземном слое воздуха //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1977.-Т. 13.-№ I2.-C.1257-1267.

9. Малкевич М.С., Георгиевский Ю.С., Чавро А.И., Шукуров А.Х. Статистические характеристики спектральной структуры ослабления радиации при различной замутненности приземного слоя атмосферы // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1978.-Т. 14.3.-

С.273-284.

10. Малкевич М.С., Городецкий А.К., Орлов А.П., Чавро А.И., Шукуров А.Х. Комплексный метод исследования вклада в пропускание атмо;£>еры в "окнах" прозрачности 8-13 мкм //Труды ГГО.-1976.-Вып. 369.-С.143-156.

11. Малкевич М.С., Чавро А.И. Оценк" погрешности определения температуры поверхности океана по спутниковым измерениям излучения в "окнах прозрачности" 3,7; 11,0; 12,0 мкм //Исследование Земли из космоса.-1982.-V 4.-С.72-84.

12. Розенберг Р.З., Георгиевский Ю.С., Капустин В.Н., Любов-цева D.C., Орлов А.П., Пирогсз С.!.'.., Чавро А.И., Шукуров А.Х. Аэрозольное поглощение сзета в "окне прозрачности" 8-12 мкм //ДАН СССР.-1978.-Т. 238.2.-С.300-302.

13. Розеноерг ['.В., Георгиевский D.C., Капустин В.Н., Любов-цева Ю.С., Орлов А.П., Пирогов С.М., Чавро А.И., Шукуров А.Х. Субмикронная фракция аэрозоля и поглощение света и "окне прозрачности" 8-12 мкм //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1977.-Т. 13.II .-С.1185-1192.

14. Чавро А.И. К вопросу об определении температуры поверхности океана ..о многоканальным спутниковым измерениям излучения в "окнах прозрачности" ПК-диапазона спектра //Исследование Земли из космоса.-1982.5.-C.I -115. /

15. Чавро А.И. Континуальное ослабление ИК-радиации в "окнах прозрачности" в приземном слое атмосферы //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1982.-Т. 18.6.-С.632-640.

16. Чавро А.И. 0 зависимости прозрачности приземного слоя атмосферы в "окнах" ИК-области спектра от влажное:и температуры //Известия АН СССР Физика атмосферы и океана.-1975.-Т. II.-№ 12,-С.1230-1238.

¡7. Чавро А.И. Определение температуры поверхности океана и верхней границы облачности по угловым измерениям собственного излучения в ИК-области спектра //Исследование Земли из космоса.-1983.-0° 5.-С.15-21.

18. Чавро А.И. Статистические связи между метеорологическими параметрами и ослаблением в видимой и ИК-области спектра //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1985.-Т. 21.-Р 3.-С.270-276.

19 Чавро А.И. Физические осноь.. и методы определения температуры поверхности океага со спутников.-М.:0ВМ АН СССР, 1990.174 с.

20. Чавро А. И., Георгиевский D.C., Малкевич М.С., Шукуров • А.Х. Связь между статисткдескими характеристиками спектральной структуры ослаоления ря-иации и метеорологическими параметрами в приземном слое воздуха //Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана.-1978.-Т. 14.-№ 2.-С.157-169.

21. Чавро А.И., Хапин Ю.Б., Шпакова И.Н., Эткин B.C. Определение температуры морской поверхности по угловым ИК-измерениям // Материалы Vfl научных чтений по космонавтике. Ч.:ИИ ET АН СССР, 1983.-С.166-172.

22. Чавро А.И., Шукуров А.Х. Статистические характеристики спектральной структуры ослабления ИК-радиации вертикальным столбом атмосферы //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1989.-Т. 25.-IP 8.-С.832-842.

23. Шукуров А.Х., Малкевич U.C., Чавро А.И. Экспериментальное исследование закономерностей пропускания радиации вертикальным столбом атмосферы в "окнах" интервала 2-13 мкм //Известил АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1976.-Т. 12.3.-С.264-271.

24. Шукуров А.Х., Чавро А.И. Об ослаблении радиации атмосферой в "окнах" диапазона спектра 8-21 мкм по данным морских и континентальных измерений //Физические аспекты дистанционного зондирования системы "океан-атмосфера".-1,1. :11аука, I98I.-C.72-76.

25. Shukurov A. Kh., Chavro A.I. On the variations of the atmospheric spectral tгanamittenco in the windows of the infrared region over the tropical ocean area.-Carp. Atlant. Trop. Exp. Proc. Int. Sei. Conf. Energ. Trop. Atraoa., Taschkent, 1977, Geneva,

1978 .-P. 167-173.

26. Кнуренко Л.Б., Пытьев Ю.П., Чавро А.И. Метод редукции измерений в задаче определения ТПО при дистанционном зондировании в ИК-диапазоне спектра //Исследование Земли из космоса.-1991.- № 6.- С. 26-34.