Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Учет атмосферных факторов при восстановлении спектрального коэффициента яркости открытого океана по дистанционным измерениям из космоса

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Учет атмосферных факторов при восстановлении спектрального коэффициента яркости открытого океана по дистанционным измерениям из космоса"

АКАДЕМИЯ: НАУК ■ УКРАИНЫ. ■ МОРСКОЙ.ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи

СУСЛИН Вячеслав Владимирович

УЧЕТ АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ' ВОССТАНОВЛЕНИИ СПЕКТРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ ОТКРЫТОГО ОКЕАНА ПО ДИСТАНЦИОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ ИЗ КОСМОСА

04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертация на соискание ученой степени. кандидата физико-математических наук,

Севастополь" 1992 г.

Работа Еыполкена в Морском гидрофизическом институте АН Украины

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Суетин В. С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Копелевич О. В.

кандидат физико-математических наук Ли М. Е.

Ведущая организации Институт прикладной математики

Российской Академии наук

Защита состоится Ч 1992 г. в ^ часов на

заседании Специализированного совета Д 016.01.01 при Морском гидрофизическом институте АН Украины (335000, г.Севастополь, ул. Капитанская, 2).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского гидрофизического института АН Украины (335000, г.Севастополь, ул. Капитанская, 2).

Автореферат разослан _" ^ 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета /

канд. физ. -мат. наук *<">7 /' /I / А. М. Суворов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наблюдение океана в видимом диапазоне спектра является одним из наиболее информативных . способов дистанционного зондирования, который в принципе позволяет контролировать глобальное распределение оптических полей океана, региональные особенности контрастов, связанные с фронтальными зонами, апвеллингами, течениями и другими гидрофизическими процессами. Спектральный состав и интенсивность восходящего из моря излучения, определяющие цвет моря, являются источником информации о содержании в воде примесей различной природы, характерной глубине проникновения солнечного света и других элементах, важных для целого ряда смежных научных дисциплин. При использовании измерений со спутников в видимом диапазоне одна из основных проблем связана с необходимостью учета мешающего действия атмосферы: рассеяние света в1 атмосфере и на границе вода-воздух. После устранения атмосферных помех, необходимо получить значения величин коэффициента яркости воды на различных длинах волн.

В настоящее время известны несколько подходов к устранению атмосферной помехи. К числу наиболее апробированных из них относятся методики Гордона с соавторами С Gordon,1976; Gordon,1978; Gordon et al. ,1981-1983; Viollier et al,1980; Sturm,1981,1983] и Бадаева-Ыалкевича ['Бадаев, Ыалкевич, 1978; Бадаев и др. , 1Й83,19S5J. Несмотря на то. что существуют несколько подходов к выполнению .атмосферной коррекции, наиболее принципиальные их элементы являются общими для большинства применяемых методик, основывающихся на ■ использовании одновременных измерений в различных интервалах видимого и ближнего ИК диапазонов.• К числу таких элементов относятся: восстановление вклада аэрозоля в одних спектральных ин-«

тервалах по результатам его определения в других интервалах, учет угловых зависимостей измеряемых и определяемых величин и параметризация спектральной зависимости коэффициента ягкости не ды. В настоящее время в научной литературе имеют мест- противоречивые в той или иной степени сведения относительно ice>: трех элементов, которые в первую очередь объясняются скудностью контактных эмпирических данных о них, тем более когда речь идет о

районах удаленных от берегов или регионах в ккном полушарии в открытом океане С (Зогс1оп еЬ а1. ,1983; Бадаев и др. ,1983].

Вряд ли можно- надеяться на сколько-нибудь полное изучение свойств перечисленных выше элементов, используя только синхронные измерения со спутника и корабля, в силу ограниченности скорости последнего, что сразу исключает из рассмотрения богатое разнообразие состояний системы океан-атмосфера, содержащееся в спутниковых данных. Поэтому, если стрьЛУ^ься сохранить это преимущество спутника, то для изучения свойств перечисленных выше элементов требуется развитие новых методов, в которых реализована процедура статистической обработки спутниковых измерений без привлечения какой бы то ни было сопутствующей информации. '

Цель работы заключалась в том, чтобы изучить возможности дистанционного восстановления коэффициента яркости воды для условий открытого океана на основе обработки и анализа массива измерений с ИСЗ "Интеркосмос-21".

Для проведения такого рода исследований были разработаны и реализованы специальные процедуры, которые без' привлечения каких бы то ни было сопутствующих.измерений, позволили, изучить свойст--ва изменчивости аэрозольной и углозависимой компонент коэффициента яркости системы океан-атмосфера в разных спектральных каналах. Основной принцип этих процедур заключается в том,' что путем формирования анализируемых массивов специальным образом и вычисления отклонений от локальных средних значений обеспечивается постоянство одних факторов и возможность анализа свойств других. Такая процедура проделывалась со всеми факторами поочередно. Математический аппарат исследования формируемых , выборок - стандартный корреляционный анали?

Научная новизна. Для исследования спектральной зависимости 'изменчивости аэрозольной и углозависимой компонент' коэффициента яркости на верхней границе атмосферы разработана методика.обработки дистанционных данных, дающая возможность оценивать потенциальную точность восстановления коэффициента яркости воды -без привлечения контрольных данных.

С помощью этой методики на большом статистическом материале

- б -

измерений с ИСЗ "Интеркостс-21" показано, что изменчивость аэрозольной компоненты имеет приблизительно однофакторный характер и близкую к нейтральной спектральную зависимость в интервале длин волн 449 675 нм; устойчивость этих свойств проверена для диапазона зенитных углов Солнца от 15 до 70 градусов и для различных регионов и сезонов.

Сопоставлены два способа учета угловой зависимости Рэле-эеской" составляющей рассеяния света в атмосфере - через точное решение с учетом эффектов многократного рассеяния [Gordon et al., 1989] и с помощью аппроксимации упрощенной функцией зенитного, угла Солнца [Vlolller et al,1980]; точность алгоритма атмосферной коррекции при этом почти не отличается.

По результам обработки дистанционных измерений с ИСЗ "Интер-космос-21" получены оценки точности восстановления спектральной яркости воды в открытом океане для различных участков спектра с учетом изменений зенитного угла Солнца в различных интервалах; характерный уровень среднеквадратичных оппбок составляет длл длины волны 449 нм около 0,006,- что обеспечивает уверенное различение нескольких градаций коэффициента яркости воды в открытом океане.

Для регионов открытого океана проведен анализ изменчивости спектрального коэффициента яркости ■ воды, восстановленного по дистанционным данным при фиксированном зенитном угле Солнца с учетом полученного спектрального хода аэрозольной компоненты коэффициента яркости; в результате анализа большого массива данных измерений с ИСЗ "Интеркоомос-21" получено подтверждение гипотезы о том, *что изменчивость спектрального коэффициента яркости воды является однофакторной и в основном сосредоточена в области длин волн 400-500 нм; получены оценки максимального перепада коэффициента яркости воды в открытом океане для длин волн 415, 449. 483, 535 и 570 нм; выявлены районы, в которых коэффициент' яркости моря для длин волн 415 и 449 ни достигает 0,05, что соответствует наиболее прозрачны},) океанским водам.'

Для зенитных углов Солнца 40-6(7° построена глобальная карта распределения коэффициента яркости океана в спектральном канале 449 нм,- восстановленная по спутниковым данным.

На примере акватории Атлантического океана продемонстрирова-

- б -

на сезонная изменчивость коэффициента яркости воды в спектральном . канале 44Я км, восстановленная по измерениям с ИСЗ "Иктер-косыос 21".

Практическая ценность. В работе содержится деыогстгпция возможностей дистанционных методов зондирования океана ь : ,;димом диапазоне спектра.

основные результаты работы имеют практическое значен».• для развития и применения методов дистанционного эонй^Ьаания в целях глобального мониторинга обширных акваторий, регистрации -крупномасштабных гидрологических явлений в 01->еане, оценок экологического состояния и классификации вохнмл масс по биопродуктив-' "!сти.

В качестве организаций по использованию результатов диссертант можно предложить Институт космических ксследований РАН, ,::;гтитут океанологии РАН, Морской гкдрофизпчеекмй институт АН Ук- ■ : айны, Сигпческяй факультет М1'У, Государственный океанографи-с\нй институт, Институт бйологии южных >'орей АН Украины и другие организации, занижающиеся изучение;' океана.

Апробация работа Материалы диссертации докладывались на IX XI Пленумах рзбоч" г: группы по 'опткки сгаан& Комиссии СССР по проблемам Мирового окг;Ш1а (окгяОрь: 1984 г., Батуми я октябрь ¡938 г., Ростов-на-Доку, сентябрь 19СОг., Красноярск), на 4, б, 7 и 0 совешаниях-семлизрах по спутниковой гидрофизике в г. Севастополе, III съезда советских океанологов (октябрь 1988 г., Ленинград) и семинарах ИО РАН, ШШ РАН, ШЙ ш. Е. К Федорова ГОСКОМГЙЗРОМЕТА, МГИ АН Украины. •

Публикации. Основные результаты диссертация/ опуОлик'яаш1 в 17 лечатнис работах, перечне леггнш в св :ску литературы.

I ...

Структура и объо;^ диссертации. Дне ;ертацш состона /с; вве-ле-ния. трех глаз, заключения и списка тегируемой литератур а С ..ий объем работы составляет 157 страниц, включающих 26 рисункох, 16 т?хшц и 90 наименований списка литературы

Содэргя-щие работы

В перЕСй главе диссертации обсуздены основные факторы, влияющие на фсршфование сигнала, регистрируемого спутником; выделены наиболее принципиальные элементы,общие для всех применяемых методик устранения атмосферной помехи. Приведена и оО;.уада.'Тоя процедура исследования свойств этих элементов. Дано краткое ^писание эксперимента с КСЗ "Интеркссмсс-21" CBlschoff et al, i .»83; Бадаев и др. ,19351 и параметров аппаратуры МКС (многоканальногс спектрометра) на этом спутнике; рассмотрены некоторые статистические свойства эмпирического тетериала, который получен с по нощью отой аппаратуры и использован ?. следующих главах для со "оркатеяьного анализа.

5 1.1 на примере уравнения атмосферной коррекции [Gordor.. Olar):, 1981; Qorrinn et'al., 19(^3; Ylollior et al,1980; Sturm,1981, описаны основные Факторы, влиягзге на Формирование сигнала, регистрируемого со спутника: аэрозольное и Рэлеевское рассеяние света в атмосфере, Френелевсиос отражение от границы вода-воздух и излучение выходящее из-под поверхности годы: обсуждены ограничения его применения (для наблюдения в надир интервал.пригодных для интерпретации зенитных углов Солнца ограничен эффектами блика с одной стороны и усилением влияния многократного рассеяния с другой стороны и дспуцэшм, используемые при его выводе (яаиболгз важное касается аддитивности представления вкладов Рэ-хаев'пкой и аэрозольной компонент рассеяния света). Оно имеео следуюпгй! вид

Яг ~ (fioj У иг л гя ) Тдл +Rsx , (1)

где Raj, Р.ул j}^ коэффициенты яркости аэрозольной и Рзлеенской компонент атнэсфэры (с учетом однократного Френелевского отрам?-ния от поверхности воды) и коэффициент яркости воды; R^a - ссп тавляющзя коэффициента яркости, обусловленная бликовым отраиэии-ем солнечных лучей от поверхности воды; Тл и - функции пропускания по двойному пути луча рассеивающих компонент атмосферы молекулярное и аэрозольное рассеяние) и слоя озона соотзетс-

твенко-Д- длина волны света.

Пройэденный в этом разделе сравнительный анализ наиболее апробированных методик атмосферной коррекции [Gordon,1976,1973; Gordon et al. ,1931-1988; Бадаев, Мзлкевич, 1978; Бадаев и др. ,1983, 1985] показал,что принципиальные их элзкзкты являются общими для всех методик, основыЕакзихся на использовании одновременных измерений в различных областях видимого г- ближнего ИК-диапазона. К числу таких элементов откосятся: восстановление Еклада аэрозоля в одних спектральных интервалах по ¡л?з/лътатам его определения в других интервалах, учет угловых зависимостей измеряемых и опре-деляеьтах вегггшн и параметризация спектральной зависимости коэффициента яркости воды. Отмечено, что комплексное исследование перечисленных .свойств в ехекз спутник плэс корабль сопряжено с нетривиальными проблемами, г. к. необходимо иметь контроль и ; обеспечить достаточное разнообразие всех условий эксперимента ; Как правило, в подобных экспертйнтах удается получить лишь де-| глонстр'ацнонные оценка 'возмонюетей определения параметров океана из космоса EEsalas et'al. ,1985; Gordon et al. ,1980, 1983; Smith, Baker, 1982; Бадаев и др, 1SS5,1983,19Û1]. Далее излоггн прэдла-, ггемьй подход к носледозакш свойств, упомянутых выше трех основных аяеизнгов. Суть этого подхода сформулирована выже.

Контроль полученных результатов предлагается делать, опираясь К' нзвестнно независимые эмпирические результаты: например, поведение спектрального козффщизнта яркости воды в открытом океане Сkbrol.Prieur,19773, проводя сравнение с картами географического распределена оптических и биологических характеристик верхнего слоя вод Шрогого океана [Войтов,1981; Ерлов,1980;. Кобленц- Мягке. и др. ,1968; Козлянинов, 1950; Козляшшов, Озчинников, 1951; Неуймш и др. ,1982; Уялемский, Войтов, 1972; Е;фрин,1С83].

В 1.2 в предположении однофакторности связи вкладов аэрозольных компонент на различных длинах волн.

(2)

и равенства нулю коэффициента яркости воды(Яг )~0 для Лг > 600 m получено и обсуждается выражение для восстановления коэф-

фнциента яркости воды ри,А1 :

Л, (Л г) ТЛ) ТелГ Я (J, W

где а и 3 константы, зависящие от выбора пары длин волн Л, и Яг (Jг > 600 mi), nr - угловависимая компонента (см. главу 3), R(J,) и КЯг) ~ коэффициенты яркости, измеряемые со спутника на J, и Яг . В дальнейшем (главы 2 и 3) при анализе дистанционных данных будут получены оценки -адекватности 'выраг®-нкя (3) и числовые значения коэффициентов а и В .

В 1.3 дана сСпая характеристик эксперимента со спутника "Ин-теркосмос-21", включая краткое описание аппаратуры МКС и процедур первнчгсй обработки. Многоканальный спектрометр (МКС), установленный на ИСЗ "Кнтергаосмос-21" [Bischoff et al,1981; Bischoff ' et al, 1983; Бадаев и др., 1985], производил измерения в надир пссходягай яркости в 13 спектральных каналах видимого и ближнего ЙК диапазонов (415,449,483,534,570,521,675, 758,761, 763,767,794, 824 нм) с внс0!50й точностью. Охват данными измерений составил 16 месяцев с февраля 1981 г. по 1яй 1982 г. , по пространству - от

74° п. и. до 74° с. п. ПэрЕИчная обработка всего массива измерений была выполнена з ¿ТИ АН Украины с помоцью модернизированного комплекса прсгре-2!, созданного в Институте космических исследований РАЕ Архив данных, прошедших первичную обработку, хранится в !Я*И АН Украина Выходная структура записи информации имеет следухззй вид: «гзскевское время, координаты (сирота, долгота), зенитный угол Солнца, измерения спектральной яркости в тринадцати спектральных каналах в абсолютных единицах [Суетин и др. , 1987).

В l.-i описгкы крктсрга выбора измерений в безоблачных усло-ггпх :: некоторые обобазнные свойства окончательной выборки. Основной кретерий состоял в то1;, что к безоблачным .относились то;э:',о те:с;э спзкгры, которуэ совпадали в двух последователь^!-/ zo времени отсчетах Пли согпадешм всех спектров в предел-;>■ одеоградуспсго (по горсте) отрезка трассы спутника в итогоргй tsccKB сгссгсгз:я тоню одет такой спектр. Сравнение спектре г :г.

совпадение имеет смысл в связи с борьбой с частичной облачностью и возможными сбоями в телеметрической системе. Безусловно, этот критерий может отбраковывать и безоблачные точки, но при его применении более надежно выбираются измерения в безоблачных условиях. Кроме того, накладывалось, ограничение на коэффициент яркости'на длине волны 675 нм (Ят) не более 0,08 (это условие обеспечивает браковку не только облаков, но' и ситуаций, искаженных солнечным бликом, льдом.и т.п.) и диапазон зенитных углов

Солнца (&0) от 15° до 7СР. Все изь^енля выбирались для районов

океана удаленных от ближайшей суш не менее 200 км. Последнее обстоятельство автоматически исключило из рассмотрения измерения, выполненные над внутренними морями и прибрежными районами океанов, тем самым образуя выборку, которая характеризует оптические свойства воды и атмосферы в безоблачных условиях над районами открытого океана. Точное число таких спектров составило 42085. Оки распределены по пространству в пределах широтной зоны

от 7(Я. Ю.Ш. до 7СР с. и. Наибольпее число измерений попадает в

диапазон широт от 4СР ю. ш. до 4СР с. ш. Из всех океанов наиболее обеспечен иеькрениями 'Атлантический.

В 1.5 описаны процедуры и рузультаты их применения для проверки стабильности во времени измерительного тракта спектрометра МКО. За основу оценки стабильности работы аппаратуры ИКС. в течение всего периода его функционирования на орбите; были взяты результаты анализа бортовых калибровок, кокфыэ производились с помощью эталонных ламп, с периодичностью — 2 ыин, и оценка изменчивости во времени (через год в один и тот же месяц) минимальных сигналов в спектральных ¡кшалах для одних и тех же узких интервалов зенитного угла Солнца. Результаты проведенных исследований показали, что в течение всего периода функционирования ИСЗ на орбите (16 месяцев) аппаратура МКС отработала стабильно для . Л > 500 нм, включая пропускание внешнего иллюминатора спутника, при небольшом падении чувствительности в каналах с Л< < 500 нм. Это позволило рассматривать весь массив как единое целое без дополнительной радиометрической коррекции.

Во второй главе изучаются свойства изменчивости аэрозольной компоненты рассеяния света в атмосфере и коэффициента яркости воды в открытки океане.

В 2.1 излолэны формальные и физические принципы формирования выборок, из которых исключены изменчивости, связанные с углоза-висимой компонентой и коэффициентом яркости водь:, или во всяком случае для большинства ситуаций они гораздо меньше, чем изменчивость, обусловленная влиянием аэрозоля. Суть этой процедуры была списана ранее, конкретная ее реализация заключалась в следусзем. Весь массив измерений был разбит на подмассивы, соответствующие измерениям на одном витке ИСЗ внутри достаточно малых по широте

и долготе ячеек размером 200x500 км2. Дня каддого такого под-массива вычислялись отклоненияизг.-'еренных коэффициентов яркости от средних значений. В дальнейшем анализе во внимание принимались только такие отклонения, которые были достаточно велики в длиноволновой области спектра и различны внутри отдельно взятого подмассиве» Такой подход позволил, не задавая конкретных значений углозависиьпй компоненты и коэффициента яркости поды, исключать их как среднее и формировать выборки (объединяя таким образом найденнье отклонения по всем подмассивам з один массив), по которым мояно. изучать изменчивость аэрозольной компоненты для различных пар спектральных каналов. Дг-хсоткиломэтровый размер ячейки по пространству был выбран как компромисс между возможным вкладом ошибки, связанным с изменчивостьюриЛ внутри ячеек и количеством измерений, попадавши в ячейку, и е конечном счете определяющих статистическую обеспеченность анализируемой выбопк-л.

Б 2.2 приведены результата конкретных эксперименте с по определению ¿?,у и исследованию свойств корреляционных матриц, построенных из отклонений, описанных в разделе 2.1 для всех комбинаций юналов ИКС. Были рассмотрены эксперименты с различными Р7 =

0,04 к 0.08, диапазона»® зенитных углов Солнца ст 15° до 7СР н географичесгаи районов и сезонов, т. е. кнроком спектр;; фкзико-ге-огргфических условий, в которых выполнялись измерения. Была показана однофакторность корреляционных матриц для первых семи длин волн МКС (отношение первых двух собственных чисел было

бсльше 45). Лродемонстрировано, что ошибка экстраполяции измец-чивости аэрсссльной компоненты в синюю область (415 и 449 нм) по ее значению е красной области спектра (675 нм) не превышала

0.0й£, что Еполне приемлемо, т.к. эта ветчина более чем на порядок меньше характерной величины изменчивости коэффициента яр-, кости воды в открытым океане [Gordon, Clark, 1981]. На то, что изучаемая нами изменчивость связана ^ аэрозольной компонентой указывает тот факт, что значения гиаюкальныз элементов ковариационных матриц этих экспериментов .liiLb немного превышают соответствующие значения кванта в полосе поглощения кислорода 760 нм : девятый спектральный канал МКС). Рассчитанные значения Ееличин a ¿J в интервале длин волн 449-675 нм оказались близкими к минус

1, что свидетельствует о нейтральной спектральной -зависимости изменчивости аэрозольной компонента Это существенно отличается от известных свойств континентального аэрозоля, но мохаэт считаться вполне реальным для аэрозоля, характерного для открытого океана [Шифрин и др.," 1985; Кондратьев'и др. ,1983; Зуев, Креков, 1980', отличительная особенность которого заключается ç преобладающей роли частиц, имеющих размеры порядка длины волны видимого света. ' 1

£_2._3 изучались свойства изменчивости коэффициента яркости году и аэрозольной компоненты коэффициента яркости системы оке-гн-атмосфера Для последнего отличие от 2.2 состояло в том, что теперь отклонения от среднего 'будут вычисляться не для локальных по пространству и времени выборок, а от среднего по всему ыадси-е;.г, т. е. всем сезонам и всему огкаиу в целом. Проводился анализ собственных векторов к собственных значений ковариационных матриц для выборок из узких интервалов зешяных углов Солнца" (40, f

-45° и 45-50°). Фиксирование зенитного угла позволило исключить рассмотрения изменчивость углозависимой компоненты. Учет аэрозоля выполнялся двумя способами: наложением явного. ограничения ■на коэффициент яркости на длине вслны 675 нм ( <0,025) или его исключением с помощью коэффициентов cijj найденных в разделе 2. 2. В последнем случае формировались ковариационные матрицы вида

И■ = ( t'k - ~'k)(t'n - Гу, где £' - В/ Я\6кь- ( R( 675 нм), < 0,08).

Корме того, были проанализированы Выборга!, ¡сак со все:ш каналами (415-675 нм;, так и исключая синий участок спектра {т.е. используя только Л - 534-675 ни). Выполненный анализ показал высокую эффективность учета аэрозольных эффектов с коэффициентами а,-^, и тем самым подтвердил установленную в 2.2, однофасторность ■ и спегаральнув нейтральность изменчивости аэрозольной компоненты гсзффпцпента яркости, но ухе для всего открытого океана в целом. Показано, что изменчивость коэффициента яркости воды, восстановлю ::пого по спутниковым данным, максимальна в синей области спектра, ослабевает до нуля в красной $•• носит приблизительно од~ нефакторный характер (отношение первых двух собственных чисел для каждой из матриц Я' разно 20). Этот результат не является ;-:овым, однако он существенно дополняет по географии и сезонам выборки, которые анализировались в работе [Morel,Prieur,1977].

' По формуле Aß^j^ rrnxi ! t ^ получена оценка максимальной

изменчивости коэффициента яркости воды в открытой океане: 415 нм

- 0,003; 449 нм - 0,058; 483 нм - 0,034; 534 нм - 0,010; . 570 нм

- 0,006.

Следует ответить, что полученные величины для синей

части спектра являются несколько неожиданными, если учесть, что дол.тао выполняться условиеj)UJi > 0. Отсутствие в литературе сведений о "наОлвдении такихßufO. 05-0, Об, можно объяснить тем, что пс нагим данным они выявлены в тех районах, где экспедиционные исследования ' проводятся крайне редко. В качестве примера можно

указать области с координатами центров 10сР з. д. , 22° ю. ш. или

ICP з. д. 25° ю. ш. з зимний период для Северного полушария.

В третьей главе изучались свойства углозависимой компоненты, та;ж приведены некоторые результаты восст- газления коэффициента яркости воды с помелею выражения (3).

подход, развитый в разделе 2.1 к исследованию свойств изменчивости аэрозольной компоненты рассеяния света, обобщается па случай переменного зенитного угла Солнца. Объектом исследования при этом служит изменчивость угловой зависимости компоненты рассеяния света, а изменчивость, связанная с аэрозольными зффек-

- u -

тами, устраняется на основе использования определенных в главе 2 коэффициентов Ctjj. Изменчивость коэффициента яркости воды устраняется как ив 2.1, путем рассмотрения локальных отклонений в

пределах небольших (200x200 км2) участков акватории открытого океана Важным условием реализации этого подхода в данном случае является наличие измерений, полученных при существенно меняющемся зенитном угле Солнца Последнее условие достигалось за счет использования измерений с разных витков, но разделенных по времени не более, чем на один месяц. Выбор интервала.времени в один месяц связан с тем, что необходимо получить измерения над одной и той же локальной площадкой при разных зенитных углах Солнца,.с одной стороны, но с другой стороны, необходимо избежать сшибок, связанных с временной (сезонной) изменчивостью коэффициента яркости воды. Таким образом, анализируя соответствующие локальные отклонения вида &(7?^ + ai jRj) и Л f(0Q) в различных

условиях, может быть поставлен вопрос: насколько удовлетворительно имевшиеся модели Рэлеевского рассеяния описывают изменчивость углозависимой компоненты регистрируемой на ИСЗ яркости и какова будет оценка точности восстановления коэффициента яркости воды с использованием этих моделей ?

Ва2 представлены результаты атмосферам »коррекции измерений, относящихся к наиболее благоприятному интервалу зенитных

углов Солнца (40-60°), в котором существенно ослаблено влияние блика г эффектов многократного рассеяния. Используя точное решение для Рэлеевской атмосферы • [Gordon et al. .1988] при задании функции Г( 0о) в формуле (3) и измерения для пары каналов 449 и 6?5 нм и учитывая спектральный ход аэрозольной компоненты с помощью й27 (раздел 2.2), построена глобальная карта коэффициента яркости моря на длине волны 449 нм Минимальное полученное

значение j)!tTi равно нулю. Максимальное полученное значение J)^ составляет 0, 06, что неплохо согласуется с оценкой полного размаха изменчивости J3UJi в открытом океане, полученной в разделе 2.3. В целей восстановленная географическая картина распределения величины f>us2 хорошо соответствует сложившимся представлениям об оптических и биологических свойствах верхнего слоя вод открытого

океана С Войтов, 1981; Ерлов,1980; Кобленц-Мишке и др. ,1968; Коз-лянинов. I960; Козлянинов,Овчинников, 1961; Неуймин и др. , 1982; Халемский,Войтов, 1972; Шифрин, 1983]: высокие значениянаб-.шдаются в центральных частях тропических и субтропических районов, несколько более низкие значенияj}^ получены в приэкваториальных 'зонах, а наиболее низкие - в приполярных широтах. Перечисленные три причины дают основание предполагать, что использованный алгоритм обработки (3) не только правильно учитывает изменчивость основных факторов, но и .обеспечивает получение адекватных абсолютных уровней j)^ без какой-либо дополнительной привязки и калибровки.

Бри применении методик анализа данных, описанных в разделе 3.1, оценка точности &27 для использованного здесь массива дает значение 4,05-ю'3. Эта величина служит мерой точности алгоритма атмосферной коррекции, основанного на формуле (3); если разде-лггь ее на величину пропускания Т z - 0,78, с учетом интервала зенитных углов Солнца, то полученная величина составит 5,2-Ю'3. Это достаточно мало; значение, если учитывать диапазон изменчивости J3W2 в открытом океане (см. раздел 2. 3). Замети;.!,

что при использовании формулы, в которой /Т &0) - cos&Q + 1/cos9q

•или учитывается точное решение для чисто Рэлеевской атмосферы [Gordon et al.,1988], значения &2? отличаются друг от друга не более, чем на 15Z. Таким образом, учет эффектов изменений угла 90 различными методами применительно к данному массиву измерений приводит практически к, одинаковым результатам.

В 3.3 представлены результаты применения описанной в разделе 3. 1 методихи анализа измерений для различных вариантов компоновки массивов. Основная цель здесь состоит в том, чтобы продемонстрировать репрезентативность и устойчивость получаемых результатов. Поскольку, как это уяе было отмечено выше. при.расчетах с параметризацией углового хода через функция /Т0<i = cos&Q+ l/cos90 или через описанную в [Gordon et al., 1988] более точную

шдель Рэлеевской компоненты рассеяния света в атмосфере получаются практически одинаковые оценки €>ij, в данном разделе. реализован более простой подход с использованием fXOff). Проверка

устойчивости определения коэффициентов ¿^у для разных вариантов компоновки массива показала, что решение становится неустойчи-. вым, если выборка формируется в интервале малых зенитных углов Солнца. Это обусловлено тем, что изменчивость Г( в) в этих условиях сравнима с уровнем различных "шумов", и используемая методика нахождения решения становится неэффективной. При увеличении интервала &0 значения $,у приближаются к' физически правильному теоретическому решению, что дает основание говорить об удовлетворительном- описании углозависимой компоненты Рэлеевским членом.

В 3. 4 продемонстрирована сезонная изменчивость коэффициента яркости океана Построены сезонные карты коэффициента яркости моряу?^ Для Атлантического океана. Для получения наиболее надежных результатов использовались измерения в диапазоне зенитных

углов Солнца 40-бСР:

Наиболее существенной особенностью полученных сезонных карт является сильная изменчивость в центральной части Кшюй Атлантики. Этот, район относится к числу слабо изученных традиционными экспед^'-'тыми методами, поэтому был использован специальный способ Ойротки полученных измерений, чтобы получить дополнительные ь'дйо«"К«е доказательства этого явления. Этст споссо .заключается ¿ом, что для локального района е Южней Атлантике

' при существенно более узком диапазоне углов ва - 47-5СР была прослежена сезонная изменчивость Я2 при фиксированных равных • значениях К6 в разные сезоны, которая в этом случае могла быть однозначно объяснена изменчивостью у?в/2 ■ Сценка лдала значение 0,029, которое значительно превышает возможную ошибку, связанную с вариацией спектрального хода аэрозоля и конечной шириной 90. Это служит убедительным подтверждением выявленной сезонной изменчивостиуэ .

В заключении сформулированы основные результаты диссертации, которые сводятся к следующему.

1. Разработана методика обработки ' данных для исследования спектральной зависимости изменчивости аэрозольной и углозаьиси-мой компонент коэффициента яркости на верхней границе атмосферы >' в открытом океане, позволяющая оценивать потенциальную точность

восстановления коэффициента яркости толзщ воды без привлечения контрольных данных.

2. С помощью этой методики на Сольно-.! статистическом материале измерений с КСЗ "Интеркосмос-21" показано, чго изгэлчивость аэрозольной компоненты является приблизительно - одпофзкторной и имеет близкую к нейтральной спектральную зависимость в интервале длин волн 449 - 075 нм; устойчивость этих сеойств проверена для

диапазона гешгтных углов Солнца от до 70° н для рзз^гаых регионов и сезонов.

3. Сопоставлены два способа учета угловой зависимости Рэ.ет-евской составлявшей рассеяния света в атмосфере - через точное рекение с учетом эффектов многократного рассеяния и с по;.ю£з>ю

ааярошогицш функцией К 9^ -со£Э0+1/сов90; точность аэтордада

атгасфзрной коррзгасш при этом почти ко отдшаэтся.

4. По рэзультам обработки дистанционных Й3!.*эрэшй1 с ПСЗ "Пн-теркосмос-21" получены оценки точности зосстсяоз.гения спектральной яркости воды открытого океана для различных участков спега'ра с учетом изменений зенитного угла Солнца в различных интервалах; характерный уровень среднеквадратичных оаибок составляет для .длины еолкы 449 км около 0,005, что сбеспечиЕает увереннее различение нескольких градаций коэффициента яркости воды в открытом океане. \

. 5. Дох регионов отбытого скеана проведен анализ ка:.£3нчи-вости спектрального коэффициента яркости воды, восстановленного по дистанционным данным при фжспрозанпсм зенитном угле Солнца с учетом полученного спектрального хода аэрозольной.компоненты коэффициента яркости; в результате анагзгаа больсого массива данных измерений с ИСЗ "Кнтеркосмос-гг' получено подтверждение гипотезы о том, что изменчивость спектрального коэффициента яркости води является однофакторной и в основном сосредоточена в области дли;: волн 400-500 им; получены оценки максимальной 'изменчивости коэффициента яркости воды.в открытом океане для дли: волн 415, 449, 483, 535 и 570 нм; выявлены районы, в гаторых коэффициент яркости моря для длин 'Волн 415'и 449 нм достигает 0,05.

6. Построена глйбальная карта распределения коэффициента яркости океана в спектральном канале 449 ни, восстановленная по

спутниковым данным.

7. На примере акватории Атлантического океана продемонстрирована сезонная изменчивость коэффициента яркости воды в спект-р:и!ь:;-:м канале 449 нм, восстановленная по измерениям с ИОЗ "Ин-г'ерч- ...•мос-21".

Основные научные результаты, включенные в диссертацию опубликованы в с ч-? дующих работай (в скобках указаны соавторы):

-1. Линейный алгоритм обработки результатов дистанционных измерений цвета океана// В кн.: Методы обработки косшчеокой океанологической информации. Севастополь: МГИ АН УССР, 1083, с. 39-46. (Суетин В. С., Щутиков С. П. , Игнатов А. Ы.) Предварительные результаты проверки алгоритма атмосферной коррекции при дистанционных измерениях цвета океана с НСЗ "йнтеркоемзе-гг*// Т(.'з. докл. , IX Пленум рабочей группы по оптике екена комиссии АК СССР по проблемам Ярового океана, 1084, Л: с. 250-2Ы I Суетин ЕС., Игнатов А. Ы.) Определение цвета в.-д открытого океана с помощью линейного алгоритма, по дистанционным измерениям с ЛСЗ/ЛКЬрской гидре физ. журнал. , 1985, N Ь, с. 40- 4 Г. (.Суетин КС.) Первичная .обработка данных и анализ качества функционирования прибора МКС (блок ВС) на ИСЗ "Интеркосмос-::!"'' В сб.' ст.: Материалы совещания специалистов социалистических стран пг обсуждению результатов экспериментов "Черное море-Интеркосмос - чз,84" (Ялта, 4-10 фев. 1985 г.), 1986, Деп. ВИНИТИ 2Р. 12. 86. . N 8915-В86, с. 31-37. (Суетин КС., Ся чинов К И. , Маслср В. Д. , Кровотынцев В. А.)

Глобальный анализ оптических типов вод открытого океана с ИСЯ "Интеркосыос-21" // В сб.: Дистанционнвое зондирование с учетом атмосферы. Под ред. Урденко К А. и Еиь&.'эргганна Г. Том ?. Часть 2, Москва-Берлин-Севастополь, вып. изд. НКИ АН ГДР, 1987. с. 152-166. (Суетин ЕС.) ■' ,т:ределенке глобального поля цвета вод овэаков по дистанционным измерениям сс спутника "Интер!госшс-21" // Препринт, Конгресс МАФ, 1937. Англия, Брайтон, 5 с. (Коротаев Г.К., •■етин В. С. )

Автоматизированная обработка данных наблюдений цветовых характеристик морской воды// В сб. "т.: Автоматизированные системы сбора и переработки гидрофизической информации. Деп. ВИНИТИ N 6894-В87, 25.09.87, с. 85-96. (СуетинВ. С., Изюмин И. Н )

8. Восстановление крупномасштабного поля цвета еод открытого океана по дистанционным измерениям со спутника "Интеркосмос -21"// Тез. докл. III сьезд советских океанологов: серия "Физика и химия океана", Л.: Гйдрометеоиздат, 1937, с. 234. (Суетин В. 0. , Щутиков С. П.)

9. Определение глобального поля цвета вод океанов по дистанционным измерениям с ИСЗ// Тез. докл. , X Пленум рабочей группы по оптик? океана комиссии АН СССР по проблемам Мирового оке ана. 1983, JL: с. 72-73. (Суетин ЕС.)

10.Определение оптических типов вод океана на основе линейного ' алгоритма обработки результатов дистанционного зсндярсва-ния // В кн.: Географическая интерпретация аэрскоомическсй информации. М.: 1988, с. 113-118. (СуетинВ. С., Щутиков С. Г.. . Игнатов А. М. , Радайкина Л. Н )

11. Модельный анализ точности восстановления параметра -оптических типов вод открытого океана по дистанционным спектрометрическим измерениям // В сб.: Исследование океана дистанционными методами: Труды 6 Всесоюзного совегцания-семинара гс спутниковой гидрофизике. Севастополь, 3-8 апреля 1Э89. МГИ АК УССР. Леп. ВИНИТИ N 6176 - В89 9.10.89, с. 121-156. (Суетин B.C.)

12. Зависимость от времени параметров измерительного тракта спектрометра МКС ч эксперименте на ИСЗ "Интеркосмсс-21" // Е сб.:. Исследование океана дистанционными методами: Труды 5 'Всесоюзного совещания-семинара по спутниковой гидрофизике. Севастополь, 3-е апреля 1989. МГИ АН Уг^р. деп. ВИНИТИ f.' 6176-Е89 9.10. 89, с. 41-53. (СуетинВ. С.)

13. ПоБьленке точности дистанционных измерений яркости восходящего излучения на верхней границе атмосферы с учетом данных о ле изменчивости над океаном // В сб.: Исследование океана .дистанционными методами: Труды б Всесоюзного совещания-семинара по спутниковой гидрофизике. Севастополь, о-8 апреля

1939. МГИ АН УССР. ДеП. ВИНИТИ N 5176-В89 9.10.89, с. 2-17. (Суетин В. С.)

14. Аэрозольная компонента рассеяния при дистанционных измерениям яркости системы "океан-атмосфера" в видимом диапазоне // Тез. докл., XI Пленум рабочей группы по оптике океана комиссии АН СССР по проблемам Ярового океана. 1990, Красноярск, с. 110-111. (Суетин В. С.)

15. Сезонная изменчивость оптических типов вод открытого океана пс данным измерений с КСЗ "Интеркосмос-21" или "фиолетовое дыхание" океана // Тез. докл. , XI Пленум рабочей группы по оптике океана комиссии АН СССР по проблемам Мирового океана 1990, Красноярск, с. 41. (Суетин В. С.).

16. Эмпирический анализ влияния аэрозоля на изменчивость спектральной яркости системы "океан-атыосфера"//Морекой гидрофиз'. журнал, 1991, N 3, с. 51-58. (Суетин КС.)

17. Иллюстрация изменчивости спектрального коэффициента яркости открытого океана по данным измерений с ИСЗ "Интерко.смос-21" //Исслед. Земли из космоса, 1992, N 3. (Суетин ЕС.)