Диссертация (Исследование точностных характеристик и методика калибровки бортовых инфракрасных фурье-спектрометров температурно-влажностного зондирования атмосферы земли), страница 14

Решение данной проблемызаключается в разбиении всех возможных спектров атмосферы на группы такимобразом, чтобы для всех спектров в пределах каждой группы положениеминимума оценочной функции при отсутствии погрешности спектральнойпривязки совпадало (Рисунок 4.5). В качестве способа разбиения на группыпредлагается использование метода главных компонент (ГК) [Успенский, 2003],т.е. принадлежность спектра к той или иной группе определяется егособственными значениями для первых N ГК. Выбор числа ГК и числа групп покаждой ГК осуществлялся экспериментальным путем с учетом СКО собственныхзначений по каждой ГК (Рисунок 4.6).Рисунок 4.5.Графики оценочных функций (справа), вычисленных для спектров внутри однойгруппы (слева); видно, что для всех спектров минимумы оценочной функциисовмещены друг с другом в пределах ±0.002 см-1 или ≈3 ppm (при отсутствииошибки спектральной привязки)107Рисунок 4.6.Слева вверху: ансамбль возможных реализаций СПЭЯ атмосферы в диапазоне(721.6-740.5) см-1; справа вверху – корреляционная матрица; слева внизу: первые3 главные компоненты, вычисленные для поддиапазона (721.6-740.5) см-1; справавнизу – СКО собственных значений по всему объему спектровТаким образом, предложенная процедура спектральной привязки данныхИКФС-2 следующая:1) для всего имеющегося набора опорных спектров, имеющих точнуюспектральную привязку, для диапазона (721.6-740.5) см-1 вычисляются главныекомпоненты и соответствующие собственные значения;2) все опорные спектры в соответствии с их собственными значениями припервых N ГК разбиваются на группы; число групп по каждой ГК подбираетсяэкспериментально; в целом, чем больше СКО по данной ГК (чем «старше» ГК),тем большее число групп для нее требуется;1083)длякаждойгруппывычисляетсяусредненныйспектр(насетке(721.6-740.5) см-1 с шагом 0.001 см-1), являющийся для данной группы опорным.Примечание.

Пункты 1-3 выполняются предварительно, один раз.4)впроцессеобработкиданныхИКФС-2длякаждогополученногокалиброванного спектра атмосферы вычисляются собственные значения λi дляпервых N ГК;5) в соответствии со значениями λi для каждого спектра атмосферы подбираетсяопорный спектр с точной спектральной привязкой;6) измеренный спектр интерполируется на сетку (721.6-740.5) см-1 с шагом0.001 см-1;7) определяется абсолютный (и относительный) спектральный сдвиг междуизмеренным и опорным спектрами;8) полученные значения спектрального сдвига Δν/ν усредняются для всехспектров внутри цикла измерений; если (Δν/ν)ср > 1 ppm, то согласно (4.1)пересчитывается длина волны лазера и данный цикл переобрабатывается.На Рисунке 4.7 представлены результаты оценки спектральной привязкиполусуточного файла ИКФС-2, выполненной двумя способами:а) путем прямого сопоставления с синхронными измерениями IASI;б) согласно разработанной методике без использования синхронных внешнихизмерений.Видно очень хорошее согласование результатов с погрешностью не более 2 ppm.109Рисунок 4.7.Результаты оценки состояния спектральной привязки по данным файла(22-23 июля 2015 г., витки 5383-5391)На Рисунке 4.8 приведено сравнение результатов обработки файла поисходной и доработанной методике спектральной коррекции, а на Рисунке 4.9 –результаты сопоставления совмещенных измерений ИКФС и IASI.

Из сравненияРисунков 4.4 и 4.9 видно, что доработка методики спектральной привязкипозволила существенно снизить погрешность спектральной калибровки.110-1разность СПЭЯ, мВт/(м2ср см )0.15meanstd0.10.050-0.057008009001000-1волновое число, см11001200Рисунок 4.8.Сравнение результатов обработки файла за 22-23 июля 2015 г. (витки 5383-5391)по исходной и доработанной методике спектральной коррекции: вверху – среднееи стандартное отклонение разности спектров, внизу – разность спектров111Рисунок 4.9.Результаты сопоставления совмещенных измерений ИКФС и IASI(22 июля 2015 г., витки 5383-5391): вверху – диапазон (660-750) см-1,внизу – диапазон (750-1200) см-1Таким образом, разработанная методика спектральной привязки измеренийИКФС-2 обеспечивает требуемую точность с погрешностью привязки не более2 ppm.

Важным достоинством данной методики является её автономность, т.е.отсутствие необходимости использовать внешние синхронные данные.1124.2. Сопоставление измерений ИКФС-2 и радиометра SEVIRI(спутник Meteosat-10)Европейский сканирующий радиометр SEVIRI функционирует в составегеостационарного спутника серии Meteosat, включает 4 видимых/БИК и 8инфракрасных канала и обеспечивает полное покрытие видимого диска Земли cпериодичностью 15 минут. При этом пространственное разрешение для ИКканалов составляет 3 км.

В связи с этим использование данных SEVIRI являетсяочень удобным для оценки и контроля состояния радиометрической калибровкиаппаратуры ИКФС-2. Представленная ниже методика сопоставления основана нарекомендацияхGSICS(GlobalSpace-basedInter-CalibrationSystem)[Hewison, 2008].

В частности, по данной методике проводится интеркалибровкаSEVIRI с фурье-спектрометром IASI.4.2.1. Условия совмещенияПри сопоставлении измерений двух приборов, один из которых (SEVIRI)установлен на геостационарном спутнике, а второй (ИКФС-2) – на спутнике,вращающемся на солнечно-синхронной орбите (ССО), поиск совмещенныхизмерений проводится в области подспутниковой точки геостационарногоспутника. В работе [Wu, 2009] из геометрических соображений предложеноограничиться рассмотрением поля обзора (Field of Regard) геостационарногоспутника не более 60° по зенитному углу, что соответствует диапазону примерно±52° по долготе и широте от его подспутниковой точки.

Следует отметить, чтомаксимальный зенитный угол для приборов на ССО также не превышает 60°(~58° для полосы 2200 км). Математически данное условие выражаетсяследующим образом:cos φ ⋅ cos ( λ − λГСО ) < 0.5 .(4.1)Здесь (λ, φ) – долгота и широта точки наблюдения прибора на ССО, (λГСО, 0) –долгота и широта подспутниковой точки спутника на ГСО.

Для Meteosat-10 λГСО =0 (Гвинейский залив).113Для допустимого рассогласования по времени между измерениями выбранследующий критерий:tССО − t ГСО < 300 [с ] .(4.2)Здесь tССО и tГСО – момент времени съемки (UTC) точки наблюдения ССО- и ГСОаппаратурой соответственно. При вычислении tГСО учитывается, что сканированиеSEVIRI в режиме съемки полного диска Земли (Full Disc Imaging mode)проводится от Южного полюса к Северному, состоит из 3712 строк и длится 742.4с (при этом периодичность получения изображений – 15 минут).С точки зрения условий визирования для теплового инфракрасногодиапазона принимаются во внимание только зенитные углы, а азимутальные углыне рассматриваются. Поскольку оптическая длина трассы в атмосфере в первомприближении обратно пропорциональна косинусу зенитного угла, то критерийдля зенитных углов принято записывать в следующем виде:cos ( SZAГСО )cos ( SZAССО )− 1 < 0.01 .(4.3)Здесь SZA – зенитные углы спутника для ГСО- и ССО-приборов, вычисляемыедля каждой точки наблюдения.

Допустимое пороговое значение в выражении(4.3), вообще говоря, зависит от спектрального диапазона и может быть выбраноравным 0.05 в окне прозрачности атмосферы (например, канал SEVIRI 10.8 мкм),но не более 0.02 для более «поглощающих» каналов (например, 13.4 мкм).

Дляудобства пороговое значение выбирается равным для всех каналов SEVIRI исоставляет 0.01 в соответствии с рекомендациями GSICS. Для околонадирныхизмерений это условие соответствует разности зенитных углов 8°, однако длякрая полосы 2200 км – менее 1°. На рисунке 4.10 представлен типичный маршрутсъемки ИКФС-2 в районе подспутниковой точки Meteosat-10, при этом краснымцветом отмечены измерения ИКФС-2, удовлетворяющие условию совмещения(4.3).114Рисунок 4.10.Маршруты съемки ИКФС-2 в районе подспутниковой точки Meteosat-10 (краснымотмечены измерения ИКФС-2, удовлетворяющие условиям совмещения)4.2.2. Вычисление эффективных яркостей и яркостных температурСпектральный диапазон ИКФС-2 (5.0-15.0) мкм включает в себя семьканалов SEVIRI: 13.4, 12.0, 10.8, 9.7, 8.7, 7.3 и 6.2 мкм (Рисунок 4.11, слева).Эффективная спектральная яркость, измеренная ИКФС-2 и проинтегрированная сучетом спектральной чувствительности SRFi (Spectral Response Function) i-гоканала SEVIRI, определяется выражением:Liэфф =∫ L (ν ) SRF (ν ) dν .∫ SRF (ν ) dνi(4.4)iЗдесь L (ν ) - измеренный ИКФС-2 спектр атмосферы.Кроме того, поскольку эффективный диаметр поля зрения ИКФС-2составляет 30 км, а шаг пространственной сетки изображения SEVIRI составляетпримерно 3 км, то эффективная яркость SEVIRI усредняется по области 11х11пикселей (Рисунок 4.11, справа).

При этом дополнительно по этой областивычисляется среднеквадратическое отклонение яркостей SEVIRI, которое вдальнейшемможет(равнояркости) сцены.бытьиспользованокаккритерийравномерности115Рисунок 4.11.График спектральных чувствительностей каналов SEVIRI (Meteosat-10) вспектральном диапазоне ИКФС-2 (слева) и область усреднения пикселов SEVIRIс учетом поля зрения ИКФС-2 (справа)Для пересчета эффективных яркостей в яркостные температуры могут бытьиспользованылибокалибровочныетаблицыSEVIRI[EUM/OPS-MSG/TEN/08/0024], либо аппроксимации вида [EUM/MET/TEN/11/0569]:Tb =C2 ⋅ν cβ−.α ⋅ ln C1 ⋅ν c3 / Leff + 1 α(4.5)Значения коэффициентов α, β, νс приведены в Таблице 7, справа от которой длясправки приведена характерная погрешность аппроксимации.Таблица 7.Значения коэффициентов регрессии (4.5) для каналов 5-11 SEVIRI (слева) играфик характерной погрешности аппроксимации (справа)Каналνс, [см-1]αβ, [K]5 (WV 6.2)1595.6210.99602.03376 (WV 7.3)1360.3770.99910.43407 (IR 8.7)1148.1300.99960.17148 (IR 9.7)1034.7150.99990.05279 (IR 10.8)929.8420.99830.608410 (IR 12.0)838.6590.99880.388211 (IR 13.4)750.6530.99820.53901164.2.3.

Интерфейс программного обеспечения по сопоставлениюс радиометром SEVIRIНа Рисунке 4.12 представлен интерфейс разработанного программногообеспечения по интеркалибровке ИКФС-2 и SEVIRI. Каждая запись в базе данныхсоответствует совмещенному измерению и содержит дату, время, географическиекоординаты точки наблюдения, зенитные (и азимутальные) углы спутников, флаг«суша/вода», а также эффективные яркости и яркостные температуры ИКФС-2 иSEVIRI для семи каналов. Имеется возможность задавать фильтры измерений,выводить графические результаты, а также отображать координаты совмещенныхизмерений ИКФС-2 на фоне изображения SEVIRI в выбранном канале.Рисунок 4.12.Интерфейс разработанного программного обеспечения по сопоставлениюизмерений ИКФС-2 и SEVIRI4.2.4.