As.150108

Document Sample
As.150108 Powered By Docstoc
					РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ
                        ПАРОВ ВОДЫ В АТМОСФЕРЕ


           Агаев Ф.Г., Азимова С.Р., Чобанзаде Ч.Г., Алиев Д.З.


    Хорошо известно, что основными атмосферными факторами, влияющими
на качество спутниковых спектральных измерений являются атмосферные пары
воды и аэрозоль [1]. Атмосферная коррекция результатов спутниковых
гиперспектральных измерений предусматривает оценку общего количества
воды в атмосфере и дальнейшую коррекцию результатов измерений. В общем,
как указано в [2], методы дистанционного измерения паров воды разделяются
на 4 группы:
    1. Методы основанные на поглощение солнечной радиации.
    2. Методы основанные на эмиссию инфракрасной радиации.
    3. Методы основанные на эмиссии микроволновой радиации.
    4. Методы основанные на измерениях временных задержек сигналов GPS
вследствие рефракции.
    В дальнейшем в настоящей статье мы дадим краткий обзор методов
входящих в первую группу и изложим новые предлагаемые способы
многоволновых спектральных дистанционных измерений паров воды.
    Следует отметить, что начиная со средины 80-х годов мультиспектральные
спутниковые измерения постепенно стали заменяться гиперспектральными
измерениями.
    Одна из существующих методологий оценки влияния паров воды на
данные гиперспектральных измерений заключается в следующем [3]. Как в
программе ATREM (Physics – based Atmospheric Removal), так и в программе
FLASH (Fast Line – of Sight Atmospheric Analysis of Spectral Hupercubes)
использованной в эксперименте HYDICE NOAA применяется метод отношений
в трех диапазонах для оценки пропускания водных паров атмосферы. В этом
методе используются каналы на трех полосах поглощения паров воды 0,91 –
                                                                           2
0,94 мкм и 1,14 мкм. Как показано на рис. 1 полосы паров воды хорошо
характеризуются узкополосными гиперспектральными каналами (они показаны
в виде коротких горизонтальных отрезков линии, для наглядности на рис. 1
показаны зоны каналов пропускания слева и справа от полосы поглощения на
полосе волны 1,14 мкм). В этом типичном случае от трех до пяти каналов
выбираются для отображения сильнейшей части полосы поглощения паров
воды. На участках вне полос поглощения расположены два множества каналов
пропускания (слева и справа от полосы поглощения, для наглядности на рис. 1
показаны зоны каналов пропускания слева и справа от полосы поглощения на
длине волны 1,14 мкм), где поглощение паров воды мало. Среднее значение
излучения вычисляется для каждого из трех множеств каналов в полосах
поглощения.     Излучения    в    двух     полосовых   окнах    пропускания
комбинируются путем вычисления спектрально – взвешенной средней
величины, далее вычисляется отношение излучения в полосе паров воды к
общей радиации, что дает величину псевдопропускания. Эта величина
сравнивается с заранее вычисленной       таблицей отношения трех полос для
установленного диапазона колонной величины паров воды. На рис. 2 показаны
кривые отношений для трех полос поглощения. Как видно из рис. 2 полоса
1,14 m   имеет большую чувствительность к вариациям паров воды при
величине паров воды менее, чем 3 см. Таким образом, процедура определения
суммарной величины паров воды состоит из вычисления соответствующей
величины отношения для выбранной полосы поглощения и далее нахождения
величины паров воды по заданным диаграммам.
    Подробно    не   останавливаясь   на   характеристике   данного   метода
определения паров воды, укажем на главный его недостаток, заключающийся в
том, что данный метод не обеспечивает точный учет влияния аэрозоля на
результат определения величины водного пара. Это можно пояснить
следующим образом. Из теории физики аэрозолей известно, что долевой вклад
аэрозоля на суммарную оптическую плотность атмосферы на длине волны
1,14  m должно быть меньше, чем на длине волны 0,94  m . Однако, как видно
                                                                                  3
из рис. 2 оптическая плотность паров воды на 1,14  m больше, чем на 0,94  m ,
и следовательно достоверность результатов полученных на длинах волн
0,91  m и 1,14  m будут сильно отличаться. Это, концептуально, с учетом
высокой изменчивости, как аэрозоля, так и паров воды может привести к
существенным погрешностям при сравнительной оценке суммарной величины
паров воды по результатам измерений в трех полосах поглощения, где
достоверности этих результатов резко различаются.
    Следует отметить, что в аппаратуре MODIS [4] принята несколько иная
концепция для построения методики измерения паров воды в атмосфере. Для
проведения измерений выбраны полосы поглощения на длинах волн 0,936;
0,940 и 0,905  m . Как отмечено в [4], эти три каналы при одинаковых
атмосферных условиях имеют различные чувствительности к водным парам.
Так, например, канал на длине волны 0,936                     m имеет наибольшую
чувствительность при малой влажности, тогда как канал со слабым
поглощением на длине волны 0,905  m наиболее чувствителен при большой
влажности. Следовательно, при одинаковых атмосферных условиях результаты
получаемые с трех каналов могут быть различными. По этой причине средняя
величина паров воды определяется в виде взвешенной суммы
                             W  f1 W1  f 2 W2  f 3 W3 ,
где Wi - результат, полученный на i -м канале; f i - соответствующий весовой
коэффициент канала, определяемый по кривым зависимости пропускания от
величины осаждаемой воды. Такая методика измерения паров воды сохраняет
вышеотмеченный      недостаток,      заключающийся             в   средневзвешенном
суммировании результатов измерений с разной достоверностью, где весовые
коэффициенты совершенно не учитывают степени достоверности результатов
каналов.
    В целом, как отмечено в [1], точная оценка количества паров воды в
атмосфере возможна при использовании многоволновых методов. Однако,
несмотря на свою компактность, в этих методах вариации аэрозоля не
                                                                                                        4
учитываются и влияние аэрозоля должно быть устранено до применения этих
методов. Однако, это положение затрудняется тем, что оценка аэрозольной
обстановки части сама требует наличия сведений об общем содержании водных
паров в атмосфере. Для избежания такой ситуации в [1] предлагается
использовать        результаты        нейронного            моделирования          для       предсказания
количество паров воды в атмосфере. Однако, общеизвестно, что точность
результатов нейронного моделирования не может быть выше, чем точность
исходных данных, вводимых в модель.
      Таким образом, можно заключить, что нерешенным вопросом техники
измерения паров воды в атмосфере является учет неравномерного влияния
аэрозольного фактора на результаты измерений в различных полосах
поглощения паров воды, имеющих различную чувствительность и различную
достоверность.        Для     решения          поставленной          задачи      можно предложить
использование трехволнового метода, впервые предложенного Асадовым Х.Г. и
сотр. [5] для озонометрических измерений.
      Подробно рассмотрим возможность применения трехволнового метода для
измерения общего количества паров воды в атмосфере. Как известно [5]
трехволновый          метод       предусматривает                  проведение        узкоспектральных
фотометрических измерений на трех длинах волн                            1 , 2 , 3  ,   и дальнейшее
проведение вычислений по формуле
                                           k
                                               I 1  I 3 
                                      z                       ,                                 (1)
                                                  I 2 
где z -относительный коэффициент, вычисляемой для дальнейшей оценки
паров воды с нейтрализацией влияния аэрозоля; I i  - сигнал фотометра на

длине волны i ; i 1, 3; k - регулируемый коэффициент.
      Расположение длин волн 1 , 2 , 3 условно показано на рис. 3. В
соответствии с законом Бугера – Бера для ближнего ИК диапазона, где
релеевским рассеянием можно пренебречь, имеем
                                                    b   
                          I    I 0   e аэр                    ,                           (2)
                                                                                                                                                              5
где I   - интенсивность солнечного излучения на длине волны  ; I 0   -
величина солнечного постоянного на длине волны  ;                                                                          аэр   -              оптическая

плотность аэрозоля;  b   - оптическая плотность паров воды.
            Хорошо известно, что оптическая плотность паров воды в атмосфере
пропорционально некоторой степени их суммарному количеству, т.е.
                                                                 b    a b   W d   .                                                       (3)
            Таким образом, с учетом выражений (1), (2) и (3) имеем
        k
            I 0 1  I 0 3 e
                                      
                                      аэр  1    аэр 3   a b  1  W d  i   ab  3 d  3    
z                                                                                                                   
                          I 0 2 e
                                           аэр 2   a b  2  W d  2     
                                                                                                                                                 ,    (4)
                                                аэр 1    аэр 3    b    d    a b  1  W d  i   ab  3  W d  3  
        I 0 1  I 0 3       аэр 2                                a 2 W
    k                                                                                      2                                                
                                                           k                                                      k                       
                            e                                                                                                              
             I 0 2 
где            a -оптическая масса; W -общее количество паров воды; b ; d   -
зависимые от длины волны коэффициенты.
            На основании выражения (4) можно предложить два способа нахождения
общего количества паров воды в атмосфере:
            1. Значение коэффициента                                              k        выбирается из условия выполнения
следующего равенства:
                                                                                         аэр `   аэр 3 
                                                                 аэр 2                                              0.                          (5)
                                                                                                         k
            Физический смысл и значимость коэффициента                                                                             k       заключается в
обеспечении минимального влияния аэрозоля на результат измерения общего
количества паров воды.
            С учетом (5) из (4) нетрудно получить следующее трансцедентное
уравнение, решение которого позволяет вычислить общее количество паров
воды в атмосфере
                                  k  a b2  W d 2   a b1  W d 1   a b3  W d 3   c  0 ,                                       (6)
где
                                                                                                              6
                                                             k
                                                                 I 0 1  I 0 3 
                                                  ck l n                             .
                                                                    z  I 0 2 
    2. Значение коэффициента k                                    выбирается из условия выполнениря
следующего равенства

                       b  2         d  2      a b 1  W d 1   a b 3  W d 3 
                   a              W                                                           0 ,   (7)
                                                                         k
в результате чего величина параметра z зависит только от оптической
плотности аэрозоля.
    Таким образом, общее количество паров воды в зависимости от состояния
компонентов атмосферы может быть вычислено по уравнению (6) или (7). Так
при стабильной аэрозольной обстановке и при высокой динамике изменения
паров воды целесообразно использование первого вышеуказанного способа.
При противоположном состоянии компонентов атмосферы целесообразно
использовать второй способ.
    В заключении отметим, что предлагаемый метод вычисления общего
количества воды имеет следующие несомненные преимущества:
    1. Длины волны  i могут быть выбраны в виде произвольной тройки длин
волн из серии полос поглощения паров воды, имеющихся в близком ИК
диапазоне.
    2. Появляется возможность полного исключения влияния аэрозоля на
результат    вычислений                     путем                подбора         соответствующей       величины
коэффициента k .


                                                        Литература


1. Shunlin Liang. An Improved Atmospheric Correction Algorithm for Huperspectral
Remotely Sensend Imagery. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, V.1,
No.2, April, 2004, p.112-116.
2. http://www.dfdl.noaa.gov./~emw/chapter2.pdf.
 Chapter 2. Remote sensing of atmospheric water vapour.
                                                                               7
3. Michael K. Griffin and Hsiao-hua K. Burke. Compensation of Hyperspectral Data
for Atmospheric Effects.
Lincoln Laboratory Journal, V.14, No.1, 2003, p.29-45.
4. Bo-Cai Gao, Yoram J. Kaufman. Water vapor retrievals using Moderate
Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) near-infrared channels.
Journal of GEOPHYSICAL RESEARCH; V.108, No. D13, p.4389, 2003.
5. Асадов Х.Г., Исаев А.А. Общая теория трехволновых озонометрических
измерений // Измерительная техника, 2005, № 8, с. 59.
                                                                                      8
                                     Аннотация


     В статье проведен критический анализ некоторых бортовых средств
измерения паров воды в атмосферы, установленных в спутниках. Показано
возможность использования известного трехволнового метода для измерения
паров воды. Получены уравнение решение которых позволяет вычислить общее
количество паров воды в атмосфере.


                                      Summary


Development of new methods to remote sensing of water vapours in atmosphere


           Agaev F.G., Azimova S.R., Chobanzadeh I.G., Akiyev D.Z.


      Critical analysis of some space borne meters designated for measurement of
water vapours total content is given in the article. It is shown, that well – known thee
wavelength principle of photometric measurements may be used for remote sensing
of water vapors. The equation, solution of which makes it possible to calculate the
total content of water vapor in atmosphere is given.
                                                          9



Пропускание




                                       Длина волны, мкм

              Рис. 1. Спектр поглощения паров воды.
                                                                         10




Отношение




                                                     Отношение 0,91 m


                                                     Отношение 0,94 m


                                                     Отношение 1,14 m




            Рис. 2. Диаграмма вычисления общего количества воды.
                                                    11



      I




                    1   2        3           

Рис. 3. Расположение длин волн 1 , 2 , 3 .

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Tags:
Stats:
views:27
posted:3/28/2010
language:Russian
pages:11