Методы и алгоритмы обработки данных измерений метеорологических ИСЗ в целях дистанционного термического зондирования атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А.И.ВОЕЙКОВЛ.

на правах рукописи

' УСПЕНСКИЙ АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

удк 551.501.724:551.507

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИСЗ Б ЦЕЛЯХ ДИСТАНЦИОННОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ

специальность 01.04.12 - геофизика

автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ЛЕНИНГРАД 1989

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском центре изучения природных ресурсов и ордена Ленина Гкдрометеоро-лотаческом научно-исследовательском центре СССР.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук О.М.Покровский доктор физико-математических наук А.И.Ивановский доктор технических наук Б.Д.Панин

Ведущая организация: Институт физики атмосферы АН СССР

Защита состоится "_" _" 19 г. в_час.

на заседании специализированного совета Д 024.06.01 при Главной геофизической обсерватории нм. А.И.Воейкова по адресу: 194018, Ленинград, ул.Карбышева, 7 (за! Ученого совета).

С диссертацией мсишо ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова.

Автореферат разослан "_"_19.

Ученый секретарь специализированного согета доктор географических наук

Н.В.Кобышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PABOTU

Актуальность прошлом'?. Потребности гадрометссролох'ичосг.ого обеспечения народного хозяйства стимулировали интенсивное развитие методов и средств дистанционного термического зондирования атмосфера (кратко Д'ГЗА), обеспечиваемых получешю колите -ственной информации о параметрах состояния системы "атмосфера -подстилающая поверхность" по спутниковым данным. К настоящему времени создали оперативные космические системы получешш на регулярной основе данных о вертикальных распределениях температуры и массовой доли влаги в атмосфере, параметров облачного покрова, температуре водшх поверхностей по измерениям уходящего излучения о метеорологических искусстве шиле спутников Земли

(миез).

Принципиальная возможность использования спутниковых измерений уходящего теплового излучешя системы "атмосфера - подстилающая поверхность" для решения основной задачи ДТЗА - определения вертикального профиля температуры Т(р) в атмосфере как функции давления р била отмечена ухо в конце 50-х годов. Последовавшие затем исследования различных аспектов ДТЗА, реализация экспериментальных программ, прогросс в космическом приборостроении и технологиях привели к созданию в конце 70-х годов глобальной оперативной системы ДТЗА на базе MIC3 серии "//ОЛА" (США). Обеспечение при этом "всепэгодности" зондирований, повышение их пространственной плотности и точности в сравнении с первым вариантом системы ДТЗА середины 70-х годов позволили приступить к работам по созданию методов усвоения спутнинозых данных в схемах объективного анализй полей метеоэлементов, наряду с данными аэрологического зондирования.

В нашей стране инициатива и руководство исследованиям! в области методов дистанционного метеорологического зондирования принадлежат К.Я.Кондратьеву, важные постановочные работы выполнены Г.И.Марчуком. Существенный вклад в исследования различных аспектов проблемы ДТЗА внесли А.Е.Башаринов, Е.П.Бори-сенков, А.Г.Торолик, А.Б.Карасав, В.П.Козлов, Б.Г.Кутуза, М.С.Малксвич, Б.Д.Панин, Л.А.Пахомов, О.М.Покровский, Ю.М.Тимофеев, К.С.Шифрия и др. После выполненных в 60-70-х гг. теоретических исследований и проведения экспериментов по термическому зондированию на спутниках "Метеор" стало реальным

создание отечественной системы ДТЗА. С начала 80-х годов на борту оперативных МИСЗ серии "Метеор-2" регулярно устанавливается измерительная аппаратура термического зондирования - многоканальный сканирующий инфракрасный спектрорадиометр (кратко МСИКС), с помощью которого регистрируется уходнщое тепловое ИК излучение в шести спектральных интервалах 15 мкм полосы поглощения СОд, одном интервале II мкм окна прозрачности и одном интервале 18 мкм в полосе поглощегаш 1^0.

Неотъемлемой частью любой системы ДТЗА является совокупность процодур автоматизированной интерпретации ,или тематическая обработка данных спутниковых измерений, косвенных по отношению к искомым метеоиарамс-трам. Развитие методов и алгоритмов тематической обработки данных косвенных измерений ДТЗА, поступающих с оперативных МИСЗ "Метеор" (глобальное покрытие) и " НОАА " (региональное покрытие), составляет основное содержание диссертации.

Удовлетворение достаточно высоких требований к точности и пространственному разрешению результатов термического зондирования (но оценкам экспертов Всемирной Метеорологической Организации па начало 90-х годов - мгновенная точность порядка 1°С, горизонтальное разрешение 100 невозможно только при .условии оптимизации методов тематической обработки, а также дальнейшем повьшонии информативности косвенных измерений ДТЗА. Требование оптимизации методов и алгоритмов тематической обработки с учетом реальных информационных характеристик спутниковых измерений ДТЗА и возможностей центров обработки лежит в основе рассмотрениИ автора. В диссертации также разработан математический аппарат решеш1я задач оптимизации состава косвенных измерений ДТЗА, выполнены модельные расчеты по определению состава измерений с повышенной информативностью.

Основные цели диссертации сводятся к

- развитию математического аппарата анализа данных спут-.никових косвенных измерений ДТЗА;

- исследованию информативности спутшжовых данных;

- созданию технологий оперативной тематитоской обработки данных кзмпроний аппаратуры термического зондирования ИСЗ "Метеор", "КОАА

- анализу результатов натурных испытаний образцов аппаратуры МСИКС на борту ИСЗ "Метеор-2", исследованию точностных характеристик результатов ДТЗА;

- разработке мотодов оптимизации состава косвенных измерений ДТЗА, теоретическому построению измерительных схем пош-шенной информативности.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту

1. К числу основных результатов, определяющих научную новизну развитых численных методов и алгоритмов решения обратных задач ДТЗА в линейном приближении, относятся следующие:

а) выполнены построение и сравнительный анализ различных линейных оценок решения обратной задачи ДТЗА в зависимости от функций потерь и имеющейся априорной информации о решении;

б) предложена формулировка модели косвенных измерений ДТЗА, включающая основные мешающие факторы, разработаны алгоритмы учета мешающих факторов в рамках физико-статистического и чисто статистического подходов к интерпретации данных;

в) предложены и испытаны алгоритмы построения оценок параметров случайных полой по данным прямых и косвенных измерений ДТЗА, обладающие повышенной помехоустойчивостью (робастностью);

г) разработаны конструктивные алгоритмы построения оптимальных базисных систем функций при параметрическом представлении метеоэлементов, определены "почти-оптимальные" наборы базисных функций - линейных сплайнов;

д) введена и проанализировала количественная мера, характеризующая систематическую составляющую погрешности результатов ДТЗА - разрешающую способность по вертикали.

В результате перечисленных исследований создано алгоритмическое обеспечение тематической обработки косвенных измерений ДТЗА (в линейном приближении) для условий безоблачной и малооблачной атмосферы, пригодное для включения в оперативную технологию.

2. При разработке методов решения нелинейных обратных задач температурного зондирования (измерения в условиях облачности) новизна развиваемого подхода и полученных результатов состоит

в следующем:

а) па основе предложенной физико-статистической модели спутниковых измерений уходящего теплового излучения в условиях

многослойной частичной облачности численно исследована информативность измерений аппаратуры ШТКС по отношению к параметр™ вертикального распределения температуры ддп однослойной и двухслойной облачности;

б) выполнен сравнительный анализ алгоритмов детектирования облачности в поле арония спутникового радиометра, дани рекомендации по выбору наиболее подходящего алгоритма б зависимости от состава измерений, возможности доступа к дополнительной информации ;

в) получены явные выражения оценок решений (в том числе наилучших линойшх) обратной задачи и их дисперсионных матриц. Результаты обобщены на случаи расширенного состава измерении: выборки данных в рейте пространственного сканирования, совмещении измерений в Ж и микроволновом диапазонах.

Нерочислшшне разработки позволили создать математический аппарат полного цикла автоматизированной интерпретации данных косвенных измерений ДТЗЛ душ различных условии измерений.

3. Новизна результатов, полученных при разработке методов к алгоритмов определения локальных и интегральных характеристик влагосодоркания атмосферы по спутниковым данным, состоит в следующем:

а) выполнен' сравнительный анализ различных вариантов постановы! обратной задачи определения характеристик влагосодержашш атмосферы по спутниковым измерениям уходящегоИК излучения в диапазонах полос поглощения водяного пара;

б) на основа количественного анализа информативности данных измерений аппаратуры термического зондирования КСЗ "Метеор",

" N0AA " определены условия, при которых допустимо рассмотрение автономных задач дистанционного температурного и "влажяоетного" зондирования;

в) предложены и испытаны на фактической и моделированной информации физико-статистические алгоритмы определения характеристик шагосодоржшгая атмосферы по данным с ИСЗ "Метеор", " коал";

г) предложена и испытана двухэтапная процедура редактирования (фильтрация грубых ошибок) спутниковых оцанок влагосодер-жания.

5. Исследования по методам дистанционного определения температуры подстилающей поверхности позволили получить следующие новые результаты:

а) предложена малопараметричсская аппроксимагщонная модель спутниковых измерений в спектральном диапазоне 10,5-12,5 глш, на осново которой выполнен анализ информационного содержания спутниковых данных по отношению к температуро поверхности океана (ПЮ) и суш (ТПС) в условиях безоблачно:' атмосферы при использовании одно- и двухканалышх измерительных схем в указанном спектральном диапазоне;

б) предложены и испытаны физико-статистический и регрессионный' алгоритмы тематической обработки данных спутниковых измерений в диапазоне 10,5-12,5 мкм для получения оцопок ТПО;

в) количественно оценено влияние нечерноты подотилакщой поверхности на точность дистанционного определения ТПС.

6. На основе разработанного математического аппарата анализа спутниковых данных впервые в нашей стране

а) создан под руководством диссертанта програм.шо-информа-цнонный комплекс тематической обработки данных измерений аппаратуры МСИКС ИСЗ "Метеор-2", входящей в сквозную технологию автоматизированной обработки спутниковой информации;

б) выполнен анализ результатов массовой обработки спутниковых данных в период натурных испытаний и опытной эксплуатации аппаратуры МСИКС (I98I-I983 гг.); и.Н*орЫЦцоЦНоГо

в) создан исследовательский вариант програшно-иссдедова-тяльского комплекса тематической обработки данных измерений аппаратуры tovs ИСЗ " коаа", обеспечивающий получение результатов температурно-влажностного зондирования атмосферы для центральных регионов ETC. Получены оценки погрешности результатов ДТЗА по данным измерений ИСЗ "n0aa-9",

7. В результате исследований по оптимизации состава косвенных измерений ДТЗА, обеспечивающей повышение информативности спутниковых данных:

а) дана постановка задачи оптимизации состава косвенных измерений ДТЗА, учитывающая структуру измерительных погрешностей. Изучены теоретические аспекты решения указанной экстремальной задачи* предложены числэннне алгоритмы определения оптимального состава косвенных измерений ДТЗА;

6) выполнены расчеты состава спектрорадиометрических измерений уходящего излучония в 15 мкм полосе поглощогаш С02. оптимального в смисло двух типов функций потерь и предназначенного для проведения ДТЗА при отсутствии облачности. Предложены измерительные схемы, обсспечивавдие улучшение вертикального разрешения данных ДТЗА.

Практическая ценность. Выполненный автором комплекс, исследований позволил достигнуть прогресса в создании оперативно действующих спутниковых систем ДТЗА. Исследования по методам интерпретации спутниковых данных позволили предложить и обосновать алгоритмическое обеспечение полного цикла тематической обработки измерений существующей аппаратуры термического зондирования ИСЗ "Метеор" и "ноаа " с учетом требований оптимальности и вычислительной эффективности. Предложенные1 алгоритмы линейного оценивания, учета мешающих факторов, робастные алгоритмы применимы при апализо широкого класса косвенных измерений метеорологического зондирования.

Исследования по методам дистанционного определения температуры подстилающей поверхности дали возможность оценить теоретические погрешности оценивания ТПО в зависимости от уровня точности задания априорной информации, получить оценки фактической погрешности.

Создание под руководством автора програлмно-информационных комлоксов тематической обработки спутниковых измерений позволило внедрить технологии регулярного получения данных температурного зондировагаш в оперативную практику Центров приема и обработки спутниковой информации и начать опытную эксплуатацию глобальной системы ДТЗА на основе ИСЗ "Метеор-?.". С помощью указанных технологий обеспечено проведение натурных испытаний образцов спутниковой аппаратуры МСИКС, получены опенки погрешности данных ДТЗА на массовом фактическом материале, накоплен опыт разработки и внедрегая подобных систем ДТЗА.

Исследования по методам и алгоритмам тематической обработки данных тоуз позволили обосновать принципы построения региональных систем термического зондирования.

Исследования по оптимизации состава косвенных измерений ДТЗА привели к созданию эффект/ лого и обладающего достаточной общностью математического аппарата для теоретического построения

измерительных схем повышенной информативности.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты и выводы использовались при выполнении ряда тем ЩР и ОКР Госкомгидромета СССР в период 1975-1988 гг. * Результаты методических проработок диссертации включопы в раздел I Технической записки ВМО № 166 "Количественные метеорологические данные СО спутников" ( Hnyden С.М. et al./yuantitativa meteorological data from satellites // Tochn.IJote № 166, vaiO.-I979.-I02p.), а также отражены в главе 3 коллективного труда специалистов социалистических стран "Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды". Л., Гидрометеоиздат, 1982. - 300 с.

Исследования диссертанта использовались при формулировке и реализации программ научно-технического сотрудничества социалистических стран в области космической метеорологии (в рамках Совета "Интеркосмос", I97G-I989 гг.), программ советско-французского сотрудничества Совета "Интеркосмос" по космической метеорологии в период 1976-1983 гг.

Апробация работы и публикации. Основные выводы и результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на семинарах и заседаниях Ученого совета ГосШЩИПР и Гидрометцентра СССР, общемосковоком семинаре по планированию экспериментов (лаборатория статистических методов МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, 1979 г.), школе-семинаре по анализу и плщшрованию экспериментов (Златоуст, 1978 г.; Ленинград, 1982 г.), У и У1 Всесоюзных конференциях по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (Москва, 1976, 1980), 1У Всесоюзной конференции по проблемам теоретической кибернетики (Новосибирск, 1977), Всесоюзном симпозиума по обобщенно-обратным задачам идентификации сложных систем (Харьков, 1969), I и П Всесоюзных конференциях "Перспективные методы анализа и планирования экспериментов при исследовании случайных полей и процессов" ,• Нальчик, 1982; Севастополь, 1985), I Всесоюзной конференции "Биосфера и климат по данным космических исследований" (Баку, 1982), Гагаринских чтениях (Москва, 1981, 1382), III Международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг состояния атмосферы" (Ташкент, 1984), семинаре по программе "Разрезы" (1985), Международном симпозиуме "Применение данных наблюдший

со спутников для восстановления и численного анализа метеорологических полей" (Потсдам, 1976), семинарах по спутниковой метеорологии социалистических стран (Будапешт, 1579, Москва, 1981), Международном конгрессе КОСПАР (Инсбрук, 1978), советско-французских семинарах по результатам сотрудничества в области • космической метеорологии (Париж, 1976, 1982; Москва, 1979), Международном симпозиуме "Использование спутниковых измерений в моделировании и прогнозе атмосферных явлений" (Прага, 1988), I Международной конференции по оптимальному планировать) и анализу экспериментов (Ыевшатсль, 1983). Диссертация в целом докладывалась ьа ссыинарах в Гидрометцентре СССР, ГосНИВДПР, Центральной аэрологической обсерватории, 1У0 им. Л.И.Воейкова, ИФА АН СССР, Институте оптики атмосферы СО АН СССР.

По теме диссертации опубликовано 66 работ. Основные результаты диссертации достаточно полно отражены в €2. публикациях, список которых помещен в конце автореферата. В проведении исследований по проблем ■ термического зондирования под руководством автора в период I.; -1988 гг. принимали участие аспиранты и сотрудники ГосШЩ • ' и Гидрометцентра СССР: Плохенко Ю.В., Третьяков В.Е., С^овский В.М., Баркова Г.Н., Грачев В.И., Еуко-ва Е.В., Дссов В.II. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад диссертанта заключается в постановке задач, непосредственном участии во всех этапах исследований, анализе результатов. На выбор методики анализа косвешгых измерений ДТЗА,оптимизации их состава большое влияние оказало участие в работе семинара МГУ по планированию экспериментов, однш/ из руководителей которого являлся проф. В.В.Федоров.

Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введо1гая, шести глав, заключения и приложения. Основной токст содоржит.36-7 страниц, таблиц, 2,*/ рисунков, библиографию из 2*91 названий на 3? стр. Приложение содержит УЗ страшщ текста, 2-У- таблиц. Общий обьем работы 4^/0 страниц.

СОДЕРЖА! В® ГАБОН]

Во введении дана общая характеристика работа, излагаются Цель п основные научпио задачи исслсдопатш, сбсужаютсл актуальность тома и полученные результаты, приводен краткий обзор содержания работы по глгшам.

Глава I. Методы и алгоритмы решения обратных задал дистанционного температурного зондирования атмосферы в линейном приближении.

Подход автора к интерпретации данных косвенных измерении ДГЗА можно определить как физико-статистический: доя описания спутниковых измерений привлекается физическая модель (уравнение переноса), а далее на всех стадиях тематической обработки используются идеи и алгоритмы математической статистики.

В разделе 1,1. носящем постановочный характер, сделан краткий обзор физических основ метода ДТЗА, особенностей измерительных схем, формулируется постановка обратной задачи ДТЗА в линейном приближении и обсуждается математические) аспекты . решения .обратных задач. При формулировке обратной задачи ДТЗА используется известное уравнение переноса теплового излучения

<Гу(0,р) _ функция пропускания слоя атмосферы от верхней границы до уровня р , р5 - давление на уровне подстилающей поверхности, у - волновое число.

Функционалы от искомого профиля Т(р) определяются в результате рошенкя интегрального уравнения (I) - некорректной обратной задачи. Конечномерный аналог модели спутниковых измо-роштй - обратная задача ДТЗА имеет вид

), I» 1,... , I ; Т"(/>)- задан); А- матрица ( п# I ), аппроксимирующая линеаризованный интегральный опора-тор уравнения (I)!; ^ - вектор (пх 1) функционалов от результатов измерений П(») ; £ -вектор ^/гx^) аддитивных случайных ошибок измерений с известной дисперсионной матрицей¿1,

(2)

Е - операция усреднения. С учетом специфики обратной задачи ДТЗА и на основе обзора известных методов ее решения сделан вывод о целесообразности привлечения теории линейного статистического оценивания и выделении нескольких самостоятельных этапов в процедуре интерпретации спутниковых данных.

В разделе 1.2 модель (2) трактуется кал классическая регрессионная схема Гаусса-Маркова, что позволяет использовать аппарат линейного статистического оценивания для построения различных оценок решений обратной задачи ДТЗА вида х = в зависимости от функционала потерь У и имеющейся априорнйй информации о решении. В качестве У используются скалярные или матричные функции от дисперсионной матрицы Т>1><3 ошибок предсказания у , рассмотрены варианты детерминированного и стохастического описания искомых параметров. Выделение устойчивых оценок с ограниченными дисперсиями достигается привлечением априорной информации вероятностного или детерминированного характера. В наиболее благоприятной ситуации при известных первых двух моментах Е [к ] и Л)[к]=3£х априорной функции распределения 31 (х) получается наилучшая линейная или байесовская оценка

ъ;1ц-гАтЕ"'А)~1Ат£~1у (при ( =0) с дисперсионной матрицей - (Э^ А )'"' , наименьшей

в классе линейных оценок. Выписаны также устойчивые оценки у лля случаев, когда указанная априорная информация задала частично (только £Г[х] шш1>вЛ ) или не задана. •

Предложен новый класс оценок линейных функционалов вида = (¡¿у ( &к - заданный вектор ( х1), &к -

вектор ( п х 1 ) ), основанный на минимизации функций потерь, в которые включена мера систематической погрешности решений

К-* (Чк) = , где <■•■ >„ - означает норму.

Явные внраяения получаются лрир-2 ,г.еГ<->-евклддовой

норме.

Обсуждены вычислительные аспекты построешя оценок, в том число использование итерационных алгоритмов градиентного типа и рекуррентных алгоритмов, работоспособность которых установлена. путем численных экспериментов с моделированной н фактической информацией.

Модель (2) в разделе 1.2 считается полностью известной и адекватной фактическим условиям измерений. Предмет рассмотрений

раздела 1.3 составляют алгоритмы анализа спутниковых данных в условиях, когда модель (2) ке полностью адекватна фактическим условиям и необходимо учитывать мешающие факторы (м.ф.). Формулировка модели косвенных измерений ДТЗА для условий безоблачной атмосферы, в которую включены в качестве основных м.ф. погрешности модельного (Д/1 ) и измерительного ( £ ) характера имеет вид

у = (Аф+&А)х+е у ЕГ=$ , Е(£Ч>0И)г=£, (з)

где индексом "(р) " обозначены расчетные величины. На основе (3) разработали три алгоритма учета мешающих факторов в рамках физико-статистического подхода, имеющие различную область применимости в зависимости от наличия или отсутствия данных калибровочного эксперимента - выборки синхронных спутшшовых и прямых (радиозондовых) измерений.

Первый алгоритм, предназначенный для уменьшения влияния неадекватности модели (м.ф.лД ) является обобщением известного регрессионного алгоритма, степенной коррекции функции пропускания, входящей в оператор А задачи (2). Для его применения необходимо формирование обучающих выборок из данных калибровочного эксперимента.

Для применения второго алгоритма не требуется фомирования обучающих выборок, но необходимо априори знать первые два момента случайно распределенных векторов - строк матрицы д/\ . Пги этих условиях, а также в предположении Е £ =0 сформулирована итерационная процедура построения асимптотически несмещенной состоятельной оценки х и оценки дисперсионной матрицы

3[х) , кавдый шаг которой совладает с вычислениями

стандартной оценки метода наименьших квадратов (МНК).

Третий алгоритм, названный алгоритмом радиационной коррекции и разработанный совместно с Ю.В.Плохенко, предназначен для учета "суммарного" м.ф. •+• ^ в модели (3);

данные калибровочного эксперимента для его использования не требуются. Введение корректирующих параметров в модель для учета м.ф. обеспечивает уменьшение нормы вектора невязки $ = (где 2 - данные измерений, -расчет-

ные значения при Т-Т -оценке решения обратной задачи)

и, как следствие, повышение устойчивости и точности оценки решения.

Лддитишшй корректирующий векторный параметр g определяется в результате рстюния экстремальной задачи ^ =/ltg>nin £[&r¿ ], где E"L'"1 - операция усреднения по выборке интерпре-

тируемых измерений. Для численного решо1шя экстремальной задачи используется итерационный алгоритм градиентного спуска. При сдо-лашшх предположениях о модели аначоппо второго момента О* является оценкой дисперсии погрешности изморошгй Cr¿L .

Пали «ni о неустранимых м.ф. приводит к смещению оценок решений обратной задачи ДТЗА и регрессионных оценок x'^á' . В рамках чисто статистического подхода, основанного на данных калибровочного эксперимента, рассмотрено построение асимптотически носмещонной оценки х в ситуации, когда ошибки регистрации пренебрежимо мали и £-) к , где у > О - малый параметр. С помощью метода возмущений иайдона формула расчета несмещенных с точностью О (У3) оценок х , обобщающая стандартную рогроссионнуи оценку xnt3)

Согласно результатам испытаний наиболее эффективными являются алгоритмы коррекции функции пропускания и радиационной коррекции. Алгоритм радиационной коррошщи учитывает болое полную совокупность м. ф, при ого использовании значения оценок первых двух статистических моментов нормы невязки уменьшаются в 2-4 раза, ансамбл решений становится более "гладким1;, значения средней по уровгам ошибки оценки уменьшаются на 0,2-0,4°С. При наличии данных калибровочного эксперимента целесообразно выполнять вначале степенную коррекцию функции пропускания, а затем переходить к радиационной коррекции.

В раздало 1,4 обсуждается построение оценок, обладающих повышенной помехоустойчивостью (робастностыо) в условиях нарушения стандартных гипотоз рогрессионного анализа о случайных измерительных погрешностях с . Одной из основных причин появления грубых выбросов, аномальных погрешностей в спутниковых данных, приводящих к искажению исходного закона распределения 'Jl(¿) - утяяолонию его "хвостов", нарушению симметричности - является ошибки детектирования облачности в поле зрения прибора. В этих условиях вводится модель суммарной ошибки с функцией распределения Tío = (i - л ) U ) •+л ÍP, (е ), где тг - вероятность засорения основного распределения 31 ошибками с распределением %tt) , априори неизвестным.

Стандартные процедуры обработки данных прямых и косвенных измерений весьма чувстпитслмш к подобному изменению закола распределения ошибок, в связи с чем выполнен сравнительный анализ известных процедур построения помехоустойчивых оцо;юк первых двух моментов случайно распределенных величин [ (прямот изме-

рения) , основанных на порядковых статистиках и минимаксном подходе Хьюйера.

Разработана два оригинальных алгоритма робастного оценивания решений обратной задачи ДТЗА разной области применимости. Первый алгорит, пригодный для трассовых измерений ,

реализует подход Хысйера и предусматривает винзоризацию (усечение) невязок ¿-s) на каждом s -м шаге итерационного построения оцонок решения обратной задачи (2). Второй алгоритм обеспечиваот построение робастной оценю! функционалов y^-L^X и связан с концепцией введения сопряженной задачи. Линейная помехоустойчивая оценка имеет вид ^«-оду ,

где Lj1"*1' - ка^ая-либо робаотпая оценка tf по виберко данных [уУ'} > - решение экстремальной задачи

1к--Ы>Шп (AT¿K-h„)? или t~ А гдтцг (А У* U)

íK* Ь * ij&tedo LP

при p > 2 , dt > 0 - заданных. Применение итерационного алгоритма типа Ньютона дяя численного решения задачи (4) с р = I; 4; 6; 8 и прямоугольными ftK , вырезающими елок 1000-850,...,200-100 гПа, обеспечиваот быструю сходимость к за небольшое число итераций s" (s'-f? для ¡i - 6 ).

В разделе 1.5 сформулировали постановки задач выбора оптимальных в смысле различных базисных систем функций {.(^ при параметрическом представлении профилей метеог-лемонтов: yj &j. к % (*í) . ' -1 > •• • . I С <•' П . Реализации

"" Xj-lii-le,),X;(Z¿)1 |г определяются по данным прямых или косвошшх измерений, причем дяя них известии первые два момента EL*1 , В [х] априорпой функции распределения. Оптимальные базисы в зависимости о? функции потерь (средний квадрат погрешности аппроксимации, остаточная суша квадратов и др.) являются или первыми т. собственными векторами матрицы 3>0,х > или ni строками матрицы А , или решениями экстремальной задачи с функциями потерь, зависящими от А , Z)0,x . Выполнены массовые численные эксперименты по сплайн-сглаживании

JK

с помощью метода наименьших квадратов данных радиоз'оццирования {Т^!1}(р)} , в результате которых выделены "почти-

оптимальные" и легко вычисляемые базисы - линейные сплайны. Использование системы линейных сплайнов с выбранными оптимальными положениями опорных узлов 2* гарантирует достижение средней по слоям погрешности аппроксимации данных радиозондирования порядка 1°С; кроме того, полученные результаты свидетельствуют о целесообразности подобного представления при формулировке конечномерного аналога обратной задачи ДТЗА.

В разделе 1.6 с учетом косвенного характера спутниковых измерений детально рассмотрено введение различных количественных мер, характеризующих систематический компонент погрешности данных ДТЗА - вертикальное разрешение. Приведена сводка формул расчета статистических характеридтлк погрешностей данных ДТЗА, а также оценок информационного содержания косвенных измерений дистанциоиного зондирования.

Глава 2. Методы и алгоритмы решения нелинейных обратных задач температурного зондирования в условиях облачной атмосферы.

Облачность в поле зрения спутникового прибора представляет основной мешающий фактор при использовании для целей ДТЗА. измерений уходящего теплового "излучения, поэтому развитие алгоритмов тематической обработки спутниковой информации в целях дистанционного термического зондирования облачной атмосферы (ДТЗОА) является предметом рассмотрения второй главы диссертации.

В разделах 2.1, .2.3 изложены результаты совместных о Ю.В.Плохенко исследований по созданию методов тематической обработки спутниковых данных на основе физико-статистической модели переноса ИК излучения в условиях многослойной частичной облачности. В модели, предложенной в разделе 2.1. используются две группы векторных параметров, описывающих систему из (ге ^ 1 ярусов (слоев) облачности: р*=Цр*,... , IIт - аффек-

тивные высоты ярусов облачности, предполагаются заданными;

= 1{ , ... , ¿/¿с Цг (где. - аффективные количества

облачности ( 3- излучат ель ная способность, Мк - нормированный на единицу коэффициент заполнения). Облачные слои предполагаются взаимно не перекрывающимися тонкими поглощающими экранами, расположенными на заданных уровнях с отража-

тельной способностью, близкой к нулю, и с¿к , равномерно распределенными на [0,1] . В описываемую физико-статистическую модель входит уравнегага переноса излучения в облачной атмосфере, которое берется в обычном виде:

ЗМ = (1 -Л) С»> +1 Э(оь,СV) (для к0 =Г),

где - определено согласно., (I),

= ву [Т(р*) ] ту (о,г*) ^ В, 1Т(Р)11т, (о, р).

На основе физико-статистичебкой модели формулируются постановки обратных задач ДТЗОА, один из вариантов которой имеет вид:

У=А-0Ш-х+Я Ее = 0, Е £ет-Ц } (5)

где О/У) - матрица (£*£) с элементами, линейно зависящими от о(. , Д - заданная матрица ( (г„ х £„ ).

Для уточнения характеристик физико-статистической модели и оценки точностного потенциала метода ДТЗОА выполнен анализ информативности данных измерений аппаратуры МСИКС в условиях многослойной частичной облачности. Рассчитаны показатель информативности у у

и аналогичный показатель ^ для одно- и двухслойной облачности, где - дисперсионная матрица наилучшей линейной оценки X из раздела 2.3. Из результатов расчетов , ^ следует, в частности резкое снижение точности оценки 5 в подоблачном слое, вследствие чего состав измерений аппаратуры МСИКС малопригоден для решения задачи температурного зондирования в условиях облачной атмосферы. Исходя из результатов анализа информативности, в процессе тематической обработки данных МСИКС выделены последовательные этапы: детектирование облачных образований в поле зрения спутникового датчика; продолжение или прекращение интерпретации данных в зависимости от результата оценивания <1 на предыдущем этапе.

В разделе 2.2 на основе сравнительного анализа различных алгоритмов детектирования облачности в поле зрения спутникового датчика (-пороговые процедуры, параметрические и пепараметриче-ские алгоритмы классификации,использование "спектральной" зависимости) даны рекомендации по выбору наиболее подходящего из них в зависимости от состава спутниковых измерений, возможности доступа к дополнительной информации. Для данных тоуз ('блоки" данных в 30-50 пикселах, полученные в режиме пространственного жашгрования), рекомендовано использовать алгоритм,

сочетающий элементы параметрического и нопарамотрического подходов. Для измерений аппаратуры МСИКС с иовысокой пространственной плотностью покрытия данными более целесообразно проводить детектирование облачности в рамках решения обратной задачи (4) с привлечением линейного решающего правила для классификации данных по условиям измерений.

Опираясь на глобальные среднеклиматическио данные о законе распределения количества облачности (В -распределение), получены рекомендации по выбору наиболее подходящего размера области ("блока" данных измерений в режиме сканирования) при реализации непараметрнческих алгоритмов детектирования облачности.

Детектирование облачных образований предваряет построение оценок х или выполняется совместно с оцениванием х и параметров облачного покрова. Подучены явные выражения оценок решений нелинейной по совокупности искомых [х , Л} обратной задачи (5) при разных априорных гипотезах о решении и модели. Наибольший интерес представляют наилучшие линейныо оценки Хд-^д-у , , которые удается построить для

К,Л -случайно распределенных с априори заданными первыми двумя моментами Г [х] , Е [У ] 1. миними-

зируя функции потерь от дисперсионных матриц 3>/>'-хЛ, НаДценшо явные выражения дисперсионных матрицЪ^-Х],!)^'^] позволили проводить информационный анализ данных измерений (5), ' о результатах которого ухе говорилось выше.

Полученные результаты обобщены на случай расширенного состава измерений: выборки донных в режиме пространственного сканирования, а также совмощзнных измерений в инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра. Для перечисленных измерительных схем получены явиыо выражения наилучших линейных оценок к кх диспорсаоншис матриц.

Выполненные в главам I, П исследовшшя привели к созданию математического аппарата полного цикла автоматизированной тема-тичоокой обработки данных косвенных измерений ДТЗА для различных условий наблюдений: ясно; частичная облачность; сплошная облачность. При детектировании облачных образований в поле зрения спутникового прибора (аппаратуры МСИКС) температурное зондирование для указанного района не производится; достоверные оценки 'Т(р) можно получать только при наличии совмещешшх

спутникошх дашшх инфракрасного и микроволного диапазонов, т.о., например, измерений с ИСЗ "иоаа ".

Глава 3. Методы .и алгоритмы определашш характеристик вла-госодоряания атмосферы по спутниковым измерениям уходящего теплового излучения.

Днстанционноо зондирований локальных ( Ц(р) - отношение смеси или массовая доля влаги) и ннтогралышх ( -U(c,ps)~ - общее влагосодорясанио) характеристик влагосодоржаляя в атмосфере по спутниковым данным имеет важное самостоятельное зна-чешю для целей анализа и прогноза погоды, а также необходимо для точного количественного описания переноса радиации в атмосфере при решении обратных задач ДТЗА. Количественные оценки характеристик влагосодержания можно получать на основе интерпретации данных спутниковых измерений уходящего ИК мзлучогаш в диапазонах полос поглощения водяного, пара - колебательно-вращательной вблизи Д =6,7 мкм и врацатольпей полосы 18-50 мкм. Измерения указанного состава проводятся в настоящее время на ИСЗ "Метеор" (рабочий диапазон 18 тем, один канал) и "noaa " (рабочий диапазон 6,7-8,3 мкм, 3 канала). В связи с этик в главе 3 рассмотрены методы и алгоритмы тематической обработки спутниковых данных указанного состава в целях диотшшионного зондирования характеристик влагосодержания атмосферы.

В разделе 3.1 дала формулировка комплексной линеаризованной обратной задачи томпературно-влажностного зондирования атмосферы (ДТВЗА), подобная (2), в которой компоненты искомого вектора & ость: т^. функционалов от ; «iT функционалов от Т(р)\

вариация iTs • Данные измерений, исходя из соображений масштабирования, выражены в терминах радиационных температур 7\(у). Приводится формулировка комплексной обратной задачи ДТВЗА в условиях частичной облачности, обобщающая постановку (5).

В разделе 3.2 изложены результаты количественного анализа информативности данных измерений, поступающих о ИСЗ "Метеор" и "НОаА Применительно к составу измерений аппаратуры МСЛКС оценена расчетным путем чувствительность данных в канале I (18 мкм), "прозрачных" температурных каналах 6,7,8 и соответствующих функций пропускания Tv(o,p) к вариациям влагосодер-жалпя, а таюто получены данные о значимом влия1ши вариаций

Ц(р) на погрешность результатов ДТЗА. Зависимость точности результатов ДТЗЛ от точности априорного задания подтвер-

ждает целесообразность соматической обработки данных.МСИКС путем решения комплексно!' обратной задачи ДТЕЗА. .

Количественный анализ информативности данных измерений аппаратуры T0VS (различные комбинации данных в каналах радиометров HIKS/2ц мзи ) включал расчеты показателей информативности ^ , уи , , p¡r при o~t =0,1К, двух уровнях средней по слоям априорной неопределенности задания Т(р) ( С^,=5,0К и сг =1,0К), 40£-ной априорной относительной неопределенности задания q. (р) . Показатель информативности в среднем по

слоям 1000-700, 700-500, 500-300 гПа находится в пределах 0,2-0,5, информативность по отношению к интегральной характеристике Ч(о, р"~) где р* - 500,700,1000 lila, составляет 0,2-0,8. Значения^ для схт =Ь",0К лежат в пределах 0,6-0,85.

Мачая информативность состава измерений рассмотренных схем по отношению к qfp) и отсутствие, как правило, адекватных данных о Tfp) в точках спутникового зондирования препятствуют выделению частной обратной задачи относительно локальных характеристик влагосодераапЕЯ из комплексной обратной задачи ДТВЗА. В то же время, доступный уровень точности априорного задания С[,(р) (или U(o,p)) во многих ситуациях позволяет выделять обратную задачу температурного зондирования из комплексной задачи ДТВЗА.

В разделе 3.3 приведены результаты разработки алгоритмов оцекзашш характеристик влагосодержания по данным измерений с ИСЗ "Метеор", "ИОАА ", Предложены и испытаны два алгоритма тематической обработки данных измерений аппаратуры МСИКС: алгоритм регуляризованного МНК для оценивания решений комплексной обратной задачи ДТВЗА и регрессионная оценка U(o,pK) .

Рассмотрены также два варианта алгоритмов оценивания решения обратной задачи влажностного зондирования по данным ТОVS и "линейная" регрессионная оценка U(pK,ps) . Согласно результатам численного моделирования, выполненного В.Е.Третьяковым, Ь'.В.Еуковой, относительная погрешность оценок U(o,¡>), Ц (р) в наиболее благоприятных случаях - отсутствия облачности и адекватного задания Т(р) - не лучше 20% и не может быть существенно повышена без привлечения дополнительной информации об искомых параметрах.

В разделе 3.4 предложена двухэтаннал ггроцедура редактирования спутниковых оценок характеристик влагосодержглия (винвло-шш и фильтрации грубых ошибок), включающая: контроль и в;;а;:;,;-ное согласовать оценок влагосодоржашш (в терминах Зз - дофици-та точки росы) и параметров облачного покрова путем использования устойчивых статистических связей тина V - с ¡¿О , где /V,Ä) - спутниковые оценки, относенныо к одному слою атмосферы, с^с^-соп-st ; пространственное восполнение проконтролированных оценок влагосодеряанля с помощью метода полиномиальной интерполяции. Результаты испытания процедуры редактирова-пия на выборке из 150 зондирований в центральном регионе ETC (данные ИСЗ и " НОЛА" от I8.02.IS87) подтверэдаят ее работоспособность.

Глава 4. Использование спутниковых пзмерешн! уходящего ИК излучения в диапазоне 10,5-12,5 мкм для оценки теглпературы подстилающей поверхности.

Решение проблемы дистанционного определения температуры подстилающей поверхности (ТПП, Ts ), имеющей важное самостоятельное значение, тесно связано с созданием системы тематической обработки косвенных измерений ДТЗА, поскольку входит в (I), и формулировки обратных задач (2)-(4), а также используется в процедурах детектирования облачности. Рассмотрение в главе 4 спутниковых данных в "окне прозрачности" атмосферы 10,5-12,5 мкм как основного источника количественной информации о ТПП, обусловлено тем, что указанный диапазон является рабочим для измерительной аппаратуры зондирования, устанавливаемой па ИСЗ "Метеор", " КОМ".

В разделе 4.1 предложена и обоснована малопараметрическая аппроксимационная модель спутниковых спектрорадиометрических измерений уходящего ИК излучения для условий безоблачной атмосферы в диапазоне 10,5-12,5 мкм, подобная модели (2):

y = FTe + e , Et =о, в(с)

Здесь в случае двухканалыгай измерительной схемы 6 - вектор (4x0 с Su(F)/u'ip), Qz- Щ~Р> , e^STs,

Sulp) , 6T(p> , STs Sia.ip') - вариации относительно заданных ис(р) , T°(/>) , T, , t° (р) ; р ) - аэро-

зольная оптическая толщина слоя (о, р ) \ F - матрица (4x2) с заданными элементами; и - вектор (2x1) с компонентами

4i - 'f't^i ) ) ,1-1,2; £ =1 соответствует каналу 10,5-

11,5 шсм, С = 2 - каналу 11,5-12,5 мкм. При формулировке -(6) предполагается, что B1 -ton-it , coaii для Oi-pips Качество модели (6) оценено путем сопоставлешш расчетных и иэ-морошшх величин rPx(v) на материале архива синхронных спутниковых и контактных измерений и оказалось удовлетворительным. Расчеты по формуле (6) для "объединенного" капала 10,512,5 мкм, дают практически несмещенную оценку с воличипой стандартного отклонения °Vrx =0,43К.

В разделе 4.2 выполнен анализ информационного содержания спутниковых измерений в диапазоне 10,5-12,5 шсм по отношению к ТПО и друпш параметрам модели (6). Получены в явном виде требования к точности привлекаемой дополнительной информации о О , обеспечивающие достижение заданного уровня погрешности оценки ТПО при использовании одно- и двухканалышх измерительных схем. Приведены результаты расчетов показателей информативности

Pg и теоретической точности определения ТИО для различных метеоусловий, разных уровней <?£ .

Погрешность оценивания ' увеличивается с рос-

том И5 . При больших значениях Us (в условиях тропиков) достижение тфиешемого уровня стандартных отклонеш1Й (порядка IK) связано о ужесточением требований к точности задания априорной информации об искомых параметрах, а также с переходом к многоканальным схемам при одновременном уменьшении о^ до 0,1-0,2К.

В разделе 4.3 дано описание двух алгоритмов оценивания по данным спутниковых измерений в диапазоне 10,5-12,5 моем: физико-статистического, представляющего наилучшую линейную оценку решения обратной задали (6); статистического, основанного на стандартной формуле множественной линейной регрессии. Приводятся результаты испытания обоих алгоритмов на материале уже упомянутого архива синхронных спутниковых и контактных изморедай Собьем 70 реализаций, восна-летс 1982 г., район Атлантики и Српдиземного моря, данные с исз " нола-7" ), подтверждающие количественные выводы теоретического анализа информативности спутниковых данных. Среднеквадратические отклонены оценки Ч\ от соответствующих судовых измерений Т5 лежат в диапазоне 0,6-0,ЭК при использовании одноканальиой схемы и 0,4—0,GK - двуясанольной схемы.

Разлол 4.4 посвящен исследованию влияния нечорноты подстилающей поверхности (пялучательная способность х ' меньшо единицы) на точность спутниковой оцонки Ts . Б уравнении переноса И1С излучо1шя при Эе , отличных'от единицы, модно выделить, наряду с поправкой на атмосферное ослаблолио излучениялЗ (у) , член йО (v) - попрпяку за счет ночерноты подстилающей поверхности, включающую противоизлучение атмосферы O'ffi) , которое отчасти компенсирует А У . По данным расчетов ¿да; ,

J (v) для различных метеоусловий и значений х в диапазоне

_ _ _ л Of (нч) rltnr)

1,0-0,3 выделены ситуации, в которых компонентами ¿\ J (v) или J (v) можно пренебречь щи построении оценки ТИС. В полной аналогии с разделом 4.2 выполнон количественный анализ информативности спутниковых данных по отношению .к ТИС дан различных метеоусловий при различной априорной обеспеченности данными об и ¡с . Получены тооретическио оценки ТйТ для зиачешы Л в диапазоне 1,0-0,9 и (Ух =0,01, ^=0,05, согласно которым величина ТИС может быть оценена с погрешностью по хуже IK только при достаточно высоком качестве априорной информации о . Так, для условий сухой атмосферы ( us =0,95см) применение двухканальной схемы дает оцешуг 'ГПС с =0,G2K при 32 =0,3, с?^ =0,01

и С%г =1,60 К при X. =0,9,5 0^=0,05.

Глада 5. Опыт создания схем оперативной обработки данных измерений метеорологических ИСЗ в целях ДТЗЛ.

Мотодические исследования и математический аппарат анализа спутниковых данных, продставлешшо в главах 1-4, положены в основу при создают'программно-информационных комплексов тема-тичоской обработки данных измерега1й термического зондирования с ИСЗ "Мотеор" и " NOAA",

В раздало 5.1 дано краткое отюание аппаратуры термического зондирования, функционирующей в настоящее вромя на оперативных метеорологических спутниках серии "Метеор", "ноаа ".

В разделе 5.2 приведено' описание основных алгоритмов и прогргАтлно-информационного комплекса тематической обработки данных измерений аппаратуры MCIKC (СМ информация). Представлена функщюилльппясхема технологии автоматизированной обработки СМ информации, включающая предварительную или первичную обработку, экспресс-анализ, темотпчоскую обработку, редактирование и кодировку результатов. Рассмотрены структура и назначение

основных программных модулей комгшекса тематической обработки СМ информации.

Раздел 5.3 содержит анализ результатов массовой обработки ' СМ информащш в периодц натурных испытаний образцов аппаратуры МСИКС и опытной эксплуатации систеш ДТЗА (I98I-I988 гг.). Детально рассмотрены материалы натурных испытаний аппаратуры МСИКС, фушсционировавией на борту IIC3 "Ыетеор-2" № 5 в 1981 г. Показано, в частности, что имеет место удовлетворительное качественное и количественное соответствие широтного хода измеренных и расчетных {Cf^Y>o} во всех температурных каналах (при отборе без-облачнпх ситуаций).

Точностные характеристики результатов ДТЗА, включая средние смещения дТ , стандартные отклонения СГ^ и средне-квадратические отклонения с ко (Т ) , оценивались путем сравнения с "истинными" Tjfp) »за которые принимались либо блшаишю данные радиозондирования Tj/3(p) , либо данные объективного анализа ÍIj"Cp) • Усредненное по 10 уровням от 1000 до 100 гПа .стандартное отклонение данных ДТЗА

от {Ту^Ср)} ,, рассчитанное по выборке обьеыом около

ЬОО реализаций за период зима-осень 1981 г., составляет 2,6°С. Достигнутый уровень точности следует считать вполне приемлемым с учетом того, что для данных температурного зондирования на основе измерений 8тканального ИК радиометра VTPR , функционировавшего в 70-jc .годах и близкого по информативности измерений к аппаратуре ■ МСИКС, величины усредненной по уровням среднеквадратической погрешности колебались, согласно различным оценкам, в пределах 2,4-2,7°С.

В период 1983-Д988 гг. аппаратура МСИКС устанавливалась на борт ИСЗ "Метеар-2'" № 9-17. Анализ качества СМ информации и данных ДТЗА в обеспечение натурных испытаний проводились по той же схеме, что идая "Мотеор-2" № 5. Материалы анализа вынесены в Приложение «¿работе, где (как и в разделе 5.3) отмечен, в частности, повышенный уровень измерительной пмрешностл на

разных по длительности участках орбит для ряда комплектов аппаратуры МСИКС.

Внедрение и опытная эксплуатащш программно-информационных комплексов обработки СМ информации в Главном центре приема и обработки спутниковых данных (г.Москва) и Региональных центрах (гг.Новосибирск, Хабаровск) в 1985-1985 1г. позволили организовать массовые испытания технологии оперативного получения данных ДТЗЛ с ИСЗ "Метеор-2". В рамках испытаний, проведенных в 1987 г. под руководством диссертанта, была обработана СМ-информация, обеспечивающая глобальное покрытие для II сроков (данные измерений с 66 орбит, ИСЗ "МеТеор-2" й 15). Для оценки точности результатов ДТЗА привлекались данные объективного анализа полей геопотенциала! ойераяязйо производимого в Гидрометцентре СССР. Временное рассогласование Меяду

{Т- и {Т)- не превосходило 5 час4 В табл. I помещены оценки средних смещений ¿Т (столбцы 1,3,5,7»9) и стандартных отклонений о- (столбцы 2,4,6,8,10) результатов ДТЗЛ за 5 сроков.

Таблица I

Точностные характеристики результатов ДТЗА по данным измерений с ИСЗ "Метеор-2" К 15 ( ¿в ~ обьем выборки)

выборка 22. 1.= 04.87 =160 29.04.87 ¿,=295 27.05.87 Х,=500 17.07.87 .Г» =333 24.06.87 Ъ =142

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10

850 1.1 3.1 0,8 2.4 1.1 3.0 1.7 3.1 2.1 1.9

700 -с.з 2.4 0.2 2.2 0.6 2.5 0.2 2.6 0.5 1.6

500 -0.5 2.5 -0.6 2.5 0.0 2.6 -0.1 2.5 -0.6 2.6

400 -0.0 2.9 0.0 2.6 0.9 2.7 1.5 2.5 1.6 2.3

300 -0.5 2.6 0.1 2.1 0.0 2.3 0.9 2.1 0.5 1.9

250 -0.5 2.5 0.4 3.0 -1.0 2.6 1.2 2.3 1.2 ].6

200 0.4 2.6 0.6 2.4 0.6 2.6 1.3 3.0 -0.8 1.4

150 1.6 2.2 1.4 2.2 2.0 2.7 0.7 2.8 -1.2 2.3

100 2.8 2.6 1.7 3.1 0.9 3.0 -1.1 2.8 -1.8 2.9

Средние по 9 уровням от ОЬО до 100 rila стандартные отклонения

.лежат в продолах 2.2-2.8°С .для различных выборок. Сродне-квадратпчеокан погрешность результатов ДТЗА (выборка объемом около 1500 реализаций) составляет 2.7°С. Пол.учошшо точностные характеристики результатов температурного зовдированин, в основном, соответствуют запланированным, они согласуются о техническими и информационными параметрами аппаратуры Ш1КС, а тонко близки к достигнутым при эксплуатации аналогичной зарубожной системы ДТЗА, упомянутой выше. Достижение приемлемого уровня точности результатов ДТЗА при использовании СМ-ин-формации с запланированным уровнем измерительных погрешностей подтверждает работоспособность созданной технологии и эффективность используемых алгоритмов.

Наряду с обеспечением глобального покрытия данными ДТЗА представляет большой практический интерес получение аналогичных данных зондирования для отдельных регионов с улучшенными характеристиками - повышенной плотностью покрытия, более высокой достоверностью. Работы диссертанта в этом направлении, базирующиеся на использовании данных измерений атмосферного зондирования ТО VE (поступающих с ИСЗ " НОАА." в режиме непосредственной передачи), отражены в разделе 5.4. Здесь представлены описания двух исследовательских вариантов программно-информационных комплексов тематической обработки данных TOV$ , созданных под руководством диссертанта.

При создании комплокса П совместной тематической обработки данных измерений радиометра hirs/2 и ыии, входящих в состав tovs г за основу был принят подход группы известных специалистов в области дистанционного зондирования из США (В.Смит и др.), состоящий б построении решоний комплексной обратной задачи тсшшратурно-влажностного зондирования (подобной рассмотренным в главе Ш диссортацки). Наиболее существенной развито указанного подхода состоит в дополнении тематической обработки пр<■iji'uiaMH коррекции данных для учета мешающих факторов, а тоете процедурами редактирования спутниковых оценок. Важно отмотить, что включение в состав обрабатываемой информации данных измерений теплового излучения в диапазоне 0,5 см, регистрируемых с помощью микроволнового зондировочного модуля MStí и пало подверженных влияшно облачности, обеспечивает

"всепогодность" зондирования.

Работоспособность комплекса П проворена экспериментально путем обработки данных измерений с ИСЗ "нолл-9", " коал-Ю". В табл. 2 приведены данные о точности результатов темпера-турно-влажностного зондирования за несколько сроков октября 1986 г. для центральных регионов ETC. Результаты зондировшгая сравнивались с данными объективного анализа, максимальное пространственное и вроменное рассогласование между обоими видами данных составляет 200 км и 2 ч.

Таблица 2

Точностные характеристики результатов температурно-влажностного зондирования по данным с ИСЗ " ШЛ-9"

Р (гПа) Земля 850 700 500 400 300 выборка

0-лт СС) о .п.Щ%) 3.3 1.9 2.0 2.0 2.1 1.9 21 41 46 38 35 - ./>507 ¿о= 176

Здесь о.п. ( ) - относительная погрешность оценки .

Усредненное по 6 слоям стандартное отклонение О1^ для данных из табл. 2 составляет 2.2°С, что заметно лучше, чем для результатов ДТЗА с ИСЗ "Метеор" (ср. тах5л. I). Кромо того, приведенные в табл. 2 оценки <ТлГ получены для "всепогодных" зондирований (около половины зондирований - в условиях облачности) в отличие от данных с ИСЗ "Метеор", которые относятся только к условиям безоблачной или малооблачной атмосферы. Как видно из табл. 2 и других данных раздела 5.4, созданный комплекс П тематической обработки данных ТОУЗ обеспечивает эффективное решение задачи "всепогодного" ДТЗА с точностями, допускающими практическое использование получаемых оценок Т , ^ , например, усвоение в схемах объективного анализа .

. Глава 6. Использование методов планирования экспериментов для оптимизации состава спутниковых измерений дистанционного термического зондирования атмосферы.

Дальнейшее улучшение точностных характеристик результатов ДТЗА, возможно путем создания измерительных схем повышенной информативности, оптимизации состава косвенных измерений.

Диссертантом совмостно с В.В.Федоровым выполнен цикл исследований по развитию и применению методов глагарования регрессионных экспериментов для опродслсшш состава спутгап;ових измерений ДТЗА повышенной информативности, результаты которых представлены в главе 6.

В раздело 6Л сформулирована постановка задачи оптимизации состава спутниковых измерений для набора функций ноторь - критериев оптимальности, основанная на привлечении обратной в формулировке задачи (2) или (6) и наиболее полно учитывающая структуру измеренных погрешностей. В качестве критериев оптимальности используются различные функционалы от дисперсионной матрицы оцонок 1>[ё] искомых параметров обратной задачи, характеризующие точность оценивания: Y=«{ei.3)(0] - 3) - критерий, T=tifl'D[Ô] , где матрица В - О задана - линейный криторий и др. Под составом измерений или планом эксперимента понимается в случав опоктралышх изюрений с конечным разрешением совокупность величин --- I (v; ,si)l ) , Г;.}^ , где v. , 6v; - положение и ширина l -го споктрального интервала (канала), в котором проводятся измерения, /г- - доля общего ^времени At , отводимого на из' оенио в С -м канале, тг; } 0, £ nrt = I, ft -тасло каналов, i ически продставляот вороятностную меру сосредоточенную . п. точках. Оптималыше условия измереш1й или оптимальный состав измерений определяется в результате решения экстремальной задачи

на мнокество Ь возыолшых планов. Элементы дисперсионной матрицы Т> [&{$*)] при оценившши решений линейной обратно!! задачи типа (2), (6) зависят от плана эксперимента и но зависят от истинных значений искомых параметров и результатов измерений, что позволяет априори оптимизировать состав измерений Хп. , решая задачу (7).

В разделе 6.2 изложены результаты изучают ряда теоретических аспоктов решения двух вариантов задачи оптимизации (7) -для приборов с бесконечной и конечной разрешающей способностью. G помощью методов теории планирования регрессионных экспериментов (теоремы эквивалентности Кифера-Вольфовица для непрерывных планов) исследованы свойства оптимальных планов, получены в явном виде необходимые и достаточные условия

оптимальности планов ^ * . Указ алии е результаты служат основой при формулировке итерационного алгоритма рошошт задачи (7).

В раздело 6.3 обсуждаются примори построения с помощью развитого аппарата измерительных схем ДТЗЛ повышенной информативности в 15 мкм полосе поглощония СО^. Экстремальная задача (7) решалось численно для двух критериев оптимальности и различных типов зависимости от разрешения . Приво-

де ны оптимальные измерительные схемы, включающие, как правило, небольшое число (6-7) каналов среднего спектрального разрешения.

В результате численного решения задачи типа (7) найдены оптимальные схемы регистрации уходящего излучения в диапазоне) 650-800 см''" (15 мкм полоса поглощешщ СО2), содержащие шесть каналов .среднего разрешения (">>*, Ь^* ), использование которых позволяет воспроизводить структуру спектра (с дискрет-ностыо'4,2 см~^) в указанном диапазоне с погрешностью не хуже

0.5 мВт/м^р см-1.

С помощью числонпого моделирования исследована возможность повышения вертикального разрешения данных ДГЗА за счет сочетания надирного и наклонного зондирования. Предложена конфигурация измерительной схемы (в надир и под углом 45°) с регистрации уходящего излучения в основных температурных каналах радиометра 1Ш?з/2 (каналы в области 15 мкм и 4,3 мкм полос поглощения СО2), использование которой дает более чем двухкратное уменьшение величины Иь (*},<) в слоях 700-500, 500-300, 100-50, 50-10 гПа.

В Приложении к диссертации приведены материалы анализа качества СМ-лшформации я данные по функционированию аппаратуры МСИКС на борту ИСЗ "Метоор-2" й» 9-17.

В Заключении диссертации сформулировапи ее основные ро-зультаты к выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ ¡1

СЛВДУШИХ РАБОТАХ

1. Вычислительные аспекты метода наименьших квадратов при анализе и планировании регрессионных экспериментов (главн I и 4). - М., Изд. МГУ. ~ 1975. - 168 с. (Соавт. В.В.Федоров).

2. О сглаживании априорной информации, используемой при восстановлении профилей температуры по спутниковым дан-

,.ным//Трудц ГосИЩИПР. - 1976, вып. I. - С. 30-41., (Соавт. А.В.Карпов).

3. Линейноо оценивание в обратных задачах термического зон-дирования/Друды 1'осИЩИПР. - 1976, вып. 2. - С.80-89. (Соавт. В.В.Федороп).

4. Линейное оценивание в обратных задачах термического зондирования// Регрессионные эксперименты: планирование и анализ. - М., Изд. МГУ. - 1977. - С. 139-152. (Соавт. В.В.Федоров).

5. О выборе оптимальных условий спектроскопических измерений// Труды ГосШЦИПР. - 1977, вып. 4. - С.42-53. (Соавт. В.В.Федоров).

6. Плашрование спектроскопически;; эксперимонтов//Вопросы кибернетики. - М., 1978, вып. 47. - С. 137-148. (Соавт. В.В.Федоров).

7. Использование априорной статистической информации при выборе параметрического представления метеоэлементов//Труды ГосШШИПР. - 1978, вып. 9. - С.25-35. (Соавт. В.И.Грачев, В.В.Федоров).

8. Об одном итерационном методе восстановления вертикальных профилей температуры на основе спутниковых спектральных измереiшй//Труды ГосИЩИПР. - 1978, вып. 9. С.36-44, (Соавт. Ю.В.Плохенко).

9. Рекуррентный алгоритм восстановления средних температур изобарических слоев атмосферы на основе спектральных измерений уходящего ИК излучения//ихШ11А8 (Journ. of HunGar. Meteor. Sarv)I979. - 83, № 5. - С.273-278.

10.Аппроксимация спектров уходящего теплового излучения атмосферы в полосе поглощения С02//Дистанционное зондирование атмосферы со спутника "Метеор". - Л., Гидрометео-издат.-1979. - С.42-50. (Соавт. В.Н.Досов).

11.Итерационный и рекуррентный алгоритм решения обратных задач термического зондирования атмосферы//Дистшшионноо зондирование атмосферы со спутника "Метеор". - Л., Гидрометесиздат. - IS79. - С.96-104. (Со&чт. Ю.В.Плохенко) .

12. О вертикальном разрешении профилей температуры атмосферы, получаемых по данным спектральных измерений излучения в 15 мкм полосе С02//Труды ГосНИЩПР. - 1980, вып. 7. -

С.92-101. (Соавт. В.И.Грачев).

13. Восстаповлешо вертикальных профилей температуры безоблачной атмосферы на основе численного решения нелинейного уравнения переноса Ж излучения/Друды ГосПЩШР. - 1980, вып. 7. - С.27-34. (Соавт. Е.В.Жукова).

14. Об одном классе линейных оценок при интерпретации косвенных измерешй//Вопросы кибернетики. - Ы., 1981. - С.44-52.

15. Обратные задачи математической физики - анализ и планирование экспсримептов/Датематические методы плшшрования экспериментов. - Новосибирск, Наука. - 1981. - С.199-242.

16. Об оптимальном составе радиометрических измерений в ИК области спектра для целей дистанционного температурного зондирования атмосферы//Груды ГосНИЩПР. - 1982, вып. 12.

- С.16-31. (Соавт. В.Н.Досов).

17. Температурное зондирование атмосферы с ИСЗ "Метеор-2"// Метеорология и гидрология. - 1983. - № 10. - С.11-20. (Соавт. А.И.Бурцев, И.П.Вотлов.Л.А.Пахомов.Ю.В.Плохонко,

B.И.Соловьев).

18. Алгоритмическое и программное обеспечение интерпретации спут1Шкових спектрорадиометрических измерений уходящего теплового излучения в целях термического зондирования атмосферы//Изучение природных ресурсов и окружающей среды космическими средствами. - Л.,Гидрометеоиздат. - 1984.

- С.19-30. (Соавт. А.И.Бурцев, Ю.В.Плохенко, В.И.Соловьев).

19. Численные эксперименты по дистанционному определению характеристик влагосодержания атмосферы на основе спутга;ко-вых радиометрических измерений уходящего излучешзя в интервале 18,5 мкм//Труды ГосНИЩПР. - 1984,. вып. 16. -

C.23-29. (Соавт. Е.В.Кукова).

20. Учет мешающих факторов в задаче дистанционного температурного зондирования атмосферы со спутникев//Труды ГосНИЩПР. - 1984, вып. 16. - С.47-59.

21. Вычислительные аспекты интерпретации спутниковых измерений уходящего теплового излучения в целях дистанционного температурного зондирования атмосферы//Труди ГосИИЦИПР^

- 1984, вып.19. - С.16-27. (Соавт. Ю.В.Плохенко).

22. Методы повышения точности данных дистанционного температурного зондирования со спутников в условиях облачной атмосферы//Труды ГосНИВДПР. - 1984, вып. 19. - С. 36-52. (Соавт. Ю.В.Плохенко).

23. О повышении точности данных дистанционного температурного зондирования со спутников в условиях облачной атмосферы// Исследование Земли из космоса. - 1984, й 2. - С.15-22. (Соавт. Ю.В.Ллохонко).

24. Об одной схеме термического зондирования атмосферы со спутников с повышенным вертикальным разрешепием//Исследо-вание Земли из космоса. - 1984, № 6. - С.53-58. (Соавт.

B.М.Сутовский, В.Е.Третьяков).

25. Использование дополнительной информации при дистанционном определении температуры поверхности океана по данным спутниковых измерений уходящего топлового излучешш в диапазоне 10,5-12,5 мкм//11сследование Земли из космоса. -1985, № 4. - С.96-97. (Соавт. В.М.Сутовский).

26. Численные эксперименты по сглаживанию вертикальных распределений температуры в атыосфере//Труды ГосШЩПР. -1985, вып. 20. - С.27-35. (Соавт. Г.Н.Баркова).

27. Мониторинг температуры поверхности Мирового океана по спутниковым дашшм/Домплеконий глобальный мониторинг состояния атмосферы. Труды Ш международного симпозиума.

Ташкент, 13-20 окт. 1985 г. - Л., Гвдрометеоиздат. -1985. - т.1. - С.317-327.(соавт. Л.В.Карпов и до.)

28. Робастше алгоритмы обработки данных спутниковых радиометрических изыерений//Труды ГосНИВДПР. -1986, вып.25

C.143-155. -

29. Сравнительный анализ алгоритмов учета мешагацих факторов в задачах дистанционного температурного зондирования со спутников/Лруды ГосНИВДПР. - 1386, вып. 25. - С.Ш-123. (Соавт. Ю.В.Шюхенко).

30. Оценка погрешности определения температуры поверхности океана и влагосодержания атмосферы по данным спутниковых измерениф уходящего ИК излучения в диапазоне 10,512,5 мкм//Исследование Земли из космоса. - 1987, № 2. -С.17-23. (Соавт. В.М.Сутовский, В.Е.Розанова).

31. Алгоритмы учета пиешних услов;;:1 в задачах температурного зондирования атмосферы со снут1Шкоп//Ксслпдоианне Земли из космоса. - 1987, )t" 5. - С.75-82. (Соавт. Ю.и.Плохенко).

32. Информационное обеспечение обработки спутниковых данных термического зондирования атмоеферы//Труды ГосЖ'ЦПГР.

- 1988, вып. 30. - С.22-27. (Соавт. Г.Н.Баркопа, Л.С.Бушу-ева, Ю.В.Илохешсо).

33. Опыт температурного зондирования с отечественных и зарубежных ИСЗ//Труды ГосШШПР. - 1988, выи. 30. - С.5-21. (Соавт. Л.В.Карпов, Ю.В.Плохенко, В.И.Соловьев).

34. Модификация и испытание алгоритмов решения обратных задач температурного зондирования в условиях безоблачно'! и '•блачнои атмосферы//Трудн ГосИИШПР. - 1988, вып. 30. -'J.52-65. (Соавт. К.Л.Третьякова, В.Е.Третьяков).

35. Определение характеристик влагосодзртлгшя атмосферы по данным радиометрических измерений уходлщого теплового излучения с ИСЗ НОЛА/Друдн ГосШЦИПР. - 1988, вып. 30. -С. 28-41. (Соавт. В.Е.Третьяков).

36. Опыт создания и перспективы развития систем дистанционного зондирования с оперативных полярно-орбитальных метеорологических ИСЗ//0борник докладов Симпозиума "Использование спутниковых измерений в моделировании и прогнозе атмосферных явлений". - Праха, 1908. - С.15-31.

37. Математическое обеспечение интерпретации данных спектрометрических измерений ИСЗ "Метеор" и "йоаа" в целях зондирования параметров агмосферы//Сборшк докладов Симпозиума "Использовоте спутниковых измерений в моделировании и прогнозе атмосферных явлений". - Прага, 1988. -

- С.33-40. (Соавт. Ю.В.Плохешсо, В.И.Соловьев.).

38. Об одной схеме мезомасштабного термического зондирования атмосферы по данным изыоре[ий полярно-орбитальных метеорологических ИСЗ//йсследование Земли из коомоса. - 1989, jf 5. - С.19-26. (Соавт. В.К.Трстьяков).

39. Об одной схеме томпературно-злажностного зондирования агмос-форы с ИСЗ "Метеор"// Метеорология и гидрология.

- 1989. - ß 3. - С.51-58. (Соавт. Ю.В.Плохенко, В.Е.Третьяков) .

40. 0 редактировании и согласовании спутниковых оценок влаго-содержапия атмосферы и параметров облачного покровп/Друды ГосШЦИПР. - 1989, вып. 35. - С.28-43. (Соавт. В.Е.Третьяков) .

поверхности с учетом ее нечерноты по давним спутниковых измерений излучения в диапазоне 10,5-12,5 мкм//Труды ГосШЦИПР. - 1989, вып. 35. - С.51-32. (Соавт. В.М.Сутов-ский).

42. Some new aspects of analysis and design of experiments in inverse problome of remote meteorological sounding// Сотр. Statistics & Datu Analysis, 1989. SB. ■ - Finul Scientific Program find Abstracts of the 1st International Conference - Workshop on Optimal Deaign and Analyois of Experiments. 25-28 July 19S8. -Heuchatel, 1908, p. 59.

41. О дистанционном определении температуры подстилающей

Ртп.ГГО.29.11.69.Sax.543.Т.100.N-17714.Бесплатно.