Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев

Хоанг Суан Тинь

Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Хоанг Суан Тинь АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев»

Автореферат диссертации на тему "Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев"

Московский физико-технический институт (государственный университет)

На правах рукописи

003456447

Хоанг Суан Тинь

ОСОБЕННОСТИ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ ОСАДКОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ВЫПАДЕНИЯ И ОСАЖДЕНИЯ КАПЕЛЬ НА КРОНАХ

ДЕРЕВЬЕВ

Специальность - 01.04.03 "Радиофизика"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2008

О 5 ДЕК 2003

003456447

Работа выполнена в Московском Физико-Техническом Институте

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Б.Г. Кутуза

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.И. Козлов доктор физико-математических наук, профессор В.Ф. Кравченко

Ведущая организация:

Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова

Защита диссертации состоится «17» декабря 2008 года в 17:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.156.06 в Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32, корпус В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700 г. Долгопрудный, Московская обл., Институтский переулок, д. 9, МФТИ, Диссертационный совет Д 212.156.06

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

Автореферат разослан «-» ноября 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.156.06: кандидат технических наук, доцент

Н.П. Чубинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Успешное решение ряда важных народнохозяйственных задач зависит от наличия достоверной информации, получаемой, в частности, в результате обзора земной поверхности с помощью различных технических средств дистанционного зондирования (ДЗ), установленных на летательных аппаратах (ЛА): спутниках, самолетах, вертолётах и др. Среди этих средств особое место занимают микроволновые системы землеобзора. Они обладают рядом преимуществ. Во-первых, микроволновые приборы ДЗ, установленные на ЛА, позволяют получать информацию о земной поверхности и расположенных на ней объектах независимо от времени суток, уровня освещенности, в любых метеорологических условиях и на больших дальностях наблюдения. Во-вторых, технический прогресс в создании нового поколения СВЧ радиометров и радиолокаторов позволил резко повысить их метрические характеристики и, соответственно, информационные возможности для изучения природных ресурсов Земли.

Дождь - естественное явление природы, характеристики которого сильно изменяются в пространстве и во времени. Исследование осадков при наблюдении Земли из космоса является одной из важных проблем дистанционного зондирования. Это необходимо для прогноза погоды, изучения климата, проведения контроля за метеорологическими опасными явлениями и для других практических применений.

СВЧ радиометрический метод пассивного зондирования осадков выгодно отличается от оптических методов. Волны видимого и инфракрасного диапазонов чрезвычайно сильно поглощаются и рассеиваются в облаках и осадках. Поэтому сенсоры этих диапазонов имеют весьма ограниченные возможности в получении полезной информации из атмосферных слоев, лежащих ниже верхней границы облаков.

Впервые возможность оценки интенсивности дождя по уходящему радиоизлучению Земли показал эксперимент, проведенный на спутнике «Космос-243». Зоны осадков, выпадающие над морской поверхностью, регистрировались по характерным выбросам яркостной температуры на длинах волн 0.8, 1.35 и 3.2 см. По величине выброса можно было оценить несколько градаций интенсивности дождя. Дальнейшее развитие исследования осадков из космоса связано с американским спутником DMSP, на котором был установлен СВЧ- радиометрический комплекс SSM/I, принимающий излучение в широком диапазоне длин волн от 0.35 до 1.6 см. Этот комплекс позволил проводить изучение полей осадков как над сушей, так и над морем. Осадки на радиометрических изображениях проявлялись как зоны с пониженной яркостной температурой на волне 0.35 см, что объясняется увеличением альбедо за счет многократного рассеяния микроволн на крупных каплях дождя. В последние годы дистанционное зондирование осадков проводилось на японо-американском спутнике TRMM. В стадии подготовки находится крупный международный космический проект GPM (Global Precipitation Mission). В этом проекте СВЧ- радиометрическому зондированию осадков придается большое значение.

Однако, в проведенных СВЧ- радиометрических исследованиях не учитывалась поляризация радиоизлучения осадков. Поляризационный эффект радиоизлучения дождя, обусловленный сплющиванием крупных капель при падении их в воздухе, является характерным признаком осадков. Он может быть использован для обнаружения осадков из космоса и количественных оценок их характеристик. Кроме того, в имеющейся литературе нет сведений об исследовании влияния выпавших капель дождя на радиационные характеристики растительного покрова.

микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель дождя на кронах деревьев.

Целью работы является исследование особенностей микроволнового излучения осадков при дистанционном зондировании с летательного аппарата:

поляризационного эффекта излучения, вызванного выпадением жидких осадков,

- угловой и спектральной зависимостей коэффициента поляризации (2-ой компоненты вектора Стокса) при разных значениях интенсивности осадков,

- влияния капель дождя, осажденных на кронах деревьев, на яркостную температуру леса.

Достижение этой цели потребовало выполнения широкого круга исследований, которые включали в себя:

•развитие физической модели переноса излучения, учитывающей различные факторы, связанные с рассеянием и поглощением на каплях и элементах растительности;

• разработку методики и алгоритмов расчета коэффициента поляризации яркостной температуры системы «атмосфера- подстилающая поверхность» над сушей и над морем;

•разработку методики и алгоритмов расчета яркостной температуры леса с учетом влияние выпавших капель дождя на кронах деревьев;

• проведение расчетов и сравнение полученных результатов с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. Впервые получены оценки поляризации альбедо и яркостной температуры атмосферы в процессе выпадения осадков при наклонном зондировании из космоса в миллиметровом диапазоне длин волн. Показано, что при надирных углах наблюдений 50-60° разность яркостной температуры Земли

на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы градусов Кельвина (К).

2. Проведен анализ зависимостей 2-ой компоненты вектора Стокса яркостной температуры Земли от угла наблюдения и интенсивности выпадения осадков.

3. Показана возможность использования поляризационного эффекта для диагностики осадков из космоса при условии существенного повышения пространственного разрешения бортовых СВЧ радиометров (порядка 1 км).

4. Получены новые данные о влиянии капель дождя на интегральное ослабление в кронах деревьев, альбедо и яркостную температуру леса. Показано, что яркостная температура сухого и мокрого леса может отличаться до 40 К в диапазоне миллиметровых волн.

Положения и результаты работы, выносимые на защиту:

1. Алгоритм и методика расчета яркостной температуры системы «атмосфера - подстилающая поверхность», основанные на использовании данных о различии ослабления и рассеяния капель дождя на 2-х ортогональных поляризациях и представлении атмосферы как одномерной рассеивающей среды.

2. Теоретические оценки поляризации яркостной температуры уходящего излучения Земли на вертикальной и горизонтальной поляризации. Угловые зависимости коэффициента поляризации в миллиметровом диапазоне длин волн при различных значениях интенсивности дождя.

3. Анализ влияния подстилающей поверхности (суша и море) на коэффициент поляризации яркостной температуры Земли.

4. Результаты расчета радиационных характеристик мокрого леса, показавшие, что капли дождя, осажденные на кронах деревьев, значительно изменяют диэлектрическую проницаемость, коэффициент ослабления, альбедо

и яркостиую температуру растительности в миллиметровом диапазоне длин волн.

Научная и практическая ценность работы

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для решения научных и прикладных задач, связанных с диагностикой осадков и растительности при наблюдении с аэрокосмических платформ. Данные о поляризации уходящего излучения Земли во время выпадения дождя могут найти применение при планировании космических экспериментов, предназначенных для обнаружения зон осадков и определения их параметров. При этом могут быть оценены требования к таким характеристикам бортовой СВЧ радиометрической аппараты, как диапазон длин волн, чувствительность, пространственная разрешающая способность.

Апробация результатов

Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 2004 г. по 2008 г. Они докладывались на семинарах ИРЭ РАН и других научных организаций, а также были доложены на следующих научных конференциях:

1. The sixth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and sub millimeter waves and workshop on terahertz technologies Kharkov, Ukraine, June 25-30, 2007.

2. 50-я юбилейная научная конференция Московского физико-технического института 23 - 27 ноября 2007 г. Москва.

3. LXIII Научная сессия, посвященная дню радио (Посвящается 100-летию со дня рождения академика В.А. Котельникова) 14-15 мая 2008 г, Москва.

Публикации

Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, были опубликованы в печатных работах, которые приводится в списке цитируемой литературы [1-5].

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. В ней содержится 97 страниц, включая 37 рисунков и 4 таблицы. Библиография включает 75 названий.

Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность работы, определяются ее основные цели, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формулируются выносимые на защиту положения и дается краткий обзор содержания работы.

В первой главе диссертации рассматриваются наиболее общие закономерности, связанные с переносом микроволнового излучения в атмосфере и растительном покрове. Представлено общее уравнение переноса излучения для рассеивающей и поглощающей среды и проведен обзор имеющихся данных об ослаблении в атмосфере и растительном покрове в диапазоне миллиметровых и сантиметровых длин волн. Отдельно рассмотрено поглощение в чистой атмосфере и в облаках, а также ослабление и рассеяние в дожде и сухом лесном массиве. Представленные здесь данные были использованы при выполнении расчетов яркостной температуры атмосферы в условиях выпадения осадков и мокрого леса.

Во второй главе рассматривается перенос излучения в системе «атмосфера-поверхность». В разделе 2.1 излагается подход к учету яркостной температуры системы «атмосфера- подстилающая поверхность». В микроволновом диапазоне атмосфера является полупрозрачной средой. Поэтому наблюдаемое с летательного аппарата радиоизлучение Земли формируется как атмосферой, так и подстилающей поверхностью. Измеряемая на летательном аппарате интенсивность радиоизлучения системы «атмосфера- подстилающая поверхность» включает три составляющие:

- прямое излучение слоя атмосферы, расположенного между летательным аппаратом и поверхностью;

- излучение подстилающей поверхности, ослабленное в атмосфере;

- отраженное от поверхности Земли нисходящее излучение атмосферы. Яркостная температура системы «атмосфера - подстилающая поверхность» при измерении на вертикальной и горизонтальной поляризации может быть представлена в следующем виде

ТЬ](0) = Т^.(в) + Т^.(0).е-т°'ю + Т*Ц)).е*>™, (1)

где: Т^{О)- яркостная температура восходящего излучения, Т^-(в)-

яркостная температура отраженного в направлении надирного угла в нисходящего излучения атмосферы, Т5 - температура подстилающей поверхности, г0](в)~ полное ослабление в слое атмосферы, <?,(#)-

излучательная способность поверхности, зависящая от надирного угла и поляризации, у = V, /г - указывает значение поляризации, вертикальной или горизонтальной соответственно, с;¡{в) - коэффициент отражения поверхности, £,.(#) + = 1, в случае гладкой поверхности д^д) может быть определен по формуле Френеля.

Для рассеивающей среды, какой является атмосфера в микроволновом диапазоне длин волн в случае выпадения осадков, яркостная температура восходящего и нисходящего излучения атмосферы определяется путем решения уравнения переноса. Строгое решение уравнения переноса требует больших вычислительных затрат, особенно когда речь идет о большом количестве вычислений яркостной температуры с учетом различных значений интенсивности дождя, угла наблюдения, распределения капель по размерам и.т.д. Поэтому применяют приближенные методы расчета уравнения переноса.

В разделе 2.2 излагается метод расчета яркостной температуры атмосферы для модели одномерной рассеивающей среды, основанный на теории В.А. Амбарцумяна.

В разделе 2.3 приведено описание радиационной модели, которая применялась для расчета яркостной температуры при наблюдении Земли из космоса.

^ 288 К х .

Ч ч 4 4 д0!едьх 4

• -.тЛ-

Облака

; \

Ч XX Т. X \ \ к ч ч, к =

\ 5

Поверхность (суша и море)

Рис .1. Радиационная модель системы «атмосфера - поверхность».

Эта модель состоит из плоскопараллельных слоев атмосферы, включающей слой облака и слой дождя, и однородного слоя поверхности (см. рис .1). В этой модели приняты следующие параметры: высота слоя дождя И-Ъкм, температура поверхности Г5 = 293 К, температура в дожде Тг = 288 К, распределение капель по размерам Маршала-Пальмера.

В разделе 2.4 представлены результаты расчетов альбедо слоя дождя в миллиметровом диапазоне длин волн. Отражение от слоя дождя (альбедо) образуется в результате многократного рассеяния на каплях. При интенсивностях дождя 1 и 5 мм/час значения альбедо в направлении надира на длине волны 3 мм соответствуют 0.1 и 0.16, а на длине волны 8 мм - 0.04 и 0.11.

В разделе 2.5 дано описание алгоритма расчета и приведены зависимости яркостной температуры от интенсивности дождя на длинах волн Л — 3 мм над сушей и над морем при угле наблюдения в надир. На длине волны Л. = 3 мм из-за большого ослабления в слое дождя яркостная температура системы «атмосфера- подстилающая поверхность» над морем и над сушей примерно одинаковая. В то же время на длине волны А = 8 мм излучение поверхности

оказывает значительное влияние при интенсивностях дождя меньше 5 мм/час, а при интенсивностях больших, чем 10 мм/час, яркостная температура над обеими поверхностями одинакова. Над поверхностью суши наблюдается монотонный спад яркостной температуры с ростом интенсивности дождя от 1 до 100 мм/час. Он вызван увеличением рассеяния на каплях, эффективный размер которых становится больше по мере роста интенсивности осадков. Третья глава посвящена описанию результатов расчетов поляризации излучения Земли при наблюдении из космоса в миллиметровом диапазоне длин волн. В разд. 3.1 приведены имеющиеся в литературе данные о поляризации нисходящего излучения атмосферы. Они были получены с наземных и самолетных платформ на длине волны 2,2 см. Эти поляризационные данные были использованы при разработке алгоритма расчета 2-ой компоненты вектора Стокса яркостной температуры системы «атмосфера- подстилающая поверхность», краткое описание которого представлено в разделе 3.2. В этом разделе приведены результаты расчетов коэффициентов поляризации излучения в зависимости от интенсивности осадков для двух длин волн. На рис. 2. приведены значения разности яркостной температуры на вертикальной и горизонтальной

поляризациях в зависимости от интенсивности дождя.

Длина волны >8мн,а°2 г/см . « 0.5 кг/и2. в = 60*

ж;/

; /

\ *

\ У \

2 3

Интенсивность дождя [мм/час]

ЬО 100

Рис. 2. Зависимость поляризационного контраста яркостной температуры на длине волны 8 мм от интенсивности дождя.

Расчет проведен на длине волны л = 8мм, для угла в = 60° относительно надира, значений полной массы водяного пара () = г/см2, водозапаса облаков IV = 0.5 кг/м2. Можно видеть, что при малых интенсивностях дождя поляризационный контраст (Г/ - Т*) отрицательный и разный для суши и моря. Это связано с влиянием подстилающей поверхности. Наблюдается монотонный рост поляризационного контраста с увеличением интенсивности дождя I, кривые сливаются при /> 10 мм/час. Разность {ТЦ - Тьн) при больших интенсивностях дождя достигает значений 4 К. На рис. 3 приведены аналогичные зависимости разности яркостной температуры - ) от интенсивности дождя на длине волны 3 мм.

Длина волны = 3 мм. О = 2 г/см2. УУ = 0.5 кг/м2 , в — 60*

Рис. 3. Зависимость поляризационного контраста яркостной температуры на длине волны 3 мм от интенсивности дождя.

Расчет был выполнен при тех же условиях, как на длине волны 8 мм. Из-за сильного ослабления в слое дождя на длине волны 3 мм кривые для суши и моря совпадают. Также наблюдается монотонный рост разности (Т£-Т*)с

увеличением интенсивности дождя, но в отличие от предыдущего случая поляризационный контраст имеет положительное значение, а диапазон его изменений меньше. В разделе 3.3 представлены результаты расчетов угловых зависимостей поляризации яркостной температуры Земли. На рис. 4 приведены значения разности яркостной температуры — Т£) на волне 3 мм в зависимости от угла наблюдения. Кривые построены для 3-х значений интенсивностей дождя. Видно, что 2-ая компонента вектора Стокса превышает 1К на углах наблюдения, больших 50°. Диапазон изменения (Т* - Т*) в зависимости от угла наблюдения и интенсивности дождя на этой волне составляет 3 К.

Длина волны = 3 им. О =■ 2 г/с«|2. \Л/ = 0.5 кг/и2

Угол наблюдения [град]

Рис. 4. Разность яркостной температуры Земли (г; -7?) на длине волны 3 мм как функция угла наблюдения относительно надира

Сравнение кривых на рис. 4 с аналогичными кривыми для длины волны 8 мм показывает, что для более длинной волны диапазон изменения поляризационного контраста больше, однако при интенсивностях меньших, чем 5 мм/час он подвержен влиянию подстилающей поверхности. Обсуждается возможность использования поляризационного эффекта для диагностики осадков при СВЧ- радиометрическом зондировании со спутников. Существующие в настоящее время бортовые СВЧ- радиометры имеют

пространственную разрешающую способность порядка 15 км, что существенно больше размера ячейки дождя. В этих условиях в поле зрения СВЧ- радиометра попадают участки поверхности с отсутствием дождя и с разными значениями его интенсивности. В этом случае поляризационный эффект, связанный с многократным рассеянием от слоя дождя, существенно уменьшается и может даже иметь отрицательное значение. Одним из путей повышения пространственного разрешения является создание миллиметрового радиометрического интерферометра с синтезированной апертурой. Для этого необходимо, чтобы такой прибор имел чувствительность не хуже 0,3 К при пространственном разрешении порядка 1 км.

В четвертой главе излагаются результаты модельных расчетов микроволнового излучения леса при наличии выпавших осадков на листьях и ветках деревьев. При прохождении осадков сквозь лесной полог часть их задерживается на кроне деревьев и поверхности полога, а затем капли постепенно испаряются в атмосферу. Основными факторами, определяющими задержание влаги растительным покровом, являются интенсивность, продолжительность и общее количество осадков; сомкнутость, структура, запас и состояние растительности; скорость ветра, температура и влажность воздуха. Степень задержания осадков пологом определяется суммарной площадью всех наземных частей деревьев и пропорциональна листовой поверхности, так как площадь ветвей и стволов не превышает 15-25%. Максимальное количество осадков, задерживаемых еловым и сосновым пологом, достигает 4...6 мм. В разделе 4.1 дано описание радиационной модели мокрого леса. Для нахождения характеристик распространения и рассеяния электромагнитных волн в растительных покровах используется модель растительности в виде совокупности рассеивателей (дискретная модель). Модель состоит из слоя кроны, слоя стволов и поверхности грунта. Слой кроны состоит из листьев, веток и выпавших на них капель дождя. Учитывается только крона деревьев и выпавшие на нее капли. Количество выпавшей воды

определяется интенсивностью дождя и его продолжительностью. Предполагается, что распределение капель по размерам на растениях соответствует распределению Маршала-Пальмера. Для упрощения расчета считалось, что мокрая крона деревьев леса является одномерной рассеивающей средой и к ней может быть применена теория В.А Амбарцумяна. В разделе 4.2 приведены расчетные оценки интегрального ослабления и рассеяния в кроне сухого и мокрого леса. Согласно расчетам, осажденные на листьях и ветках капли дождя достаточно сильно увеличивают коэффициент ослабления и вероятность выживания кванта в диапазоне длин волн от 0,3 см до 3.0 см. Так, например, коэффициент ослабления на длине волны 1см увеличивается в два раза в кроне мокрых деревьев и составляет 1,5 нп/м при значениях осажденной воды Змм и биомассе растений 0,5 кг/м2. Капли дождя увеличивают и альбедо леса, в миллиметровом диапазоне оно может составлять 0,05-0,15. При толщине Юм мокрая крона практически непрозрачна на длинах волн короче 2,0 см. В разделе 4.3 представлены модельные расчеты яркостной температуры мокрого леса. Рис. 5 демонстрирует спектральную зависимость яркостной температуры сухого и мокрого леса. Графики построены

290

280

5Г

от 270 ^

СО

260

С ЭЕ о>

£ 250 СО

У 240 о. СК

230

222>3 05 0.8 1 2 3 5 10

Длина волны [см]

Рис. 5. Зависимость яркостной температуры леса от длины волн.

для направления в надир при следующих значениях параметров: биомасса сухого леса равна 1 кг/м2, содержание осажденной воды - 0, 1 и 5 мм,

температура растительности и почвы - 291 К. Из рис. 5 видно, что в мокром лесу происходит понижение яркостной температуры, особенно значительное на волнах короче 3 см. Разность яркостной температуры сухого и мокрого леса может достигать 40 К в миллиметровом диапазоне длин волн. В Заключении сформированы основные выводы работы:

1. Разработан и реализован алгоритм расчета поляризационной составляющей яркостной температуры уходящего излучения Земли в микроволновом диапазоне дайн при наличии осадков. Он основан на использовании имеющихся данных о различии в этом диапазоне длин волн ослабления в дожде на вертикальной и горизонтальной поляризациях за счет сплющивания крупных капель при падении их в воздухе, а также на представлениях об атмосфере как одномерной рассеивающей среде. Это позволило применить для решения интегро-дифференциального уравнения переноса излучения в атмосфере метод В.А.Амбарцумяна и существенно упростить расчет без значительной потери точности.

2. Получены оценки альбедо (многократное рассеяние) и поляризации микроволнового излучения слоя дождя при наклонном зондировании из космоса. Показано, что разность яркостной температуры (2-ая компонента вектора Стокса) на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы К. Указанная величина зависит от длины волны, угла наблюдения и интенсивности осадков.

3. Теоретически проанализированы характеристики миллиметрового излучения системы «атмосфера- подстилающая поверхность» при наблюдении над сушей и морем. Над сушей в зависимости от угла наблюдения с ростом интенсивности осадков от 1 до 100 мм/час происходит монотонный спад яркостной температуры. Из-за сильного ослабления миллиметрового излучения в слое дождя при интенсивностях осадков I > 10 мм/час яркостная температура не зависит от свойств поверхности. Различие поляризационной составляющей

излучения над сушей и морем наблюдается на длине волны 8 мм при интенсивностях осадков I < 5 мм/час.

4. Проведен расчет микроволнового излучения системы «лес - почва» при наличии выпавших осадков на кронах деревьев. Показано существенное изменение радиационных характеристик растительности (диэлектрическая проницаемость, коэффициент ослабления, альбедо, яркостная температура) лесного полога под воздействием осадков в миллиметровом диапазоне длин волн. Капли дождя на кронах деревьев значительно меняют коэффициенты пропускания и рассеяния растительности; яркостная температура мокрого и сухого леса может отличаться на величину до 40 К на миллиметровых волнах. Результаты моделирования указывают на необходимость учета осажденной воды на деревьях при дистанционном зондировании леса и в задачах распространения радиоволн через лесной массив.

5. Показано, что для того чтобы использовать поляризационный эффект при интерпретации спутниковых данных необходимо существенно повысить пространственную разрешающую способность бортовых СВЧ радиометров, которая в настоящее время составляет примерно 15 км. Одним из путей повышения пространственного разрешения является создание миллиметрового радиометрического интерферометра с синтезированной апертурой. Необходимо создать прибор с пространственным разрешением порядка 1 км, что значительно меньше размера ячейки дождя, при чувствительности 0.3-0.5 К При этих условиях может быть успешно измерена вторая компонента вектора Стокса яркостной температуры и использована для исследования зон выпадения осадков.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации: 1. Кутуза Б.Г., Хоанг Суан Тинь. Поляризация миллиметрового излучения атмосферы во время выпадения осадков при наблюдении из космоса // «Электромагнитные волны и электронные системы», 2008 г, т. 13, №6, с.40-45

2. Kutuza B.G., Hoang T.X. Polarization of Atmospheric Millimeter Radiation in the Process of Precipitation Observed from Space // Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Terahertz Technologies, 2007. MSMW apos;07. The Sixth International Kharkov Symposium V.l, 25-30 June 2007 p. 433 - 435.

3. Кутуза Б.Г.,Хоанг Суан Тинь. Поляризация миллиметрового излучения атмосферы при выпадении осадков, наблюдаемая из космоса // Тр. 50-й науч. Конф. МФТИ «Секция физико-математических проблем волновых процессов» 23 - 27 ноября 2007 г. Москва.

4. Кутуза Б.Г., Хоанг Суан Тинь. Микроволновое излучение леса при наличии выпавших осадков на кронах деревьев // Тр. LXIII- Научная сессия, посвященная дню радио 14-15 мая 2008 г, Москва.

5. Кутуза Б.Г., Хоанг Суан Тинь. Микроволновое излучение леса при наличии выпавших осадков на кронах деревьев // «Электромагнитные волны и электронные системы», в печати.

Хоанг Суан Тинь

ОСОБЕННОСТИ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЖИДКИХ ОСАДКОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ВЫПАДЕНИЯ И ОСАЖДЕНИЯ КАПЕЛЬ НА КРОНАХ ДЕРЕВЬЕВ

Подписано в печать 12.11.2008г. Исполнено 13.11.2008г. Печать трафаретная

Заказ №09 Тираж 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (495)975-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Хоанг Суан Тинь

Введение.

Глава 1. Нисходящее излучение радиоволн в атмосфере и растительном покрове

1.1. Уравнение переноса излучения

1.2. Поглощение и рассеяние радиоволн в облачной атмосфере

1.3. Поглощение и рассеяние микрорадиоволн в дожде

1.4. Поглощение и рассеяние СВЧ-волн в сухом лесном массиве

Глава 2. Перенос излучения в системе атмосфера-поверхность

2.1. Яркостная температура системы атмосфера-поверхность

2.2. Метод расчета яркостной температуры по приближенной 44 теории переноса излучения

2.3. Радиационная модель атмосферы с осадками

2.4. Альбедо в миллиметровом диапазоне длин волн

2.5. Расчет яркостной температуры системы атмосфера- 54 поверхность при наличии дождя в направлении надира

Глава 3. Поляризация миллиметрового излучения при наблюдении осадков из космоса

3.1. Поляризационные свойства осадков.

3.2. Поляризационные контрасты яркостной температуры в 69 миллиметровом диапазоне длин волн в зависимости от интенсивности дождя.

3.3. Угловые зависимости коэффициента поляризации 73 радиоизлучения осадков

Глава 4. Микроволновое излучение системы растительность- 77 почва при наличии выпавших осадков на растениях

4.1. Радиационная модель излучения кроны с выпавшими 77 каплями дождя.

4.2. Расчет альбедо и коэффициента ослабления сухого леса и 79 при выпадении осадков

4.3. Расчет яркостной температуры сухого леса и при 85 выпадении осадков.

Введение диссертация по физике, на тему "Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев"

Актуальность темы.

Успешное решение ряда важных народнохозяйственных задач зависит от наличия достоверной информации, получаемой, в частности, в результате обзора земной поверхности с помощью различных технических средств дистанционного зондирования (ДЗ), установленных на летательных аппаратах (JIA): спутниках, самолетах, вертолётах и др. Среди этих средств особое место занимают микроволновые системы дистанционного зондирования поверхности Земли. Они обладают рядом преимуществ. Во-первых, микроволновые приборы ДЗ, установленные на JIA, позволяют получать информацию о земной поверхности и расположенных на ней объектах независимо от времени суток, уровня освещенности, в любых метеорологических условиях и на больших дальностях наблюдения. Во-вторых, технический прогресс в создании нового поколения СВЧ радиометров и радиолокаторов позволил резко повысить их метрические характеристики и, соответственно, информационные возможности для изучения природных ресурсов Земли.

Дождь — естественное явление природы, характеристики которого сильно изменяются в пространстве и во времени. Исследование осадков при наблюдении Земли из космоса является одной из важных проблем дистанционного зондирования. Это необходимо для прогноза погоды, изучения климата, проведения контроля за метеорологическими опасными явлениями и для других практических применений.

Впервые возможность оценки интенсивности дождя по уходящему радиоизлучению Земли показал эксперимент, проведенный на спутнике «Космос-243» [3,29]. Зоны осадков, выпадающие над морской поверхностью, регистрировались по характерным выбросам яркостной температуры на длинах волн 0.8, 1.35 и 3.2 см. По величине выброса можно было оценить несколько градаций интенсивности дождя. Дальнейшее развитие исследования осадков из космоса связано с американским спутником DMSP, на котором был установлен СВЧ-радиометрический комплекс SSM/I, принимающий излучение в широком диапазоне длин волн от 0.35 до 1.6 см [31,32]. Этот комплекс позволил проводить изучение полей осадков как над сушей, так и над морем. Осадки на радиометрических изображениях проявлялись как зоны с пониженной яркостной температурой на волне 0.35 см, что объясняется увеличением альбедо за счет многократного рассеяния микроволн на крупных каплях дождя. В последние годы дистанционное зондирование осадков проводилось на японо-американском спутнике TRMM. В стадии подготовки находится крупный международный космический проект GPM (Global Precipitation Mission). В этом проекте СВЧ-радиометрическому зондированию осадков придается большое значение.

Однако, в проведенных СВЧ-радиометрических исследованиях не учитывалась поляризация радиоизлучения осадков. Поляризационный эффект радиоизлучения дождя, обусловленный сплющиванием крупных капель при падении их в воздухе, является характерным признаком осадков. Он может быть использован для обнаружения осадков из космоса и количественных оценок их характеристик. Кроме того, в имеющейся литературе нет сведений об исследовании влияния выпавших капель дождя на радиационные характеристики растительного покрова.

В настоящей диссертации представлены теоретические оценки поляризации излучения Земли в миллиметровом диапазоне длин волн при наклонном зондировании со спутников, рассмотрены особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель дождя на кронах деревьев.

- поляризационного эффекта излучения, вызванного выпадением жидких осадков,

- влияния капель дождя, осажденных на кронах деревьев, на яркостную температуру леса.

Достижение этой цели потребовало выполнения широкого круга исследований, которые включали в себя:

• развитие физической модели переноса излучения, учитывающей различные факторы, связанные с рассеянием и поглощением на каплях и элементах растительности;

• разработку методики и алгоритмов расчета коэффициента поляризации яркостной температуры системы «атмосфера-подстилающая поверхность» над сушей и над морем;

• разработку методики и алгоритмов расчета яркостной температуры леса с учетом влияние выпавших капель дождя на кронах деревьев;

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые получены оценки поляризации альбедо и яркости ой температуры атмосферы в процессе выпадения осадков при наклонном зондировании из космоса в миллиметровом диапазоне длин волн. Показано, что при надирных углах наблюдений 50-60° разность яркостной температуры Земли на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы градусов Кельвина (К).

4. Получены новые данные о влиянии капель дождя на интегральное ослабление в кронах деревьев, альбедо и яркостную температуру леса. Показано, что яркостная температура сухого и мокрого леса может отличаться на величину до 40 К в диапазоне миллиметровых волн.

Положения и результаты работы, выносимые на защиту:

Научная и практическая ценность работы

Апробация результатов

1. The sixth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and sub millimeter waves and workshop on terahertz technologies. Kharkov, Ukraine, June 25-30, 2007.

2. 50-я юбилейная научная конференция Московского физико-технического института 23 - 27 ноября 2007 г. Москва.

3. LXIII Научная сессия, посвященная дню радио (Посвящается 100-летию со дня рождения академика В.А. Котельникова) 14-15 мая 2008 г., Москва.

Структура и объем диссертации.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

В диссертации получены следующие основные результаты.1. Разработан и реализован алгоритм расчета поляризационной составляющей яркостной температуры уходящего излучения Земли в микроволновом диапазоне длин при наличии осадков. Он основан на использовании имеющихся данных о различии в этом диапазоне длин волн ослабления в дожде на вертикальной и горизонтальной поляризациях за счет сплющивания крупных капель при падении их в воздухе, а также на представлениях об атмосфере как одномерной рассеивающей среде. Это позволило применить для решения интегро-дифференциального уравнения переноса излучения в атмосфере метод В.А.Амбарцумяна и существенно упростить расчет без значительной потери точности.2. Получены оценки альбедо (многократное рассеяние) и поляризации микроволнового излучения слоя дождя при наклонном зондировании из космоса. Показано, что разность яркостной температуры (2-ая компонента вектора Стокса) на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы К. Указанная величина зависит от длины волны, угла наблюдения и интенсивности осадков.3. Теоретически проанализированы характеристики миллиметрового излучения системы «атмосфера-подстилающая поверхность» при наблюдении над сушей и морем. Над сушей в зависимости от угла наблюдения с ростом интенсивности осадков от 1 до 100 мм/час происходит монотонный спад яркостной температуры. Из-за сильного ослабления миллиметрового излучения в слое дождя при интенсивностях осадков I > 10 мм/час яркостная температура не зависит от свойств поверхности. Различие поляризационной составляющей излучения над сушей и морем наблюдается на длине волны 8 мм при интенсивностях осадков I < 5 мм/час.4. Проведен расчет микроволнового излучения системы «лес-почва» при наличии выпавших осадков на кронах деревьев. Показано существенное изменение радиационных характеристик растительности (диэлектрическая проницаемость, коэффициент ослабления, альбедо, яркостная температура) лесного полога под воздействием осадков в миллиметровом диапазоне длин волн. Капли дождя на кронах деревьев значительно меняют коэффициенты пропускания и рассеяния растительности; яркостная температура мокрого и сухого леса может отличаться на величину до 40 К на миллиметровых волнах. Результаты моделирования указывают на необходимость учета осажденной воды на деревьях при дистанционном зондировании леса и в задачах распространения радиоволн через лесной массив.5. Показано, что для того чтобы использовать поляризационный эффект при интерпретации спутниковых данных необходимо существенно повысить пространственную разрешающую способность бортовых СВЧ радиометров, которая в настоящее время составляет примерно 15 км. Одним из путей повышения пространственного разрешения является создание миллиметрового радиометрического интерферометра с синтезированной апертурой. Необходимо создать прибор с пространственным разрешением порядка 1 км, что значительно меньше размера ячейки дождя, при чувствительности 0.3-0.5 К. При этих условиях может быть успешно измерена вторая компонента вектора Стокса яркостнои температуры и использована для исследования зон выпадения осадков.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Хоанг Суан Тинь, Москва

1. Dicke R.H. // Rev. Sci. Instr. 1946. V. 17. P. 268-275.

2. Богородский B.B., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

3. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров СТ. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974.

4. Кузьмин А.Д., Саломонович А.Е. Радиоастрономические методы измерений параметров антенн. М.: Советское радио, 1964.

5. Van Vleck J.H., Weisskopf V.F. // Rev. Mod. Phys. 1945. V. 17. No. 2-3. P. 227-236.

6. Ulaby F., Moore R., Fung A. Microwave Remote Sensing, Active and Passive. London: Addison Wesley Publ. Сотр. V. 1-3, 1983.

7. Жевакин C.A., Троицкий B.C., Цейтлин H.M. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1958. Т. 1. № 2. 19-26.

8. Armand N.A., Polyakov V.M. Propagation and Remote Sensing of the Environment. CRC Press, 2005.

9. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. М.-Л.: Гостехиздат, 1951.

10. Шметер М.С. Физика конвективных облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

11. Майсон Б. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.

12. Barret А.Н., Chang V.K. // J. of Geophys. Res. 1962. V. 67. No. 11.

13. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд. Иностр. лит., 1961.

14. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г. и др. Радиотеплолокация в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

15. Шутко A.M. СВЧ радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986.

16. Rosenkranz P.M. // IEEE Trans. 1975. V.AP-23. No. 7. P. 493-498.

17. Дебай П. Полярные молекулы: Пер. с нем.- м.: ГСНТИ, 1931.

18. Волчок Б.А., Черняк М.М. // Тр. Гл. геофиз.обс. 1968, Вып. 222. 83-89.

19. Tsang L., Kong J.A., Njoku Е., Staelin D.H., Waters J.W. // IEEE Trans. 1977. V.AP-25. No. 5. P. 650-657.

20. Кутуза Б.Г. Радиотепловое излучение облачной атмосферы / Дисс. на соиск. учен. степ, д.ф.-м.н. М.: ИРЭ АН СССР, 1982 г.

21. Жевакин А., Наумов А.П. Распространение сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в земной атмосфере // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1967. Т. 10. № 9-10. 1213-1233.

22. Кутуза Б.Г., Экспериментальные исследования ослабления и радиоизлучения дождя в СВЧ диапазоне, Тр. Главн. Геоф. обсерв.,вып. 222, стр. 153-158.

23. Жевакин А., Наумов А.П. К расчёту коэффициента поглощения сантиметровых и миллиметровых радиоволн в атмосферном кислороде // Радиотехника и электроника. 1965. Т. 10. № 6. 987-996.

24. Розенберг В.И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

25. Кисляков А.Г., Наумов А.П. // Изв. АН СССР. Физика атм. и океана. 1970. Т. 6. № 3 . 239-251.

26. Башаринов А.Е., Гурвич А.С, Тучков Л.Т., Шифрин К.С. Исследование поля радиотеплового излучения Земли // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1970. Т. 6. № 4. 366.

27. Арманд Н.А., Башаринов А.Е, Шутко A.M. Исследование природной среды радиофизическими методами // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1977. Т. 20. № 6. 809.

28. Wilheit Т. A Model for the Microwave Emissivity of the Ocean's Surface as a Function of Wind Speed // IEEE Trans. 1979. V.GE-17. No. 4. P. 244-249.

29. Башаринов A.E., Егоров СТ., Колосов М.А., Кутуза Б.Г. Особенности метода СВЧ радиометрического зондирования атмосферы с летательного аппарата // Тр. Главн. геоф. обсерв. 1968. Вып. 222. 153-158.

30. Чандрасекар Перенос лучистой энергии / Пер. с англ. М.: Изд. ИЛ. 1953. 432.

31. Spencer R. W., Goodman Н.М., Hood R.E. Precipitation retrieval over land and ocean with the SSIWI: Identification and characteristics of the scattering signal // J. of Oceanic Technol. 1989. V. 6. P. 254-273,.

32. Grody N. С Classification of snow cover and rain using the Spectral Sensor Microwave/ Imager (SSM/I) // J. of Geophys. Res. 1991. V. 96.

33. Maetzler Ch., Sume A. Microwave radiometry of leaves // Microwave Radiometry and Remote Sensing Applications / Ed. Pampaloni. VSP Series. Utrecht. Netherlands. 1989.

34. Ulaby F.T., El-Rayes M.A. Microwave dielectric spectrum of vegetation - part II: dual dispersion model // IEEE Trans. 1987. V.GRS-25. P. 550-557.

35. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев B.A. Поляризация радиоволн. М.: Радиотехника. 2007.

36. Кутуза Б.Г. Измерения поляризации радиоизлучения атмосферы во время дождя на длине волны 2.25 см / Радиофизические исследования атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 201-204.

37. Шутко A.M., Кутуза Б.Г., Яковлев О.И., Ефимов А.И., Павельев А.Г. Радиофизические исследования планет / Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ. 1978. Т. 16.

38. Соболев В.В., Перенос лучистой энергии в атмосферах звёзд и планет. М.: Гостехиздат, 1956.

39. Hornbostel A. Investigation of Tropospheric Influences on Earth-satellite Paths by Beacon, Radiometer and Radar Measurements / Doctoral Thesis. University Hanover, 1995.

40. Kutuza В. G., Zagorin G.K., Hornbostel A., Schroth A. Physical Modeling of Passive Polarimetric Microwave Observations of the Atmosphere with Respect to the Third Stokes Parameter // Radio Science. 1998. V. 33. No. 3. P. 677-695.

41. Kutuza B.G., Zagorin G.K. Two-Dimensional Synthetic Aperture Millimeter- wave Radiometric Interferometer for Measuring Full-component Stokes Vector of Emission From Hydrometeors // Radio Science. 2003. V. 38. No. 5. P. 11-1-11-7.

42. Saxton J.A. // Phys. Soc. and Roy. Meteorol. Soc. 1946. P. 292-305.

43. Collie C.H., Hasted J.B., Ritson D.M. The dielectric properties // Pro. Phys. Soc. 1948. V. 60. No. 338. P. 145-153.

44. Кутуза Б.Г. // Тр.Гл.геофиз.обс. 1968. Вып. 222. 111-120, Тр. 3-го Всес. совещ. по радиолокационной метеорологии. М.: Гидрометеоиздат. 1968. 107-114.

45. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров СТ. Определение геофизических параметров по измерениям теплового радиоизлучения на ИСЗ "Космос -243" // Докл. АН СССР. 1969. Т. 188. № 6. 1273-1276.

46. Башаринов А.Е., Кутуза Б.Г. // Изв.вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17. № 1. 52-57.

47. Peake W.H. Interaction of Electromagnetic Waves with Some Natural Surface // IRE Trans. 1959. V.AP-7. P. 325-329.

48. Башаринов A.E., Кутуза Б.Г. // Тр.Гл.геофиз.обс. 1968. Вып. 222. 100- 110, Тр. 3-го Всес. совещ. по радиолокационной метеорологии. М.: Гидрометеоиздат. 1968. 107-114.

49. Коровин Г.Н., Андреев Н.А. Авиационная охрана лесов. М.: Агропромиздат, 1988.

50. Кутуза Б.Г., Смирнов М.Т. Влияние облачности на усреднённое радиотепловое излучение системы атмосфера-поверхность океана // Исслед. Земли из косм., 1980. № 3. 76.

51. Кутуза Б.Г. Поглощение миллиметровых и сантиметровых волн в облачных образованиях и его зависимость от температуры / Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. М.: Наука. 1986. 180-192,

52. Аквилонова А.Б., Кутуза Б.Г. Определение параметров облачной атмосферы по её радиотепловому излучению // Радиотехника. 1979. № 4. 36.

53. Чухланцев А.А. СВЧ Радиометрия растительных покровов / Дисс. на соиск. учен. степ, д.ф.-м.н. М.: ИРЭ РАН, 2004 г.

54. Чухланцев А.А., Гранков А.Г., Милыдин А.А. Моделирование характеристик радиотеплового излучения увлажненного осадками лесного полога в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах//Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50. №.12. 1447-1450.

55. Чухланцев А.А., Шутко A.M., Головачев С П . // Радиотехника и электроника. 1986. Т. 31, Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 11. 1283-1311.

56. Чухланцев А.А. Об эффективной диэлектрической проницаемости растительности в СВЧ-диапазоне // Радиотехника и электроника. 1988. Т. 33. № 1 1 . 2310-2319.

57. Чухланцев А.А., Воробейник Е.А., Петибская B.C., Язерян Ж.Г. СВЧ излучательные характеристики рисовых посевов // Радиотехника и электроника. 1988. Т. 33. № 11. 2420-2421.

58. Чухланцев А.А., Головачёв С П . Ослабление СВЧ - излучения в растительном покрове // Радиотехника и электроника, 1988. Т. 34. № 1 1 . 2269-2278.

59. Огути Т. Распространение и рассеяние электромагнитных волн в дожде и других гидрометеорах // ТИИЭР. 1983. Т. 71. № 9. 6-65.

60. Кутуза Б.Г., Загорин Г.К. Спектральные и поляризационные свойства ослабления и излучения осадков в миллиметровом диапазоне волн // Тез. докл. на школе-семинаре в Красновидово. Май 2000 г.

61. Загорин Г.К., Кутуза Б.Г. Особенности переноса поляризованного теплового СВЧ излучения в облаках и осадках // Радиотехника. 1998. №

62. Смирнов М.Т, Моделирование микроволнового теплового излучения дождя методом Монте-Карло. Известия Академии Наук СССР. ФАО. Т. 20. № 9. 820-826,1984.

63. Батан Дж. Радиолокационная метеорология / Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1962.

64. Степаненко В.Д. Радиолокационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

65. А.А.Чухланцев. Рассеяние и поглощение СВЧ излучения элементами растений//Радиотехника и электроника. 1986. Т.31. № 6. 1095-1104.

66. Цейтлин Н.М., Шутко A.M., Жислин Г.М. / Препринт ИРЭ АН СССР. М.: 1974. № 6.

67. Кидяшев К.П., ЧухланцевА.А., Шутко A.M. СВЧ излучение земной поверхности при наличии растительного покрова // Радиотехника и электроника. 1979. Т. 24. № 2. 256-264.

68. Marsall J.S and W. Palmer. The distribution of raindrop with size. J. Meteorol. V. 2. P. 165-166,1948.

69. Weswater E.R. "Proc. 7th Intern. Symp.on Remote Sensing of Enviroment". Ann. Arbor, Michigan, USA, V. 3, P. 1765-1776.