Пространственно-временная структура СВЧ радиотеплового поля системы океан-атмосфера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

к

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

САВОРСКИЙ Виктор Петрович

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА СВЧ РАДИОТЕПЛОВОГО ПОЛЯ СИСТЕМЫ ОКЕАН-АТМОСФЕРА

/Специальность 01.04.03 -радиофизика/

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Москва, 1992

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники РАН (г.Москва).

Научнный руководитель - доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной Премии СССР, Н.А.Арманд

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук В.Ф.Крапивин, кавдидат физико-математических наук Ю.Г.Трохимовский.

Ведущая организация - Институт океанологии РАН (г.Москва).

Защита состоится 16 октября 1992 г. в 12м на заседании Специализированного совета Д002.74.02 в Институте радиотехники и электроники РАН.

Адрес Института: 103907, г.Москва, Центр, ул.Моховая, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан "_"_1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кавдидат технических наук М.Г.Голубцов

• 'ИГ

^'-..¡'.¡ЛЯ з

БИЕИиуте&А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I 8тш I

[ЯК:-:

Актуальность темы

В рамках осуществляемых в настоящее время программ глобальных исследований системы океан-атмосфера, например, в океанологических частях Международной геосферно-биосферной программы (ЮВР), Эксперимента по изучению глобального водного цикла (СЕ\УЕХ), комплексного проекта "Природа", решающая роль отводится различного рода средствам дистанционного зондирования. При этом для более детального изучения процессов переноса тепла и влаги в атмосфере предполагается значительно увеличить (по сравнению с уже реализованными проектами) информационные возможности спутниковых СВЧ радиометрических систем за счет повышения числа каналов зондирования, повышения точностей приборов, широкого применения ска-нерных и панорамных систем. При значительном увеличении информационных возможностей измерительных систем особую актуальность приобретает необходимость развития эффективных систем усвоения экспериментальных данных и, прежде всего, разработки статистических методов анализа экспериментальной информации, обеспечивающих повышение точности и достоверности оценок геофизических параметров системы океан-атмосфера по сравнению с существующими методами анализа.

•Один из возможных путей повышения эффективности методов обработки дистанционной СВЧ радиометрической информации заключается в использовании параметров, описывающих структурные особенности наблюдаемого из космоса пространственного распределения интенсивностей радиотеплового поля вдоль поверхности Земли, при интерпретации экспериментальных данных. Целесообразность использования характеристик пространственной структуры радиотеплового поля в процедурах восстановления значений геофизических параметров, характеризующих состояние системы океан-атмосфера, определяется, прежде всего, тем, что такая дополнительная информация позволяет увеличить достоверность и точность статистических оценок как самих интенсивностей регистрируемого СВЧ излучения, так и получаемых с использованием СВЧ радиометрических данных оценок геофизических параметров. Повышение достоверности оценок обусловлено тем, что информация о формировании пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера включает и данные о характерных пространственно-временных масштабах горизонтальных неоднородностей этой структуры, а это позволяет организовать корректную процедуру получения статистических

оценок путем введения согласованных интервалов осреднения по пространству и времени.

Информация о параметрах горизонтальных неоднородностей радиотеплового поля системы океан-атмосфера требуется также для обоснованного выбора пространственного разрешения используемой для спутниковых измерений СВЧ радиометрической аппаратуры и для составления оптимальных планов экспериментальных работ. Поскольку в настоящее время, как указано выше, планируется целый ряд крупномасштабных экспериментов с использованием спутниковых СВЧ радиометрических систем, получение информации о горизонтальной структуре радиотеплового поля системы океанатмосфера приобретает чрезвычайно актуальное значение.

Для получения оценок параметров пространственной структуры радиотеплового поля необходимы, ках показано в работе, достаточно продолжительные (не менее одного месяца) ряды экспериментальных измерений. Отсутствие таких продолжительных измерений в первых спутниковых экспериментах, например, с ИСЗ "Космос-243", не позволяли использовать параметры пространственной структуры радиотеплового поля в качестве дополнительной информации, повышающей достоверность статистических оценок. Кроме того, отсутствие достаточного объема экспериментальных данных сдерживало разработку статистических методов исследования пространственной структуры поля. Проведенные в последние годы эксперименты на океанографических спутниках серии "Космос-1151, 1500, 1602, 1766, 1869", помимо прочего, включали и ряды месячных измерений. Тем самым была создана экспериментальная основа для получения достоверных статистических оценок параметров, описывающих пространственную структуру радиотеплового поля.

Основные цели диссертации:

1. Развитие статистических моделей, описывающих формирование пространственных распределений интенсивностей СВЧ излучения системы океан-атмосфера вдоль зондируемой поверхности.

2. Разработка методик, обеспечивающих получения достоверных (в статистическом смысле) оценок параметров, описывающих особенности пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера.

3. Анализ особенностей пространственной структуры радиотеплового поля выделенных зон Мирового океана, в частности, северной части Атлантического океана, по результатам экспериментальных спутниковых измерений и интерпретация полученных результатов.

4. Разработка методов эффективного использования показателей, характеризующих пространственные распределения интенсивностей радиотеплового

псля вдоль зондируемой поверхности, з практике дистанционного зондирования.

Научная новизна диссертации

1. Впервые разработана статистическая модель, описывающая особенности формирования пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера. Выделены основные составляющие пространственной структуры, уточнены объекты исследования СВЧ радиометрическими средствами.

2. Предложены методы статистического анализа, обеспечивающие получение достоверных оценох параметров пространственной структуры радяо-теплового поля:

•метод калибровки СВЧ радиометрических данных с учетом физических ограничений на диапазоны изменчивости радиояркостпых температур; •методика реставрации профилей радиояркостных температур методом локальной регуляризации, обеспечивающая корректность оценок пространственных спектров в полосе пропускания антенной системы; •методика выделения составляющих пространственной структуры радл-отеплового поля системы океан-атмосфера; •методика оптимальных оценок параметров проекции диаграммы направленности на зондируемой поверхности; •методика оценок интенсивностей фоновых процессов.

3. Впервые получены оценки статистических параметров составляющих пространственной структуры СВЧ радиотеплового поля северной части Атлантического океана по экспериментальным данпым .

4. Впервые разработаны и предложены методики эффективного использования параметров пространственной структуры рздиотеплозого поля а практике дистанционных СВЧ радиометрических исследований:

•оптимальные (согласованные со свойствами исследуемых объектов) методы статистического анализа пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера;

•методика статистического моделирования пространстранственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера; •методика восстановления значений геофизических параметров системы океан-атмосфера с использованием в качестве априорной информации статистических характеристик пространственной структуры радиотеплового поля.

Положения, выносимые на защиту

1. Глобальные, синоптические, мезо- и микромасштабные физические процессы системы океан-атмосфера приводят к возникновению в пространственной структуре радиотеплового поля диапазона 0,8-8,5 см неоднородностей соответствующих масштабов вдоль наблюдаемой поверхности.

2. Пространственные спектры возмущений СВЧ радиотеплового поля системы океан-атмосфера относительно его среднеклиматических значений в условиях наблюдения с ИСЗ в диапазоне волн 0,8-8,5 см имеют две компоненты, что подтверждает наличие в горизонтальной составляющей структуры поля неоднородностей синоптического и мезомасштабов.

3. В условиях наблюдения с ИСЗ системы океан-атмосфера функции распределения радиояркостных температур синоптических возмущений СВЧ радиотеплового поля диапазона 0,8-8,5 см унимодальны, имеют положительную асимметрию и близки к /^-распределениям, а мезомасштабных возмущений - унимодальны и близки к симметричным распределениям.

4. Комплекс методик анализа спутниковых данных, включающий процедуры выделения разномасштабных компонент горизонтальной составляющей пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера и получения корректных статистических оценок параметров каждой из выделенных компонент.

5. Оперативный метод восстановления распределений геофизических параметров системы океан-атмосфера вдоль зондируемой поверхности, позволяющий сократить затраты машинного времени на обработку спутниковой информации в 3-5 раз.

Научная и практическая ценность работы

Диссертация выполнялась в соответствии с научными планами ИРЭ РАН. Ее результаты вошли в 5 отчетов по плановым темам. Развитый в диссертации подход к анализу пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера может быть применен для различных задач дистанционного СВЧ радиометрического зондирования Земли из космоса. Предложенный метод анализа пространственной структуры радиотеплового поля может служить методической основой оптимального планирования будущих спутниковых экспериментов. Высокая эффективность развитых в диссертации методов подтверждена результатами автоматизированной обработки информации, полученной с советских океанографичеких спутников "Космос-1151", "Космос -1500", "Космос-1602", "Космос1766", "Космос-1869".

Полученные результаты и разработанный в рамках работы комплекс программного обеспечения, адаптированный к работе на ЭВМ типа 1ВМ РС АТ 286(386), могут быть широко использованы в практике дистанционных исследований таких организаций, как НПО "Планета", МГИ АН Украины, НИРФИ, ИКИ РАН, ЦАО, ГГО им.Воейкоза.

Апробация результатов

Результаты, вошедшие з диссертацию, получены автором в период с 1985 по 1991 год. Они докладызались на Всесоюзной конференции "Мик-ропроцессоры-85", г.Зеленоград (1985г.), 7-м Всесоюзном совещании по радиометеорологии, г.Суздаль (1986г.), Всесоюзной конференции по статистическим методам обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды, г.Рига (1986г.), XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Алма-ата (1987г.), 5-й Национальной конференции "Состояние и перспективы развития дистанционных исследований", г.КарлМаркс-Штадт, ГДР (1988г.), Межведомственном научно-техническом созещашш "Статистичесхие методы и системы обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды", г.Минск (1989г.), Всесоюзной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов ь исследованиях природной среды", г.Ереван, (1990г.), Всесоюзном семинаре "Спутниковая океанология", г.Севастополь (1991г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, перечисленных в конце автореферата.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. В ней содержится 125 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 21 таблица. Библиография включает 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, ставятся задачи и цели работы, обсуждается состояние исследуемой проблемы, формулируются положения, выносимые на защиту, излагается краткое содержание диссертации.

В главе I диссертации на основе литературных данных обсузхдаются особенности формирования наблюдаемой с ИСЗ горизонтальной составляющей пространственной структуры СВЧ радиотеплового поля системы океан-атмосфера в сантиметровом диапазоне волн 0,8 < А < 8,5 см. Особое внимание уделено выявлению основных пространственно-временных масштабов изменчивости радиотеплового поля.

Для этих целей в рамках существующих представлений о формировании радиотеплового излучения системы океан-атмосфера выделены основные геофизические параметры, определяющие пространственно-временные вариации собственного СВЧ излучения этой системы. Показана связь между статистическими показателями, характеризующими пространственные структуры определяющих геофизических параметров, и соответствующими показателями пространственной структуры радиотеплового поля. В результате этого анализа установлено, что основной вклад в формирование пространственно-временной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера вносят вариации интегрального влагосодержания атмосферы <3, водозапаса облаков V/, температуры поверхности океана Тп и скорости приводного ветра V. Показано, что глобальные, синоптические, мезо- и микромасштабные физические процессы системы океан-атмосфера, сопровождающиеся изменениями (3, XV, Тп, V, приводи к возникновению в горизонтальной составляющей пространственной структуры радиотеплового поля неоднородностей соответственно глобального, синоптического, мезо- и микромасштабов. Характерные пространственные размеры неоднородностей микромасштаба значительно меньше элементов разрешения спутниковых антенных систем на зондируемой поверхности, поэтому основными объектами исследования спутниковой радиометрии в настоящее время являются неоднородности глобального, синоптического и мезомасштабов.

Проанализированы особенности глобальной составляющей пространственной структуры радиотеплового поля. Показано, что глобальная составляющая пространственной структуры радиотеплового поля имеет пространственные размеры 2500-10000 км и времена изменчивости 10 суток - 1 месяц и определяется, по существу, средпеклиматическими (среднемесячными) значениями раднояркоепшх температур с заданной области океана. Для оценок параметров глобальной составляющей пространственной структуры радиотеп-

лового поля системы океан-атмосфера предложено и обосновано использование радиояркостных температур 0, определяемых среднемесячными значениями Тп, (¡> и нулевыми значениями XV, V. Показано, что эти оценки близки к наиболее вероятным среднестиастическим значениям радиояркостных температур в заданном районе океана.

По имеющимся литературным данным проведен предварительный анализ свойств синоптической и мезомасштабной составляющих пространственной структуры радиотеплового поля. Синоптическая составляющая пространственной структуры радиотеплового поля определяется развитием в атмосфере процессов типа циклонов, антициклонов и фронтальных образований. Пространственные размеры синоптических составляющих поля раЕны 250-2500 км, а времена развития - 1-10 суток. Мезомасштабная составляющая пространственной структуры радиотеплового поля отражает мезомаспгтабную структуру полей внутримассовой и фронтальной облачности, а также ме-зомасштабных образований на поверхности океана (вихрей, рингов, океанических фронтов). Характерные размеры мезомаспггабных составляющих не превышают 200 км, в большинстве случаев 20-100 км. Времена существования мезомасштабных неоднородностей, связанных с процессами в атмосфере, составляют 1 час- 1 сутки. Времена существования неоднородностей, обусловленных развитием процессов на поверхности океана, достигают 10 суток.

В главе 2 рассмотрены основные методические особенности подготовки спутниковых СВЧ радиометрических данных к статистическому анализу особенностей пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера. Подготовка данных к статистическому анализу включает следующие этапы:

• радиометрическую калибровку данных;

•определение спектральных характеристик фоновых процессов; •уточнение параметров проекций диаграмм направленности антенн спутниковых радиометрических систем на зондируемой поверхности; •выравнивание пространственно-спектральных характеристик радиометрических систем;

•выделение глобальной, синоптической и мезомасштабной составляющих пространственной структуры радиотеплового поля.

Получение достоверных статистических оценок параметров, характеризующих пространственную структуру радиотеплового поля системы океан-атмосфера, как показано в работе, требует накопления экспериментальных данных за периоды порядка 1 месяца. Для обеспечения точности привязки

радиометрических данных к шкалам радиояркостных температур в течение всего срока накопления экспериментальных данных методика относительных калибровок по нескольким реперам, разработанная в ИРЭ РАН, дополнена развитой в рамках данной работы методикой коррекцией калибровочных соотношений по априорным данным.

Для коррекции калибровочных соотношений по априорным данным н из физических соображений в контролируемом регионе океана задаются верхние хв и нижние х11 пределы допустимых изменений геофизичесхих параметров. Задание хв и хн однозначно определяет верхние Тв и нижние Тн пределы изменений радиояркостных температур во всем контролируемом регионе. Как показано в работе, имеет смысл проводить радиометрическую калибровку в 2 этапа: 1-й этап - определение калибровочных коэффициентов без учета ограничений на расчетные значения радиояркостных температур; Н-й этап - коррекция калибровочных соотношений, вычисленных на этапе I, с учетом физических ограничений, задаваемых величинами Тв и Тн. Показано, что коррекция обеспечивается минимизацией квадратичного функционала, а откорректированные значения радиояркостных температур линейно связаны с оценками радиояркостных температур, полученными без учета ограничений.

Корректные оценки пространственных спектров требуют устранения искажений, возникающих при антенном сглаживании профилей радиояркостных температур в процессе трассовых измерений. В рамках диссертационной работы проведен анализ возможностей восстановления профилей радиояркостей с помощью оптимального фильтра Винера, а также методами глобальной и локальной регуляризации (по Тихонову). При использовании реставрирующего фильтра Винера необходимо помимо спектральной характеристики фильтра задавать распределения спектральных интенсивностей восстанавливаемого сигнала и шума. В общем случае в задачах пассивного зондирования такая информация отсутствет, что не позволяет применять оптимальный фильтр Винера для восстановления радиометричесхих профилен. Для определения областей применимости методов локальной и глобальной регуляризации при восстановлении радиометрических профилей в работе был использован метод статистического моделирования (метод Монте-Карло). В процессе моделирования было установлено, что метод глобальной регуляризации практически не пригоден для реставрации радиометрических профилей при возмущениях проекции диаграммы направленности с

-5

относительными интенсивностями Ь>10 . В то время, как среднеквадрати-ческие точности восстановления радиометрических профилей методом локальной регуляризации при Ь=Ю,05 и фоновых возмущениях с относительными интенсивностями порядка 0,1 составляют _5%. При этом синтезированные

и

методом локальной регуляризации частотные характеристики радиометрических систем близки к частотным характеристикам идеальных фильтров нижних частот, благодаря чему восстановленные этим методом радиометрические профили хорошо передают основные особенности исходных (невозмущентшх) профилей. Выравнивание пространственно-спектральных характеристик радиометрических систем обуславливает целесообразность использования метода локальной регуляризации в процессе подготовки экспериментальных данных к спектральному анализу.

Построение реставрирующего фильтра методом локальней регуляризации требует задания параметров проекции диаграммы направленности и спектра интенспвностей фонового шумового процесса.

Уточнение параметров проекция диаграммы направленности з работе проводится по профилям радиометрических сигналов, полученных при пересечении осью антенной системы границы раздела участков суши л морской поверхности. Показано, что при больших отношенях контрастов рддиояр-костных температур на границе раздела к величинам фоповнх взряаций радиояркостей (>100) для восстановления параметров пространственного фильтра целесообразно использовать развитый в работе метод прямого диффе-ренцирозания, а при относительных контрастах, не превышающих 100, -модификацию метода локальной регуляризации.

Для определения спектральных интенсивпостей фоновых шумозых процессов в работе развита методика оценок указанных величин по параметрам цифровых представлений радиометрических сигналов. В рамках этой методики наряду с собственными шумами аппаратуры учтены искажения, возникающие при передаче сигналов по цифровым каналам связи.

Прн выделении составляющих пространственной структуры рздиотеплового поля использованы представления об основных масштабах изменчивости поля, развитые в главе 1, а также данные, полученные в процессе анализа пространственных спектров рзд.чоярксстных температур. Выделение составляющих пространственной структуры радиотеплового поля системы океан- атмосфера включает следующие этапы:

•по среднеклиматическим (среднемесячным) значениям в заданном рай-оке океана оцениваются значения радиоаркостных температур глобальной составляющей поля 0; •определяется суммарный вклад синоптических и мезомасштабных возмущений Д радиотеплового поля как разности текущих значений радиояркостных температур и оценок 0;

•пределяется вклад синоптических возмущений радиотеплового поля Д5 как суммы низкочастотных составляющих пространственного спек-

тра Д, при этом спектр Д1 ограничивается сверху частотами, соответствующими пространственным неоднородностям с линейными размерами 250-400 км (в зависимости от длины волны зондирования); •определяется вклад мезомасштабных возмущений радиотеплового поля Дт как разности Д и А*.

В главе 3 представлены результаты статистического анализа экспериментальной информации, полученной при измерениях с ИСЗ "Космос-1500" (январь-февраль 1984г.) и "Космос-1С02" (октябрь-ноябрь 1984г.) над акваторией северной части Атлантического океана. Изложены методические особенности получения статистических оценок параметров, характеризующих пространственную структуру радиотеплового поля системы океан-атмосфера. При анализе статистических характеристик учитывалось и, по возможности, исключалось влияние возмущений, вызываемых собственными шумами радиометрической аппаратуры, а также искажениями при аналого-цифровых преобразованиях.

Для определения достоверных статистических характеристик синоптической и мезомаспггабной составляющих радиотеплового поля необходимо проводить усреднение на интервалах времени, превышающих 10 суток. В данной работе для этих целей проводилось усреднение оценок параметров функций распределения радиояркостных температур и их пространственных спектров на интервалах времени, превышающих 1 месяц. Кроме того, для повышения устойчивости статистических оценок параметров функций распределения проводилось пространственное усреднение экспериментальных данных в пределах географических квадратов с размерами 5°х5°.

В результате анализа синоптических и мезомасштабных неоднородностей пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера по результатам спутниковых измерений:

•определена статистика отклонений среднемесячных модальных значений радиояркостных температур от средних многолетних значений, подтверждающая близость модальных значений к среднеклиматическим (в пределах точности статистических оценок); •определены типы функций распределений возмущений поля; •оценены широтные (долготные) тренды параметров функции распределения возмущений поля, выделены зоны с наименьшими интенсив-ностями вариаций радиояркостных температур; •проведен анализ отклонений текущих (за данный срок, 1 пролет) значений статистических характеристик от их среднемесячных значений; показано, что наиболее устойчивыми (в статистическом смысле) яв-

ляются оценки средних и медианных значений радиояркостных температур.

Анализ статистических характеристик функции распределения мезомасш-табных возмущений пространственной структуры радиотеплового поля в конкретных синоптичесхих ситуациях позволил выделить особенности, присущие фронтальным, циклоническим и антициклоничесхим процессам в системе океан-атмосфера, з частности, установить присущие этим синоптическим ситуациям величины среднеквадратичесхих вариаций радиояркостных температур и средних (относительно среднехлиматических) значений радиояркостных контрастов.

В усредненных за месячный срох пространственных спектрах радиотеплового поля системы океан-атмосфера выделены составляющие спектра, подтверждающие существование з пространственной структуре радиотеплового поля неоднородностей синоптического и мезомасштабов. Ширина спектра синоптических возмущений меньше ширины спектра мезомасштабных возмущений примерно в 9, 7 и 6 раз для диапазонов 0,8, 1,35 и 8,5 см, соответственно. Выделенные составляющие пространственного спектра удовлетворительно описываются монотонно убывающими экспоненциальными зависимостями.

Анализ взаимно корреляционных зависимостей синоптических и мезомасштабных возмущений радиотеплового поля системы океанатмосфера показал наличие корреляции для синоптической составляющей с 3-суточным циклом измерений и практически полное отсутствие корреляции для мезомасштабной составляющей. Результаты анализа временной изменчивости и пространственных спектров радиотеплового поля согласуются с выводами, полученными в гл.1.

В главе 4 показаны возможные области применения результатов статистического анализа пространственной структуры радиотеплового поля.

Приведены вытекающие из предыдущего анализа рекомендации по организации статистической обработки экспериментальных данных и использованию полученных результатов при радиометрической калибровке экспериментальных измерений. В частности, обоснованы пространственные и временные масштабы усреднения (накопления) экспериментальных данных, обеспечивающие получение корректных статистических оценок параметров, характеризующих пространственную структуру радиотеплового поля системы океан-атмосфера.

Развиты методы статистического моделирования пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера, учитывающие результаты анализа, прозеденного в гл. 1-3. Предложено и обосновано использование

гауссовсхих случайных процессов для численного моделирования мезомас-штабных возмущений и случайных процессов с фунхциямн распределения релеевского типа для моделирования синоптических возмущений.

Исследованы возможности обнаружения возмущений пространственной структуры радиотеплового поля, основывающиеся на критерии Неймана-Пирсона. В частности показано, что при вероятности ложных трегог 0,05 вероятности правильного обнаружения, большие 0,90, имеют сипоптичесхие образования с контрастами, превышающими 9К для Я=0,8 см и 12 для А-1,35 см.

Исследованы возможности повышения точности оценок геофизических параметров системы океан-атмосфера при использовании в качестве априорно-и информации статистических характеристик пространственных распредгленин радиоярхостных температур. В частности показано, что учет априорных данных о статистических особенностях функций распределения радиоярхостпи;. температур в каналах 0,8 и 1,35 см позволяет уменьшить среднгквлдрати-чеезеие ошибки восстановления <2 на 30-45%, а V/ - на 10-15%. Дополнительное использование в этих же условиях информации о коррелированное™ пространственных распределений радиояркостных температур вдоль зондируемой поверхности позволяет снизить величины средне-квадратических ошибок восстановления на 75-85% для <2 и 33-43% для >У. Учет асимметрии функций распределения радиояркостных температур дает возможность устранить систематические ошибки восстановления 9 и

Описан метод оперативного (прямого) восстановления профилей геофизических параметров по результатам спутниковых СВЧ радиометрических измерений, позволяющий значительно сократить расходы машинного времени на обработку экспериментальной информации. Показаны возможности использования этого метода для восстановления О и Тп. Точность восстановления значений (2 и Тп составляет 0,3-0,4 г/см и 2,1° С, соответственно. Применение метода прямого восстановления геофизических параметров сокращает расходы машинного времени по сравнению с методом, основанным на решении полной обратной задачи, в 3-5 раз. Это позволяет использовать этот метод при построении двумерных полей геофизических параметров в реальном масштабе времени.

Показаны возможности использования результатов экспериментального анализа пространственной структуры радиотеплового поля для оптимальной интерполяции результатов трассовых измерений в процедурах построения карт радиояркостных температур и полей геофизических параметров.

В Заключении формулируются основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые предложена и теоретически обоснована статистическая модель, описывающая формирование пространственных распределений интенсивностей СВЧ излучения системы океан-атмосфера вдоль зондируемой с ИСЗ поверхности. Показано, что глобальные, синоптические, мезо- и микромасштабные физические процессы системы океан-атмосфера, сопровождающиеся изменениями интегрального влагосодержания атмосферы (2, водозапаса облаков

температуры поверхности океана Тп, скорости приводного ветра V, приводят к возникновению в структуре радиотеплового поля неоднородностей соответственно глобального, синоптического, мезо- и микромасштабов. Это позволяет выделять в пространственной структуре поля составляющие, различающиеся своимл пространственно-времменными масштабами изменчивости. При этом основными объектами исследования спутниковой радиометрии в настоящее время являются неоднородности глобального, синоптического и мезомасштабов, поскольку характерные пространственные размеры неоднородностей микромасштаба значительно меньше элементов разрешения спутниковых антенных систем на зондируемой поверхности.

2. Показано, что глобальная составляющая пространственной структуры радиотеплового поля имеет пространственные размеры 2500-10000 км и времена изменчивости 10 суток - 1 месяц и определяется среднеклимати-ческими (среднемесячными) значениями радиояркостных температур в заданной области океана. Для исследования свойств глобальной составляющей пространственной структуры радиотеплового поля обосновано использование радиояркостных температур 0, определяемых среднемесячными значениями Тп, (2 и нулевыми значениями V. Показано, что значения 0 близки к наиболее вероятным среднеклиматическим значениям, что повышает достоверность получаемых оценок. Установлено, что пространственная структура глобальной компоненты радиотеплового поля Мирового океана в диапазоне длин волн 0,8-8,5 см характеризуется, в основном, широтной изменчивостью.

3. Наличие в пространственной структуре радиотеплового поля возмущений синоптического и мезомасштабов подтверждено впервые полученными результатами анализа спутниковых экспериментальных данных (по измерениям с ИСЗ над северной частью Атлантического океана):

•в усредненных за месячный срок пространственных спектрах возмущений радиотеплового поля относительно его среднехлиматических значений наблюдаются две спектральные компоненты с резко различающимися амплитудно-частотными характеристиками; выделенные составляющие пространственного спектра удовлетворительно описываются монотонно убывающими экспоненциальными зависимостями; граничные частоты, на которых спектральные интенсивности выделенных компонент спектра сопоставимы по величине, равны 0,004 км (А=0,8 см), 0,003 км (А—1,35 см) и 0,002 км Ц=8,5 см), что соответствует линейным размерам неоднородностей 250, 330 и 400 км, т.е. выделенные компоненты спектра соответствуют синоптическим (250-2500 км) и мезомасштабным (2-250 км) неоднородностям поля; •взаимно корреляционные зависимости синоптических и мезомасштабных возмущений радиотеплового поля системы океанатмосфера в цикле 3-суточных измерений показывают наличие корреляции для синоптических составляющих и практически полное отсутствие корреляции для мезомасштабных составляющих поля;

•функции распределения усредненных за месячный срок синоптических возмущений близки к Д-распределениям I и 11 рода (I и VI типа по классификации Пирсона), мезомасштабные возмущения имеют практически симметричные распределения (IV типа по классификации Пирсона), среднеквадратические вариации синоптических возмущений радиотеплового поля в 3-5 раз превышают среднеквадратические вариации мезомасштабных возмущений;

4. Впервые предложена и обоснована методика коррекции калибровочных соотношений по априорным данным, позволяющая повысить точность привязки радиометрических данных к шкале радиояркостных температур.

5. Впервые обоснована целесообразность и выработаны рекомендации по использованию метода локальной регуляризации для снижения искажений радиометрических сигналов, возникающих при антснно.м сглаживании.

6. Развита методика уточнения параметров проекции диаграммы направленности на зондируемой поверхности по профилям радиометрических сигналов, полученным при пересечении осью антенной системы границы раздела протяженных участков суши и морской поверхности. Показано, что при

больших контрастах на границе раздела для восстановления параметров проекции диграммы направленности целесообразно использовать развитый в работе метод прямого дифференцирования, а при малых контрастах -модификацию метода локальной регуляризации.

7. Впервые предложена и сбоснозана методика оценок спектральных интенсивностей фоновых шумовых процессов по параметрам цифровых представлений радиометрических сигналов, в которой наряду с собственными шумами аппаратуры и шумами естественного происхождения учтены шумы цифровых преобразований, возникающие при передаче сигналов по цифровым каналам связи.

8. Разработана методика выделения составляющих пространственной структуры радиотеплового поля системы океан атмосфера. Она осуществляется в три этапа: 1) оценка значений радиояркостных температур глобальной составляющей поля по среднеклиматическим данным; 2) оценка суммарного вклада синоптических и мезомаспггабных возмущений как разности текущих значений радиояркостных температур и оценок глобальной компоненты радиотеплового поля; 3) разделение вкладов синоптических и мезомасштабпых возмущений путем пространственной фильтрации.

9. Впервые экспериментально определены и теоретически обоснованы пространственные и временные масштабы усреднения (накопления) экспериментальных данных, обеспечивающие получение корректных статистических оценок параметров, характеризующих пространственную структуру радиотеплового поля системы океанатмосфера. Показано, что получение достоверных статистических оценок параметров, характеризующих пространственную структуру радиотеплового поля системы океан-атмосфера, требует накопления данных за периоды не менее 1 месяца.

10. Развиты методы статистического моделирования пространственной структуры радиотеплового поля системы океан-атмосфера, учитывающие результаты анализа экспериментальных данных. Показаны особенности моделирования неоднородностей глобального, синоптического и мезомаспггабов.

11. Обоснована возможность обнаружения изменений синоптической обстановки на зондируемой поверхности с помощью критерия Нетипа-Пирсона - по характеристикам синоптических и мезомасштабпых возмущений пространственной структуры радиотеплового поля. При вероятности ложных тревог 0,05 вероятности правильного обнаружения, большие 0,90, имеют

синоптические образования с контрастами, превышающими 9 К для Л=0,8 см и 12 К для А=1,35 см. Эти контрасты наблюдаются приблизительно у 70% (при Л=0,8 см) и 65% (при Л=1,35 см) синоптических ситуаций на фоне антициклонических образований.

12. Развита методика восстановления значений геофизических параметров системы океан-атмосфера с использованием в качестве априорной информации статистических характеристик пространственной структуры радиотеплового поля - параметров функции распределения и пространственных спектров ра-диояркостных контрастов синоптического и мезомасштабов. В типичных для радиометрических двухканальных измерений (0,8 и 1,35 см) условиях использование параметров мезомасштабных возмущений позволяет уменьшить среднеквадратические ошибки восстановления <3 на 30-45%, а ошибки V/ - на 10-15%. Использование в этих же условиях параметров синоптических возмущений дает возможность провести коррекцию (^ на 0,08-0,13 г/см и V/ на 0,005-0,01 кг/м с тем, чтобы исключить систематические ошибки восстановления (2 и V/, связанные с асимметрией их функций распределения.

13. Впервые предложен и развит метод оперативного восстановления геофизических параметров системы океан-атмосфера. Показаны возможности использования этого метода для восстановления (^ и Тп. Высокая скорость восстановления позволяет использовать этот метод при построении двумерных полей геофизических параметров в реальном масштабе времени. Точность восстановления значений (} и Тп составляет 0,3-0,4 г/см и 2,1° С, соответственно.

14. Систематизированы и классифицированы методические особенности применения результатов экспериментального анализа пространственной структуры радиотеплового поля для оптимальной интерполяции результатов трассовых измерений при построении двумерных полей радиояркостных температур и полей геофизических параметров.