Развитие полярно-орбитальных спутников

Началом эры спутниковой метеорологии стал день запуска Советским Союзом спутника №1 04 октября 1957 года. Со спутника №1 были получены первые изображения атмосферы и поверхности нашей планеты из космоса.

(a) автоматическую передачу изображений (АПИ), технологию,

которая впервые была применена на спутнике ТИРОС - VIII; в настоящее время очень простые наземные приемные станции по всему миру могут получать изображения со спутника в реальном времени - АПИ была признана одним из величайших американских «послов доброй воли» (Popham, 1985);

(b) переход к съемке в надир, начиная со спутника ТИРОС-IX, которая заключается в том, что телевизионное изображение получается в тот момент, когда камера направлена непосредственно в подспутниковую точку, что позволило облегчить географическую привязку спутниковых изображений;

(c) использование солнечно-синхронных орбит, это означает, что спутник на каждом смежном витке орбиты пересекает экватор в одно и то же солнечное местное время. Это позволило создавать глобальные мозаики спутниковых изображений и открыло дорогу ряду важных научных проектов, включая Всемирную программу исследования климата.

Экспериментальная серия спутников ТИРОС уступила дорогу девяти оперативным спутникам серии ТОС, запускавшихся в период между 1966 и 1969 гг., и называемых от ESSA - 1 до ESSA - 9, по аббревиатуре головного в то время ведомства: Environmental Science Services Administration (Управление по изучению окружающей среды). Параллельно с серией оперативных спутников ESSA, НАСА разработала и поддерживала серию исследовательских спутников «Нимбус», одной из главных целей которой было служить в качестве полигона для тестирования оборудования будущих полярно­орбитальных оперативных спутников. В этой области программа оказалась очень плодотворной (трехосная стабилизация, усовершенствованная система камер видикон, инфракрасные построители изображений, микроволновые радиометры, инфракрасные атмосферные зонды). Более детально о влиянии инструментария «Нимбус» на оперативные полярно-орбитальные спутники можно найти в статье Allison и др. (1977). Серия «Нимбус» обеспечила научную базу и заложила фундамент для использования спутниковых данных в ряде прикладных наук о Земле. Гасс и Шапиро (1982) опубликовали превосходный обзор достижений серии «Нимбус» в области метеорологии, океанографии, гидрологии, геологии, геоморфологии, географии, картографии и сельского хозяйства. Они отмечают , что программа «Лэндсат» своими корнями уходит непосредственно к «Нимбус».

Спутники «Нимбус» использовались также для проведения глобальных погодных экспериментов, организованных Комитетом по космическим и атмосферным исследованиям (КОСПАР). Решения и публикации 6-ой Рабочей группы КОСПАР послужили основой для общей структуры и детального состава экспериментальной спутниковой наблюдательной системы в рамках Первой Программы по атмосферным исследованиям (First Global Atmospheric Research Programme Global Experiment) и для последующей международной оперативной спутниковой системы.

Значительные достижения серии спутников ESSA заключались в

глобальном покрытии, обеспечиваемым бортовыми системами записи на

нечетно пронумерованных космических аппаратах, и АПИ на четно пронумерованных спутниках.

В связи с успешным получением глобального изображения атмосферы и земной поверхности, завершенным в 1964 году, главный акцент сместился в сторону измерения вертикального распределения температуры и влажности в атмосфере для лучшей калибровки глобальных численных моделей прогноза погоды. Кинг (1958) и Каплан (1959) опубликовали работы, в которых говорилось о том, что температуру атмосферы или концентрацию разряженного газа можно представить в виде функции уровня атмосферного давления. Кинг показал, что измерения атмосферы при нескольких тангенциальных углах обзора также могут обеспечить информацию об изменении температуры с высотой. Каплан предположил, что это может быть выполнено с помощью измерений в нескольких узких и тщательно отобранных спектральных интервалах, путем инверсии процесса радиационного переноса. Температурные профили получают, используя интенсивность излучения CO2 в атмосфере, а концентрация влаги затем выводится, основываясь на интенсивности излучения H2O в атмосфере. Приземные температуры оценивают из наблюдений в спектральных диапазонах, где атмосфера наиболее прозрачна. Варк и Флеминг (1966) подробно изложили методы косвенных измерений атмосферных профилей со спутников.

Метеорологические наблюдения из космоса производятся посредством измерения уходящей электромагнитной радиации. Уходящая от земли в космос радиация изменяется с длиной волны по двум причинам: (a) из-за зависимости функции Планка от длины волны; (b) из-за поглощения атмосферными газами с разной молекулярной структурой (CO2, H2O, O3...). На рисунке 1.1 показан инфракрасный спектр излучения Земли. Вблизи полос поглощения газов, входящих в состав атмосферы, могут быть получены вертикальные профили атмосферных параметров.

Было выдвинуто предположение, что при тщательном выборе спектральных каналов в центре и вблизи полос поглощения, многозональные наблюдения могут обеспечить информацию о вертикальной структуре температуры и влажности в атмосфере. Концепция восстановления данных по вертикальному распределению основана на том факте, что поглощение и пропускание атмосферы сильно зависит от частоты радиации и количества поглощающего газа. При частотах близких к центрам полос поглощения небольшое количество газа приводит к значительному ослаблению трансмиссии; следовательно, больше всего уходящей радиации поступает от верхних слоев атмосферы. При частотах далеких от центров полос поглощения для ослабления пропускания требуется относительно большое количество поглощающего газа; соответственно, уходящая радиация поступает с нижних слоев атмосферы. Однако восстановление температурных профилей усложняется тем фактом, что измеренная для определенной длины волны уходящая радиация поступает скорее с большой глубины (приблизительно 10 км) атмосферы. Кроме того, зарегистрированная в соседних спектральных областях радиация поступает от глубоких перекрывающихся слоев.

Первое восстановление температурных профилей было осуществлено с помощью инфракрасного спутникового спектрометра (SIRS), дифракционного спектрометра на борту «Нибус»-3, в 1969 году. (Варк и др., 1970). Сравнение с данными наблюдений, полученными с радиозонда, показало, что вертикальные профили температуры, полученные со спутника, были характерно осредненными, со сглаженными деталями вертикального распределения. Главные проблемы ранних наблюдений с помощью SIRS были вызваны наличием облачности в пределах зоны обзора прибора, 250 километрового диаметра. Наблюдения с SIRS также проводились только в надир, соответственно существовали большие пробелы в данных между смежными витками орбиты. Несмотря на эти проблемы, данные SIRS, оказались настолько перспективными в плане преимуществ анализа текущей погоды и прогнозирования, что стали использоваться в оперативной практике с 24 Мая 1969 года, всего лишь месяц спустя после запуска спутника, (Смит и др., 1970). Пример вклада данных SIRS в модельный анализ показан на рисунке 1.2. В полезную нагрузку «Нимбус-3» также входили инфракрасный спектрометр интерферометр (IRIS), интерферометр Майкельсона, который измерял вторичное излучение Земли с высоким спектральным разрешением (5см ^-1). IRIS имел 100 километровое разрешение, а наблюдения проводились только в надир, вдоль траектории движения спутника. Измеренный с помощью этого интерферометра спектр излучения Земли позволил выявить неизвестные до того времени детали о полосах поглощения углекислого газа, водяного пара и озона (Хэнел и др., 1971).

В 1972 году был разработан проект, позволяющий сократить влияние облачности за счет более высокого пространственного разрешения (30 км) и использования пространственно непрерывных наблюдений, ставших с тех пор возможными благодаря возможности сканирования не вдоль, а поперек траектории движения спутника. Что стало возможным благодаря использованию семиканального инфракрасного радиометра ITPR на борту «Нимбус-5» (Смит и др., 1974a). С использованием метода обзора смежных полей, стало возможным определять значения чистой радиации, предполагая, что различия в интенсивности излучения между двумя смежными полями обзора существуют только из-за количества облаков. Концепция ITPR была крайне успешной для уменьшения влияния облачности в задачах синоптического масштаба. Действительно, зондирование земной поверхности стало тогда возможным над 95 процентами Земного шара со средней полосой обзора порядка 250 морских миль.

Также на борту «Нимбус-5» находилось первое микроволновое зондирующее устройство - экспериментальный микроволновый спектрометр (NEMS) - пятиканальный прибор, производящий наблюдения в надир (Стэлин и др., 1973). NEMS продемонстрировал возможность зондирования сквозь облачный покров даже в условиях сплошной плотной облачности. Было достигнуто хорошее согласование результатов зондирования радиозонда, ITPR и NEMS. Было выявлено, тем не менее, что лучшие результаты могут быть достигнуты при объединении данных инфракрасного и микроволнового диапазонов в процессе восстановления температурных профилей, тем самым, позволяя получить максимум доступной информации о температуре, независимо от условий облачности (Смит и др., 1974).

Третий спутник серии ITS был запущен в середине октября 1972 года под названием NOAA-2, по названию головного ведомства, переименованного в Национальную администрацию по исследования океана и атмосферы США (NOAA). На его борту был установлен первый радиометр VHRR и радиометр VTPR, с помощью которого стало возможным оперативное термодинамическое зондирование. В то время как ранее вклад в численные модели прогноза погоды опирался на интерпретацию изображений облаков с помощью программы с легко запоминающейся аббревиатурой SINAP (Satellite Input to Numerical Analysis and Prediction, Нейджел и Хайден, 1971), с этого момента результаты зондирования со спутников стали обеспечивать количественные данные (Смит и др., 1986).

Из имеющихся в распоряжении в начале 70-х результатов исследований было выявлено, что оптимальные температурные профили могут быть получены при использовании уникальных характеристик, получаемых в диапазонах полос поглощения 4.3 мкм, 15 мкм и 0.5 см. Как следствие, был разработан инфракрасный радиометр высокого разрешения (HIRS), обеспечивающий наблюдения, как в канале 4.3, так и в канале 15 мкм., который был дополнен микроволновым каналом 0.5 см сканирующего микроволнового спектрометра (SCAMS). Конструкция HIRS включала пассивно охлаждаемые детекторы, что позволяло производить полное поперечное сканирование, радиометр SCAMS также сканировал поперек трассы движения спутника, но с более низким пространственным разрешением. Эксперимент HIRS успешно продемонстрировал улучшенные возможности зондирования нижней тропосферы, вследствие выполнения дополнительных наблюдений в канале 4.3 мкм.

Оперативное использование данных устройств было достигнуто в 1978 году с запуском космического аппарата ТИРОС-Н, на борту которого были установлены радиометр HIRS и микроволновый зонд (MSU). Чтобы охватить всю высоту атмосферы были тщательно выбраны каналы. Инфракрасное зондирование с горизонтальным разрешением 30 км были дополнено микроволновым зондированием с горизонтальным разрешением 150 км (Смит и др., 1979). Дополнительные инфракрасные и микроволновые приборы на борту каждого из полярно орбитальных космических аппаратов обеспечили полное глобальное покрытие данными о профилях температуры и влажности каждые 12 часов при 250 километровой полосе обзора (Смит и др., 1981). На рисунке

1.3 для апреля 1980 года показаны различия в среднеквадратических отклонениях данных температурных профилей, полученных со спутника ТИРОС и с радиозонда. Разницу в 2.5° C не следует интерпретировать буквально как ошибку, пространственные и временные различия между двумя видами наблюдений вносят такой же значительный вклад, как и изменчивость атмосферы. Даже при дополнении данных результатами микроволнового зондирования, очевидно, что точность зондирования ухудшается с увеличением облачности.

Серии спутников ТИРОС-Н развились в серии спутников НОАА. На борту усовершенствованного ТИРОС-Н находилось следующее оборудование:

(a) пятиканальный усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR) для наблюдений за облачным покровом и погодными системами, получения температуры морской поверхности (Мак-Клэйн, 1979), обнаружения урбанистических островов тепла (Мэтсон и др., 1978) и пожаров (Мэтсон и Дозер), и оценки вегетативных индексов (Тарплей и др., 1984);

(b) улучшенный инфракрасный зонд высокого разрешения (HIRS/2) для проведения глобального зондирования температуры и влажности (Смит и др.,

1986);

(c) микроволновый зонд (MSU) низкого пространственного разрешения, главным образом, для проведения температурного зондирования в районах с наличием облачности;

(d) система накопления данных;

(e) приборы, установленные в рамках программы поиска и спасения (SAR), для помощи в поисковых и спасательных операциях.

В состав полезной нагрузки полярных спутников НОАА современного поколения входят усовершенствованный AVHRR (дополненный каналом 1.6 мкм для распознавания облачности, льда и снега) и приборы HIRS, которые продолжают выполнять свои основные функции; а также два усовершенствованных микроволновых радиометров (AMSU), которые обеспечивают данные температурного зондирования с горизонтальным разрешением около 50 км и данные зондирования влажности с горизонтальным разрешением примерно 15 км. Таким образом, с появлением в мае 1998 года усовершенствованного микроволнового зонда (больше каналов, лучшее пространственное разрешение) и продолжением использования инфракрасных зондов высокого разрешения (хорошее пространственное разрешение, развивающееся в более высокое спектральное разрешение), используются все возможности зондирования атмосферы.

Сейчас приборы ТИРОС-Н используются повседневно для измерения температуры и влажности, поверхностной температуры и параметров облаков. Была развита целая область применений, касающаяся сверхкраткосрочных прогнозов, а также оперативных краткосрочных прогнозов, которые включают в себя:

(a) мелкомасштабный анализ температуры и влажности в целях мониторинга и предсказания опасных явлений погоды;

(b) мелкомасштабный анализ приземной температуры;

(c) мелкомасштабный анализ атмосферной устойчивости;

(d) мелкомасштабная модернизация авиационных наборов данных в сетке «грид» полей температуры и ветра;

(e) оценка высоты и количества облаков;

(f) оценка интенсивности, максимальной силы ветра и локализации центра тропических циклонов; и

(g) оценка общего количества озона.

Эти данные стали частью оперативной практики служб погоды всего мира (Чедин, 1989).

Детально узнать о научных применениях съемки и данных зондирования с полярно-орбитальных спутников читатель сможет в книге Рао и др., (1990). Данная книга содержит разделы по применению спутниковых данных в метеорологии, в науках о земле и океане, применению спутниковых данных в климатологии, и использованию данных метеорологических спутников в сельском хозяйстве. Также для детального рассмотрения использования съемки с полярно-орбитальных спутников смотрите книгу Скорера (1990).

1.3