Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2016 номер 9

Настоящая статья посвящается памяти гениального ученого и организатора науки, главного теоретика космонавтики, единственного из математиков трижды Героя Социалистического Труда, президента Академии наук СССР, академика Мстислава Всеволодовича Келдыша (10.02.1911-24.06.1978 гг.) в год 105-летия со дня его рождения. Работа посвящена 55-летию первого полета человека в космос, который совершил 12 апреля 1961 г. первый космонавт планеты, гражданин Союза Советских Социалистических Республик Юрий Алексеевич Гагарин. Работа ориентирована на приложения теории переноса излучения к исследованиям радиационного форсинга на глобальную климатическую систему Земли в масштабах планеты и гиперспектрального подхода в дистанционном зондировании Земли. Спектральные наблюдения - один из важных каналов информации в дистанционном зондировании Земли. Измерение радиационных характеристик Земли как планеты во всех спектральных диапазонах от ультрафиолетового до миллиметрового позволяет получить важную информацию как о свойствах источников и механизмах их излучения, так и о той среде, которая поглощает, рассеивает и отражает электромагнитные волны. В плане реализации натурных наблюдений это грандиозная задача будущего, а в настоящее время предлагается развитие информационно-математического аспекта и сценарного подхода к решению поставленной проблемы на основе математического моделирования на суперкомпьютерах и параллельных супервычислений. Важно сформулировать универсальные системные модели и методы для супервычислений в задачах космического экологического и климатического мониторинга и исследования спектральных характеристик радиационного баланса и альбедо сферической Земли как глобальных характеристик эволюции климата планеты.

Анализируются возможности повышения информативности спутникового зондирования атмосферы методами ИК-спектроскопии путем повышения спектрального разрешения аппаратуры и использования поляризационных измерений солнечного и теплового излучения. Показаны недостатки современных методов учета молекулярных спектров поглощения как в «строгих» (line-by-line), так и «быстрых» (основанных на k-распределениях) моделях переноса атмосферной радиации. Обсуждаются подходы для устранения этих недостатков.

Показано, что после выделения анизотропной части решения (АЧР) в малоугловой модификации метода сферических гармоник (МСГ) оставшаяся регулярная часть решения (РЧР) является гладкой квазиизотропной функцией с отдельными пиками на угловом распределении. Гладкую часть РЧР без пиков можно определять в двухпотоковом или диффузионном приближении. Первая итерация от полученного углового распределения яркости существенно уточняет решение и позволяет восстановить указанные угловые пики. Квазидиффузионное приближение - выделение АЧР на основе МСГ, определение РЧР в диффузионном приближении и уточнение решения на основе первой итерации - не зависит от симметрии задачи, а потому обобщается на случай произвольной геометрии среды.

Методом Монте-Карло изучаются особенности распространения лазерных импульсов и формирования лидарных эхосигналов при дистанционном зондировании облачности наземными и космическими лидарами. В частности, обнаружен эффект увеличения контрастности эхосигнала, который позволяет лучше «видеть» дальнюю границу облачности. Обсуждаются результаты статистического моделирования расширяющегося светового кольца, которое может возникать в облачном слое при прохождении сквозь него лазерного импульса. Кратко описываются возможности программного обеспечения, созданного автором для моделирования лидарных эхосигналов и представленного в сети Интернет.

Обсуждается проблема оценки изменения общего содержания озона (ОСО) в атмосфере. Отмечается, что приводимые в литературе сведения о скорости изменения озонового слоя противоречивы. По данным ИСЗ Aura (сенсор OMI) найдены тренды и сезонные колебания ОСО для средних широт обоих полушарий за 2005-2015 гг. В работе вместо обычного метода наименьших квадратов использован сингулярный спектральный анализ. Найдено, что в Cеверном полушарии ОСО выросло на 1,97% в расчете на 10 лет, в Южном - на 1,52%. С августа по декабрь 2015 г. произошло аномальное уменьшение ОСО в Южном полушарии. Показано, что одной из причин могли стать особые циркуляционные условия, когда из тропических широт на север было перенесено большее количество озона, чем обычно, а на юг - меньшее.

Моделирование пространственно-угловых характеристик отраженной солнечной радиации в разорванной облачности выполнено в сферической модели атмосферы с использованием статистических алгоритмов, развитых в ИОА СО РАН. Рассматриваются закономерности формирования полей яркости рассеянного излучения, обусловленные конечными размерами облаков, их взаимным затенением и переотражением излучения соседними облачными элементами (на примере отдельных облачных реализаций). Показано, что при малых и средних баллах облачности особенности поля яркости отраженной солнечной радиации определяются в основном локализацией облаков относительно направления визирования и направления «на Солнце».

Для целей атмосферной коррекции спутниковых изображений ставится задача оценить, на каком расстоянии от центра облачного просвета влиянием облачности на спутниковое изображение можно пренебречь. Используется метод Монте-Карло с сопряженной схемой моделирования. Получено значение радиуса просвета в сплошном облачном поле, при котором влияние облаков изменяет интенсивность принимаемого излучения на 10%. Получены и объяснены зависимости принимаемой интенсивности от радиуса просвета.

Значительное увеличение в последние годы объемов данных, поступающих от систем спутниковых наблюдений Земли, делает все более актуальной задачу разработки новых технологий, позволяющих организовать эффективную работу со сверхбольшими, распределенными, постоянно пополняющимися архивами, обеспечивающими не только возможности эффективного поиска и выбора данных, но и их обработку. В настоящей статье рассмотрены возможности разработанных в Институте космических исследований РАН технологий, позволяющих создавать различные инструменты обработки и обеспечивающих использование для проведения анализа спутниковой информации распределенных вычислительных ресурсов центров обработки, архивации и представления данных дистанционного зондирования. Описаны преимущества и возможности предлагаемых подходов, приводятся примеры реализации инструментов для распределенной обработки данных, поступающих от различных спутниковых систем дистанционного зондирования. Приведенные примеры ориентированы на то, чтобы продемонстрировать возможности использования разработанных инструментов для решения задач анализа различных явлений, в том числе возникающих в атмосфере и на поверхности океана.

Предложена аналитическая аппроксимация спектров уходящего излучения на верхней границе безоблачной атмосферы в видимой и ближней ИК-области спектра и основанная на ней быстрая методика атмосферной коррекции. Для получения аналитических формул используется параметризация вкладов отдельных составляющих излучения и достаточно простая оптическая модель атмосферы, включающая небольшое число параметров (5-7), существенных с точки зрения влияния на перенос излучения. При этом в методике не требуется использования априорной информации о параметрах атмосферы или земной поверхности. Для определения неизвестных параметров модели путем решения обратной задачи с аналитической целевой функцией используются только сами корректируемые данные (изображения) с числом спектральных каналов, не меньшим числа неизвестных параметров. Разработанная методика предназначена в первую очередь для коррекции гиперспектральных изображений либо спектрозональных и мультиспектральных изображений, съемка которых сопровождается измерением спектров отдельных пространственных зон на изображениях (спектрометр, работающий параллельно с системой съемки изображений). Предложенная аппроксимация отличается достаточно высокой точностью, что проверено на большом количестве вариантов расчетов спектров уходящего излучения с использованием программ решения прямой задачи переноса излучения.

Работа посвящена развитию средств интеграции информационного и программного обеспечения для задач тематической обработки данных дистанционного зондирования Земли. Представлена автоматная модель организации обработки распределенных данных, обеспечивающая интеграцию разнородных распределенных данных и алгоритмов тематической обработки в рамках информационной системы. Используемый авторами подход показан на примере создания прототипа системы интеграции, включающей алгоритм расчета корректирующих атмосферных поправок на основе физической модели формирования оптических изображений земной поверхности.

Влажность почвы имеет большое значение при решении задач гидрологии, экологии, климатологии и сельского хозяйства, так как определяет водный и тепловой режим почвы и влияет на приземные слои атмосферы. В настоящее время оценить влажность почвы можно с использованием систем дистанционного зондирования Земли. Приведена оценка получаемой спутниковой продукции и выявлены закономерности, аномалии и причины их появления. Представлено сравнение данных спутниковых измерений за теплый период 2011-2012 гг. с прямыми измерениями влажности почвы на пяти сетях метеорологических станций на территории США. Показана удовлетворительная связь между двумя видами измерений, выявлены районы с хорошей и неудовлетворительной зависимостью и возможные причины рассогласованности данных. Полученные данные могут быть использованы в других географических районах с однотипными подстилающими поверхностями и орографией. Предложены критерии для процедуры контроля качества спутниковых данных измерений.

Рассматривается подход к нормализации вегетационного индекса, рассчитываемого по измерениям спектрорадиометра MODIS. Для этих целей привлекаются дополнительные спектральные каналы спектрорадиометра, на основе которых рассчитываются облачный и снежный индексы, позволяющие построить облачную маску и выделить временные отрезки наличия облачности. Построенные модели зависимости вегетационного индекса от температуры позволяют дополнительно улучшить форму временного ряда вегетационного индекса. Приводятся результаты применения предлагаемого подхода к реальным измерениям.