Adjustment of Precipitation Restoration Algorithm According to MTVZA-GYa No. 2-2 Measurements

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, большое внимание научного сообщества направленно на исследование климатических процессов и явлений, в особенности связанных с глобальным потеплением. Большой вклад в климатические изменения вносят процессы, происходящие в атмосфере планеты. Одним из них являются осадки в виде дождя и снега. Они имеют огромное значение для метеорологии и климатологии, так как влияют на радиационный баланс Земли, распределение тепла и влаги, а также на формирование погодных явлений. Осадки – одна из главных составляющих глобальной циркуляции воды и энергии, помогающая регулировать климат.

Измерение количества и интенсивности осадков в глобальном масштабе достаточно сложная задача, связанная, в первую очередь, с неравномерностью их выпадения. И, во-вторых, с нехваткой приборов, способных детектировать и измерять осадки (особенно в открытом океане). Решением указанных проблем является использование приборов космического базирования, которые позволяют охватывать наблюдениями большие участки поверхности и атмосферы с максимальной детализацией. Основными видами приборов для измерения осадков являются радары и микроволновые радиометры. Далее в работе речь идет только о радиометрических приборах спутникового базирования.

Самыми известными радиометрическими приборам, используемыми для оценки интенсивности осадков являются: ATMS (Advanced Technology Microwave Sounder), MWRI-1 (Micro-Wave Radiation Imager 1), SSMIS (Special Sensor Microwave - Imager/Sounder), AMSR-2 (Advanced Microwave Scanning Radiomete). Так же существуе система GMI-Core (Global Precipitation Measurement Microwave Imager), в которой собираются все доступные радиометрические наблюдения (Kummerow et.al., 2015; Zabolotskikh, Chapron, 2015; Zhang et.al., 2018; Surussavadee, Staelin, 2010). Среди отечественных, есть серия приборов МТВЗА (Модуль Температурного и Влажностного Зондирования Атмосферы), которые запускались на КА “Метеор-М” № 1 (17 сентября 2009 г.), № 2 (8 июля 2014 г.), № 2-2 (5 июля 2019г), № 2-3 (27 июня 2023 г.) и № 2-4 (29 февраля 2024 г.) (Болдырев и др., 2008; Чернявский и др., 2018).

В работе (Сазонов, 2023) проведено исследование возможности восстановления интенсивности осадков по измерениям МТВЗА-ГЯ № 2-2. Анализ был проведен на данных, полученных за 2020 г. Был представлен алгоритм восстановления интенсивности осадков, разработанный по аналогу модели ALG’85 (Ferraro, 1997), в которой для оценки интенсивности осадков используется индекс рассеяния на высокочастотном радиометрическом канале порядка 90ГГц. В работе проведено моделирования индекса рассеяния на основе данных МТВЗА-ГЯ и его сравнение с данными реанализа GPM IMERG (Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurements) (Huffman et.al., 2019). Для восстановления интенсивности осадков предложено использовать полином четвертой степени. Полученные количественные оценки показывают, что разброс СКО достигает 50%, а коэффициент корреляции не превышает 0,75. Качественное сравнение указывает на существенную разницу между восстановленными осадками и данными GPM IMERG, а именно, на наличие смещения области осадков. В результате анализа был сделан вывод, что одной из причин может быть некорректное сведение лучей диаграмм направленности для различных частотных каналов прибора МТВЗА-ГЯ.

В работе (Сазонов, Садовский, 2024) был выполнен анализ качества геопривязки группы каналов 52 – 91 ГГц прибора МТВЗА-ГЯ №2-2. Показано, что геопривязка группы высокачастотных каналов, выполненная программой предварительной обработки данных имеет ошибку более 40 км. Именно эта ошибка и приводит к смещению областей индекса рассеяния (осадков), указанных в работе (Сазонов, 2023). Предложенный в работе алгоритм корректировки геопривязки группы каналов 52 – 91 ГГц позволил уменьшить ее ошибку до 7,62 км.

Описанные выше результаты по корректировке геопривязки свидетельствуют о том, что алгоритм восстановления интенсивности осадков, представленный в работе (Сазонов, 2023) должны быть пересмотрен. Таким образом, целью настоящей работы является корректировка алгоритма восстановления интенсивности осадков над поверхностью океана по данным прибора МТВЗА-ГЯ №2-2. А также сравнение восстановленных осадков с данными других радиометрических приборов, в частности SSMIS и AMSR-2.

РАСЧЕТ ИНДЕКСА РАССЕЯНИЯ ПОСЛЕ КОРРЕКТИРОВКИ ГЕОПРИВЯЗКИ

Индекс Рассеяния (англ. Scattering Index) SI характеризует наличие веществ в атмосфере и на поверхности, которые рассеивают восходящее радиотепловое излучение. Применительно к радиометрическим каналам прибора МТВЗА-ГЯ индекс рассеяния для частоты 91,65ГГц вертикальной поляризации (V), может быть записан как

$SI=F-T_{\mathrm{91,65}}^V$, (1)

где F – это функция, выраженная в виде суммы с весовыми коэффициентами радиояркостных температур на частотах отличных от 91,65ГГц, и характеризующая каким могло бы быть излучение на частоте 91,65ГГц в отсутствии рассеяния. $T_{\mathrm{91,65}}^V$ – радиояркостная температура на частоте 91,65 ГГц вертикальная поляризация. Подробный алгоритм расчета функции F и оценка статистических показателей регрессии, приведены в работе (Сазонов, 2023).

Коэффициенты регрессии для функции F (2) были пересчитаны с учетом новой геопривязки для частоты 91,65 ГГц. Набор слагаемых регрессии остались такими же, как и в работе (Сазонов, 2023). Изменения коснулись только значений самих коэффициентов регрессии (таблица 1).

Таблица 1. Коэффициенты аi регрессии (2)

$$\begin{gathered} F=a_0+a_1\cdot T_{\mathrm{10,6}}^V+a_2\cdot {\left(T_{\mathrm{10,6}}^V\right)}^2+ \\ +a_3\cdot T_{\mathrm{23,8}}^V+a_4\cdot {\left(T_{\mathrm{23,8}}^V\right)}^2+a_5\cdot T_{\mathrm{31,5}}^V+a_6\cdot {\left(T_{\mathrm{31,5}}^V\right)}^2+ \\ +a_7\cdot T_{\mathrm{23,8}}^H+a_8\cdot {\left(T_{\mathrm{23,8}}^H\right)}^2, \end{gathered}$$ (2)

где коэффициенты a₀ – a₈ приведены в таблице 1.

На рис. 1 (а, б) приведены две карты с расчетом индекса рассеяния SI для одной и той же области восходящего полувитка, (а) – для случая без корректировки, (б) – после корректировки геопривязки канала 91,65ГГц. На левом рисунке отчетливо видна область, в которой индекс рассеяния принимает отрицательные значения и находится над зоной с осадками. Аналогичная картина наблюдается и на нисходящих витках (здесь не показаны), только с той разницей, что область отрицательного рассеяния находится под зоной с осадками. Это систематически проявляется на всех доступных данных. В работе (Сазонов, 2023) было выдвинуто предположение, что лучи диаграмм направленности для различных частотных каналов прибора МТВЗА-ГЯ сведены некорректно, что и является причиной появление областей с отрицательным индексом рассеяния.

Рис. 1. Индекс рассеяния SI (К) для восходящих витков. Данные за 06.06.2020 г. (а) До корректировки высокочастотных каналов, (б) после корректировки.

В результате расчетов по формуле (1) были полученные карты с индексом рассеяния после выполнении корректировки геопривязки (рис. 1, б). Как можно отметить области с отрицательным рассеянием уменьшились. Оставшиеся небольшие отрицательные значения укладываются в величину разброса, указанную в работе (Сазонов, 2023).

УТОЧНЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИНТЕНСИВНОСТИ ОСАДКОВ ОТ ИНДЕКСА РАССЕЯНИЯ

Анализ и построение зависимости интенсивности осадков I от индекса рассеяния SI проводится по алгоритму, представленному в работе (Сазонов, 2023). Алгоритм состоит из нескольких этапов. (1) Исходные данные собираются в композитное изображение за одни сутки для восходящих и нисходящих полувитков. (2) Полученные композитные карты совмещаются с картами осадков из реанализа GPM IMERG по времени. (3) Области с осадками выделяются из композитных карт. (4) Среди всех областей с осадками, для анализа выбираются только те, в которых временное расхождение между реанализом и измерениями МТВЗА-ГЯ не превышают ±1 минуту.

В работе (Сазонов, 2023) для получения зависимости интенсивности осадков от индекса рассеяния SI по выбранной области все значения, как осадков, так и рассеяния были построены в ряд и отсортированы по убыванию. Эта операция проводилась из-за неточностей геопривязки и необходимости дополнительного сведения областей с рассеянием и осадками. После пересчета и уточнения геопривязки эта операция более не нужна. Теперь зависимость SI(I) строится напрямую по значениям с одинаковыми координатами точки наблюдения.

На рис. 2 приведена связь интенсивности осадков, полученных по данным реанализа GPM IMERG, с индексом рассеяния SI по данным МТВЗА-ГЯ. В статистику вошли все области для нисходящих и восходящих полувитков с временным совмещением ±1 минута. Полученные графики соответствуют результатам, представленным в работе (Сазонов, 2023), и, следовательно, корректировка геопривязки выполнена правильно и данные пригодны для дальнейшего анализа.

Рис. 2. Связь интенсивности осадков, полученных по данным реанализа GPM IMERG, с индексом рассеяния SI по данным МТВЗА-ГЯ для восходящих и нисходящих витков. Статистика по всем областям, накопленным за 2020 год в диапазоне временного совмещения ± 1 минута. Шкала указывает количество измерении, попавших в диапазон ΔSI = 0,5 К и ΔI = 0,5 мм/ч.

Графики для восходящих и нисходящих витков (рис. 2) в диапазоне осадков до 20 мм/ч практически идентичны. В диапазоне осадков более 20 мм/ч (и для SI > 50) данных очень мало и поэтому статистика не достоверна. Таким образом, для построения функциональной связи SI с интенсивностью осадков данные с обоих типов витков объединены.

Предложенный в работе (Сазонов, 2023) полином 4-ой степени (3) был пересчитан в соответствии с новой статистикой. Аппроксимация построена в предположении, что погрешности реанализа и ошибки моделирования SI отсутствуют. На рис. 3а приведены средние значения интенсивности осадков от SI, диапазон накопления ΔSI = 2, и СКО, которое обуславливает 68% всех точек. На рис. 3б приведен график зависимости СКО восстановления интенсивности осадков от реанализа для прибора МТВЗА-ГЯ. Так же выполнен расчет СКО для приборов AMSR-2 и SSMIS. Сравнение СКО этих приборов представлено в следующем разделе.

Рис. 3. (а) Зависимость интенсивности осадков от индекса рассеяния SI и ее аппроксимация функцией (3). (б) Среднеквадратичное отклонение восстановленной интенсивности осадков от реанализа.

$I=a+b\times SI+c\times S{I}^2+d\times S{I}^3+e\times S{I}^4$, (3)

где значения коэффициентов полинома приведены в таблице 2.

Таблица 2. Коэффициенты полинома (3)

РЕЗУЛЬТАТ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ МТВЗА-ГЯ

На рис. 4 приведена глобальная карта восстановленных по представленному ранее алгоритму интенсивность осадков. Качественное сравнение полученной карты с реанализом показало, что все зоны с осадками совпадают. Минимальный уровень восстановления осадков составил 0.4 мм/ч. Это связано с наличием шумов на радиометрическом канале (23,8 ГГц, вертикальная поляризация), что приводит к ложному детектированию осадков с малой интенсивностью. Поэтому был установлен пороговый уровень в 0.4 мм/ч, чтобы максимально отфильтровать ложные значения осадков. В сравнение, для приборов SSMI как указано в статье (Ferraro, 1997), осадки не восстанавливаются при SI < 10. В представленной модели при SI = 10 интенсивность осадков составляет ~ 1 мм/ч.

Рис. 4. Восстановленная интенсивность осадков по данным МТВЗА-ГЯ №2-2. Данные за 21 июля 2020 г.

Представленная на рис. 4 карта осадков аналогична результатам, получаемым с приборов AMSR-2 и SSMIS. На рисунке 5 представлены карты осадков для одной и той же области для приборов AMSR-2, МТВЗА-ГЯ (№2-2) и SSMIS (f18). Указанные два прибора наиболее близки по времени к измерениям МТВЗА-ГЯ. Локальное время пересечения экватора для приборов составляет (среднее, по состоянию на 2020 год): AMSR-2 – 13 часов 33 мин., МТВЗА-ГЯ – 15 часов 00 мин., SSMIS F18 17 часов 00 мин. Получается, что первым измеряет AMSR-2, за ним через 1,5 часа измеряет МТВЗА-ГЯ и еще через 2 часа измеряет SSMIS. В нижнем ряду рис. 5 приведены данные из реанализа совмещенные по времени для каждого из приборов.

Рис. 5. Сравнение интенсивности осадков, восстановленных по данным МТВЗА-ГЯ, с осадками по AMSR-2 и SSMIS. Данные за 21 июля 2020 г.

В представленной области интенсивность осадков для МТВЗА-ГЯ совпадает с данными из реанализа. Отчетливо восстановлена область с осадками более 25 мм/ч, несколько хуже восстановлена область с малой интенсивностью (< 1-2 мм/ч), что может быть связано с описанной ранее фильтрацией ложных срабатываний. Также восстановленная область осадков качественно сходится и с измерениями AMSR-2 и SSMIS, несмотря на большую разницу по времени. Стоит отметить, что восстановленные осадки по AMSR-2 и SSMIS лучше сходятся с реанализом, потому что их данные этим реанализом усваиваются, в отличие от данных МТВЗА-ГЯ. Так же для совмещения данных по времени используется интерполяция между соседними по времени глобальными картами осадков из реанализа, в котором данные представлены с интервалом в 1 час. Для осадков такая разница по времени критична, и интерполированная карта на определенное время, отстоящее от времени измерений, не может отображать истинной картины происходящего, таким образом, сравнение с реанализом стоит считать условным.

Количественное сравнение между спутниковыми приборами напрямую провести невозможно ввиду того, что выпадение осадков очень динамичный и быстро меняющийся процесс. Можно провести только статистическое сравнение отклонений при восстановлении осадков. На рис. 3б приведен график зависимости СКО восстановлении интенсивности осадков от реанализа для прибора МТВЗА-ГЯ. Так же выполнен расчет СКО для приборов AMSR-2 и SSMIS (анализ за весь 2020 год). СКО для AMSR-2 и SSMIS практически совпадают, что ожидаемо, за счет усвоения реанализом данных этих приборов. СКО для МТВЗА-ГЯ меньше, это объясняется тем, что для вычисления коэффициентов функции (3) используется часть реанализа.

Для оценки точности восстановления интенсивности осадков стоит использовать погодные радары. К сожалению, в открытом океане таких радаров крайне мало, а использование данных с радаров на побережье проблематично из-за большого пространственного разрешения прибора МТВЗА-ГЯ. Вблизи береговой линии восстановление геопараметров не проводится. Однако, исходя из представленных результатов качественного (рис. 5) и статистического сравнения (рис. 3б), можно заключить, что точность восстановления интенсивности осадков по данным прибора МТВЗА-ГЯ если не лучше, то, как минимум сравнима с точностями приборов AMSR-2 и SSMIS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленное исследование показало огромный потенциал серии приборов МТВЗА-ГЯ для восстановления интенсивности осадков над поверхностью воды. В настоящей работе была выполнена корректировка алгоритма восстановления интенсивности осадков. Были рассчитаны глобальные карты осадков за 2020 год. Сравнение указанных карт с аналогичными результатами, полученными по приборам AMSR-2 и SSMIS, показали, что интенсивность осадков восстанавливается адекватно. Статистический анализ показал, что осадки по данным МТВЗА-ГЯ можно восстанавливать во всем диапазоне, однако, только в диапазоне до 25 мм/ч, можно получать достоверные данные с точностью ~ 50%. В диапазоне осадков более 25 мм/ч данных для сравнения мало и статистика недостоверна.

Наиболее важным выводом проделанного исследования является возможность восстанавливать интенсивность осадков по данным серии приборов МТВЗА-ГЯ со статистической точностью не хуже, чем у зарубежных приборов.

Необходимо продолжать исследования в данном направлении и перейти к решению задачи восстановления осадков над поверхностью суши, а в дальнейшем и в береговой линии. Так же необходимо вернуться к задаче восстановления температуры поверхности океана и скорости приводного ветра по данным прибора МТВЗА-ГЯ (Сазонов, 2022). С учетом результатов настоящей работы, провести корректировку алгоритмов восстановления других геопараметров в зонах с интенсивными осадками.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает благодарность: А.М. Стрельцову (АО “Российские космические системы”) за своевременное и оперативное предоставление предобработанных данных измерений МТВЗА-ГЯ, использованных в работе.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (тема “Мониторинг”, госрегистрация № 122042500031-8).

About the authors

D. S. Sazonov

Author for correspondence.
Email: sazonov_33m7@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. SI scattering index (K) for ascending turns. Data for 06/20/20 (a) Before the correction of high-frequency channels, (b) after the correction.

Download (181KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Relationship of the precipitation intensity obtained from the GPM IMERG reanalysis data with the SI scattering index according to the MTG data for ascending and descending windings. Statistics for all regions accumulated over 2020 in the time range of ± 1 minute. The scale indicates the number of measurements that fall within the range of ΔSI = 0.5 K and ΔI = 0.5 mm/h.

Download (325KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. (a) The dependence of precipitation intensity on the SI scattering index and its approximation by the function (3). (b) The standard deviation of the reconstructed precipitation intensity from the reanalysis.

Download (294KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Restored precipitation intensity according to the data of MTVZA-GYa No. 2-2. Data for July 21, 2020

Download (610KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Comparison of precipitation intensity, restored according to the MTVZA-GYa data, with precipitation according to AMSR-2 and SSMIS. Data for July 21, 2020

Download (472KB)

Indexing metadata