Радиозатменное зондирование атмосферы Земли: история, успехи и перспективы М. Е. Горбунов Институт физики атмосферы им.
Download ReportTranscript Радиозатменное зондирование атмосферы Земли: история, успехи и перспективы М. Е. Горбунов Институт физики атмосферы им.
Радиозатменное зондирование атмосферы Земли: история, успехи и перспективы М. Е. Горбунов Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН Содержание Принцип радиозатменного зондирования История радиозатменного зондирования атмосфер планет Эксперименты по радиозатменному зондированию атмосферы Земли Методы обработки данных, контроля качества и оценки ошибок Примеры Перспективы: зондирование в X/K диапазоне, прямое вариационное усвоение данных зондирования Радиозатменный принцип 1. Измерение рефракции сигналов систем спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС) в атмосфере Земли на трассах космос-космос. 2. Восстановление вертикальных профилей температуры, давления и влажности. Преимущества радиозатменного метода • • • • • Требуется минимум калибровок, что удобно для исследований климата. Погодно-независимый метода. Глобальное покрытие. Высокое вертикальное разрешение (50-100 м). Низкая стоимость аппаратуры Один из первых восстановленных профилей температуры, эксперимент GPS/MET, 1995. Истоки радиозатменного метода 1905—1907 гг.: Герглотц и Вихерт рассмотрели первую обратную задачу сейсмики и получили решение в виде преобразования Абеля. Phinney R. A. and Anderson D. L. On the radio occultation method for studying planetary atmospheres. – Journal of Geophysical Research, 1968. Fjeldbo G. and Eshleman R. The Atmosphere of Mars Analyzed by Integral Inversion of the Mariner IV Occultation Data, Planetary and Space. – Science, 1968. Fjeldbo G., Kliore A., and Eshleman R. The Neutral Atmosphere of Venus as Studied with the Mariner-5 Radio Occultation Experiments. – Astronomic Journal, 1971. Kolosov M. A., Yakovlev O. Y., Efimov A. I., Pavelyev A. G., Matyugov S. S. Radio occultation of the atmosphere and bistatic radiolocation of the Venus surface using the Venera 9 and 10 satellites. – Radio Science, 1979. Marouf E. A., Tyler G. L., and Rosen P. A. Profiling Saturn rings by radio occultation. – Icarus, 1986. Lindal G. F., Lyons J. R., Sweetnam D. N., Eshleman R., Hinson D. P., and Tyler G. L. The atmosphere of Uranus: Results of radio occultation measurements with Voyager 2. – Journal of Geophysical Research, 1987 Истоки радиозатменного метода • Lusignan B., Modrell G., Morrison A., Pomalaza J., and Ungar S. G. Sensing the Earth's atmosphere with occultation satellites. – Proceedings IEEE, 1969. • Rangaswamy S. Recovery of atmospheric parameters from the Apollo/Soyuz-ATSF radio occultation data. – Geophysical Research Letters, 1976. • Елисеев C. Д., Яковлев О. И. Радиопросвечивание атмосферы Земли в диапазоне миллиметровых радиоволн. – Известия вузов. Радиофизика, 1986. • Гурвич А. С. и Красильникова Т. Г., Навигационные спутники для радиозондирования атмосферы Земли. – Исследования Земли из космоса, 1987. • Melbourne W. G., Yunck T. p., Young L. E., Hager B. H., Lindal G. F., C. H. Liu and Born G. H. GPS geoscience instrument for EOS and Space Station. – JPL Proposal to NASA AO OSSA-1-88. – JPL, 1988. Эксперимент GPS/MET 1. Эксперимент GPS/MET (GPS meteorology) проводился в 1995 – 1997 гг. при помощи спутника Microlab-1. Эксперимент показал широкие возможности радиозатменного метода. 2. Институт физики атмосферы РАН активно участвовал в обработке данных. Были разработаны методы обработки данных, основанные на волновой оптике. Эксперимент CHAMP 1. CHAMP (Challenging Minisatellite Payload, Германия, США) – запущен в 2000 г. Обработка данных выполнялась в Центре геофизических исследований (Потсдам) и Институте Макса Планка по метеорологии в сотрудничестве с ИФА РАН. 2. Около 200 глобально распределенных зондирований в день. 3. Оперативная обработка выполнялась в Институте Макса Планка на основе алгоритмов, разработанных в ИФА РАН. 4. Немецкая Служба Погоды сотрудничала с ИФА РАН в области ассимиляции данных CHAMP в модель численного прогноза погоды. Эксперимент COSMIC 1. COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Atmosphere, and Climate, Тайвань, США): 6 низкоорбитальных спутников. 2. Около 3000 глобально распределенных зондирований в день. 3. В приемнике впервые реализована схема открытой петли. Обработка данных Измерение комплексных полей u1,2(t) в каналах L1/L2 (1.57542, 1.22760 ГГц) Контроль качества Восстановление углов рефракции ε(p) и оценка ошибок Восстановление температуры и давления Восстановление профиля показателя преломления Основные переменные • Амплитуда A1,2(t) (частота выборки 50 Гц) • Оптический путь Ψ1,2(t) (частота выборки 50 Гц) λ-1dΨ(t)/dt достигает 40 кГц • Координаты и скорости GPS и LEO • Расстояние GPS-LEO Ψ0(t) • Фазовая задержка S1,2(t) = Ψ1,2(t) - Ψ0(t) λ-1dS(t)/dt достигает 1000 кГц • Модельная (MSIS) фазовая задержка SM(t) (опорный сигнал) • ΔS1,2(t) = S1,2(t) – SM(t) dΔS/dt обычно не превышает 10-15 Гц. Пространственное разрешение Dy = 40 м Dt = 1/50 сек. GPS Vверт = 2 км/с H0 = 7.5 км L=3 000 Dy = 4 м Dx = 60 0 км Земля км LEO Dt = 1/50 сек. Эффекты сильной регулярной рефракции: • Рефракционное ослабление амплитуды • Сжатие зоны Френеля: • Улучшение вертикального разрешения F L d 1 L dp , 0.2 м; F 800...200 м Прицельная высота луча, p – rE, км Первичная обработка данных Угол рефракции, рад Ширина полосы на выходе приемника – 50 Гц Частота, МГц • Код C/A – частота 1 МГц, длина бита 300 м • Навигационная модуляция – 50 Гц Абелевское обращение Доплеровская частота Луч симметричная плоская кривая c VLEO u LEO LEO GPS c VGPS uGPS xLEO u LEO xGPS uGPS Угол рефракции arcsin uGPS u LEO Прицельный параметр p xGPS uGPS ( p) 2 p r0 Абелевское обращение 2 c 2 VGPS 2 c 2 VLEO d ln n(r ) dr dr n( r ) 2 r 2 p 2 ( p)dp 1 n( x) exp p p2 x2 x n( r ) r Показатель преломления Pw Nee2 P Pq n 1 N 1 c1 c2 2 ; P w T Rd Rd T me f 2 1 R R Показатель преломления Параметры нейтральной атмосферы P – давление Т – температура Pw – давление водяного пара q – удельная влажность Параметры ионосферы Ne – концентрация электронов q Физические константы с1 = 0.37 К2/мбар с2 = 7.76 × 10-5 К/мбар e – заряд электрона me – масса электрона Rd – газовая постоянная сухого воздуха Rv – газовая постоянная водяного пара Вклад крупномасштабных ионосферных неоднородностей удаляется при помощи двухчастотной линейной коррекции. Ионосферные неоднородности с масштабами < 1 км – главный источник ошибок. 1 f12 2 f 22 f12 f 22 Гидростатическое приближение Уравнение состояния R P Rd 1 1 q T Rd Сухая атмосфера ( z ) Уравнение гидростатики dP ( z ) g ( z )( z ) dz Ур. гидростатики Ур. состояния N ( z) P( z ) T ( z) c1Rd Восстановление влажности q(z) из N(z) c априорным профилем T(z) Rd T c1P NT R q ( P, T , N ) Rd Rd 2 1 NT c1 1 T c2 P R R dP( z ) g ( z ) P( z ) dz R Rd 1 1 q P( z ), T ( z ), N ( z ) T ( z ) Rd Проблемы Реальная атмосфера не является сферически-симметричной. Возможные решения: Приближение локальной сферической симметрии Вариационное усвоение Влажность невозможно восстановить без дополнительной априорной информации Использование информации из прогноза Вариационное усвоение Приближение геометрической оптики не описывает дифракцию и поле вблизи каустик при многолучевом распространении. Возможные решения: Обратное распространение (обращение волнового фронта) Применение методов, основанных на работах Фока, Маслова, Егорова и Хермандера Эти методы используют принцип синтезированной апертуры и позволяют восстанавливать лучевую структуру волнового поля с высоким разрешением. Восстановленный профиль угла рефракции ε(p) используется затем в схемах вариационного усвоения, основанного на геометрической оптике. Вариационное усвоение P(X | Y) 1 P(X | Xb ) P(Y | X) N Условная вероятность состояния атмосферы P( X | Y) 1 1 T 1 exp Y H ( X) O F Y H ( X) N 2 J ( X) X – состояние атмосферы Xb – прогноз состояния атмосферы Y – наблюдения H – оператор наблюдений O – ковариация ошибок наблюдений F – ковариация ошибок H B – ковариация ошибок прогноза 1 X Xb B 1 X Xb T 2 1 Y H ( X) O F 1 Y H ( X) T 2 1 T X Xb B 1 X Xb 2 X J (X) H ( X) O F 1 В предположении гауссовой статистики Задача сводится к минимизации формы J(X), что требует знания ее градиента Y H (X) T B1 X Xb T Многолучевое распространение Параболическое уравнение 1 1 длина волны Dˆ x , Dˆ y ik x ik y 2 нормированные дифференциальные операторы k волновое число Уравнение Гельмгольца в вакууме ( Dˆ x2 Dˆ y2 1)u 0 Dˆ x 1 Dˆ y2 Dˆ x 1 Dˆ y2 u 0 Dˆ xu H ( y , Dˆ y )u H ( y, Dˆ y ) 1 Dˆ y2 u Псевдодифференциальное уравнение для волн, распространяющихся вперед, exp(ikx) k iky f () Fy[ f ] f ( y ) e dy, 2 1 f ( y ) F y[ f ] k iky f ( ) e d . 2 1 P( y, Dˆ y ) f F y P( y, ) Fy [ f ] Прямое и обратное k-Фурьепреобразование Псевдодифференциальный оператор Геометрическая оптика ux ( y) Ax ( y) exp ikx ( y) y импульс H y, x y Уравнение Гамильтона-Якоби dy H d H , dx dx y d dy H dx dx H , Dˆ y u u 1 2 , Каноническая гамильтонова система Направляющий вектор луча Задача с начальным условием в ГО u0 ( y) A0 ( y) exp ik0 ( y) 0 ( y) ( y) y Такое определение импульса работает только в однолучевой зоне. Интегральные операторы Фурье Решение задачи с начальным условием u0 ( y ) k u0 ()exp iky d u0 ( y)( y y)dy 2 u1 ( z ) k a1 ( z , ) u0 ()exp ik ( z , ) y ( z , ) d 2 d dz dy Интегральные операторы Фурье 1 и 2 типа Фазовые функции k a2 ( z , y ) u0 ( y )exp ik ( z , y ) dy 2 ˆ u( z) 1 k 2 S1 exp ikS1 ( z , ) u () d 2 z ˆ u( z) 2 k 2 S2 exp ikS 2 ( z , y ) u ( y ) dy 2 z y S1( z, ) ( z, ) y, dS1 dz yd S2 ( z, y) ( z, y), dS2 dz dy Канонический формализм в ГО d dy H dx z z ( y, ) ( y, ) Действие в старых координатах d dz H dx Действие в новых координатах d d dF производящие функции S1,2 канонического преобразования dz dy H H dx dS2 ( x, z , y ) S1,2 dz y d H H dx d ( S 2 y ) z S1,2 dS1 ( x, z , ) dz H , dx y y( z, ) ( z, ) Новая координата и импульс d H dx z x , S2 S , 1 y y H H Эквивалентная каноническая система в новых координатах Теорема Егорова Исходное волновое уравнение Преобразованное волновое уравнение Dˆ xu H ( y, Dˆ y )u ˆ u H ( z, D ˆ )u D x z ˆ H ( y, Dˆ )u H ( y ( z , Dˆ ), ( z , Dˆ )) ˆ u 1,2 y z z 1,2 Преобразованная волновая функция ˆ u u 1,2 Формула коммутации ˆ Dˆ u ˆ H ( y, Dˆ )u 1,2 x 1,2 y S1,2 ˆ ˆ ˆ u H ( y ( z, Dˆ ), ( z, Dˆ )) ˆ u Dx1,2u 1,2 z z 1,2 x S1,2 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ u Dx1,2u H ( y ( z, Dz ), ( z, Dz )) 1,2 x S1,2 Преобразованный гамильтониан H H x Метод канонических преобразований Канонические преобразования: (y,η) → (p,ξ) – поле во вспомогательной плоскости (t,ω) → (p,ξ) – поле на траектории спутника LEO Новая координата прицельный параметр p Новый импульс угол рефракции ξ = ε ˆ u ( p ) A( p ) exp ik ( p ) 1,2 d ( p ) ( p ) dp Радиоголографический анализ Принцип радиоголографического анализа: сигнал делится на опорный сигнал и подвергается скользяще-спектральному анализу Радиоголографический анализ в t-представлении: w(t , ) t T / 2 cos t t t T / 2 T u (t ') exp ik 0 (t ) S (t ) M exp i t dt , d 0 (t ) S M (t ) t, k p, dt Радиоголографический анализ в p-представлении p p / 2 w( p, ) p p / 2 cos p p p ˆ u ( p) exp ik ( p) exp ik p dp Численное моделирование Численное моделирование Численное моделирование Пример из эксперимента GPS/MET Оценка ошибок Оценка ошибок необходима для вариационного усвоения. Ошибки можно оценивать на основе анализа самих данных измерений, не пользуясь другой, априорной информацией. Выше 10 км: оценка остаточной ошибки ионосферной коррекции на основе анализа данных на высотах 40-60 км, где вклад нейтральной атмосферы очень мал. Ниже 10 км: оценка ошибок слежения за сигналом на основе радиоголографического анализа в p-представлении. Остаточная ионосферная ошибка Высота луча, км CHAMP, сеанс 0004, 2004.01.18 UTC 00:24, 50.4N 116.1W Вариация угла рефракции, рад CHAMP, сеанс 0004, 2004.01.18 UTC 00:24, 50.4°N 116.1°W DWD – Deutscher Wetterdienst (Немецкая Служба Погоды) Высота луча, км CHAMP, сеанс 0041, 2004.01.18 UTC 04:09, 26.0°S 19.4°E Вариация угла рефракции, рад CHAMP, сеанс 0041, 2004.01.18 UTC 04:09, 26.0°S 19.4°E Высота луча, км CHAMP, сеанс 0097, 2004.01.18 UTC 09:50, 78.8N 125.6W Вариация угла рефракции, рад CHAMP, сеанс 0097, 2004.01.18 UTC 09:50, 78.8N 125.6W Статистический анализ 2004.01.18 COSMIC 2007/02/22 UTC 00:01, 16°N 139°E 10000 Фазовая задаржка S, м Амплитуда, В/В 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 Время, с 8000 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 Время, с Время, с COSMIC 2007/02/22 UTC 00:01, 16°N 139°E Отклонение частоты, Гц Высота луча, км COSMIC 2007/02/22 UTC 00:01, 16°N 139°E Угол рефракции, рад COSMIC 2007/02/22 UTC 00:25, 24°N 72°W 5000 Фазовая задаржка S, м Амплитуда, В/В 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 Время, с 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 80 100 120 Время, с Время, с COSMIC 2007/02/22 UTC 00:25, 24°N 72°W Отклонение частоты, Гц Высота луча, км COSMIC 2007/02/22 UTC 00:25, 24°N 72°W Вариация угла рефракции, рад COSMIC 2007/02/22: автоматический контроль качества Среднеквадрат. разность T, COSMIC-NCEP, К Для каждого сеанса строится штрафная функция, учитывающая качество данных в канале L2 и общую оценку ошибок определения угла рефракции. 10 3 10 2 10 1 10 0 10 -1 10 1 10 2 Штрафная функция 10 3 10 4 Сравнение COSMIC-NCEP Перспективы Вариационное усвоение радиозатменных данных в модели численного прогноза погоды – сотрудничество с Гидрометцентром Радиозатменное зондирование атмосферы на частотах 9-22 ГГц (крыло полосы поглощения водяного пара). Это позволит получать профили влажности без использования дополнительной информации.