- отработать методику определения характеристик вспышек молний и карт грозовой активности;
- провести валидацию результатов измерений путём сопоставления с независимыми данными.
На МКС устанавливается микроволновой радиометр-спектрометр и детектор молний. Ось вращения МРС ориентирована в надир к поверхности Земли и за счёт конического сканирования антенной системы осуществляется обзор поверхности в полосе 810 км по трассе полёта. ДМ устанавливается в надир и позволяет обнаруживать вспышки молний в полосе захвата 680 км (формат кадра 680×550 км). Аппаратура МРС и ДМ работает по временной программе, которая формируется группой управления экспериментом, и может производить радиометрическую и оптическую съёмку нужных участков поверхности Земли по заранее подготовленной временной программе эксперимента при пролёте КА над интересующими районами земной поверхности.
Траектория полёта МКС захватывает как области зарождения тропических циклонов, находящиеся в поясе между 20° северной и 20° южной широты в акваториях Атлантического, Индийского и Тихого океанов, так и область средних широт, куда доходят тропические циклоны. В зонах активного тропического циклогенеза частота встреч пролётных КА с очагами зарождения тайфунов максимальна.
Полученные в ходе КЭ данные должны подвергаться многократной обработке, в том числе оперативной, в течение нескольких дней, с целью корректировки последующих экспериментов. На первых этапах обработки — это привязка информации к географической сетке и местному времени, а затем по данным МРС и ДМ должны быть построены детальные вертикальные профили температуры и влажности в исследуемых зонах и определены энергетические, пространственные и временные характеристики вспышек молний, выявлены зоны грозовой деятельности.
4. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
(с указанием областей применения)
Результатом космического эксперимента « Конвергенция» ожидаются:
- данные по глобальному мониторингу основных параметров атмосферы и океана: ТПО, скорость и направление приповерхностного ветра, интегральное содержание атмосферного водяного пара и содержание капельной влаги атмосферы, интенсивности осадков;
- долговременные данные 3-D полей температуры и влажности атмосферы;
- выявление статистических характеристик вспышек молний и карты грозовой активности;
- разработка методики организации и проведение комплексных измерений во время генезиса и эволюции кризисных атмосферных процессов типа тайфунов, фронтальных зон и циклонов средних широт;
- выявление роли и взаимодействия циклогенеза и фронтогенеза в полярном переносе массы и скрытого тепла при формировании парникового эффекта;
- обеспечение свободного доступа через Интернет к восстановленным по результатам измерений аппаратурой МРС и ДМ данным полей температур и водяного пара, а также карт грозовой активности в режиме времени близком к реальному с географической привязкой к местности. Это необходимо для оценки достоверности полученных данных, анализа циклогенеза различными независимыми группами из других организаций, что существенно повысит научную и практическую значимость КЭ.
Результаты КЭ могут быть использованы для фундаментальных исследований по проблеме физики тропического циклогенеза. Краткосрочный прогноз тропического циклона может дать многомиллиардный экономический эффект (данные о размерах экономического ущерба от циклонов и тайфунов и других атмосферных катастроф приведены в работе[36]).
5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями;
ожидаемый эффект от проведения КЭ
Новизна постановки задачи в КЭ «Конвергенция» обусловлена следующими обстоятельствами:
– использование широкого спектра данных с МРС;
– построение детальных вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы тропиков;
– определение энергетических, пространственных и временных характеристик вспышек молний, построение зон грозовой деятельности;
– применение современных методик проведения обработки экспериментальных данных с КА.
Микроволновые радиометрические системы. В настоящее время данные дистанционного радиотеплового зондирования Земли в микроволновом диапазоне из космоса широко используются для измерения температурных и влажностных характеристик атмосферы, а также характеристик земной поверхности. Однако диапазоны электромагнитных длин волн и методы, традиционно используемые для зондирования, не позволяют детально исследовать температурные и влажностные поля земной атмосферы, находящейся в экстремальных состояниях, таких как условия генезиса тропических циклонов. Большинство систем радиотеплового зондирования из космоса определяют только интегральные характеристики влажности атмосферы: водозапас облаков и интегральное содержание водяного пара. Ниже в таблице 1 приведены характеристики микроволновых радиометров конического сканирования, работающих на орбите.
В начале 2000-х гг. в космосе заработали радиометры AMSR (6,9…89 ГГц); AMSR‑E (6,9…89 ГГц); WindSat (6,8…37 ГГц) с апертурами антенн 1,6…2 м и неплохим качеством, потоковой эффективностью равной 0,95. По составу частот радиометры МТВЗА и SSMIS в целом одинаковы. Угол падения зарубежных радиометров 53…55°, что существенно отличается от МТВЗА, с его углом 65°. Это обстоятельство серьёзно влияет на точность определения скорости ветра.
В большинстве современных спутниковых радиометрических комплексов используются каналы для восстановления вертикальных профилей атмосферного водяного пара на линию 183,31 ГГц. Множество проведённых теоретических и экспериментальных исследований по выявлению профилей водяного пара в атмосфере по микроволновым измерениям показали не возможность решения этой задачи с требуемой детальностью при использовании стандартного набора частот микроволнового сканера. Так, в российском радиометре МТВЗА и американском SSMIS имеются каналы, ответственные за восстановление профиля влажности. Оба прибора имеют три частоты: 183±1; 183±3; 183±7 ГГц. Углы падения МТВЗА — 65°, SSMIS — 51,3° при высоте первого — 830 км, а второго — 833 км.
Таблица 1. Характеристики микроволновых радиометров конического сканирования
Характеристики | Радиометры | |||||
SSM/I | МТВЗА | SSMIS | AMSR-E | WindSat | AMSR-2 | |
Частота, ГГц | 19,3(В, Г); 22,2; 37(В, Г); 85,5(В, Г) | 18,7(В, Г); 22,2; 33(В, Г); 36,5(В, Г); 52…58; 91(В, Г); 183,31 | 19,3(В, Г); 22,2; 37(В, Г); 50…63; 91(В, Г); 150; 183,31 | 6,92(В, Г); 10,6(В, Г); 18,7(В, Г); 23,8; 36,5(В, Г); 2×89,0 | 6,8(В, Г); 10,7(В, Г, ±45°); 18,7(В, Г, ±45°); 23,8; 37(В, Г, ±45°) | 6,92(В, Г); 10,6(В, Г); 18,7(В, Г); 23,8; 36,5(В, Г) 50,3; 53,2; 2×89,0 |
Количество каналов | 7 | 21 | 16 | 14 | 22 | 16 |
Диаметр зеркала антенны, м | 0,6 | 0,5 | 0,6 | 1.6 | 1,83 | 2,0 |
Количество облучателей | 1 | 1 | 6 | 6 | 11 | 8 |
Потоковая эффективность | 0,91…0,96 | 0,91…0,96 | 0,953…0,96 | 0,95 | 0,953…0,96 | |
Калибровка, K | 2.7…330 | – | 2,7…330 | 2,7…330 | 2,7…330 | 2,7…330 |
Погрешность Тя, K | ±3 | – | – | 1 (1σ) | ±3 | 1 (1σ) |
Чувствительность, K | 0,45…0,9 | 0,25…0,5 | 0,2…1,9 | 0,3…1,1 | 0,37…0,55 | 0,3…1,1 |
Угол визирования, град | 45 | 51 | 45 | 47,4 | 45 | 47,4 |
Угол падения, град | 53,1 | 65 | 53,1 | 55 | 53,5 | 55 |
Спутник, год запуска | DMSP c 1987 г. | «Метеор-3М» с 2001 г. | DMSP c 2003 г. | Aqua с 2003 г. | Coriolis с 2003 г. | ADEOS с 2012 г. |
В, Г — вертикальная и горизонтальная поляризации;
В, Г, ±45° — вертикальная, горизонтальная и повёрнутые на ±45° поляризации.
Расчёт весовых функций излучения атмосферы для МТВЗА, приведённый на рис. 1, показывает, что для атмосферы средних широт максимумы весовых функций не ниже 3,45 км, а для тропической атмосферы с максимальной влажностью не ниже 5,65 км. Это не даёт возможность получать детальные профили атмосферного водяного пара и, в частности, распределение пара на малых высотах.
Рис. 1. Весовые функции для восходящего излучения атмосферы, угол падения 53,1°. Сплошные кривые — средние широты: температура воздуха — 294 K, влажность — 14,0 г/см3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 29,4 кг/м2. Пунктирные кривые — тропики, максимальная влажность, температура воздуха — 300 K, влажность — 26,4 г/см3, давление — 1013 мб, интегральная влажность — 69,3 кг/м2
Кривая | Частота, ГГц | Максимум, км | Кривая | Частота, ГГц | Максимум, км |
1 | 183,31±7 | 3,45 | 4 | 183,31±7 | 5,65 |
2 | 183,31±3 | 6,00 | 5 | 183,31±3 | 7,45 |
3 | 183,31±1 | 8,35 | 6 | 183,31±1 | 9,70 |
Для изучения проходящих в системе атмосфера-океан процессов необходимо знание большого числа различных характеристик этой системы. Прежде всего, это трёхмерные температурные поля, представляющие как самостоятельный интерес, так и необходимые данные для измерения полей влажности. Сюда необходимо отнести данные по интегральной водности и температуре облачности, величине и направлению приповерхностного ветра. Знание этих характеристик необходимо для изучения системы атмосфера-океан, а также для учёта взаимного влияния различных метеопараметров на точность проводимых измерений. Для этих целей необходимо измерения проводить в широком диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн. Оценка возможностей использования этого диапазона для измерения метеопараметров может быть получена из спектров радиояркостной температуры системы атмосфера-океан. Расчёт радиояркостной температуры атмосферы для восходящего и нисходящего излучения проводился численным интегрированием до высоты 25 км, высота слоя Δh = 50 м, число слоёв n = 500:
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
Основные порталы (построено редакторами)