Поляризационный эффект излучения, вызванного выпадением осадков. Угловая и спектральная зависимости коэффициента поляризации при разных значениях интенсивности осадков. Влияние капель дождя, осажденных на кронах деревьев, на яркостную температуру леса.
Аннотация к работе
Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьевУспешное решение ряда важных народнохозяйственных задач зависит от наличия достоверной информации, получаемой, в частности, в результате обзора земной поверхности c помощью различных технических средств дистанционного зондирования (ДЗ), установленных на летательных аппаратах (ЛА): спутниках, самолетах, вертолетах и др. Во-первых, микроволновые приборы ДЗ, установленные на ЛА, позволяют получать информацию о земной поверхности и расположенных на ней объектах независимо от времени суток, уровня освещенности, в любых метеорологических условиях и на больших дальностях наблюдения. Во-вторых, технический прогресс в создании нового поколения СВЧ радиометров и радиолокаторов позволил резко повысить их метрические характеристики и, соответственно, информационные возможности для изучения природных ресурсов Земли. Дальнейшее развитие исследования осадков из космоса связано с американским спутником DMSP, на котором был установлен СВЧ-радиометрический комплекс SSM/I, принимающий излучение в широком диапазоне длин волн от 0.35 до 1.6 см. В настоящей диссертации представлены теоретические оценки поляризации излучения Земли в миллиметровом диапазоне длин волн при наклонном зондировании со спутников, рассмотрены особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель дождя на кронах деревьев.
Список литературы
Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, были опубликованы в печатных работах, которые приводится в списке цитируемой литературы [1-5].
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. В ней содержится 97 страниц, включая 37 рисунков и 4 таблицы. Библиография включает 75 названий.
Краткое содержание работы
Во введении обосновывается актуальность работы, определяются ее основные цели, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формулируются выносимые на защиту положения и дается краткий обзор содержания работы.
В первой главе диссертации рассматриваются наиболее общие закономерности, связанные с переносом микроволнового излучения в атмосфере и растительном покрове. Представлено общее уравнение переноса излучения для рассеивающей и поглощающей среды и проведен обзор имеющихся данных об ослаблении в атмосфере и растительном покрове в диапазоне миллиметровых и сантиметровых длин волн. Отдельно рассмотрено поглощение в чистой атмосфере и в облаках, а также ослабление и рассеяние в дожде и сухом лесном массиве. Представленные здесь данные были использованы при выполнении расчетов яркостной температуры атмосферы в условиях выпадения осадков и мокрого леса.
Во второй главе рассматривается перенос излучения в системе «атмосфера-поверхность». В разделе 2.1 излагается подход к учету яркостной температуры системы «атмосфера-подстилающая поверхность». В микроволновом диапазоне атмосфера является полупрозрачной средой. Поэтому наблюдаемое с летательного аппарата радиоизлучение Земли формируется как атмосферой, так и подстилающей поверхностью. Измеряемая на летательном аппарате интенсивность радиоизлучения системы «атмосфера-подстилающая поверхность» включает три составляющие: - прямое излучение слоя атмосферы, расположенного между летательным аппаратом и поверхностью;
- излучение подстилающей поверхности, ослабленное в атмосфере;
- отраженное от поверхности Земли нисходящее излучение атмосферы.
Яркостная температура системы «атмосфера-подстилающая поверхность» при измерении на вертикальной и горизонтальной поляризации может быть представлена в следующем виде
,(1) где : - яркостная температура восходящего излучения, - яркостная температура отраженного в направлении надирного угла нисходящего излучения атмосферы, - температура подстилающей поверхности, - полное ослабление в слое атмосферы, - излучательная способность поверхности, зависящая от надирного угла и поляризации, - указывает значение поляризации, вертикальной или горизонтальной, соответственно, - коэффициент отражения поверхности, , в случае гладкой поверхности может быть определен по формуле Френеля.
Для рассеивающей среды, какой является атмосфера в микроволновом диапазоне длин волн в случае выпадения осадков, яркостная температура восходящего и нисходящего излучения атмосферы определяется путем решения уравнения переноса. Строгое решение уравнения переноса требует больших вычислительных затрат, особенно когда речь идет о большом количестве вычислений яркостной температуры с учетом различных значений интенсивности дождя, угла наблюдения, распределения капель по размерам и.т.д. Поэтому применяют приближенные методы расчета уравнения переноса.
В разделе 2.2 излагается метод расчета яркостной температуры атмосферы для модели одномерной рассеивающей среды, основанный на теории В.А. Амбарцумяна.
В разделе 2.3 приведено описание радиационной модели, которая применялась для расчета яркостной температуры при наблюдении Земли из космоса.
Рис .1. Радиационная модель системы «атмосфера-поверхность».
Эта модель состоит из плоскопараллельных слоев атмосферы, включающей слой облаков и слой дождя, и однородного слоя поверхности (см. рис .1). В этой модели приняты следующие параметры: высота слоя дождя =3 км, температура поверхности , температура капель дождя , распределение капель по размерам Маршала-Пальмера.
В разделе 2.4 представлены результаты расчетов альбедо слоя дождя в миллиметровом диапазоне длин волн. Отражение от слоя дождя (альбедо) образуется в результате многократного рассеяния на каплях. При интенсивностях дождя 1 и 5 мм/час значения альбедо в направлении надира на длине волны 3 мм соответствуют 0.1 и 0.16, а на длине волны 8 мм - 0.04 и 0.11.
В разделе 2.5 дано описание алгоритма расчета и приведены зависимости яркостной температуры от интенсивности дождя на длинах волн над сушей и над морем при угле наблюдения в надир. На длине волны изза большого ослабления в слое дождя яркостная температура системы «атмосфера-подстилающая поверхность» над морем и над сушей примерно одинаковая. В то же время на длине волны излучение поверхности оказывает значительное влияние при интенсивностях дождя меньше 5 мм/час, а при интенсивностях больших, чем 10 мм/час, яркостная температура над обеими поверхностями одинакова. Над поверхностью суши наблюдается монотонный спад яркостной температуры с ростом интенсивности дождя от 1 до 100 мм/час. Он вызван увеличением рассеяния на каплях, эффективный размер которых становится больше по мере роста интенсивности осадков.
Третья глава посвящена расчетам поляризации излучения Земли при наблюдении из космоса в миллиметровом диапазоне длин волн. В разд. 3.1 приведены имеющиеся в литературе данные о поляризации нисходящего излучения атмосферы. Они были получены с наземных и самолетных платформ на длине волны 2,2 см. Эти поляризационные данные были использованы при разработке алгоритма расчета 2-ой компоненты вектора Стокса яркостной температуры системы «атмосфера-подстилающая поверхность», краткое описание которого представлено в разделе 3.2. В этом разделе приведены результаты расчетов коэффициентов поляризации излучения в зависимости от интенсивности осадков для двух длин волн. На рис. 2. приведены значения разности яркостных температур на вертикальной и горизонтальной поляризациях в зависимости от интенсивности дождя.
Рис. 2. Зависимость поляризационного контраста яркостной температуры на длине волны 8 мм от интенсивности дождя.
Расчет проведен на длине волны =8 мм, для угла относительно надира, значений полной массы водяного пара =2 г/см2, водозапаса облаков . Можно видеть, что при малых интенсивностях дождя поляризационный контраст отрицательный и разный для суши и моря. Это связано с влиянием подстилающей поверхности. Наблюдается монотонный рост поляризационного контраста с увеличением интенсивности дождя , кривые сливаются при >10 мм/час. Разность при больших интенсивностях дождя достигает значений 4 К. На рис. 3 приведены аналогичные зависимости разности яркостной температуры от интенсивности дождя на длине волны 3 мм.
Рис. 3. Зависимость поляризационного контраста яркостной температуры на длине волны 3 мм от интенсивности дождя.
Расчет был выполнен при тех же условиях, как на длине волны 8 мм. Изза сильного ослабления в слое дождя на длине волны 3 мм кривые для суши и моря совпадают. Также наблюдается монотонный рост разности с увеличением интенсивности дождя, но в отличие от предыдущего случая поляризационный контраст имеет положительное значение, а диапазон его изменений меньше. В разделе 3.3 представлены результаты расчетов угловых зависимостей поляризации яркостной температуры Земли. На рис. 4 приведены значения разности яркостной температуры на волне 3 мм в зависимости от угла наблюдения. Кривые построены для 3-х значений интенсивностей дождя. Видно, что 2-ая компонента вектора Стокса превышает 1К на углах наблюдения, больших 500. Диапазон изменения в зависимости от угла наблюдения и интенсивности дождя на этой волне составляет 3 К.
Рис. 4. Разность яркостной температуры Земли на длине волны 3 мм как функция угла наблюдения относительно надира
Сравнение кривых на рис. 4 с аналогичными кривыми для длины волны 8 мм показывает, что для более длинной волны диапазон изменения поляризационного контраста больше, однако при интенсивностях меньших, чем 5 мм/час он подвержен влиянию подстилающей поверхности. Обсуждается возможность использования поляризационного эффекта для диагностики осадков при СВЧ-радиометрическом зондировании со спутников. Существующие в настоящее время бортовые СВЧ-радиометры имеют пространственную разрешающую способность порядка 15 км, что существенно больше размера ячейки дождя. В этих условиях в поле зрения СВЧ- радиометра попадают участки поверхности с отсутствием дождя и с разными значениями его интенсивности. В этом случае поляризационный эффект, связанный с многократным рассеянием от слоя дождя, существенно уменьшается и может даже иметь отрицательное значение. Одним из путей повышения пространственного разрешения является создание миллиметрового радиометрического интерферометра с синтезированной апертурой. Для этого необходимо, чтобы такой прибор имел чувствительность не хуже 0,3 К при пространственном разрешении порядка 1 км.
В четвертой главе излагаются результаты модельных расчетов микроволнового излучения леса при наличии выпавших осадков на листьях и ветках деревьев. При прохождении осадков сквозь лесной полог часть их задерживается на кроне деревьев и поверхности полога, а затем капли постепенно испаряются в атмосферу. Основными факторами, определяющими задержание влаги растительным покровом, являются интенсивность, продолжительность и общее количество осадков; сомкнутость, структура, запас и состояние растительности; скорость ветра, температура и влажность воздуха. Степень задержания осадков пологом определяется суммарной площадью всех наземных частей деревьев и пропорциональна листовой поверхности, так как площадь ветвей и стволов не превышает 15-25%. Максимальное количество осадков, задерживаемых еловым и сосновым пологом, достигает 4…6 мм. В разделе 4.1 дано описание радиационной модели мокрого леса. Для нахождения характеристик распространения и рассеяния электромагнитных волн в растительных покровах используется модель растительности в виде совокупности рассеивателей (дискретная модель). Модель состоит из слоя кроны, слоя стволов и поверхности грунта. Слой кроны состоит из листьев, веток и выпавших на них капель дождя. Учитывается только крона деревьев и выпавшие на нее капли. Количество выпавшей воды определяется интенсивностью дождя и его продолжительностью. Предполагается, что распределение капель по размерам на растениях соответствует распределению Маршала-Пальмера. Для упрощения расчета считалось, что мокрая крона деревьев леса является одномерной рассеивающей средой и к ней может быть применена теория В.А Амбарцумяна. В разделе 4.2 приведены расчетные оценки интегрального ослабления и рассеяния в кроне сухого и мокрого леса. Согласно расчетам, осажденные на листьях и ветках капли дождя достаточно сильно увеличивают коэффициент ослабления и вероятность выживания кванта в диапазоне длин волн от 0,3 см до 3.0 см. Так, например, коэффициент ослабления на длине волны 1см увеличивается в два раза в кроне мокрых деревьев и составляет 1,5 Нп/м при значениях толщины слоя осажденной воды 3мм и биомассе растений 0,5 кг/м2. Капли дождя увеличивают и альбедо леса, в миллиметровом диапазоне оно может составлять 0,05-0,15. При толщине 10м мокрая крона практически непрозрачна на длинах волн короче 2,0 см. В разделе 4.3 представлены модельные расчеты яркостной температуры мокрого леса. Рис. 5 демонстрирует спектральную зависимость яркостной температуры сухого и мокрого леса. Графики построены для направления в надир при следующих значениях параметров: биомасса сухого леса равна 1 кг/м2, содержание осажденной воды - 0, 1 и 5 мм, температура растительности и почвы - 291 К.
Рис. 5. Зависимость яркостной температуры леса от длины волн.
Из рис. 5 видно, что в мокром лесу происходит понижение яркостной температуры, особенно значительное на волнах короче 3 см. Разность яркостных температур сухого и мокрого леса может достигать 40 К в миллиметровом диапазоне длин волн.
В Заключении сформированы основные выводы работы: 1. Разработан и реализован алгоритм расчета поляризационной составляющей яркостной температуры уходящего излучения Земли в микроволновом диапазоне длин при наличии осадков. Он основан на использовании имеющихся данных о различии в этом диапазоне длин волн ослабления в дожде на вертикальной и горизонтальной поляризациях за счет сплющивания крупных капель при падении их в воздухе, а также на представлениях об атмосфере как одномерной рассеивающей среде. Это позволило применить для решения интегродифференциального уравнения переноса излучения в атмосфере метод В.А.Амбарцумяна и существенно упростить расчет без значительной потери точности.
2. Получены оценки альбедо (многократное рассеяние) и поляризации микроволнового излучения слоя дождя при наклонном зондировании из космоса. Показано, что разность яркостной температуры (2-ая компонента вектора Стокса) на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы K. Указанная величина зависит от длины волны, угла наблюдения и интенсивности осадков.
3. Теоретически проанализированы характеристики миллиметрового излучения системы «атмосфера-подстилающая поверхность» при наблюдении над сушей и морем. Над сушей в зависимости от угла наблюдения с ростом интенсивности осадков от 1 до 100 мм/час происходит монотонный спад яркостной температуры. Изза сильного ослабления миллиметрового излучения в слое дождя при интенсивностях осадков I > 10 мм/час яркостная температура не зависит от свойств поверхности. Различие поляризационной составляющей излучения над сушей и морем наблюдается на длине волны 8 мм при интенсивностях осадков I < 5 мм/час.
4. Проведен расчет микроволнового излучения системы «лес-почва» при наличии выпавших осадков на кронах деревьев. Показано существенное изменение радиационных характеристик растительности (диэлектрическая проницаемость, коэффициент ослабления, альбедо, яркостная температура) лесного полога под воздействием осадков в миллиметровом диапазоне длин волн. Капли дождя на кронах деревьев значительно меняют коэффициенты пропускания и рассеяния растительности; яркостная температура мокрого и сухого леса может отличаться на величину до 40 К на миллиметровых волнах. Результаты моделирования указывают на необходимость учета осажденной воды на деревьях при дистанционном зондировании леса и в задачах распространения радиоволн через лесной массив.
5. Показано, что для того чтобы использовать поляризационный эффект при интерпретации спутниковых данных необходимо существенно повысить пространственную разрешающую способность бортовых СВЧ радиометров, которая в настоящее время составляет примерно 15 км. Одним из путей повышения пространственного разрешения является создание миллиметрового радиометрического интерферометра с синтезированной апертурой. Необходимо создать прибор с пространственным разрешением порядка 1 км, что значительно меньше размера ячейки дождя, при чувствительности 0.3-0.5 К. При этих условиях может быть успешно измерена вторая компонента вектора Стокса яркостной температуры и использована для исследования зон выпадения осадков.
Основные работы, опубликованные по теме диссертации излучение спектральный осадки поляризация
1. Кутуза Б.Г., Хоанг Суан Тинь. Поляризация миллиметрового излучения атмосферы во время выпадения осадков при наблюдении из космоса // «Электромагнитные волны и электронные системы», 2008 г, т. 13, №6, с.40-45
2. Kutuza B.G., Hoang T.X. Polarization of Atmospheric Millimeter Radiation in the Process of Precipitation Observed from Space // Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves and Workshop on Terahertz Technologies, 2007. MSMW apos;07. The Sixth International Kharkov Symposium V.1, 25-30 June 2007 p. 433 - 435.
3. Кутуза Б.Г.,Хоанг Суан Тинь. Поляризация миллиметрового излучения атмосферы при выпадении осадков, наблюдаемая из космоса // Тр. 50-й науч. Конф. МФТИ «Секция физико-математических проблем волновых процессов» 23 - 27 ноября 2007 г. Москва.
4. Кутуза Б.Г., Хоанг Суан Тинь. Микроволновое излучение леса при наличии выпавших осадков на кронах деревьев // Тр. LXIII- Научная сессия, посвященная дню радио 14 - 15 мая 2008 г, Москва.
5. Кутуза Б.Г., Хоанг Суан Тинь. Микроволновое излучение леса при наличии выпавших осадков на кронах деревьев // «Электромагнитные волны и электронные системы», в печати.