Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Хоанг Суан Тинь

• Хоанг Суан Тинь
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хоанг Суан Тинь

Введение.

Глава 1. Нисходящее излучение радиоволн в атмосфере и растительном покрове

1.1. Уравнение переноса излучения

1.2. Поглощение и рассеяние радиоволн в облачной атмосфере

1.3. Поглощение и рассеяние микрорадиоволн в дожде

1.4. Поглощение и рассеяние СВЧ-волн в сухом лесном массиве

Глава 2. Перенос излучения в системе атмосфера-поверхность

2.1. Яркостная температура системы атмосфера-поверхность

2.2. Метод расчета яркостной температуры по приближенной 44 теории переноса излучения

2.3. Радиационная модель атмосферы с осадками

2.4. Альбедо в миллиметровом диапазоне длин волн

2.5. Расчет яркостной температуры системы атмосфера- 54 поверхность при наличии дождя в направлении надира

Глава 3. Поляризация миллиметрового излучения при наблюдении осадков из космоса

3.1. Поляризационные свойства осадков.

3.2. Поляризационные контрасты яркостной температуры в 69 миллиметровом диапазоне длин волн в зависимости от интенсивности дождя.

3.3. Угловые зависимости коэффициента поляризации 73 радиоизлучения осадков

Глава 4. Микроволновое излучение системы растительность- 77 почва при наличии выпавших осадков на растениях

4.1. Радиационная модель излучения кроны с выпавшими 77 каплями дождя.

4.2. Расчет альбедо и коэффициента ослабления сухого леса и 79 при выпадении осадков

4.3. Расчет яркостной температуры сухого леса и при 85 выпадении осадков.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности микроволнового излучения жидких осадков в процессе их выпадения и осаждения капель на кронах деревьев»

Актуальность темы.

Успешное решение ряда важных народнохозяйственных задач зависит от наличия достоверной информации, получаемой, в частности, в результате обзора земной поверхности с помощью различных технических средств дистанционного зондирования (ДЗ), установленных на летательных аппаратах (JIA): спутниках, самолетах, вертолётах и др. Среди этих средств особое место занимают микроволновые системы дистанционного зондирования поверхности Земли. Они обладают рядом преимуществ. Во-первых, микроволновые приборы ДЗ, установленные на JIA, 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.

Дождь — естественное явление природы, характеристики которого сильно изменяются в пространстве и во времени. Исследование осадков при наблюдении Земли из космоса является одной из важных проблем дистанционного зондирования. Это необходимо для прогноза погоды, изучения климата, проведения контроля за метеорологическими опасными явлениями и для других практических применений.

СВЧ радиометрический метод пассивного зондирования осадков выгодно отличается от оптических методов. Волны видимого и инфракрасного диапазонов чрезвычайно сильно поглощаются и рассеиваются в облаках и осадках. Поэтому сенсоры этих диапазонов имеют весьма ограниченные возможности в получении полезной информации из атмосферных слоев, лежащих ниже верхней границы облаков.

Впервые возможность оценки интенсивности дождя по уходящему радиоизлучению Земли показал эксперимент, проведенный на спутнике «Космос-243» [3,29]. Зоны осадков, выпадающие над морской поверхностью, регистрировались по характерным выбросам яркостной температуры на длинах волн 0.8, 1.35 и 3.2 см. По величине выброса можно было оценить несколько градаций интенсивности дождя. 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 [31,32]. Этот комплекс позволил проводить изучение полей осадков как над сушей, так и над морем. Осадки на радиометрических изображениях проявлялись как зоны с пониженной яркостной температурой на волне 0.35 см, что объясняется увеличением альбедо за счет многократного рассеяния микроволн на крупных каплях дождя. В последние годы дистанционное зондирование осадков проводилось на японо-американском спутнике TRMM. В стадии подготовки находится крупный международный космический проект GPM (Global Precipitation Mission). В этом проекте СВЧ-радиометрическому зондированию осадков придается большое значение.

Однако, в проведенных СВЧ-радиометрических исследованиях не учитывалась поляризация радиоизлучения осадков. Поляризационный эффект радиоизлучения дождя, обусловленный сплющиванием крупных капель при падении их в воздухе, является характерным признаком осадков. Он может быть использован для обнаружения осадков из космоса и количественных оценок их характеристик. Кроме того, в имеющейся литературе нет сведений об исследовании влияния выпавших капель дождя на радиационные характеристики растительного покрова.

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.

Целью работы является исследование особенностей микроволнового излучения осадков при дистанционном зондировании с летательного аппарата:

- поляризационного эффекта излучения, вызванного выпадением жидких осадков,

- угловой и спектральной зависимостей коэффициента поляризации (2-ой компоненты вектора Стокса) при разных значениях интенсивности осадков,

- влияния капель дождя, осажденных на кронах деревьев, на яркостную температуру леса.

Достижение этой цели потребовало выполнения широкого круга исследований, которые включали в себя:

• развитие физической модели переноса излучения, учитывающей различные факторы, связанные с рассеянием и поглощением на каплях и элементах растительности;

• разработку методики и алгоритмов расчета коэффициента поляризации яркостной температуры системы «атмосфера-подстилающая поверхность» над сушей и над морем;

• разработку методики и алгоритмов расчета яркостной температуры леса с учетом влияние выпавших капель дождя на кронах деревьев;

• проведение расчетов и сравнение полученных результатов с имеющимися теоретическими и экспериментальными данными.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые получены оценки поляризации альбедо и яркости ой температуры атмосферы в процессе выпадения осадков при наклонном зондировании из космоса в миллиметровом диапазоне длин волн. Показано, что при надирных углах наблюдений 50-60° разность яркостной температуры Земли на вертикальной и горизонтальной поляризациях может составлять единицы градусов Кельвина (К).

2. Проведен анализ зависимостей 2-ой компоненты вектора Стокса яркостной температуры Земли от угла наблюдения и интенсивности выпадения осадков.

3. Показана возможность использования поляризационного эффекта для диагностики осадков из космоса при условии существенного повышения пространственного разрешения бортовых СВЧ радиометров (порядка 1 км).

4. Получены новые данные о влиянии капель дождя на интегральное ослабление в кронах деревьев, альбедо и яркостную температуру леса. Показано, что яркостная температура сухого и мокрого леса может отличаться на величину до 40 К в диапазоне миллиметровых волн.

Положения и результаты работы, выносимые на защиту:

1. Алгоритм и методика расчета яркостной температуры системы «атмосфера - подстилающая поверхность», основанные на использовании данных о различии ослабления и рассеяния капель дождя на 2-х ортогональных поляризациях и представлении атмосферы как одномерной рассеивающей среды.

2. Теоретические оценки поляризации яркостной температуры уходящего излучения Земли на вертикальной и горизонтальной поляризации. Угловые зависимости коэффициента поляризации в миллиметровом диапазоне длин волн при различных значениях интенсивности дождя.

3. Анализ влияния подстилающей поверхности (суша и море) на коэффициент поляризации яркостной температуры Земли.

4. Результаты расчета радиационных характеристик мокрого леса, показавшие, что капли дождя, осажденные на кронах деревьев, значительно изменяют диэлектрическую проницаемость, коэффициент ослабления, альбедо и яркостную температуру растительности в миллиметровом диапазоне длин волн.

Научная и практическая ценность работы

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для решения научных и прикладных задач, связанных с диагностикой осадков и растительности при наблюдении с аэрокосмических платформ. Данные о поляризации уходящего излучения Земли во время выпадения дождя могут найти применение при планировании космических экспериментов, предназначенных для обнаружения зон осадков и определения их параметров. При этом могут быть оценены требования к таким характеристикам бортовой СВЧ радиометрической аппараты, как диапазон длин волн, чувствительность, пространственная разрешающая способность.

Апробация результатов

Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 2004 г. по 2008 г. Они докладывались на семинарах ИРЭ РАН и других научных организаций, а также были доложены на следующих научных конференциях:

1. The sixth international Kharkov symposium on physics and engineering of microwaves, millimeter and sub millimeter waves and workshop on terahertz technologies. Kharkov, Ukraine, June 25-30, 2007.

2. 50-я юбилейная научная конференция Московского физико-технического института 23 - 27 ноября 2007 г. Москва.

3. LXIII Научная сессия, посвященная дню радио (Посвящается 100-летию со дня рождения академика В.А. Котельникова) 14-15 мая 2008 г., Москва.

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.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Хоанг Суан Тинь

В диссертации получены следующие основные результаты.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 интегро-дифференциального 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 К. 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. Из-за 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 яркостнои температуры и использована для исследования зон выпадения осадков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Хоанг Суан Тинь, 2008 год

1. Dicke R.H. // Rev. Sci. Instr. 1946. V. 17. P. 268-275.

2. Богородский B.B., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

3. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров СТ. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974.

4. Кузьмин А.Д., Саломонович А.Е. Радиоастрономические методы измерений параметров антенн. М.: Советское радио, 1964.

5. Van Vleck J.H., Weisskopf V.F. // Rev. Mod. Phys. 1945. V. 17. No. 2-3. P. 227-236.

6. Ulaby F., Moore R., Fung A. Microwave Remote Sensing, Active and Passive. London: Addison Wesley Publ. Сотр. V. 1-3, 1983.

7. Жевакин C.A., Троицкий B.C., Цейтлин H.M. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1958. Т. 1. № 2. 19-26.

8. Armand N.A., Polyakov V.M. Propagation and Remote Sensing of the Environment. CRC Press, 2005.

9. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. М.-Л.: Гостехиздат, 1951.

10. Шметер М.С. Физика конвективных облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

11. Майсон Б. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.

12. Barret А.Н., Chang V.K. // J. of Geophys. Res. 1962. V. 67. No. 11.

13. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд. Иностр. лит., 1961.

14. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г. и др. Радиотеплолокация в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

15. Шутко A.M. СВЧ радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986.

16. Rosenkranz P.M. // IEEE Trans. 1975. V.AP-23. No. 7. P. 493-498.

17. Дебай П. Полярные молекулы: Пер. с нем.- м.: ГСНТИ, 1931.

18. Волчок Б.А., Черняк М.М. // Тр. Гл. геофиз.обс. 1968, Вып. 222. 83-89.

19. Tsang L., Kong J.A., Njoku Е., Staelin D.H., Waters J.W. // IEEE Trans. 1977. V.AP-25. No. 5. P. 650-657.

20. Кутуза Б.Г. Радиотепловое излучение облачной атмосферы / Дисс. на соиск. учен. степ, д.ф.-м.н. М.: ИРЭ АН СССР, 1982 г.

21. Жевакин А., Наумов А.П. Распространение сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в земной атмосфере // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1967. Т. 10. № 9-10. 1213-1233.

22. Кутуза Б.Г., Экспериментальные исследования ослабления и радиоизлучения дождя в СВЧ диапазоне, Тр. Главн. Геоф. обсерв.,вып. 222, стр. 153-158.

23. Жевакин А., Наумов А.П. К расчёту коэффициента поглощения сантиметровых и миллиметровых радиоволн в атмосферном кислороде // Радиотехника и электроника. 1965. Т. 10. № 6. 987-996.

24. Розенберг В.И. Рассеяние и ослабление электромагнитного излучения атмосферными частицами. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

25. Кисляков А.Г., Наумов А.П. // Изв. АН СССР. Физика атм. и океана. 1970. Т. 6. № 3 . 239-251.

26. Башаринов А.Е., Гурвич А.С, Тучков Л.Т., Шифрин К.С. Исследование поля радиотеплового излучения Земли // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1970. Т. 6. № 4. 366.

27. Арманд Н.А., Башаринов А.Е, Шутко A.M. Исследование природной среды радиофизическими методами // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1977. Т. 20. № 6. 809.

28. Wilheit Т. A Model for the Microwave Emissivity of the Ocean's Surface as a Function of Wind Speed // IEEE Trans. 1979. V.GE-17. No. 4. P. 244-249.

29. Башаринов A.E., Егоров СТ., Колосов М.А., Кутуза Б.Г. Особенности метода СВЧ радиометрического зондирования атмосферы с летательного аппарата // Тр. Главн. геоф. обсерв. 1968. Вып. 222. 153-158.

30. Чандрасекар Перенос лучистой энергии / Пер. с англ. М.: Изд. ИЛ. 1953. 432.

31. Spencer R. W., Goodman Н.М., Hood R.E. Precipitation retrieval over land and ocean with the SSIWI: Identification and characteristics of the scattering signal // J. of Oceanic Technol. 1989. V. 6. P. 254-273,.

32. Grody N. С Classification of snow cover and rain using the Spectral Sensor Microwave/ Imager (SSM/I) // J. of Geophys. Res. 1991. V. 96.

33. Maetzler Ch., Sume A. Microwave radiometry of leaves // Microwave Radiometry and Remote Sensing Applications / Ed. Pampaloni. VSP Series. Utrecht. Netherlands. 1989.

34. Ulaby F.T., El-Rayes M.A. Microwave dielectric spectrum of vegetation - part II: dual dispersion model // IEEE Trans. 1987. V.GRS-25. P. 550-557.

35. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев B.A. Поляризация радиоволн. М.: Радиотехника. 2007.

36. Кутуза Б.Г. Измерения поляризации радиоизлучения атмосферы во время дождя на длине волны 2.25 см / Радиофизические исследования атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 201-204.

37. Шутко A.M., Кутуза Б.Г., Яковлев О.И., Ефимов А.И., Павельев А.Г. Радиофизические исследования планет / Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ. 1978. Т. 16.

38. Соболев В.В., Перенос лучистой энергии в атмосферах звёзд и планет. М.: Гостехиздат, 1956.

39. Hornbostel A. Investigation of Tropospheric Influences on Earth-satellite Paths by Beacon, Radiometer and Radar Measurements / Doctoral Thesis. University Hanover, 1995.

40. Kutuza В. G., Zagorin G.K., Hornbostel A., Schroth A. Physical Modeling of Passive Polarimetric Microwave Observations of the Atmosphere with Respect to the Third Stokes Parameter // Radio Science. 1998. V. 33. No. 3. P. 677-695.

41. Kutuza B.G., Zagorin G.K. Two-Dimensional Synthetic Aperture Millimeter- wave Radiometric Interferometer for Measuring Full-component Stokes Vector of Emission From Hydrometeors // Radio Science. 2003. V. 38. No. 5. P. 11-1-11-7.

42. Saxton J.A. // Phys. Soc. and Roy. Meteorol. Soc. 1946. P. 292-305.

43. Collie C.H., Hasted J.B., Ritson D.M. The dielectric properties // Pro. Phys. Soc. 1948. V. 60. No. 338. P. 145-153.

44. Кутуза Б.Г. // Тр.Гл.геофиз.обс. 1968. Вып. 222. 111-120, Тр. 3-го Всес. совещ. по радиолокационной метеорологии. М.: Гидрометеоиздат. 1968. 107-114.

45. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров СТ. Определение геофизических параметров по измерениям теплового радиоизлучения на ИСЗ "Космос -243" // Докл. АН СССР. 1969. Т. 188. № 6. 1273-1276.

46. Башаринов А.Е., Кутуза Б.Г. // Изв.вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17. № 1. 52-57.

47. Peake W.H. Interaction of Electromagnetic Waves with Some Natural Surface // IRE Trans. 1959. V.AP-7. P. 325-329.

48. Башаринов A.E., Кутуза Б.Г. // Тр.Гл.геофиз.обс. 1968. Вып. 222. 100- 110, Тр. 3-го Всес. совещ. по радиолокационной метеорологии. М.: Гидрометеоиздат. 1968. 107-114.

49. Коровин Г.Н., Андреев Н.А. Авиационная охрана лесов. М.: Агропромиздат, 1988.

50. Кутуза Б.Г., Смирнов М.Т. Влияние облачности на усреднённое радиотепловое излучение системы атмосфера-поверхность океана // Исслед. Земли из косм., 1980. № 3. 76.

51. Кутуза Б.Г. Поглощение миллиметровых и сантиметровых волн в облачных образованиях и его зависимость от температуры / Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. М.: Наука. 1986. 180-192,

52. Аквилонова А.Б., Кутуза Б.Г. Определение параметров облачной атмосферы по её радиотепловому излучению // Радиотехника. 1979. № 4. 36.

53. Чухланцев А.А. СВЧ Радиометрия растительных покровов / Дисс. на соиск. учен. степ, д.ф.-м.н. М.: ИРЭ РАН, 2004 г.

54. Чухланцев А.А., Гранков А.Г., Милыдин А.А. Моделирование характеристик радиотеплового излучения увлажненного осадками лесного полога в миллиметровом, сантиметровом и дециметровом диапазонах//Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50. №.12. 1447-1450.

55. Чухланцев А.А., Шутко A.M., Головачев С П . // Радиотехника и электроника. 1986. Т. 31, Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 11. 1283-1311.

56. Чухланцев А.А. Об эффективной диэлектрической проницаемости растительности в СВЧ-диапазоне // Радиотехника и электроника. 1988. Т. 33. № 1 1 . 2310-2319.

57. Чухланцев А.А., Воробейник Е.А., Петибская B.C., Язерян Ж.Г. СВЧ излучательные характеристики рисовых посевов // Радиотехника и электроника. 1988. Т. 33. № 11. 2420-2421.

58. Чухланцев А.А., Головачёв С П . Ослабление СВЧ - излучения в растительном покрове // Радиотехника и электроника, 1988. Т. 34. № 1 1 . 2269-2278.

59. Огути Т. Распространение и рассеяние электромагнитных волн в дожде и других гидрометеорах // ТИИЭР. 1983. Т. 71. № 9. 6-65.

60. Кутуза Б.Г., Загорин Г.К. Спектральные и поляризационные свойства ослабления и излучения осадков в миллиметровом диапазоне волн // Тез. докл. на школе-семинаре в Красновидово. Май 2000 г.

61. Загорин Г.К., Кутуза Б.Г. Особенности переноса поляризованного теплового СВЧ излучения в облаках и осадках // Радиотехника. 1998. №

62. Смирнов М.Т, Моделирование микроволнового теплового излучения дождя методом Монте-Карло. Известия Академии Наук СССР. ФАО. Т. 20. № 9. 820-826,1984.

63. Батан Дж. Радиолокационная метеорология / Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1962.

64. Степаненко В.Д. Радиолокационная метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

65. А.А.Чухланцев. Рассеяние и поглощение СВЧ излучения элементами растений//Радиотехника и электроника. 1986. Т.31. № 6. 1095-1104.

66. Цейтлин Н.М., Шутко A.M., Жислин Г.М. / Препринт ИРЭ АН СССР. М.: 1974. № 6.

67. Кидяшев К.П., ЧухланцевА.А., Шутко A.M. СВЧ излучение земной поверхности при наличии растительного покрова // Радиотехника и электроника. 1979. Т. 24. № 2. 256-264.

68. Marsall J.S and W. Palmer. The distribution of raindrop with size. J. Meteorol. V. 2. P. 165-166,1948.

69. Weswater E.R. "Proc. 7th Intern. Symp.on Remote Sensing of Enviroment". Ann. Arbor, Michigan, USA, V. 3, P. 1765-1776.