Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ИЗ КОСМОСА

Дистанционные методы измерений достаточно давно и широко используются при исследованиях разнообразных явлений и процессов в различных областях науки и техники. Косвенные оптические методы измерений применяются в астрофизике, оптике и спектроскопии, мо­лекулярной физике и т.

Исследования общей циркуляции атмосферы и океана, анализ и прогноз погоды различной заблаговременности, изучение совре­менных тенденций изменения климата Земли и контроль факторов, его определяющих, проблемы охраны окружающей среды, а также много­численные потребности экономики требуют периодического получе­ния разнообразной информации о параметрах физического состояния системы атмосфера — подстилающая поверхность в глобальном мас­штабе. Существующая и планируемая сеть прямых измерений, не­смотря на постоянное ее совершенствование и расширение, не способ­на обеспечить глобальность наблюдений при разумных затратах на ее организацию и обслуживание. В настоящее время на земном шаре функционирует 800 станций радиозондирования (из них 650 в север­ном и 150 в южном полушариях). При этом на одну станцию радио­зондирования приходится от 144000 до 390000 км² территории суши или водной поверхности.

Именно поэтому после запуска первого советского искусст­венного спутника Земли в 1957 г. начались интенсивные разработки дистанционных методов измерений и соответствующей аппаратуры для их реализации. Первый метеорологический спутник Земли (МСЗ) был запущен в 1962 г. И хотя стало возможным исследовать только глобальное поле облачности, этот первый космический эксперимент наглядно продемонстрировал огромные потенциальные возможности нового типа метеорологических наблюдений.

- 2500 вертикальных профилей давления, температуры, влаж­ности и скорости ветра по данным радиозондирования;

- 12000-16000 вертикальных профилей давления и температуры с полярных МСЗ;

- 2500 измерений скорости ветра с геостационарных спутников;

- 50000 наблюдений наземных метеостанций;

- 5500 наблюдений на кораблях и автоматических буях, вклю­чая температуру поверхности воды;

- 60000 измерений температуры поверхности воды со спут­ников.

Рассматриваемые дистанционные методы относятся к обратным задачам теории переноса излучения. Эти задачи сводятся к решению некорректных в классическом смысле интегральных уравнений Фред­гольма 1-го рода. Для решения этих уравнений необходимо использо­вать специальные регуляризующие алгоритмы, а также располагать данными о ядре интегрального уравнения (или определять его в рам­ках регрессионного подхода к решению обратных задач). Ядро задачи определяется физико-математической моделью переноса излучения и количественными характеристиками взаимодействия излучения с сис­темой атмосфера-подстилающая поверхность. Таким образом, в отли­чие от прямых методов измерений, для которых предварительная гра­дуировка чувствительного элемента позволяет относительно легко получать требуемую информацию о состоянии объекта исследования, косвенные дистанционные методы измерений фактически включают в себя не только аппаратуру для измерений тех или иных характеристик полей излучения, но и совокупность алгоритмов и исходной (априор­ной) информации, используемой в этих алгоритмах для получения ис­комых параметров.

- характеристик спутниковой аппаратуры для измерений ухо­дящего излучения (области спектра, числа, положения, ширины спек­тральных каналов измерений, времени измерений, угловой апертуры, абсолютной и относительных погрешностей измерений и т. д.);

- качества и объема априорной информации о закономерностях переноса излучения, о количественных характеристиках взаи­модействия излучения со средой и о параметрах физического со­стояния атмосферы и подстилающей поверхности;

- используемого алгоритма обращения радиационных изме­рений.

В связи с этим значительное внимание уделено математическим аспектам дистанционных методов зондирования и проблеме информа­тивности косвенных измерений, выполняемых с помощью спутнико­вых наблюдательных систем.

3.1.