Table of Contents

Введение: почему точные данные осадков имеют значение

Осадки — дождь, снег, мокрый снег и град — являются фундаментальным двигателем водного цикла Земли. Точное измерение осадков имеет решающее значение для сельского хозяйства, управления водными ресурсами, прогнозирования наводнений, мониторинга засухи и климатических исследований. На протяжении десятилетий наземные датчики дождя составляли основу сетей наблюдения за осадками. Однако эти точечные измерения обеспечивают ограниченное пространственное покрытие, особенно над океанами, горами и малонаселенными регионами. Технология дистанционного зондирования преобразовала поле, обеспечивая крупномасштабные наблюдения в реальном времени из космоса. В этой статье исследуется, как дистанционное зондирование улучшает сбор данных о осадках, основные технологии и путь вперед для еще более точных измерений.

Что такое дистанционное зондирование?

Дистанционное зондирование относится к получению информации об объекте или явлении без физического контакта с ним. В контексте наблюдения Земли оно включает в себя приборы, переносимые на спутниках, самолетах или дронах, которые измеряют электромагнитное излучение, отраженное или испускаемое с поверхности Земли и атмосферы. Эти измерения затем обрабатываются для вывода физических свойств, таких как температура, влажность, структура облаков и интенсивность осадков.

Типы сенсоров для осадков

  • Пассивные микроволновые датчики обнаруживают естественное излучение микроволновой печи от гидрометеоров (капли, снежинки, град). Эти сигналы сильно коррелируют с интенсивностью осадков, что делает их основным инструментом для оценки осадков из космоса.
  • Активные датчики, такие как радары осадков, излучают импульсы микроволновой энергии и измеряют обратно рассеянный сигнал. Это обеспечивает подробные вертикальные профили осадков, включая различие между дождем и снегом.
  • Инфракрасные (ИК) датчики на геостационарных спутниках измеряют температуры на вершине облака. Холодные, высокие облака связаны с глубокими конвективными системами, что позволяет алгоритмам на основе ИК выводить скорости осадков. Хотя они менее прямые, чем микроволновые наблюдения, ИК-данные обеспечивают высокую временную частоту (каждые 5-15 минут) и имеют решающее значение для мониторинга в режиме реального времени.

Как дистанционное зондирование улучшает сбор данных осадков

Наземные датчики дождя и метеорологические радары с хорошей точностью фиксируют локализованные осадки, но они не могут равномерно покрыть весь земной шар. Дистанционное зондирование заполняет критические пробелы:

  • Пространственное покрытие:] Спутники могут наблюдать каждую часть Земли, включая океаны, полярные регионы и недоступную горную местность. Это позволяет создавать глобальные климатологии осадков, которые невозможно было получить только из сетей in-situ.
  • Временное покрытие: Несколько спутников, работающих вместе, могут обеспечить время повторного посещения в несколько часов. Геостационарные платформы предлагают непрерывное покрытие в фиксированной области, обновляя каждые 5-15 минут.
  • Последовательность: Спутниковые приборы калибруются и перекрестно калибруются в разных миссиях, создавая долгосрочные записи, которые имеют жизненно важное значение для выявления тенденций и изменчивости, связанных с изменением климата.
  • Вертикальная структура: Активные датчики, такие как двухчастотный радар осадков (DPR) на центральной обсерватории Глобального измерения осадков (GPM), предоставляют трехмерную информацию об осадках, раскрывая слой плавления, скорость дождя на разных высотах и интенсивность конвективных штормов.

Основные миссии и их вклад

Миссия по глобальному измерению осадков (GPM)

Запущенная в 2014 году в качестве совместной миссии между НАСА и Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA), Обсерватория GPM Core несет как двухчастотный радар осадков, так и микроволновый излучатель GPM (GMI). GPM служит эталонным стандартом для международной группировки спутников-партнеров, обеспечивая единые оценки осадков каждые 30 минут по всему миру. Комплексные многосателлиE-поиски для продукта GPM (IMERG) объединяет данные от всех членов созвездия для получения полей осадков с высоким разрешением (0,1°, 30 минут).

TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) — миссия по измерению тропических осадков

Работая с 1997 по 2015 год, TRMM впервые применила радиолокационную и микроволновую радиометрию на основе космических осадков над тропиками и субтропиками. Его данные заложили основу для GPM и продолжают использоваться для исследований климата.

Внешняя ссылка: Глобальное измерение осадков НАСА

Внешняя ссылка: JAXA GPM/GCOM-W

Преимущества дистанционного зондирования в исследованиях осадков

  • Непревзойденное пространственное покрытие: Спутники покрывают океаны (70% поверхности Земли), отдаленные земельные участки и политические границы, которые трудно орудовать на земле.
  • Доступность в режиме реального времени: Многие спутниковые продукты доступны в течение нескольких часов наблюдения, поддерживая оперативную гидрологию, предупреждения о наводнениях и реагирование на стихийные бедствия.
  • Долгосрочные климатические записи: С тщательной переработкой спутниковые записи теперь превышают 20 лет, что позволяет анализировать сезонную изменчивость и тенденции в экстремальных количествах осадков.
  • Интеграция с численными погодными моделями: Данные о атмосферных осадках со спутника ассимилируются в модели прогнозирования погоды, повышая точность прогноза штормов и осадков.
  • Поддержка управления водными ресурсами: Точные карты осадков приводят к гидрологическим моделям для операций водохранилища, планирования орошения и мониторинга засухи.

Применение расширенных данных осадков

Прогноз погоды и Nowcasting

Например, набор данных IMERG используется Национальной метеорологической службой США для улучшения краткосрочных прогнозов и предупреждений о наводнениях, особенно для конвекционных осадков, где покрытие наземных радаров является скудным.

Климатические исследования

Глобальные наборы данных о осадках, полученные в результате дистанционного зондирования, необходимы для проверки климатических моделей, изучения реакции водного цикла на потепление и отслеживания сдвигов в муссонных моделях, циклах ENSO и активности тропических циклонов.Исследователи из Национальных центров экологической информации NOAA используют эти записи для создания нормальных климатических условий и оценок.

Сельское хозяйство и продовольственная безопасность

Во многих развивающихся регионах наземные датчики осадков скудны. Спутниковые оценки осадков позволяют моделировать урожайность сельскохозяйственных культур, системы раннего предупреждения о засухе (такие как сеть систем раннего предупреждения о голоде) и страховые продукты для мелких фермеров.

Гидрология и управление водными ресурсами

Модели прогнозирования наводнений требуют точных, пространственно распределенных входных данных осадков. Данные дистанционного зондирования используются для калибровки гидрологических моделей для крупных речных бассейнов, для мониторинга снежного покрова (форма твердых осадков) и для оценки воздействия экстремальных явлений, таких как атмосферные реки на западном побережье Соединенных Штатов.

Проблемы и ограничения

Несмотря на преобразующие преимущества, дистанционное зондирование осадков не лишено проблем.

  • Разрешение данных: Пассивные микроволновые датчики обеспечивают пространственное разрешение порядка 10-50 км, что может быть слишком грубым для местных применений. Активные датчики более высокого разрешения (например, GPM DPR) предлагают ~5 км площади, но покрытие ограничено несканирующим диапазоном.
  • Калибровка и валидация:] Оценки спутников требуют последовательной калибровки по истинности грунта (измерители дождя, дисдрометры, наземные радары). Биазы могут возникать из-за изменений в производительности датчиков, дрейфа орбиты или предположений алгоритма.
  • Сложность алгоритмов поиска: Преобразование наблюдаемых сияний в скорости осадков включает физические модели, которые предполагают определённые распределения размеров гидрометеора, формы частиц и атмосферные профили.Ошибки в этих предположениях могут привести к систематическим неопределённостям.
  • Снежный и легкий дождь: Пассивное микроволновое извлечение снега и очень легких осадков (например, мороси) остается сложной задачей из-за слабых сигналов и неоднозначных сигнатур.
  • Временное зазоры для отбора проб: Хотя созвездия улучшают охват, между спутниковыми эстакадами по-прежнему существуют зазоры, особенно в полярных регионах и для кратковременных конвективных событий.

Будущие направления в дистанционном зондировании осадков

Несколько нововведений на горизонте обещают раздвинуть границы качества и полезности данных осадков:

Передовые спутниковые миссии

Миссии следующего поколения, такие как предлагаемая миссия НАСА-JAXA по измерению осадков (PMM), EarthCARE Европейского космического агентства (облако, аэрозоль и радар осадков) и предстоящая полярная система EUMETSAT второго поколения будут иметь улучшенные датчики с более высоким разрешением, лучшей чувствительностью к световым дождям и снегу и более частыми повторными посещениями.

Интеграция машинного обучения

Для объединения спутниковых наблюдений с наземными данными, продуктами реанализа и моделями высокого разрешения используются методы глубокого обучения и слияния данных. Эти гибридные подходы могут уменьшить предубеждения поиска и генерировать поля осадков при субкилометровом разрешении над сушей. Например, система PERSIANN-CCS использует нейронные сети для спутниковой оценки осадков.

Маленькие спутники и созвездия

Рост недорогих малых спутников и CubeSats предлагает потенциал для развертывания плотных созвездий, которые могут наблюдать осадки с очень высоким временным разрешением (10-15 минут). Такие компании, как Planet и Spire, изучают методы микроволновой и радиооккультной обработки GNSS для оценки осадков.

Улучшенные наземные калибровочные сети

Расширение высококачественных участков валидации грунта, включая массивы дисдрометров и плотные сети недорогих датчиков дождя, поможет усовершенствовать спутниковые алгоритмы. Национальная лаборатория тяжелых штормов NOAA запускает программу GPM Ground Validation, которая развертывает полевые кампании для тестирования и улучшения моделей поиска.

Заключение

Дистанционное зондирование коренным образом изменило то, как ученые и оперативные агентства собирают, анализируют и используют данные о осадках. Спутники обеспечивают непрерывное глобальное представление о том, что ни одна наземная сеть не может достичь в одиночку. В то время как остаются проблемы, особенно в решении мелкомасштабных функций, извлечении легких и твердых осадков и поддержании калибровки в течение десятилетий, быстрые технологические достижения в датчиках, машинном обучении и небольших спутниковых группировках неуклонно закрываются эти пробелы. По мере того, как эти возможности созревают, роль дистанционного зондирования в повышении сбора данных осадков будет только расти, предлагая обществу лучшие инструменты для управления водными ресурсами, прогнозирования экстремальных погодных условий и понимания меняющегося климата.

Внешняя ссылка: NOAA GPM Product Page