Космические методы в океанологии

Часто эту естественную разницу температур принимают за ошибку метода и говорят о низкой точности космической инфракрасной радиометрии, что совершенно неверно. Космические радиометры позволяют измерять радиационную температуру подстилающей поверхности с точностью до 0,1 К, и именно такая величина должна рассматриваться в качестве меры точности для космических инфракрасных методов измерения температуры океана. Влияние атмосферы и облачности при этом можно учитывать с помощью калибровки данных по измерениям на тестовых участках, а также применяя специальные методы обработки результатов дистанционного зондирования.

Рис. 6. Изменения температуры воды в поверхностном слое океана при различных условиях

Одним из таких методов является метод гистограмм, впервые использовавшийся при обработке данных радиометров высокого разрешения, установленных на борту ИСЗ серии «Нимбус». В этом методе вся информация радиометров инфракрасного диапазона разбивается на небольшие массивы, соответствующие областям Мирового океана размером 2,5 × 2,5° по широте и долготе. Далее в пределах каждого массива данных строится гистограмма распределения интенсивности сигналов радиометра от каждого элемента изображения. Если при этом в какой-то момент времени в поле зрения радиометра попадает облачность, то последнее приводит к снижению интенсивности выходного сигнала радиометра, поскольку температура облаков значительно ниже температуры океана. Образцы полученных таким образом гистограмм и приведены на рис. 7.

«Холодные» фронты этих гистограмм сильно растянуты и не годятся для определения температуры океана. Для решения этой задачи лучше всего подходят «теплые» участки гистограмм. Предварительный анализ ошибок измерений показал, что формы этих участков определяются только аппаратурными шумами радиометров, которые можно определить при наземных испытаниях прибора (до запуска на орбиту). Среднеквадратичная величина шума радиометра ИСЗ «Нимбус» была известна и составляла 1,5 К.

С учетом этих данных температура поверхности Океана может быть определена как температура точки максимального наклона кривой на «теплом» участке гистограммы минус среднеквадратичная величина шума радиометра. Таким образом, для обеих гистограмм измеренная радиометром температура поверхности океана составляет 301 К. В настоящее время этот метод широко используется для построения карт температуры поверхности Мирового океана, определенных по спутниковым данным.

Рис. 7. Гистограммы распределения температуры поверхности двух районов океана по данным ИК аппаратуры ИСЗ «Нимбус-3»

Советскими учеными предложены некоторые другие методы обработки данных спутниковых инфракрасных измерений, в частности, метод оптимальной интерполяции, учитывающий статистические свойства поля температуры поверхности Мирового океана. Этот метод позволяет исключить как влияние шумов аппаратуры, так и влияние облачности, но, кроме того, в отличие от метода гистограмм, не приводит к ухудшению пространственного разрешения обрабатываемой информации.

В последние годы проведен ряд теоретических и экспериментальных работ по повышению точности перехода от радиационной к термодинамической температуре океанской поверхности. В частности, ведутся работы по созданию модели поведения поверхностного слоя океана при различных гидрометеоусловиях. Большие перспективы связываются также с разработкой многозональных методов инфракрасных измерений, позволяющих экспериментальным путем определять параметры холодной пленки.

Теоретической основой для разработки многозональных методов является то, что эффективная толщина излучающей пленки для каждой длины волны различна. Поэтому, используя одновременные измерения интенсивности радиации океанской поверхности в нескольких узких интервалах, можно оценить величину перепада температур в поверхностном слое океана и учесть ее при обработке данных дистанционных измерений.

Так, совместная обработка двухканальных измерений температуры Мирового океана, проведенных с помощью ИСЗ «НОАА-6», позволила намного повысить точность определения термодинамической температуры океана. Например, сравнение спутниковых данных с результатами синхронных контактных измерений температуры поверхностного слоя океана, выполненных на одном из подспутниковых полигонов (исследуемой области) в Атлантическом океане, показало, что среднеквадратичное отклонение между контактными и спутниковыми измерениями составило 0,56 К при изменениях температуры поверхностного слоя от 1 до 27 °C. Такие точности дистанционного измерения температуры океанской поверхности с помощью радиометров инфракрасного диапазона являются уже вполне удовлетворительными и позволяют решать многие практические задачи.