Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 4. С. 78-100
Микроволновое зондирование океана, атмосферы и земных покровов по данным спутника «Метеор-М» № 2
Г.М. Чернявский
1 , Л.М. Митник
2 , В.П. Кулешов
2 , М.Л. Митник
2 , И.В. Черный
1 1 НТЦ «Космонит» АО «Российские космические системы», Москва, Россия
2 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия
Одобрена к печати: 08.07.2018
DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-4-78-100
Рассмотрены особенности конструкции СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ на метеорологическом спутнике «Метеор-М» № 2, приведены сведения о функционировании его в космосе и результаты анализа измерений над различными физико-географическими областями Земли. Спутник был запущен 8 июля 2014 г. на солнечно-синхронную круговую орбиту высотой 830 км. Восходящее излучение Земли измеряют 29 каналов радиометра на частотах ν в диапазоне от 10 до 190 ГГц при сканировании по конусу под углом 65 ° к местной нормали. Внутренняя калибровка каналов МТВЗА-ГЯ проводится на каждом скане и обеспечивает коррекцию вариаций коэффициента усиления и представление данных в шкале антенной температуры TВ,Га(ν) на вертикальной (В) и горизонтальной (Г) поляризациях. Преобразование TВ,Га(ν) в яркостную температуру TВ,Гя(ν) выполнялось по расчётным значениям TВ,Гя(ν) над однородными «горячими» (леса Амазонки) и «холодными» (океан у побережья Антарктиды при слабом ветре и отсутствии облаков) областями (внешняя калибровка). Из сравнения временных рядов TВ,Гя(ν) МТВЗА-ГЯ и AMSR2 (на спутнике Японии GCOM-W1) над тестовыми областями диаметром 200 км в лесах Амазонки, в Антарктиде и Гренландии следует высокая долговременная стабильность работы МТВЗА-ГЯ. Глобальные поля TВ,Гя(ν) дают представление: о температуре поверхности океана и скорости приводного ветра; распределении морских льдов; температуре земных и растительных покровов, Антарктиды и Гренландии; характеристиках циклонов над океаном. В связи с планируемыми запусками спутников «Метеор-М» № 2-2 (декабрь 2018 г.) и «Метеор-М» № 2-3 (2020) с МТВЗА-ГЯ на борту подчёркнута необходимость моделирования яркостных температур, разработки алгоритмов восстановления параметров, проведения калибровки радиометров и валидации продуктов. Данные измерений и продукты должны быть доступны для пользователей в нашей стране и за рубежом.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, микроволновая радиометрия, калибровка, валидация, моделирование, алгоритмы, МТВЗА-ГЯ, «Метеор-М» № 2, AMSR2, яркостная температура, временные ряды, долговременная стабильность
Полный текстСписок литературы:
- Асмус В. В., Загребаев Л. А., Макриденко О. Е., Милехин О. Е., Соловьев В. И., Успенский А. Б., Фролов А. В., Хайлов М. Н. Система полярно-орбитальных метеорологических спутников серии «Метеор-М» // Метеорология и гидрология. 2014. № 12. С. 5–16.
- Барсуков И. А., Никитин О. В., Стрельцов А. М., Черный И. В., Чернявский Г. М. Предварительная обработка данных СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ КА «Метеор-М» №1 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 257–264.
- Башаринов А. Е., Гурвич А. С., Егоров С. Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974. 187 с.
- Болдырев В. В., Ильгасов П. А., Панцов В. Ю., Прохоров Ю. Н., Стрельников Н. И., Черный И. В., Чернявский Г. М., Яковлев В. В. Спутниковый микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА-ГЯ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. Т. 5. № 1. С. 243–248.
- Веселов В. М., Милицкий Ю. А., Мировский В. Г., Шарков Е. А., Эткин В. С. Экспериментальная методика определения параметров антенн радиотепловых бортовых комплексов // Исследование Земли из космоса. 1981. № 2. С. 63–75.
- Ермаков Д. М., Шарков Е. А., Чернушич А. П. Спутниковое радиотепловидение на синоптических и климатически значимых масштабах // Исследование Земли из космоса. 2016. № 5. С. 3–9.
- Кардашев Н. С., Струков И. А. Спутниковый радиоастрономический эксперимент «Реликт» // Наука и человечество. М.: Знание, 1987. C. 173–185.
- Митник М. Л., Митник Л. М. Восстановление паросодержания атмосферы и водозапаса облаков над океаном по данным микроволнового зондирования со спутников DMSP, TRMM, AQUA и ADEOS-II // Исследование Земли из космоса. 2006. № 4. C. 34–41.
- Митник Л. М., Митник М. Л. Калибровка и валидация ― необходимые составляющие микроволновых радиометрических измерений со спутников серии Метеор-М № 2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 1. С. 95–104.
- Митник Л. М., Митник М. Л., Гурвич И. А., Выкочко А. В., Кузлякина Ю. А., Черный И. В., Чернявский Г. М. Исследование эволюции тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана по данным СВЧ-радиометров МТВЗА-ГЯ со спутника «Метеор-М» № 1 и AMSR-E со спутника Aqua // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 4. С. 121–128.
- Митник Л. М., Кулешов В. П., Митник М. Л., Стрельцов А. М., Чернявский Г. М., Черный И. В. (2015а) СВЧ-сканер-зондировщик МТВЗА-ГЯ на новом российском метеорологическом спутнике «Метеор-М» № 2: моделирование и анализ измерений в различных физико-географических условиях // 13-я Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: сб. тез. Москва, ИКИ РАН. 2015. С. 166.
- Митник Л. М., Митник М. Л., Чернявский Г. М., Чурный И. В., Выкочко А. В., Пичугин М. К. (2015б) Приводный ветер и морской лёд в Баренцевом море по данным микроволновых измерений со спутников «Метеор-М» № 1 и GCOM-W1 в январе – марте 2013 г. // Исследование Земли из космоса. 2015. № 6. С. 1–11.
- Наконечный В. П., Панцов В. Ю., Прохоров Ю. Н., Стрельников Н. И., Черный И. В., Чернявский Г. М., Данилов С. Г., Казанцев О. Ю. Оптико-микроволновый сканер/зондировщик МТВЗА-ОК // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Вып. 1. Т. 1. C. 197–203.
- Облака и облачная атмосфера: Справочник / под ред. И. П. Мазина, А. Х. Хргиана. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 648 с.
- Успенский А. Б., Асмус В. В., Козлов А. А., Крамчанинова Е. К., Стрельцов А. М., Чернявский Г. М., Черный И. В. Абсолютная калибровка каналов атмосферного зондирования спутникового микроволнового радиометра МТВЗА-ГЯ // Исследование Земли из космоса. 2016. № 5. С. 57–70.
- Успенский А. Б., Крамчанинова Е. К., Косцов В. С., Успенский С. А., Черный И. В. Развитие системы внешней калибровки и валидации данных измерений микроволнового радиометра МТВЗА-ГЯ КА «Метеор-М» № 2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 4. С. 27–35.
- Цейтлин Н. М. Антенная техника и радиоастрономия. М.: Сов. радио, 1976. 352 с.
- Черный И. В., Чернявский Г. М., Успенский А. Б., Пегасов В. М. СВЧ-радиометр МТВЗА спутника «Метеор-3М» № 1: предварительные результаты летных испытаний // Исследование Земли из космоса. 2003. № 6. С. 1–15.
- Чернявский Г. М. Отечественные технологии спутниковой СВЧ-радиометрии // Аэрокосмический курьер. 2007. № 6. С. 22–24.
- Чернявский Г. М., Митник Л. М., Кулешов В. П., Митник М. Л., Черный И. В. Микроволновое зондирование океана, атмосферы и земных покровов по данным спутника «Метеор-М» № 2 // 15-я Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: сб. тез. Москва, ИКИ РАН. 2017. C. 8.
- Barsukov I., Cherniavsky G., Cherny I., Mitnik L., Kuleshov V., Mitnik M. New Russian meteorological satellite Meteor-M N 2: Sensing of the subsurface, surface and atmospheric characteristics by MTVZA-GY microwave imager/sounder // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). 2016. P. 5528–5531.
- Bentamy A., Grodsky S. A., Elyouncha A., Chapron B., Desbiolles F. Homogenization of scatterometer wind retrievals // Intern. J. Climatology. 2017. V. 37. Iss. 2. P. 870–889.
- Biswas S. K., Farrar S., Gopalan K., Santos-Garcia A., Linwood Jones W., Bilanow S. Intercalibration of microwave radiometer brightness temperatures for the Global Precipitation Measurement Mission // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2007. V. 51. No. 3. P. 1465–1477.
- Brown S., Ruf C. Determination of a hot black body reference target over the Amazon rainforest for the on-orbit calibration of microwave radiometers // J. Oceanic Atmospheric Technology. 2005. V. 22. No. 9. P. 1340–1352.
- Brucker L., Picard G., Arnaud L., Barnola J.-M., Schneebeli M., Brunjail H., Lefebvre E., Fily M. Modeling time series of microwave brightness temperature at Dome C, Antarctica, using vertically resolved snow temperature and microstructure measurements // J. Glaciology. 2011. V. 57. No. 201. P. 171–182.
- Cherny I. V., Raizer V. Yu. Passive Microwave Remote Sensing of Oceans. Wiley-Praxis. Chichester, N. Y.: Wiley, 1998. 195 р.
- Cherny I. V., Mitnik L. M., Mitnik M. L., Uspensky A. B., Streltsov A. M. Оn-orbit calibration of the “Meteor-M” Microwave Imager/Sounder // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). 2010. P. 558–561.
- Cherny I. V., Chernyavsky G. M., Mitnik L. M., Kuleshov V. P., Mitnik M. L. Advanced Microwave Imager/Sounder MTVZA-GY-MP for New Russian Meteorological Satellite // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). 2017. P. 1220–1223.
- Comiso J. C. Polar Oceans from Space. N. Y.: Springer Publishing, 2010. 507 p.
- Das N. N., Colliander A., Chan S. K. Intercomparisons of brightness temperature observations over land from AMSR-E and WindSat // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2014. V. 52. No. 2. P. 452–464.
- Donlon C. J., Martin M., Stark J., Roberts-Jones J., Fiedler E., Wimmer W. The Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis (OSTIA) system // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 116. P. 140–158.
- Du J., Kimball J. S., Shi J., Jones L. A., Wu S., Sun R., Hu Y. Inter-calibration of satellite passive microwave land observations from AMSR-E and AMSR2 using overlapping FY3B-MWRI sensor measurements // Remote Sensing. 2014. V. 6. P. 8594–8616.
- Ebuchi N. Evaluation of marine surface wind speed observed by AMSR2 on GCOM-W // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2017. V. 10. No. 9. P. 3955–3962.
- Falcone V. J., Griffin M. K., Isaacs R. G., Pickle J. D., Morrissey J. F., Bussey A., Kakar R., Wang J., Racette P. SSM/T-2 Calibration data analyses // Proc. IEEE Topical Symp. Combined Optical, Microwave, Earth and Atmosphere Sensing. 1993. P. 165–168.
- Gentemann C. L., Hilburn K. A. In situ validation of sea surface temperatures from the GCOM-W1 AMSR2 RSS calibrated brightness temperatures // J. Geophysical Research. Oceans. 2015. V. 120. P. 3567–3585.
- Gentemann C. L., Wentz F. J., Brewer M., Hilburn K. A., Smith D. K. Passive microwave remote sensing of the ocean: an overview // Oceanography from Space, revisited / eds. V. Barale, J. Gower, L. Alberotanza. Heidelberg: Springer, 2010. P. 19–44.
- Gorobets N. N., Dakhov V. M., Cherny I. V. Millimeter-range multi-channel two polarization horn antenna // Proc. 3rd Intern. Symp. Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves. Kharkov, 1998. P. 618–619.
- Hollinger J. P., Pierce J. L. Poe G. A. SSM/I instrument and evaluation // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1990. V. 28. No. 5. P. 781–790.
- Imaoka K., Kachi M., Rasahara M., Ito N., Nakagawa K., Oki T. Instrument performance and calibration of AMSR-E and AMSR2 // Intern. Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science. Kyoto, Japan, 2010. V. 38. Pt. 8.
- Jackson P. T. J., Hsu A. Y., Armand N., Kutuza B., Shutko A., Tishchenko Y., Petrenko B., Evtushenko A., Smirnov M., Savorskij V., Sorokin I., Nikolaev A., Sidorenko A. Priroda passive microwave observations in the Southern Great Plains 1997 hydrology experiment // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS’98). 1998. P. 1568–1570.
- Knapp K. R., Ansari S., Bain C. L., Bourassa M. A., Dickinson M. J., Funk C. Globally gridded satellite observations for climate studies // Bull. American Meteorological Society. 2011. V. 92. No. 7. P. 893–907.
- Kroodsma R. A., McKague D. S., Ruf C. S. Extension of vicarious cold calibration to 85–92 GHz for spaceborne microwave radiometers // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2013. V. 52. No. 9. P. 4743–4751.
- Kunkee D. B., Hong Y., Thompson D. A., Werner M. F., Poe G. A. (2008a) Analysis of the Special Sensor Microwave Imager Sounder (SSMIS) fields-of-view on DMSP F-16 // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2008. V. 46. No. 4. P. 934–945.
- Kunkee D. B., Poe G. A., Boucher D. J., Swadley S. D., Hong Y., Wessel J. E., Uliana E. A. (2008b) Design and evaluation of the First Special Sensor Microwave Imager/Sounder // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2008. V. 46. No. 4. P. 863–883.
- Liu Q., Weng F., English S. J. An improved fast microwave water emissivity model // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2011. V. 49. P. 1238–1250.
- Macelloni G., Brogioni M., Pampaloni P., Cagnati A. Multifrequency microwave emission the Dome-C area on the East Antarctic Plateau: Temporal and spatial variability // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2007. V. 45. No. 7. P. 2029–2039.
- Maeda T., Taniguchi Y., Imaoka K. GCOM-W1 AMSR2 level 1R product: dataset of brightness temperature modified using the antenna pattern matching technique // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2016. V. 54. No. 2. P. 770–782.
- Mears C. A., Wang J., Smith D., Wentz F. J. Intercomparison of total precipitable water measurements made by satellite-borne microwave radiometers and ground-based GPS instruments // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2015. V. 120. P. 2492–2504.
- Meissner T., Wentz F. Intercalibration of AMSR-E and Windsat brightness temperature measurements over land scenes // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). 2010. P. 3218–3219.
- Meissner T., Wentz F. J. The emissivity of the ocean surface between 6 and 90 GHz over a large range of wind speeds and earth incidence angles // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2012. V. 50. No. 8. P. 3004–3026.
- Mitnik L. M., Mitnik M. L. Retrieval of atmospheric and ocean surface parameters from ADEOS-II AMSR data: comparison of errors of global and regional algorithms // Radio Science. 2003. V. 38. No. 4. CiteID 8065. DOI: 10.1029/2002RS002659.
- Mitnik L. M., Mitnik M. L., Zabolotskikh E. V. Microwave sensing of the atmosphere-ocean system with ADEOS-II AMSR and Aqua AMSR-E // J. Remote Sensing Society of Japan. 2009. V. 29. No. 1. P. 156–165.
- Mitnik L. M., Cherny I. V., Mitnik M. L., Chernyavskii G. M., Kuleshov V. P., Baranyuk A. V. The MTVZA-GY radiometer on the Meteor-M No. 2 satellite: the first 10 months in an orbit, calibration of data and retrieval of geophysical parameters // Intern. Symp. “Atmospheric Radiation and Dynamics” (ISARD-2015): abstr. Saint Petersburg, Petrodvorets. 2015. P. 23–25.
- Mitnik L. M., Kuleshov V. P., Mitnik M. L. (2017a) Water vapor in the atmosphere over Greenland and the surrounding seas from measurements of MTVZA-GY, AMSR2, and GMI microwave radiometers // Intern. Symp. “Atmospheric Radiation and Dynamics” (ISARD-2017): abstr. Saint Petersburg, Petrodvorets. 2017. P. 23.
- Mitnik L. M., Kuleshov V. P., Mitnik M. L., Cherny I. V. (2017b) Statistics of surface and atmospheric microwave properties at Summit Station, Greenland from MTVZA-GY observations in the range 10–190 GHz // Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS): Abstr. St. Petersburg, Russia. 2017. P. 327.
- Mitnik L. M., Kuleshov V. P., Mitnik M. L., Barsukov I. A., Cherny I. V., Chernyavsky G. M. (2017c) Multichannel Scanning Imager-Sounder MTVZA-GY on Russian Weather Satellite Meteor-M No.2: The Simulated and Measured Brightness Temperatures in the Range of 10–190 GHz // Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS): abstr. St. Petersburg, Russia. 2017. P. 326.
- Mitnik L., Kuleshov V., Mitnik M., Streltsov A. M., Cherniavsky G., Cherny I. (2017d) Microwave scanner sounder MTVZA-GY on new Russian meteorological satellite Meteor-M N 2: modeling, calibration and measurements // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2017. V. 10. No. 7. P. 3036–3045.
- Mitnik L., Kuleshov V., Mitnik M., Cherny I., Cherniavsky G. (2018a) External calibration of MTVZA-GY / Meteor-M No. 2 imager channels // GSICS Quarterly Newsletter. 2018. V. 12. No. 1. P. 9–10. DOI: 10.7289/V5/QN-GSICS-12-1-2018.
- Mitnik L. M., Kuleshov V. P., Mitnik M. L., Baranyuk A. V. (2018b) Passive microwave observations of South America and surrounding oceans from Russian Meteor-M No. 2 and Japan GCOM-W1 satellites // Intern. J. Remote Sensing. 2018. Vol. 39. No. 13. P. 4513–4530. DOI: 10.1080/01431161.2018.1425569.
- Mitnik L. M., Kuleshov V. P., Pichugin M. K., Mitnik M. L. (2018c) Sudden stratospheric warming in 2015–2016: Study with satellite passive microwave data and reanalysis // Proc. IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. (IGARSS). Valencia, Spain, 2018. P. 5560–5563.
- Mo T. Postlaunch calibration of the NOAA-18 Advanced Microwave Sounding Unit-A // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2007. V. 45. No. 7. P. 1928–1937.
- Mo T. A study of the NOAA near-nadir AMSU-A brightness temperatures over Antarctica // J. Atmos. Oceanic Technology. 2010. V. 27. No. 6. P. 995–1004.
- Mo T. Calibration of the NOAA AMSU-A radiometers with natural test sites // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2011. V. 49. No. 9. P. 3334–3342.
- Moradi I., Ferraro R., Eriksson P., Weng F. Intercalibration and validation of observations from ATMS and SAPHIR microwave sounders // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 2015. V. 53. No. 11. P. 5915–5925.
- Nielsen-Englyst P., Høyer L. J., Pedersen T. L., Gentemann C., Alerskans E., Block T., Donlon C. Optimal estimation of sea surface temperature from AMSR-E // Remote Sensing. 2018. V. 10. P. 229. DOI: 10.3390/rs10020229.
- Nobre C. A., Obregon G. O., Marengo J. A., Fu R., Poveda G. Characteristics of Amazonian climate: Main features // Amazonia and Global Change / eds. M. Keller, M. Bustamante, J. Gash, P. Dias. Geophysical Monograph Series. 2009. V. 186. P. 149–162.
- Pearson K., Merchant C., Embury O., Donlon C. The Role of Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 channels within an optimal estimation scheme for sea surface temperature // Remote Sensing. 2018. V. 10. P. 90. DOI: 10.3390/rs10010090.
- Prigent C., Jaumouillé E., Chevallier F., Aires F. A parameterization of the microwave land surface emissivity between 19 and 100 GHz, anchored to satellite-derived estimates // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2008. V. 46. No. 2. P. 344–352.
- Rosenkranz P. W. Retrieval of temperature and moisture profiles from AMSU-A and AMSU-B measurements // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2001. V. 39. No. 11. P. 2429–2435.
- Shibata A. A. Wind speed retrieval algorithm by combining 6 and 10 GHz data from Advanced Microwave Scanning Radiometer: Wind speed inside hurricanes // J. Oceanography. 2006. V. 62. P. 351–359.
- Spencer R. W., Christy J. R. Precision lower stratospheric temperature monitoring with the MSU: Technique, validation, and results 1979–91 // J. Climate. 1993. No. 6. P. 1194–1204.
- Surdyk S. Using microwave brightness temperature to detect short-term surface air temperature changes in Antarctica: an analytical approach // Remote Sensing of Environment. 2002. V. 80. P. 256– 271.
- Tian Y., Peters-Lidard C. D., Harrison K. W., Prigent C., Norouzi H., Aires F., Boukabara S. A., Furuzawa F. A., Masunaga H. Quantifying uncertainties in land-surface microwave emissivity retrievals // IEEE Trans. Geoscience Remote Sens. 2014. V. 52. No. 2. P. 829–840.
- Weng F., Zou X., Sun N., Yang H., Tian M., Blackwell W. J., Wang X., Lin L., Anderson K. Calibration of Suomi National Polar-Orbiting Partnership (NPP) Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS) // J. Geophys. Research. Atmosphere. 2013. V. 118. P. 1–14.
- Wilheit T. Comparing calibrations of similar conically scanning window-channel microwave radiometers // IEEE Trans. Geoscience Remote Sensing. 2013. V. 51. No. 3. P. 1453–1464.
- Wimmers A. J., Velden C. S. Seamless advective blending of total precipitable water retrievals from polar orbiting satellites // J. Applied Meteorology and Climatology. 2011. V. 50. No. 5. P. 1024–1036.
- Zabolotskikh E., Mitnik L., Chapron B. An updated geophysical model for AMSR-E and SSMIS brightness temperature simulations over oceans // Remote Sensing. 2014. V. 6. No. 3. P. 2317–2342.