Архив
Том 21, 2024
Том 20, 2023
Том 19, 2022
Том 18, 2021
Том 17, 2020
Том 16, 2019 г.
Том 15, 2018 г.
Том 14, 2017 г.
Том 13, 2016 г.
Том 12, 2015 г.
Том 11, 2014 г.
Том 10, 2013 г.
Том 9, 2012 г.
Том 8, 2011 г.
Том 7, 2010 г.
Выпуск 6, 2009 г.
Выпуск 5, 2008 г.
Выпуск 4, 2007 г.
Выпуск 3, 2006 г.
Выпуск 2, 2005 г.
Выпуск 1, 2004 г.
Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
Ваш e-mail:
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 2. С. 23-35

Реконструкция трёхмерных моделей облаков на основе информации о высоте их верхней и нижней границ по данным пассивного спутникового зондирования

А.В. Скороходов 1 
1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск, Россия
Одобрена к печати: 29.03.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-2-23-35
Информация о распределении параметров облачности в трёхмерном пространстве (включая форму и объём) требуется для улучшения понимания механизмов конвекции, радиационного переноса и распространения потоков скрытого тепла, а также необходима в авиации. В работе представлены результаты оценки возможностей реконструкции трёхмерных моделей различных разновидностей однослойных облаков только на основе информации о высоте их верхней и нижней границы, полученной по данным пассивного спутникового зондирования. При этом рассмотрены не только основные типы облачности, но и некоторые их подтипы. Исходной информацией стали снимки MODIS (англ. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) в видимом диапазоне спектра с пространственным разрешением 1000 м, а также тематические продукты их обработки. Приведено описание методики реконструкции трёхмерных моделей облаков по данным пассивного спутникового зондирования. Обсуждаются результаты восстановления формы для различных типов облачности, наблюдаемых над территорией Западной Сибири в летнее время. Показано, что рассматриваемый подход позволяет реконструировать трёхмерные модели не только отдельных облаков, но и облачных полей в целом. Установлено, что из-за низкого пространственного разрешения не могут быть восстановлены формы кучевых плоских облаков, а модели некоторых типов облачности имеют сильное сходство между собой. Даны рекомендации по использованию полученных результатов для решения различных научных и прикладных задач.
Ключевые слова: спутниковые данные, типы облачности, трёхмерная модель облака, характеристики облачности, MODIS
Полный текст

Список литературы:

  1. Астафуров В. Г., Евсюткин Т. В., Курьянович К. В., Скороходов А. В. Статистическая модель текстуры изображений различных типов облачности по данным MODIS //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 4. С. 188–197.
  2. Беспалов Д. П., Девяткин А. В., Довгалюк Ю. А. и др. Атлас облаков. СПб.: Изд-во Д’АРТ, 2011. 248 c.
  3. Облака и облачная атмосфера: cправ. / под ред. Мазина И. П., Хргиана А. Х. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 647 с.
  4. Скороходов А. В., Курьянович К. В. Использование данных CloudSat CPR для повышения эффективности нейросетевого подхода к восстановлению высоты нижней границы облаков на спутниковых снимках Aqua MODIS // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 5. С 63–75. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-5-63-75.
  5. Ackerman S., Strabala K., Menzel P. et al. Discrimination clear-sky from cloud with MODIS. Algorithm teoretical basis document (MOD35). Wisconsin, MD, USA: NOAA NESDIS, 2006. 125 p.
  6. Ackerman S. A., Frey R., Heidinger A. et al. EOS MODIS and SNPP VIIRS cloud properties: User guide for the climate data record continuity Level-2 cloud top and optical properties product (CLDPROP). Greenbelt, MD, USA: NASA Goddard Space Flight Center, 2019. 65 p.
  7. Brüning S., Niebler S., Tost H. Artificial intelligence (AI)-derived 3D cloud tomography from geostationary 2D satellite data // Atmospheric Measurement Techniques. 2024. V. 17. P. 961–978. DOI: 10.5194/amt-17-961-2024.
  8. Chen S., Cheng C., Zhang X. et al. Construction of nighttime cloud layer height and classification of cloud types // Remote Sensing. 2020. V. 12. Article 668. DOI: 10.3390/rs12040668.
  9. Dobashi Y., Nishita T., Yamashita H., Okita T. Using metaballs to modeling and animate clouds from satellite images // The Visual Computer. 1999. V. 15(9). P. 471–482. DOI: 10.1007/s003710050193.
  10. Goswami P. A survey of modeling, rendering and animation of clouds in computer graphics // The Visual Computer. 2021. V. 37(3–4). P. 1931–1948. DOI: 10.1007/s00371-020-01953-y.
  11. Heidinger A., Li Y. Enterprise AWG Cloud Height Algorithm (ACHA). Algorithm theoretical basis document. Silver Spring, MD, USA: NOAA NESDIS, 2019. 64 p.
  12. Koffi B., Schulz M., Bréon F.-M. et al. Application of the CALIOP layer product to evaluate the vertical distribution of aerosols estimated by global models: AeroCom phase I results // J. Geophysical Research. 2012. V. 117. Article D10201. DOI: 10.1029/2011JD016858.
  13. Kokhanenko G. P., Balin Y. S., Borovoi A. G., Novoselov M. M. Studies of the orientation of crystalline particles in ice clouds by a scanning lidar // Atmospheric and Ocean Optics. 2022. V. 35. P. 509–516. DOI: 10.1134/S1024856022050141.
  14. Kowsuwan N., Kanongchaiyos P. 3D cloud animation using CA based method //Proc. Intern. Symp. Intelligent Signal Processing and Communication Systems (ISPACS). 2009. P. 387–392. DOI: 10.1109/ISPACS.2009.5383819.
  15. Lee B., Di Girolamo L., Zhao G., Zhan Y. Three-dimensional cloud volume reconstruction from the Multi-angle Imaging SpectroRadiometer // Remote Sensing. 2018. V. 10. Article 1858. DOI: 10.3390/rs10111858.
  16. Mace G. G., Zhang Q. The CloudSat radar-lidar geometrical profile product (RL-GeoProf): updates, improvements and selected results // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2014. V. 119. P. 9441–9462. DOI: 10.1002/2013JD021374.
  17. Marshak A., Davis A. 3D radiative transfer in cloudy atmospheres. N. Y.: Springer, 2005. 687 p.
  18. Marzban C., Leyton S., Colman B. Ceiling and visibility forecasts via neural networks // Weather Forecast. 2007. V. 22. P. 466–479. DOI: 10.1175/WAF994.1.
  19. Mecikalski J. R., Feltz W. F., Murray J. J. et al. Aviation applications for satellite-based observations of cloud properties, convection initiation, in-flight icing, turbulence, and volcanic ash // Bull. American Meteorological Society. 2007. V. 88. P. 1589–1607. DOI: 10.1175/BAMS-88-10-1589.
  20. Noh Y.-J., Haynes J. M., Miller S. D. et al. A Framework for satellite-based 3D cloud data: An overview of the VIIRS cloud base height retrieval and user engagement for aviation applications // Remote Sensing. 2022. V. 14. Article5524. DOI: 10.3390/rs14215524.
  21. Oreopoulos L., Cho N., Lee D. New insights about cloud vertical structure from CloudSat and CALIPSO observations // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2017. V. 122. P. 9280–9300. DOI: 10.1002/2017JD026629.
  22. Platnick S. K., Meyer G., King M. D. et al. The MODIS cloud optical and microphysical products: Collection 6 updates and examples from Terra and Aqua // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. P. 502–525. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2610522.
  23. Razenkov I. A. Capabilities of a turbulent BSE-lidar for the study of the atmospheric boundary layer // Atmospheric and Ocean Optics. 2021. V. 34. P. 229–238. DOI: 10.1134/S102485602103012X.
  24. Russkova T. V., Shishko V. A. Statistical simulation of laser pulse propagation in cirrus clouds accounting for multiple scattering // Atmospheric and Ocean Optics. 2023. V. 36. P. 384–393. DOI: 10.1134/S1024856023040164.
  25. Saito M., Yang P., Hu Y. et al. An efficient method for microphysical property retrievals in vertically inhomogeneous marine water clouds using MODIS‐CloudSat measurements // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2019. V. 124. P. 2174–2193. DOI: 10.1029/2018JD029659.
  26. Singer C. E., Lopez-Gomez I., Zhang X., Schneider T. Top-of-atmosphere albedo bias from neglecting three-dimensional cloud radiative effects // J. Atmospheric Sciences. 2021. V. 78. No. 12. P. 4053–4069. DOI: 10.1175/JAS-D-21-0032.1.
  27. Skorokhodov A. V., Astafurov V. G., Evsutkin T. V. Application of statistical models of image texture and physical parameters of clouds for their classification on MODIS satellite images // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2019. V. 55. No. 9. P. 1053–1064. DOI: 10.1134/S0001433819090482.
  28. Skorokhodov A. V., Pustovalov K. N., Kharyutkina E. V., Astafurov V. G. Cloud-base height retrieval from MODIS satellite data based on self-organizing neural networks // Atmospheric and Ocean. Optics. 2023. V. 36. No. 6. P. 723–734. DOI: 10.1134/S1024856023060209.
  29. Smith W. L., Minnis P., Fleeger C. et al. Determining the flight icing threat to aircraft with single-layer cloud parameters derived from operational satellite data // J. Applied Meteorology and Climatology. 2012. V. 51. P. 1794–1810. DOI: 10.1175/JAMC-D-12-057.1.
  30. Stubenrauch C. J., Cros S., Guignard A., Lamquin N. A 6-year global cloud climatology from the Atmospheric InfraRed Sounder AIRS and a statistical analysis in synergy with CALIPSO and CloudSat // Atmospheric Chemistry and Physics. 2010. V. 10. P. 7197–7214. DOI: 10.5194/acp-10-7197-2010.
  31. Wallace J. M., Hobbs P. V. Atmospheric science: an introductory survey. L.: Elsevier, 2006. 490 p.
  32. Wang H., Xu X. Three-dimensional cloud structure construction with fractal modulation on actual measurement // Proc. Intern. Conf. Modeling, Simulation and Analysis (ICMSA-2018). 2018. P. 247–252. DOI: 10.12783/DTCSE/ICMSA2018/23247.
  33. Wang F., Liu Y., Zhou Y. et al. Retrieving vertical cloud radar reflectivity from MODIS cloud products with CGAN: An evaluation for different cloud types and latitudes // Remote Sensing. 2023. V. 15. Article 816. DOI: 10.3390/rs15030816.
  34. Xie X., Qiao Y., Sun T. The application of the technology of 3D satellite cloud imaging in virtual reality simulation // Data Science J. 2007. V. 6. P. S270–S277. DOI: 10.2481/dsj.6.S270.
  35. Yu H., Ma J., Ahmad S. et al. Three-dimensional cloud structure reconstruction from the Directional Polarimetric Camera // Remote Sensing. 2019. V. 11. Article 2894. DOI: 10.3390/rs11242894.
  36. Zhou H., Bi S., Gong Y. et al. Three-dimensional cloud simulation of satellite cloud map based on SPH method // J. System Simulation. 2019. V. 31. No. 7. P. 1300–1312. DOI: 10.16182/j.issn1004731x.joss.17-0233.