научная статья по теме АТМОСФЕРНЫЙ ФРОНТ НАД КАСПИЙСКИМ МОРЕМ ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ, ОПТИЧЕСКИМ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМ ДАННЫМ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «АТМОСФЕРНЫЙ ФРОНТ НАД КАСПИЙСКИМ МОРЕМ ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ, ОПТИЧЕСКИМ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМ ДАННЫМ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 4, с. 16-26

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

АТМОСФЕРНЫЙ ФРОНТ НАД КАСПИЙСКИМ МОРЕМ ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ, ОПТИЧЕСКИМ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМ ДАННЫМ © 2014 г. А. Ю. Иванов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва E-mail: ivanojf@ocean.ru Поступила в редакцию 15.10.2013 г.

Проведен анализ радиолокационного изображения (РЛИ) спутника Radarsat-2, полученного в конце сентябре 2013 г., на котором обнаружено проявление атмосферного фронта, проходящего над акваторией Северного Каспия. Анализ РЛИ с привлечением съемок спутников NOAA, Terra и Aqua, подспутниковых данных, метеоизмерений и ре-анализа позволил получить не только качественную, но и количественную информацию об отобразившемся на РЛИ явлении. Фронт имел характерный набор радиолокационных признаков и был идентифицирован как холодный; он имел узкую зону фронтальных шквалов и перемещался в юго-восточном направлении. Получены оценки скорости движения фронта, скоростей ветра в предфронтальной и зафронтальной зонах и ряда других параметров.

Ключевые слова: холодный атмосферный фронт, космическая радиолокация, Каспийское море DOI: 10.7868/S0205961414040071

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что процессы и явления, возникающие в нижнем слое атмосферы, при благоприятных условиях отображаются на радиолокационных изображениях (РЛИ) морской поверхности как неоднородности в поле мелкомасштабного волнения. Они, так или иначе, модулируют поле приводного ветра и создают усиленную или пониженную интенсивность волн ряби на поверхности моря, которая фиксируется на РЛИ как поле "замороженного" ветра (Beal et al., 1981; Vesecky, Stewart, 1982; Радиолокация поверхности Земли..., 1982; Атлас..., 1999). На РЛИ, полученных над морями и океанами, были обнаружены проявления самых разнообразных атмосферных процессов, а также структуры, связанные с трансформацией пограничного слоя атмосферы. Возникшие на поверхности моря ветровые пятна ряби и эффекты выглаживания, зоны и границы усиления ветра, атмосферные гравитационные волны в атмосфере (АГВ), фронты в атмосфере, конвективные и дождевые ячейки различных типов также достаточно часто регистрируются радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА) (Beal et al., 1981; Fu, Holt, 1982; Калмыков и др., 1985; Johannessen et al., 1994; Atlas, 1994;

Sikora et al., 1995; Alpers, 1995; Ivanov, Litovchenko, 1997; Атлас..., 1999; Митник и др., 2003). Ветровые неоднородности могут также образоваться при локальном усилении или ослаблении ветра, из-за атмосферной турбулентности, конвекции, при обтекании препятствий и т.п.

Так как большинство атмосферных процессов быстротекущи, они фиксируются на РЛИ почти всегда случайно, и для их мониторинга необходимо иметь датчики дистанционного зондирования практически непрерывного наблюдения. В этих случаях анализ РЛИ позволяет скорее получить качественную информацию, а для полноценного анализа необходимы дополнительные спутниковые съемки и подспутниковые наблюдения.

Однако опыт работы с данными дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) современных спутников, группировка которых на орбите неуклонно увеличивается, показывает, что в настоящее время практически всегда можно получить информацию, дополнительно характеризующую явление, отобразившееся на том или ином РЛИ. В качестве таких данных основную роль играют оптические съемки спектрорадио-метров MODIS на ИСЗ Terra и Aqua, снимки которых, начиная с 1999 и 2002 г., доступны еже-

Рис. 1. Холодный фронт к северу от Алеутских о-вов на РЛИ Radarsat-1 от 08.02.2001, 05:06 UTC. Фронт ориентирован северо-запад—юго-восток и перемещается на восток; двусторонней стрелкой показана фронтальная зона (рисунок из (Young et al., 2005)). © CSA.

дневно, а также данные ре-анализа атмосферных моделей, таких как NCEP (National Centers for Environmental Prediction), WRF (Weather Research and Forecasting) и др. Разработан (см. Monaldo et al. (2004) и цитированную в ней литературу) и активно применяется метод восстановления полей ветра непосредственно по РЛ-данным (Alpers et al., 2010; Иванов, 2012; Alpers et al., 2013).

В настоящей статье анализируется уникальное РЛИ спутника Radarsat-2, полученное над северной частью Каспийского моря в конце сентября 2013 г. На нем отобразился момент прохождения холодного атмосферного фронта над морем. Для анализа собраны все необходимые и доступные данные, включая оптические снимки, метеорологические измерения, синоптические карты и результаты ре-анализа. В результате показано, что совместный анализ мультиспутниковых съемок и дополнительных данных позволяет получить не

только качественную, но и количественную информацию об отобразившемся на РЛИ явлении.

АТМОСФЕРНЫЕ ФРОНТЫ НА РЛИ

Исследователи, имеющие дело с анализом РЛИ различных спутников ДЗЗ, неоднократно отмечали, что атмосферные фронты, так или иначе, отображаются в поле мелкомасштабного поверхностного волнения (Fu, Holt, 1982; Радиолокация поверхности Земли..., 1982; Alpers, 1995; Ivanov, Litovchenko, 1997; Митник и др., 2003; Ivanov et al., 2004; Young et al., 2005; Alpers et al., 2010). Большое внимание исследованию организованных мезомасштабных структур и атмосферных фронтов, выявленным по данным РЛ-съемок из космоса, уделено в (Радиолокации поверхности Земли., 1982). Теплые и холодные фронты, отображающиеся на РЛИ, имеют характерные РЛ-сигна-туры (рис. 1, 2); их основные особенности отобра-

Рис. 2. Теплый фронт на РЛИ Radarsat-1 от 30.03.2002, 03:20 UTC над заливом Аляска. Фронт ориентирован запад-восток и перемещается на северо-восток; двусторонней стрелкой показана фронтальная зона (рисунок из (Young et al., 2005)). © CSA.

жения перечислены ниже. Следует подчеркнуть, что мелко- и мезомасштабные особенности атмосферных фронтов не видны на оптических спутниковых снимках, так как они практически всегда маскируются облаками лежащих выше ярусов.

Под холодным фронтом подразумевают перемещающийся фронтальный раздел между наступающим холодным и отступающим теплым воздухом. Холодный воздух, как более плотный и тяжелый, при своем движении вклинивается в теплый, вынуждая его подниматься вдоль фронтальной поверхности. Наиболее бурный подъем происходит в передней части клина холодного воздуха, т.е. непосредственно у линии фронта. Подъем теплого воздуха приводит к его охлаждению, конденсации водяного пара и образованию кучево-дождевых облаков, из которых выпадают осадки в виде ливней, а зимой в виде снега. Зона ливневых осадков перед фронтом — сравнительно узкая полоса в несколько десятков километров. Вслед за прохождением холодного фронта и связанной с ним облачности наступает резкое прояснение.

По наблюдениям автора, на РЛИ в большинстве случаев линии холодных фронтов имеют выпуклый характер; эта выпуклость определяется их динамикой и направлена в сторону движения фронта. Однако это наблюдается не всегда, на РЛИ зарегистрированы как прямолинейные, так и вогнутые сигнатуры холодных фронтов. Ряд авторов рассматривают холодный фронт, как мощное внедрение холодного воздуха в теплый в виде гравитационного течения, имеющего крайне неустойчивую границу (Young, Johnson, 1984). На границе интенсивного взаимодействия воздушных масс образуется узкая градиентная зона с мощными восходящими движениями, поднимающими частицы воздуха на высоты 4—5 км и более. Особенностью РЛ-образов холодных фронтов являются непосредственно сама фронтальная граница, т.н. зона шквалов. На РЛИ граница холодного фронта выглядит неровной, "волнистой", состоящей из серии фестонов, иногда прерывистой, что объясняется мезомасштабной конвекцией, развитием мощной облачности вертикального развития и мелкомасштабным вихреобразовани-ем в нижнем слое атмосферы (рис. 1). Очень часто

Снимки Ветер Гибрид

И, OSM

Рельеф

О

50 км

I_I

43°56'50'' N, 49°48'03'' E

S2M7-2013 «СквнЭкс» ^участники OoenStreetMap. ODbL е Gameten & Leiftet

Рис. 3. РЛИ Ка(3агеа1>2 от 28.09.2013, 02:58 ЦТС с проявлением атмосферного фронта. Стрелками показано прогнозное направление и скорость ветра. © МЛА, СКАНЭКС.

линия холодного фронта осложнена вкраплениями кучевых и кучево-дождевых облаков, которые видны на РЛИ в виде ячеек (рис. 4). В ряде случаев у быстро перемещающихся холодных фронтов отмечены широкие полосы предфронтального шквала в виде широкой полосы светлого тона на некотором расстоянии перед фронтом (причем в таких условиях над сушей в аридных регионах может развиться предфронтальная пыльная буря).

Другими особенностями, характерными для холодных фронтов, являются полосы предфрон-тальных атмосферных гравитационных волн с гребнями, параллельными линии фронта, возникающие из-за вертикального сдвига поперечной компоненты скорости ветра. Они неоднократно отмечались исследователями фронтов, боров и АГВ (Alpers, Stilke, 1996; Кравцов и др., 1997; Lutzak, 2013; Ivanov, Barabanov, 2013). Пространство за фронтом часто покрыто облачными/дождевыми/конвективными ячейками различного типа и размеров или ветровыми полосами, указывающими на направление ветра (Ivanov etal., 2004; Young et al., 2005); последнее хорошо видно на рис. 1.

Теплые фронты имеют на РЛИ более "однородные" фронтальные границы или не имеют их вовсе, что зависит от ряда пока неизвестных факторов. Отмечено (Young et al., 2005), что большая часть фронтов, отобразившихся на РЛИ, имели полосы предфронтального усиления ветра, часто более интенсивные, чем у холодных фронтов, непосредственно примыкающие к линии фронта. Также отмечены проявления АГВ, но менее интенсивные и непосредственно у линии фронта. Предфронтальное и зафронтальное пространства (теплый сектор) теплых фронтов значительно более однородны, чем у холодных фронтов, что говорит об их менее динамичной природе (постепенное натекание теплого воздуха на клин холодного), конвективных ячеек не наблюдается, ветровые полосы крайне редки. Один из примеров приведен на рис. 2. Таким образом, РЛ-сигна-туры холодных фронтов визуально выглядят более динамичными, чем, например, теплых.

Заметим также, что некоторые фронты в атмосфере создаю

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком