ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 1, с. 40-53
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ФЁН В ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ И ЕГО НАБЛЮДЕНИЕ ИЗ КОСМОСА С ПОМОЩЬЮ РСА
© 2012 г. А. Ю. Иванов
Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва
E-mail: ivanojf@ocean.ru Поступила в редакцию 24.02.2011 г.
Данные радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) спутника Envisat послужили основой для анализа ветровых ситуаций в юго-восточной части Черного моря, связанных с фёном в Колхидской низменности (Западная Грузия). Показано, что воздействие фёна на характеристики ветрового волнения приводит к формированию характерных сигнатур на поверхности моря, которые отображаются на радиолокационных изображениях (РЛИ) поверхности моря. Спутниковые РСА-изобра-жения и данные позволяют определить ряд количественных характеристик явления и судить о его пространственных масштабах. Фён, в зависимости от синоптической ситуации, может охватывать обширную акваторию в юго-восточной части Черного моря. Использование данных космической радиолокации для исследования и мониторинга фёна позволяет существенно расширить знания об этом явлении в атмосфере.
Ключевые слова: юго-восточная часть Черного моря, фён, поле ветра, космическая радиолокация, радиолокационные изображения
ВВЕДЕНИЕ
В общем случае фёном (нем. Föhn, лат. favonius — теплый западный ветер) называют сухой и теплый ветер, дующий с гор в долины, часто сильный и порывистый (Бурман, 1969; Прох, 1983). Фёны — нисходящие (катабатические) ветры. Они наблюдаются в ряде горных стран, возникая при перетекании воздушного потока через гребни высоких хребтов (Бурман, 1969). Опускание по подветренному склону сопровождается сухоадиабатиче-ским повышением температуры (при опускании на каждые 100 м воздух нагревается примерно на 1°C) и понижением относительной влажности (Бурман, 1969). Скорости фёнового ветра бывают значительными и достигают 20—25 м/с и более. Фён обычно длится менее суток, нередко до пяти, а изредка и более, причем изменения температуры и относительной влажности воздуха могут быть значительными. При этом усиливается таяние снега, возрастает возможность схода лавин, резко повышается испарение с почвенно-расти-тельного покрова, перераспределяются атмосферные загрязнения (Gunia е! al., 2008). Фёны часто наблюдаются в горах Кавказа, Урала, Средней Азии, Алтая, в Хибинах, Альпах, Скалистых горах и других горных районах (Бурман, 1969; Прох, 1983; Demin, Zykov, 2005).
На территории бывшего СССР одним из наиболее известных является фён в долине р. Риони (Колхидская низменность, Западная Грузия) (Бурман, 1969). Долина реки представляет собой своеобразный амфитеатр, окаймленный хребтами Большого и Малого Кавказа, перемычкой между которыми является Лихийский (Сурам-ский) хребет (рис. 1). Направление воздушных потоков здесь определяется широтной ориентацией долины. Разность давлений над Черным морем и Кавказом, особенно в осенне-зимний период, способствует перетеканию воздуха через Лихийский хребет (высоты 950—2000 м) (Бурман, 1969). Наиболее часто фёны здесь образуются в условиях северо-восточного муссона, при частом прохождении циклонов над Черным морем, а также при вторжениях холодного воздуха с востока (Бурман, 1969). Здесь фён — теплый восточный ветер, дующий с гор Лихийского хребта в долину и затем на море, и продолжающийся от одних суток до недели. Отмечается, что фёновый ветер может распространяться от места генерации на 500—600 км (Бурман, 1969). С подветренной стороны хребта нередко образуется фёновый циклон (Дашко, 2005).
В Колхидской низменности выделяются несколько районов с повышенными скоростями ветра (15 м/с и более): это — Кутаиси (до 114 дней
Рис. 1. Карта Западной Грузии с положением хребтов и речных долин, способствующих развитию фёна, и его генеральное направление (фоновая карта © Оос^1е-Ландшафт).
в году), Поти, Кахаберская равнина и др. места (Прох, 1983). Так, в Кутаиси во время фёна температура может подняться до 30—35°С при относительной влажности воздуха 10—20% (Бурман, 1969). В районе г. Поти, на участке побережья от устья р. Супса до устья р. Ингури, часто наблюдается очень сильный фёновый ветер, иногда достигающий ураганной силы 30—40 м/с и продолжительности в несколько суток (Прох, 1983). Почти одновременно с развитием фёна наблюдается заметное усиление ветра восточных румбов в Батуми, Кобулети, Сухуми и других прибрежных городах региона (Бурман, 1969).
Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) регистрируют пространственные вариации мелкомасштабных ветровых волн, связанные с аэрогидродинамическими возмущениями, в виде картин пространственного распределения величины удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР). Радиолокационный (РЛ) сигнал проникает через атмосферу практически без помех и поэтому явления, происходящие в нижней атмосфере или в верхнем слое моря, могут отобразиться на радиолокационных изображениях (РЛИ) только как неоднородности в поле мелкомас-
штабного волнения морской поверхности. Процессы в атмосфере, связанные с большими скоростями ветра, создают усиленную интенсивность волн ряби на морской поверхности, которая отображается на РЛИ как яркие зоны "замороженного" ветра. В связи с этим изображения РЛ-спутников часто привлекаются для исследования процессов и явлений в атмосфере, таких, например, как фронты и фронтальные зоны (Ivanov et al., 2004) и местные ветры: катабатиче-ские в Средиземноморье (Alpers et al., 1998), бора на Адриатическом (Signell et al., 2010; Alpers et al., 2007) и Черном морях (Ivanov et al., 2007; Иванов, 2008; Alpers et al., 2009; Alpers et al., 2010). В этих работах показано, что анализ РЛИ позволяет получить уникальную информацию о явлениях в атмосфере, создающих на морской поверхности соответствующие проявления.
Кроме того, РЛ-данные могут быть использованы для определения скорости ветра над морем путем преобразования яркости пикселов изображения в УЭПР (или интенсивность рассеяния), которая связана с полем приповерхностного ветра через скаттерометрическую модель CMOD4 (Stoffelen, Anderson, 1997). Для этого разработан
Параметры съемок с ИСЗ Envisat
Дата съемки Время, UTC Режим Ветер во время съемки (направление/скорость, м/с) Примечание
9.09.2009 07:29 Image Mode В/20
12.09.2009 07:34 То же В/10
7.12.2009 07:31 Wide Swath В/10 Циклонический вихрь
11.01.2010 07:31 Image Mode В/11
13.09.2010 07:31 Wide Swath В/16 Циклонический вихрь
ряд алгоритмов (Но^шапп й а1., 2000; МопаЫо йа1., 2003; Но^шапп, КоеИ, 2005). В частности, данный подход активно использовался для восстановления поля ветра в (Гуапоу й а1., 2004; Иванов, 2008; Л1рег5 й а1., 2009; Л1рег5 й а1., 2010; Иванов, 2010).
В настоящей статье проанализирован ряд РЛИ спутника Еп^а^ полученных в 2009—2010 гг., чтобы показать, какая информация о черноморском фёне может быть получена с помощью космической радиолокации. Основной метод исследования — совместный анализ сигнатур, видимых на РЛИ, данных моделирования и подспутниковых измерений.
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ОБРАБОТКА
РЛ-данные на юго-восточную (ЮВ) часть Черного моря были получены из Европейского космического агентства (ESA) в рамках ряда исследовательских проектов. Параметры съемок приведены в таблице.
РЛИ спутника Епука! были доступны в виде стандартных продуктов ЛБА_1МР и ASA_WSM, с размером стандартного кадра 100 х 100 и 400 х 400 км, с оригинальным пространственным разрешением 25 и 150 м и вертикальной поляризацией сигнала. Для оценки гидрометеорологических условий во время съемок были собраны доступные сведения о ветре (данные метеостанции в г. Кутаиси). Эти метеоданные, а также карты приземного анализа (с www.wetterzentra1e.de), были основным материалом для анализа РЛИ. Как видно из таблицы, во время съемок наблюдался сильный восточный ветер, превышающий 10 м/с.
Для анализа РЛ-данных и исследования отпечатков сильного ветра на поверхности моря использовалась методика, применявшаяся в ряде публикаций (Иванов, 2008; A1pers et а1., 2009; А1р-
ers et al., 2010). Обработка РЛИ проводилась по стандартной схеме и включала геометрическую коррекцию по орбитальным данным, радиометрическую коррекцию, калибровку, сглаживание путем фильтрации и географическую привязку изображений.
Для восстановления поля ветра над морем из РЛИ широко применяется подход, предложенный Хорстманом — подробно см. (Horstmann et al., 1998; Horstmann et al., 2000; Monaldo et al., 2001; Horstmann, Koch, 2005). В общем случае методология расчета поля ветра подразумевает два этапа. Это связано с тем, что процедура восстановления параметров ветра с помощью модели CMOD в случае РСА и его данных — РЛИ в отличие от скаттерометра существенно усложняется. На первом этапе определяется реальное направление ветра или по метеоданным, или по ориентации ветровых полос на РЛИ (Horstmann et al., 1998), или, в случае отсутствия того или другого, на основе счета моделей атмосферы, таких, как европейская модель ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecast), американские NCEP (National Centers for Environmental Prediction) и NCAR (National Center of Atmospheric Research) с разрешением 0.5° x 0.5°. На втором этапе при известном направлении поле скорости ветра с достаточно высоким разрешением (250—500 м) можно восстановить с помощью скаттерометри-ческой модели CMOD путем преобразования значений интенсивности РЛИ (яркости пикселов) калиброванного РСА-изображения в значения скорости ветра (Stoffelen, Anderson, 1997).
Воспользовавшись синоптическими картами и метеоданными, а также описанным выше подходом, проанализируем ряд РЛИ, которые были получены со спутника Envisat в 2009—2010 гг.
а
Рис. 2. а — Выход фёна на море на РЛИ спутника Envisat от 9 и 12.09.2009 в 07:29 и 07:34 UTC соответственно (© ESA); б — температура воздуха (вверху), скорость ветра и его порывы (в середине) и относительная влажность (внизу), измеренные на метеостанции в г. Кутаиси с 05:00, 7.09.2009 по 23:00, 13.09.2009 местн. вр. Вертикальные линии показывают время съемки 9.09 и 12.09.2009 по Г
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.