ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 1, с. 49-61
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ОДНОВРЕМЕННЫХ СПУТНИКОВЫХ
СВЧ-РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ И СУДОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ
© 2004 г. Н. А. Арманд,1 А. Г. Гранков,1 А. А. Мильшин1, С. С. Лаппо,2 С. К. Гулев2
1Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинское отделение 2Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва Поступила в редакцию 25.11.2002 г., после доработки 22.05.2003 г.
Приведены результаты сопоставления данных судовых измерений, полученных в экспериментах НЬЮФАЭКС-88 и АТЛАНТЭКС-90 с НИСП "Виктор Бугаев", "Муссон", "Волна" в Ньюфаундлендской энергоактивной зоне Северной Атлантики, и данных одновременных измерений яркост-ной температуры собственного сверхвысокочастотного (СВЧ)-излучения океана и атмосферы со сканирующего радиометра ББМД американского метеорологического спутника Б-08 серии БМБР. Выявлена четкая связь яркостной температуры с синоптическими вариациями потоков тепла и импульса на границе раздела океана и атмосферы, характеристик пограничного слоя атмосферы, характеристик трансфронтального переноса тепла в районе субполярного гидрологического фронта. Иллюстрируются также возможности использования данных долговременных СВЧ-радиометриче-ских измерений со спутников БМБР для анализа внутри- и межгодовой изменчивости среднемесячных значений тепловых потоков в Норвежской, Ньюфаундлендской и Гольфстримской энергоактивных зонах Северной Атлантики.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка методов анализа взаимодействия океана и атмосферы как фактора годового хода и межгодовой изменчивости климата является важным аспектом исследований с точки зрения международных программ, таких как Всемирная программа исследований климата, Международная геосферно-биосферная программа, Global Change Research Program, Earth Observing System, Climate Variability and Predictability. Актуальность этой тематики для национальных интересов России отражена в разделе 3 Федеральной целевой программы "Исследования природы Мирового океана", а также в разделе 10 "Создание единой общегосударственной системы информации об обстановке в Мировом океане". Резкое сокращение в России экспедиционных судовых исследований Мирового океана выдвигает спутниковые средства в ряд наиболее перспективных для решения этой проблемы. К тому же судовые и буйковые средства в принципе не обеспечивают необходимую для системы глобальных наблюдений пространственную частоту и временну ю регулярность измерений.
К числу важнейших характеристик теплового и динамического взаимодействия океана и атмосферы относятся вертикальные турбулентные потоки явного, скрытого (латентного) тепла и импульса (количества движения). Спутниковые СВЧ-радиометрические методы анализа этих параметров стали развиваться лишь в 80- и 90-е гг.
(преимущественно в США, России и Германии), хотя уже в 60- и 70-х гг. были получены обнадеживающие результаты применения дистанционных СВЧ- и ИК-радиометрических методов для анализа процессов теплообмена на границе "вода-воздух" при измерениях в лабораторных условиях, с плавучих платформ, низколетящих самолетов.
В последние годы накоплен определенный опыт использования методов спутниковой СВЧ-и ИК-радиометрии для анализа теплового взаимодействия между океаном и атмосферой на основе данных радиометров SSMR (ИСЗ NIMBUS 7, SEASAT), SSM/I (DMSP) и AVHRR (NOAA). Разработаны и апробированы методы определения среднемесячных значений потоков скрытого тепла на границе раздела океана и атмосферы и их сезонной изменчивости, основанные на существовании прямых либо косвенных соотношений между яркостной температурой, измеряемой с ИСЗ, и такими компонентами тепловых потоков, как температура поверхности океана, температура, влажность и скорость ветра в приводном слое атмосферы. Позже были проведены исследования возможностей использования этих методов на основе данных измерений радиометра SSM/I для оценки потоков скрытого тепла на синоптических временных масштабах, однако их результаты оказались не столь обнадеживающими. На сегодняшний день можно констатировать, что имеется ряд существенных пробелов в исследова-
ниях реальных и потенциальных возможностей СВЧ-радиометрических методов анализа характеристик теплового и динамического взаимодействия океана и атмосферы с ИСЗ:
- используемые методы базируются на формулах тепловлагообмена между океаном и атмосферой (балк-формулах), включающих в расчеты тепловых потоков температуру и влажность приводного слоя атмосферы, которые лишь косвенно связаны с яркостной температурой системы океан-атмосфера (СОА);
- в качестве характеристик, связывающих яр-костную температуру СОА в СВЧ-диапазоне с тепловыми потоками на границе раздела системы, рассматриваются исключительно влажност-ные характеристики атмосферы, регистрируемые спутниковыми СВЧ-радиометрами в области резонансного поглощения водяного пара;
- соотношения между яркостной температурой и тепловыми потоками статичны в том смысле, что они опираются на обобщенные (многолетние) регрессии между данными наблюдений интегральной и приводной влажности, которые не учитывают вклад различных механизмов переноса тепла и влаги в атмосфере (вертикальный диффузионный, горизонтальный (адвективный), либо иной другой) на более мелких временных масштабах.
Что еще более важно, в мировой практике дистанционного зондирования до сих пор не рассматривались возможности использования данных спутниковых СВЧ-радиометрических измерений для решения такой важной для океанологов и климатологов задачи как анализ характеристик теплового взаимодействия океана и атмосферы во фронтальных зонах, где обычно нарушаются условия корректного использования балк-фор-мул. Остаются неясными до сих пор возможности использования спутниковых СВЧ-радиометрических методов для анализа энергетических и циркуляционных характеристик пограничного слоя атмосферы и оценки их влияния на процессы тепловлагообмена на границе раздела СОА. Наконец, вне поля зрения специалистов по дистанционному зондированию Мирового океана СВЧ- и ИК-радиометрическими и другими средствами остается важнейшая проблема, связанная с исследованием роли (первичности) океана и атмосферы в тепловом и динамическом взаимодействии между ними на различных пространственных и временных масштабах.
В данной работе продемонстрированы возможности использования современных спутниковых СВЧ-радиометрических средств для решения ряда важных с точки зрения океанологов, метеорологов и климатологов прикладных задач во фронтальных зонах океана и атмосферы и районах деятельности среднеширотных циклонов, где ограничено применение классических формул обмена
теплом и импульсом между океаном и атмосферой, таких как:
- оценка пространственных и временных вариаций потоков тепла и импульса на границе раздела океана и атмосферы в синоптическом диапазоне временных масштабов;
- анализ реакции тепловых потоков и теплосодержания пограничного слоя атмосферы на прохождение среднеширотных циклонов;
- исследование динамики температурных и влажностных характеристик атмосферы, в частности, скорости перемещения атмосферных фронтов в средних и высоких широтах океана;
- анализ характеристик трансфронтального переноса тепла и влаги и их влияния на интенсивность теплового и динамического взаимодействия океана и атмосферы.
Эти результаты получены благодаря идее совместного анализа данных широкомасштабных экспериментов НЬЮФАЭКС-88 и АТЛАНТЭКС-90, полученных на научно-исследовательских судах погоды (НИСП) "Виктор Бугае", "Муссон", "Волна" в энергоактивных зонах (ЭАЗО) Северной Атлантики, и данных СВЧ-радиометрических измерений с американского оперативного спутника F-08 серии DMSP.
Иллюстрируются также возможности использования данных долговременных СВЧ-радиометрических измерений со спутников DMSP для анализа внутри- и межгодовой изменчивости среднемесячных значений тепловых потоков в Норвежской и Ньюфаундлендской энергоактивных зонах, а также в ЭАЗО Гольфстрим, и зоне Гольфстрима.
ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ
ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ
Основная проблема использования методов спутниковой радиометрии для анализа теплового взаимодействия между океаном и атмосферой связана с тем, что измеряемые с ИСЗ характеристики собственного излучения как в СВЧ-, так и в ИК-диапазонах формируются не только в приводном 10-метровом, но и в вышележащих слоях атмосферы. Существуют различные подходы к использованию данных СВЧ- и ИК-радиометри-ческих измерений для оценки тепловых потоков в СОА. Один из них основывается на восстановлении вертикального градиента температуры в приповерхностном слое океана, величина и знак которого, как показано в [26], связаны с величиной вертикального турбулентного потока явного тепла. Эффективность такого подхода в ИК-диапа-зоне подтверждена результатами многочисленных измерений в лабораторных условиях, со ста-
ционарных береговых пунктов, с плавучих морских платформ, а также с борта низколетящих самолетов [2]. Некоторые возможности восстановления температурного профиля вблизи поверхности океана по данным многочастотных СВЧ-радио-метрических измерений исследованы теоретически в [23, 27]. Развиты и апробированы в лабораторных условиях СВЧ-радиометрические методы определения вертикального температурного профиля спокойной и взволнованной водной поверхности для случая стационарных и судовых измерений [3]. В то же время не существует ни одного свидетельства использования ИК- либо СВЧ-радиоме-трических методов определения тепловых потоков по температурным профилям в оперативных крупномасштабных исследованиях океана, т.е. с помощью ИСЗ. Современные спутниковые ИК-и СВЧ-радиометрические средства, характеризующиеся точностью определения температуры водной поверхности и ее вариаций в лучшем случае 0.5-1°С, не гарантируют надежной индикации не только величины, но и знака температурного градиента в приповерхностном слое океана. То же самое можно сказать про СВЧ- и ИК-радиоме-трические методы восстановления вертикальных
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.