ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 5, с. 9-15
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^^^
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 528.873
МЕЖДУГОДОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАДИОТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВОГО СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА
© 2008 г. Н. М. Астафьева, М. Д. Раев, Е. А. Шарков
Институт космических исследований РАН, Москва E-mail: ast@iki.rssi.ru; easharkov@iki.rssi.ru; mraev@asp.iki.rssi.ru Поступила в редакцию 06.06.2008 г.
Проведен анализ структуры глобальных полей радиояркостной температуры ©19, ©22, ©37, ©85 из электронной коллекции GLOBAL—Field (http://www.iki.rssi.ru), сформированной авторами на основе данных спутникового мониторинга Земли в рамках программы DMSP (установленные на спутниках серии DMSP СВЧ-радиометрические комплексы SSM/I принимают излучение на частотах 19.35; 22.24; 37.0 и 85.5 ГГц, характеризующих влаго- и водозапас тропосферы). Разработанные методики, основанные на межвитковом и кросс-аппаратном выравнивании и дополнении, позволили построить глобальные поля радиояркостной температуры (два полных поля в сутки с разрешением 0.5 х 0.5° по поверхности), используя информацию всех спутников серии DMSP для заполнения лакун. Изучена широтная и региональная изменчивость глобального радиотеплового поля планеты над Мировым океаном на разных временных масштабах за период с 1995 по 2005 гг. Обнаружены региональные вариации радиояркостной температуры в зонах активного циклогенеза и в основных центрах действия атмосферы (здесь выявлены противофазные вариации радиояркостной температуры).
ВВЕДЕНИЕ
Распределение влаги (и тепла) в тропосфере и процессы переноса тепла и массы (влаги особенно) в системе океан—атмосфера являются важными факторами изменчивости климатической системы Земли. Актуальность исследования крупномасштабных термодинамических процессов в системе океан—атмосфера, годового хода, сезонной, междугодовой и долговременной изменчивости климата признана международным сообществом и подтверждается в ходе деятельности международных и федеральных программ изучения Мирового океана, атмосферы, гео- и биосферы, а также изменчивости и прогнозируемости 1 2 3 4 5
климата (WCRP , IGBP , GCRP , EOS , CLIVAR
и других). Климатическая система — среда обитания человечества. Поэтому проблема изменчивости климата имеет не только фундаментальное научное, но и важное практическое значение.
Термодинамические взаимодействия в системе океан—атмосфера, оказывающие существенное воздействие на транспортные и диссипативные
1 World Climate Research Programme (или ВПИК — Всемирная программа исследований климата).
2 International Geosphere-Biosphere Program.
3 Global Change Research Program — система программ, поставляющих, в частности, данные и информацию о климатических изменениях.
4 NASA Earth Observing System — поставляет, в частности, данные о системе океан—атмосфера.
5 Climate Variability and Predictability — программа является частью программы WCRP и фокусируется, в основном, на медленных изменениях климатической системы.
свойства атмосферы и влияющие на формирование климата, имеют большую пространственную протяженность, достаточно длительны, характеризуются сложной пространственно-временной структурой и эволюционируют в широком диапазоне временных и пространственных масштабов. Для выявления общих закономерностей таких процессов необходим анализ данных наблюдений, представительно характеризующих их энергетику и динамику — необходимы достаточно большая временная и пространственная протяженность данных, а также регулярность и плотность покрытия. Обеспечить глобальные наблюдения геофизических параметров в виде полей, удовлетворяющих этим требованиям, в настоящее время могут лишь приборы, установленные на искусственных спутниках Земли.
Современные ИК- и СВЧ-радиометрические приборы, установленные на искусственных спутниках Земли, позволяют получать глобальные данные наблюдения полей собственного излучения земных покровов, Мирового океана и атмосферы (в отличие от оптического диапазона, где принимается отраженное солнечное излучение). Это данные радиометров SSMR (NIMBUS-7), SSM/I (DMSP), AMSR (ADEOS-II), AMSR-E (Aqua) в микроволновом диапазоне и AVHRR (NOAA) в ИК-диапазоне. Получаемая в результате микроволнового спутникового мониторинга информация [1—3] позволяет изучать процессы в атмосфере, океане, в криосфере и на земной поверхности; для атмосферы измеряются такие параметры, как температура, осадки, распределение
и тип облаков, скорость ветра, концентрация газов (водяных паров, углекислого газа, озона, например). Обнаружено, например [4], что существует высокая корреляция между полем точки росы на уровне моря (температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным; при температуре ниже точки росы пар конденсируется) и результатами спутниковых наблюдений облаков.
Для атмосферы характерны два основных окна прозрачности: в видимой и ИК-части спектра в диапазоне 0.3—10.0 мкм и в микроволновой области в диапазоне длин волн от миллиметров до метров (окна, в свою очередь, разделены на более мелкие участки линиями поглощения). Кроме газовых составляющих в атмосфере содержатся твердые и жидкие компоненты — аэрозоли (микроскопические, 10 нм—10 мкм, взвешенные частицы пыли или воды с поверхности океана) и крупные частицы льда и воды (туман, облака, дождь, снег). Туман и низкие облака состоят из капель воды размером 10—50 мкм. Все облака, кроме самых тонких, оптически непроницаемы. То же касается и высоких облаков, состоящих из кристалликов льда. Содержание воды в облаке колеблется от 10-6 кг/м3 при легкой облачности до 10-2 кг/м3 при кучево-дождевых облаках, однако даже толстый слой плотных облаков практически проницаем для микроволнового излучения. На частотах ниже 15—20 ГГц поглощением облаками можно пренебречь. Дождевые капли (~1 мм) почти на два порядка крупнее капель в облаках. Дождь проявляет значительное поглощение и рассеяние на частотах ниже 10 ГГц.
Над океанами функционируют два процесса, которые могут заметно изменять профили влажности. При наличии конвергенции в нижней тропосфере формируется глубокий конвективный слой с относительной влажностью, превосходящей среднюю. При преобладании устойчивости, типа инверсионной, относительная влажность над инверсией падает до значений, меньших средней. Такие вариации относительной влажности в нижнем слое атмосферы (примерно несколько километров) проявляются в изменениях содержания водяного пара во всей толще тропосферы по отношению к определенным средним значениям. Таким образом, поле интегрального влагозапаса может быть очень хорошим индикатором динамических процессов в тропосфере.
Проблема восстановления влаго- и водосодер-жания атмосферы детально обсуждена в [5]. Существует ряд моделей восстановления влаго- и водосодержания всей толщи тропосферы по данным измерений уходящего излучения многоканальными микроволновыми приборами. Так, например, в [6] обсуждается восстановление влаго-и водосодержания атмосферы в тропическом по-
ясе Тихого океана (35° ю.ш.—75° с.ш., 130° в.д.— 100° з.д.) по данным сканирующего микроволнового спектрометра метеорологического спутника "Нимбус-6" (22.23 и 31.65 ГГц). Используется приближенная формула для радиояркостной температуры TR(v) = TA{1 — Ту [1 — s(v)]} на частоте v, справедливая для v меньше 40 ГГц над поверхностью океана (излучательная способность поверхности б < 0.5). Здесь TA — температура воздуха на уровне эффективного излучающего слоя, в среднем равная 280 К. Пропускание атмосферы т зависит от влагосодержания V и водосодержания W атмосферы. Восстановление V и W по данным двух каналов можно считать надежным, когда скорость ветра у поверхности меньше 10 м/с, — т.е. при практически постоянной излучательной способности поверхности 6. Сравнение результатов (для моделей ясной и облачной погоды) с данными аэрологического зондирования показало хорошую точность (вдвое превосходящую теоретическую оценку точности восстановления) построенных ежесуточных карт V и W в квадратах 2.5 х 2.5° по поверхности Земли. Анализ полученных карт выявил высокую информативность микроволновых спутниковых данных.
Отметим, однако, что результаты восстановления влаго- и водосодержания сильно зависят, в частности, от состояния облачности и волнения поверхности океана. Отсюда вытекает актуальность применения данных микроволнового спутникового зондирования — радиояркостной температуры — не только опосредованно (для восстановления известных метеорологических характеристик с использованием эмпирических формул), но и непосредственно — в качестве прямых характеристик теплового и динамического взаимодействия атмосферы и океана. Путь прямого использования радиометрических спутниковых данных не в прикладных целях, а для изучения динамики атмосферы представляется нам наиболее перспективным, поскольку он свободен от имеющихся модельных представлений. Его действенность, что очень существенно, подтверждается не только на больших, но и на синоптических масштабах в ситуациях, когда формализация самих процессов становится затруднительной (фронтальные зоны, циклоны и другие области больших градиентов)
[7, 8].
В настоящей работе используются данные СВЧ-радиометрических приборов SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager), установленных на космических аппаратах F10—F15 серии DMSP (Defense Meteorological Satellite Program). Программа DMSP — это программа долговременного мониторинга Земли в микроволновом диапазоне, поставляющая оперативную глобальную метеорологическую, океанографическую и солнечно-геофизическую информацию. В Институте космических
исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) в лаборатории климатических исследований создана и постоянно пополняется электронная база GLOBAL—T данных спутникового мониторинга Земли, полученных в рамках программы DMSP. На настоящий момент база полосовых данных GLOBAL—T содержит информацию за период с 1995 по 2005 гг.
Специфика траекторий спутников серии DMSP и полей зрения приборов SSM/I такова, что покрытие данными густое на высоких широтах, но оставляет большие лакуны (не покрытые данными области)
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.