ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 4, с. 39-49
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ОБНАРУЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ В ПЕРЕМЕЖАЕМЫХ РЕЖИМАХ ИНТЕНСИВНОСТИ ТЦ ALBERTO ПРИ ЕГО ЭВОЛЮЦИИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО МИКРОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ © 2013 г. Д. М. Ермаков1, 2*, Е. А. Шарков2**, И. В. Покровская2, А. П. Чернушич1
1 Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинский филиал, Фрязино Московской обл.
2 Институт космических исследований РАН, Москва *E-mail: dima@ire.rssi.ru **E-mail: e.sharkov@mail.ru Поступила в редакцию 22.01.2013 г.
На основе программно-алгоритмического комплекса построения глобальных радиотепловых полей системы океан—атмосфера высокой пространственно-временной детальности по микроволновым спутниковым измерениям, разработанного ранее авторами и позволяющего получать глобальные анимированные радиотепловые поля с шагом по времени 1.5 ч и пространственным разрешением 0.2°, детально проанализированы траекторные особенности и эволюция интенсивности тропического циклона (ТЦ) Alberto в поле интегрального водяного пара. Основное внимание уделено проблеме выявления энергетических источников при последовательной трехкратной его интенсификации. На основе анализа спутниковых данных по авторской анимационной методике впервые показано, что такими источниками являются зоны водяного пара повышенного интегрального содержания (выше критического уровня), расположенные в различных географических областях, через которые прошла сложная траектория движения меняющего свою интенсивность ТЦ. Первая область находилась в экваториальной внутритропической зоне конвергенции, вторая — над акваторией течения Гольфстрима, и третья — в зоне действия Азорского максимума.
Ключевые слова: спутниковое микроволновое зондирование, интегральное паросодержание атмосферы, тропический циклогенез, интенсификация тропического циклона
Б01: 10.7868/80205961413040039
ВВЕДЕНИЕ
Дистанционное изучение первичных форм тропических циклонов (ТЦ) и окружающей их геофизической среды занимает особое место в программах дистанционного мониторинга атмосферных катастроф (Шарков, 2010; 8Иагкоу, 1998, 2012). В первую очередь надо отметить задачи прогнозирования резкой интенсификации первичных форм ТЦ, что само по себе сложно как в научном понимании проблемы, так и в административно-хозяйственном смысле. Достаточно планомерное (в течение нескольких десятилетий) изучение ТЦ в оптическом и ИК-диапазонах в глобальном и региональных масштабах с геостационарных ИСЗ с хорошим временным разрешением (от получаса до двух минут) позволили получить представление о временной эволюции ТЦ и окружающих его облачных масс. Однако они не дают информацию о внутренней структуре тропического циклона и водяном паре (скрытом тепле), содержащемся в окружающей его тропосфере
и непосредственно в атмосфере ТЦ. Общая энергетическая картина эволюции ТЦ как внутри тела циклона, так и в окружающих его областях остается неизвестной. И прежде всего остаются неизвестными источники энергии, приводящие к чрезвычайно быстрой (и достаточно неожиданной для наблюдателей) интенсификации первичной формы ТЦ, как это произошло, например, в случае печально знаменитого ТЦ КаМпа. Решить эти задачи только при помощи ИК- и оптических методов не представляется возможным в принципе в силу особенностей взаимодействия электромагнитных волн ИК- и оптического диапазонов с газовой и дисперсной средами земной тропосферы (см., например, (8Иагкоу, 2003)).
Принципиально новым шагом в изучении дистанционных критериев генезиса ТЦ следует считать результаты комплексных многочастотных оптических, ИК и микроволновых спутниковых исследований эволюции оптического образа ТЦ в поле интегрального водяного пара, при анализе
которых обнаружен фундаментальный вклад малоинерционного, с одной стороны, и, с другой стороны, мощного источника энергии, за счет которого происходит формирование зрелых форм тайфунов. Этим источником оказалось поле интенсивно мигрирующего интегрального водяного пара тропической зоны земной атмосферы. Горизонтальный перенос водяного пара осуществляется потоками глобальной циркуляции в западном направлении (в районе экватора), а джетовы-ми компонентами этого потока осуществляется поддержка функционирования зрелых форм ТЦ (Шарков, 2010; Шарков и др., 2008, 2011а, 20116, 2011в; Ким и др., 2009). Полученный результат для проблемы генезиса ТЦ и формирования зрелых форм ТЦ, разумеется, имеет принципиальное значение.
Для полновесного экспериментального доказательства этого положения необходимо исследование эволюции множественного тропического циклогенеза в поле интенсивно мигрирующего интегрального водяного пара тропической зоны и зоны умеренных широт земной атмосферы. Сложность проблемы заключается в том, что необходимо провести синхронный анализ дистанционной спутниковой информации двух стохастических процессов, обладающих принципиально различными пространственно-временными масштабными и структурными характеристиками. Первый процесс — тропический циклогенез рассматривается как стохастический набор случайных событий (объектов), а именно, стохастический генезис тропических циклонов (8Иагкоу, 2000, 2012); второй — как пространственное глобальное поле интегрального водяного пара со значительной пространственно-временной вариабельностью. Анализ двух указанных процессов должен быть произведен на минимальном временном интервале (в данном случае, на суточном временном пикселе) и только в режиме анимационного видеоряда. Более того, в работах (Шарков и др., 2011, 2012) экспериментально показано, что существует критическое значение интегрального водяного пара (необходимое условие), при котором формируется зрелая форма тропического циклона с временем жизни, превышающем сутки.
В работе (Ермаков и др., 2011) авторами предложена методика построения анимированных карт поля интегрального паросодержания атмосферы (далее поля V). Развитие этой методики лежит в русле принятого авторами ранее анимационного подхода (Ермаков и др., 2007) к анализу спутниковых дистанционных данных. Подобный анимационный подход находит все более широкое применение при исследовании быстро развивающихся процессов в атмосфере (^ттегз, \felden, 2007, 2011). Суть его заключается в применении различных интерполяционных моделей для построения по спутниковым данным карт
восстанавливаемых атмосферных параметров высокой дискретизации по пространству и времени.
Принципиальным отличием предложенной авторами методики от известных, цитированных выше, аналогов является замкнутость алгоритма относительно входных данных спутниковых измерений. В предложенной авторами методике для расчета эволюции поля W на коротких интервалах времени (порядка 1.5—3 ч) применена известная модель оценки и компенсации движения (Richardson, 2003), позволяющая избежать привлечения дополнительных спутниковых данных и модельных расчетов. Методика была успешно опробована на практике при анализе данных SSM/I формата GRID (данные на регулярной градусной сетке с шагом 0.5°), полученных за период наблюдений 23 августа—03 сентября 2005 г. (ТЦ Katrina) со спутников F13, F14, F15 серии DMSP. На основе разработанного программно-алгоритмического подхода была решена важная задача о нахождении "мгновенного" источника скрытой энергии при интенсификации ТЦ Katri-na (2005) по данным микроволнового спутникового зондирования комплекса SSM/I миссии DMSP (NASA) (Ермаков и др., 2012а, 2012б). Аналогичный эффект образования высокоэнергетического купола в поле водяного пара в момент интенсификации ТЦ был обнаружен ранее (Шарков и др., 2011в) при анализе эволюции ТЦ Francisco (2001). Из анализа этой серии работ следует, что повышение пространственного разрешения опорных ежесуточных карт и уменьшение временной дискретизации при построении глобального поля водяного пара являются принципиальными моментами для выполнения комплексного анализа эволюции мигрирующих полей W и траекторной стохастики ТЦ на качественно более высоком уровне.
Одной из ключевых задач при использовании и дальнейшем развитии авторской методики является удовлетворение требования к качеству опорных (ежесуточных) карт W: при их построении необходимо минимизировать (в идеале — устранить) как области, не покрытые измерениями, так и артефакты, связанные с асинхронностью измерений приборами, размещенными на разных спутниках. В результате проведенных исследований (Ермаков и др., 2013) авторами создан алгоритм, позволяющий строить по две опорные карты полей W на каждые сутки измерений с пространственным разрешением 0.2° при полном покрытии поверхности Земли, с привлечением исключительно данных SSM/I нескольких спутников серии DMSP. Алгоритм отработан и проиллюстрирован на примере обработки периода измерений SSM/I за 28.07— 26.08 2000 г. (ТЦ Alberto). Полученные опорные карты после дальнейшей временной интерполяции по авторской методике (Ермаков и др., 2011, 2012а, 2012б) позволили создать анимированную
карту поля W глобального покрытия с дискретизацией 0.2° и шагом по времени 1.5 ч, что сопоставимо с параметрами анимационных продуктов, развитых в алгоритмах локальной (Wimmers, Velden, 2007) и региональной (Wimmers, Velden, 2011) интерполяции.
Цель настоящей работы — изучение "быстрых" вариаций поля интегрального водяного пара как единственного энергоемкого источника в земной атмосфере. Наибольший интерес представляют атмосферные катастрофы со сложным характером эволюции, включающей периоды интенсификации и диссипации. Практически эволюция каждого ТЦ содержит указанные черты, но наиболее эффектно они выявились у ТЦ Alberto (2000) с длительным временем жизни (Покровская, Шарков, 2006, 2011; Шарков, 2010). Для исследования поля атмосферного водяного пара в моменты промежуточной интенсификации ТЦ Alberto использован ранее созданный авторами и описанный выше анимационный продукт (анимированная карта W в интервале 28.07—26.08.2000 г. с временной дискретностью 1.5 ч и пространственным разрешением 0.2°). Основная задача настоящего исследования заключается в экспериментальном доказательстве необходимого присутствия полей высокого п
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.