ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКИХ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ © 2014 г. А. Ф. Нерушев*, Д. Е. Чечин
Научно-производственное объединение "Тайфун", Обнинск, Калужская обл.
*Е-таП: nerushev@typhoon.obninsk.ru Поступила в редакцию 25.12.2013 г.
Изложен метод определения характеристик осадков из фронтальных облачных систем, использующий минимальное количество параметров облачной системы, получаемых по данным оптического спутникового зондирования — оптическую толщину облаков в видимом диапазоне длин волн (т), эффективный радиус облачных частиц (ге£), протяженность облачной системы и скорость ее перемещения. На основе сравнения расчетов по данным измерений спектрорадиометра МОБК и радиометра $ЕУ1Ы с данными наблюдений на 35 станциях Европы и европейской территорией России для пяти эпизодов с осадками в холодное время года и 15 станциях в теплое время года оценена точность применения метода для определения характеристик осадков из фронтальных облачных систем. Предложен критерий априорного разделения облачных систем в холодное время года на системы с осадками и без них по значениям т и геР Обсуждается возможность сверхкраткосрочного, с заблаговременностью до 12 ч, прогнозирования характеристик осадков на основе единичного снимка облачной системы с низкоорбитального спутника в оптическом диапазоне длин волн.
Ключевые слова: атмосферные осадки, дистанционные методы, фронтальные облачные системы, оптическое зондирование, сверхкраткосрочное прогнозирование
DOI: 10.7868/S0205961414040101
ВВЕДЕНИЕ
Атмосферные осадки принадлежат к числу важнейших метеорологических величин, определение которых, и тем более прогнозирование, имеет большое практическое значение для различных сфер человеческой деятельности и является одной из наиболее трудных задач синоптической метеорологии и климатологии (Облака и облачная..., 1989). Дистанционные спутниковые методы позволяют определять характеристики осадков в глобальном масштабе с хорошим пространственным и временным разрешением, что делает их практически незаменимыми в труднодоступных и малообеспеченных стандартными средствами наблюдений районах. Интенсивность осадков определяется с помощью приборов, размещаемых как на низкоорбитальных, так и на геостационарных спутниках, а общее количество выпавших осадков (accumulated precipitation) — только с геостационарных спутников. При этом используются методы как пассивного (радиометры в видимой, ИК- и микроволновой областях спектра), так и активного (радиолокаторы) зондирования атмосферы (Тимофеев, 2009; Bizzarri, 2008; Kidd, Levizzani, 2011).
В разработанных Всемирной метеорологической организацией (ВМО) документах сформулированы требования к точности, пространственному разрешению и периодичности измерений характеристик осадков для их использования в глобальном и региональном прогнозах, наука-стинге, синоптической и с.-х. метеорологии (см., например, Тимофеев, 2009). В работе (Bizzarri, 2008) приведены ожидаемые на период после 2020 г. оценки качества продукции, получаемой на основе спутниковой информации. Наилучшие характеристики (погрешность определения интенсивности жидких или твердых осадков — 10%, пространственное разрешение на поверхности — 5 км) могут обеспечить радары, устанавливаемые на низкоорбитальных платформах. Слабым их местом является низкая периодичность съемки (ДО, под которой понимается время, необходимое для получения полной глобальной картины для низкоорбитальных спутников или получения изображения видимого диска Земли для геостационарных спутников. Для радара, устанавливаемого на одном низкоорбитальном спутнике, Д ~ 120 ч. Микроволновые радиометры на геостационарных спутниках могут обеспечить определение интенсивности жидких или твердых осадков с погрешностью 30%, пространственным разрешением на
поверхности Земли Лх = 10 км и периодичностью съемки Лt = 0.25 ч. Такие же значения погрешности и Лх ожидаются для определения общего количества выпавших осадков. Радиометры видимого и ИК-диапазонов на геостационарных спутниках, обеспечивая то же пространственное разрешение (10 км), но существенно большую погрешность (до 100%), позволят определять интенсивность осадков с периодичностью 0.1 ч.
В настоящее время существует ряд отечественных и зарубежных методик определения характеристик осадков по данным спутниковых измерений в видимом, ИК- и микроволновом диапазонах длин волн (см., например, Алексеева и др., 2006; Волкова, Успенский, 2002; Волкова, 2012; Iturbide-Sanchez, 2011; Stephens, Kummerow, 2007). Особенностью некоторых из этих методик является использование в них большого количества параметров атмосферы и подстилающей поверхности, знание которых требует привлечения диагностической или прогностической информации, содержащей в свою очередь определенные погрешности. В то же время, как показано нами ранее (Нерушев и др., 2013), имеется принципиальная возможность определять интенсивности осадков из фронтальных облачных систем, используя для этого всего два параметра: оптическую толщину облаков в видимом диапазоне длин волн (т) и эффективный радиус облачных частиц (ref). А для определения общего количества выпавших осадков достаточно привлечения еще двух параметров — протяженности облачной системы и скорости ее перемещения. Эти характеристики облаков успешно определяются в настоящее время на основе измерений с геостационарных и полярно-орбитальных спутников. Кроме того, что более важно, можно сформулировать достаточно простые критерии априорного разделения облачных систем с осадками и без них.
Цель настоящей статьи состоит в последовательном изложении предлагаемого метода, оценке погрешности его применения для определения характеристик осадков из фронтальных облачных систем, исследовании возможности априорного разделения облачных систем с осадками и без них и сверхкраткосрочного (с заблаговременностью до 12 ч) прогнозирования характеристик осадков по данным оптических спутниковых измерений.
ОПИСАНИЕ МЕТОДА
Идея предлагаемого метода, впервые изложенная в работе (Нерушев и др., 2013), достаточно проста и заключается в использовании минимального количества параметров облачной системы, получаемых по данным спутникового зондирования. Покажем, что для определения интенсивности осадков такими параметрами являются оптическая толщина облаков в видимом диапазо-
не длин волн (т) и эффективный радиус облачных частиц (геГ), а для определения общего количества выпавших осадков к указанным двум параметрам добавляются горизонтальные размеры облачной системы и скорость ее перемещения.
Водозапас (Р) облака, т.е. масса сконденсированной воды в столбе облачного воздуха единичного сечения, определяется выражением (Атмосфера, 1991)
P(x, y) = J w(x, y, z)dz,
(1)
где zнг и £вг — нижняя и верхняя границы облачного слоя, w — водность облака, зависящая от вертикальных и горизонтальных координат. В общем случае w, а следовательно и Р, являются функциями времени. Однако здесь, принимая облако квазистационарным, мы не будем учитывать это обстоятельство. Считая, что размеры облачных частиц существенно больше длины волны видимого излучения, можно получить связь w(x, у, z) с объемным коэффициентом ослабления в видимой области спектра ае
ае(х,y,z) = I- W(X,y,Z)
, (2)
2 Рв^ (х, у, г)
где рв — плотность воды, ге{ — эффективный радиус облачных частиц, определяемый соотношением
ref =
Jr 3 f (r)dr Jr2 f (r)dr.
(3)
Здесь /(г) — функция распределения облачных частиц по размерам г. Учитывая выражение для оптической толщины облачного слоя
т(х, y) = J ае(х, y, z)dz
(4)
и принимая приближенно ^ Ф м*(1) и геГ Ф ге(^), получим оценку для значения водозапаса облака в виде
P(x, y) = 2 р вТ(х, y)ref (х, y).
(5)
Выражение (5) удобно для практического использования, поскольку величины т и ref определяются на основе спутниковых измерений, в частности, по методу, представленному на http:// modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod05.pdf., и входят в число программных продуктов радиометра MODIS. При этом ошибки определения т и ref связаны между собой. Наибольшей величины в ±25% для т и ±50% для ref они достигают при малых значениях т и ref.
z
нг
Не затрагивая физику процесса осадкообразования, предположим, что из облачной системы за единицу времени выпадает к х P количество осадков, где к — подгоночный коэффициент, имеющий размерность T-1, физический смысл которого будет объяснен ниже. Величину к х P можно рассматривать как интенсивность осадков I, а общее количество выпавших из облачной системы осадков Q за время At = L/V, где L — ее размер вдоль траектории движения через пункт наблюдения, а V — скорость перемещения, можно приближенно оценить как
Q = 1 jI(l)dl = 3 ^ j x(/)ref (l)dl, (6)
L L
где интегрирование ведется вдоль траектории облачной системы, L1 и L2 — координаты границ облачной системы, L = L2 — L1. Среднее значение интенсивности осадков Imean за время At определяется соотношением
¿2
Imean = | ^ j (l)dl. (7)
¿1
Выражение (7), несмотря на его очевидность, приводится по той причине, что именно эта величина может быть оценена по данным независимых измерений Q на сети метеостанций и поэтому использована для сравнения с расчетами по спутниковым данным.
Укажем на одну существенную особенность спутниковых измерений. Если речь идет об измерениях с низкоорбитальных спутников, то по ним корректно может быть рассчитана только мгновенная интенсивность осадков на момент съемки t, т.е. I(x, y, t). Измерения с геостационарных спутников, как отмечено выше, позволяют определять не только I(x, y, t), но Imean, и Q. В то же время в случае, когда на снимке с низкоорбитального спутника может быть определена вся траектория перемещения облачной системы через пункт наблюдения, и допуская, что облачная система в целом существенно не меняется за время движения At, можно оценить и общее количество выпавших осадков Q в пункте наблюдения за время At.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОСАДКОВ В ХОЛОДНОЕ ВРЕМЯ ГОДА
Изложенный выше метод был применен для расчета характеристик осадков из фронтальных об
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.