ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 4, с. 32-38
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
ОЦЕНКА ТРОПОСФЕРНЫХ АДВЕКТИВНЫХ ПОТОКОВ СКРЫТОГО ТЕПЛА НАД ОКЕАНОМ ПРИ АНИМАЦИОННОМ АНАЛИЗЕ РАДИОТЕПЛОВЫХ ДАННЫХ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА
© 2014 г. Д. М. Ермаков1, 2, Е. А. Шарков2*, А. П.Чернушич1
Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинский филиал, Фрязино, Московская обл.
2Институт космических исследований РАН, Москва *E-mail: e.sharkov@mail.ru Поступила в редакцию 22.01.2014 г.
Подробно описан очередной этап развития предложенного авторами анимационного анализа спутниковых данных, состоящий в разработке методики расчета адвективных потоков скрытого тепла по данным спутниковых радиотепловых наблюдений. В соответствии с ранее выработанными принципами алгоритм расчета замкнут относительно входных спутниковых данных, отсутствуют требования к привлечению дополнительной информации, которые часто существенно ограничивают возможности применения новых методов обработки. Описанный в работе шаг анализа естественным образом связан с ранее созданными алгоритмами и использует результаты проводимых по ним расчетов (пространственно-временной интерполяции полей геофизических параметров системы "атмосфера—океан") для оценки адвективных потоков производных величин. При использовании в качестве входной информации полей интегрального паросодержания атмосферы результатами расчетов являются потоки скрытого тепла, приведенные к стандартным единицам измерения (МВт). Подход продемонстрирован на примере обработки массива спутниковых данных SSM/I за август 2000 г. в контексте исследования эволюции тропического циклона Alberto.
Ключевые слова: анимационный анализ, адвективные потоки, скрытое тепло, тропический циклон
Б01: 10.7868/80205961414040034
ВВЕДЕНИЕ
Спутниковый мониторинг позволяет фиксировать состояние наблюдаемых объектов или систем (в частности, систему "атмосфера—океан") в отдельные моменты времени, соответствующие пролетам спутников над заданными областями. Для более глубокого изучения процессов, отдельные фазы которых восстанавливаются по спутниковым данным, необходимо объединить эти фазы в рамках адекватного динамического описания.
Возможным способом такого описания является авторский подход к анимационному анализу спутниковых данных, последовательно развиваемый в серии работ (Ермаков и др., 2007, 2011, 2012а, 2012б, 2013а, 2013б, 2013в). Этот подход использует методику пространственно-временной интерполяции, основанной на алгоритме оценки и компенсации движения спутника, и позволяет исследовать эволюцию процессов в полях восстанавливаемых геофизических параметров системы "атмосфера—океан". В результате его применения к массиву спутниковых данных (или восстановленных по ним геофизических полей) осуществляется генерация следующих двух типов продуктов: 1) "анимированное" (т.е. интерполированное по времени с шагом меньшим, чем
периодичность обзора спутниковыми приборами) скалярное поле геофизических параметров. Этот тип продуктов является основным предметом изучения, как в цитированных выше работах, так и в работах ряда других авторов (^ттеге, \felden, 2007, 2011); 2) векторное поле движений, описывающих динамику локальных изменений геофизических полей на интервалах одного временного шага анимации. В цитированных выше работах это поле использовалось как вспомогательное для проведения пространственно-временной интерполяции спутниковых данных. Однако возможности его применения в рамках анимационного анализа существенно шире.
В настоящей работе подробно рассмотрена предложенная авторами методика оценки тропосферных адвективных потоков скрытого тепла над океаном как частный случай применения анимационного анализа к данным радиотеплового спутникового мониторинга. Общая идея заключается в том, что расчетные векторные поля движений могут быть пересчитаны в поля истинных скоростей над поверхностью Земли. Объединяя эти поля со скалярными интерполированными полями геофизических параметров, можно рассчитывать потоки соответствующих величин
через произвольно заданные границы или контуры. Если исходные данные представляют собой поля восстановленного интегрального паросодер-жания атмосферы V, на выходе будут сгенерированы (после простейшей калибровки, состоящей в умножении на постоянный коэффициент) величины "эффективных" (интегральных по высоте атмосферы) адвективных потоков скрытого тепла.
Следует отметить, что предложены и развиваются различные альтернативные способы реализации анимационного анализа спутниковых данных. Близкий способ описан в работах (Шттеге, \felden, 2007, 2011), где для расчета промежуточных стадий процесса также применяются векторные поля движения. Однако эти поля не рассчитываются непосредственно из интерполируемых спутниковых данных, а формируются путем применения некоторых феноменологических правил к дополнительно привлекаемой спутниковой и модельной информации. Это может быть одной из причин, по которым авторы указанного подхода не рассматривали возможность следующего шага анимационного анализа, описанного в настоящей работе.
Существуют и другие возможности реализации анимационного анализа. Так, в работе (Неру-шев, Крамчанинова, 2011) рассмотрено (как частный случай) поле интегрального паросодержания атмосферы V, восстановленное по данным геостационарных спутников, а его эволюция описывается с помощью специально конструируемого оператора преобразования. Подход интересен тем, что расчетный оператор в явном виде учитывает наряду с трансляциями и деформациями также вращения областей поля, хотя вычислительная сложность алгоритма при этом существенно возрастает. Но поскольку для дальнейшей пространственно-временной интерполяции полей V не требуется расчета собственно полей движения, т.е. оценки скоростей малых элементов поля V в явном виде, то реализация дальнейшего расчета потоков не столь очевидна. Во всяком случае, в известных нам подходах к анимационному анализу (в том числе указанных выше) эта идея ранее не обсуждалась. В рамках нашего подхода она впервые предложена в работе (Ермаков и др., 2013б).
В данной работе приведены характеристика массива использованных дистанционных данных и методика пересчета векторных полей движения, получаемых в координатах спутниковых изображений, в истинные скорости у поверхности Земли. В качестве примера рассмотрен случай расчета эффективных скоростей адвекции водяного пара в окрестности действующего тропического циклона (ТЦ). Приводится описание методики расчета потоков скрытого тепла через стационарные и движущиеся контуры. Обсуждается пример расчета потоков скрытого тепла через
контур, охватывающий действующий ТЦ и дрейфующий вместе с ним в процессе его эволюции.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
В работах (Ермаков и др., 2013а, 2013в) описан подход к анимационному анализу спутниковых радиотепловых данных на примере обработки архивных данных 88М/1 за период 28.07.2000— 26.08.2000. Описываемый в настоящей работе шаг оценки адвективных потоков скрытого тепла был опробован на этих данных. Скалярными полями геофизического параметра были в этом случае поля интегрального паросодержания атмосферы V, которые в результате пространственно-временной интерполяции были построены с шагом по времени 1.5 ч на глобальной координатной сетка с шагом 0.2° по широте и долготе. Векторными полями движения были получаемые в процессе пространственно-временной интерполяции поля смещений малых элементов спутниковых изображений (М-поля).
Алгоритм построения полей обоих типов описан в указанных во Введении работах авторов и цитируемой в них литературе. Вследствие свойств базовой расчетной схемы М-поля рассчитываются на сетке с пространственным шагом 0.4° и временным шагом 3 ч. Для оценки пространственных вариаций поля V необходимо исследовать как минимум (в пределе) пару соседних узлов сетки по горизонтали и вертикали — отсюда увеличение вдвое пространственного шага. Для реконструкции промежуточного состояния поля V необходимо построить М-поле по паре "соседних по времени" полей V, разделенных вдвое большим интервалом времени. В рамках исходной модели оценки и компенсации движения М-поля строятся в предположении достаточной гладкости, поэтому для упрощения алгоритма расчета потоков М-поля предварительно интерполировали на все узлы сетки полей V Таким образом, окончательные оценки потоков рассчитывали с шагом по времени 3 ч на сетке 0.2°.
Следует отметить, что с точки зрения рассматриваемого алгоритма оценки потоков тип и способ получения исходных полей геофизических параметров не имеет принципиального значения. Выбор иного геофизического параметра приведет к изменению физического смысла потока, но не алгоритма расчета; применение различных способов восстановления геофизических параметров из исходных радиотепловых данных (или заимствование расчетных полей из различных источников) может сказаться на качестве оценок, но не на способе их получения. Важно, что шаг оценки потоков является естественным развитием ранее предложенной схемы анимационного анализа и не требует дополнительной входной информации, т.е. сохраняет свойство замкнутости анима-
ционного анализа относительно входной спутниковой информации.
Тестирование и отладку алгоритма расчета потоков проводили в контексте задачи анализа эволюции ТЦ. В качестве основного объекта интереса был выбран ТЦ Alberto, особенности траектории (удаленность от суши) и эволюции (несколько стадий быстрой интенсификации) делали его идеальным тестовым примером. В качестве контуров для расчета адвективных потоков скрытого тепла в работе были рассмотрены окружности разных радиусов, центрированные относительно глаза ТЦ Alberto и дрейфующие вместе с ним вдоль его траектории. Положения ТЦ за указанный выше период времени уточняли по данным (Покровская, Шарков, 2006).
РАСЧЕТ ВЕКТОРОВ СКОРОСТЕЙ АДВЕКЦИИ
Исходные векторные поля смещений (M-по-ля) рассчитаны в координатах спутниковых изображений (на регулярной сетке с шагом 0.2° по широте и долготе). Обозначим величину M-поля в узле сетки с координатами (x, y) через m = (mx, my). Буде
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.