ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 4, с. 47-56
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ПОИСК ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЦ KATRINA ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВОГО СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ © 2012 г. Д. М. Ермаков1, 2*, А. П. Чернушич1, Е. А. Шарков2, И. В. Покровская2
1Фрязинский филиал Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязино, Московской обл. 2Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН, Москва
*Е-таП: dima@ire.rssi.ru Поступила в редакцию 07.11.2011 г.
В настоящей работе рассмотрена возможность применения специализированного подхода для пространственно-временной интерполяции спутниковых данных, учитывающих кинематику многомасштабных процессов при решении задач дистанционного зондирования (ДЗ) быстро протекающих процессов в земной атмосфере. Подход заимствован из интенсивно развивающихся дисциплин технического зрения и компрессии видеоданных. Основными достоинствами обсуждаемого метода являются его замкнутость относительно входных (интерполируемых) спутниковых данных, способность оценивать и учитывать кинематику многомасштабных процессов, сравнительно низкая вычислительная стоимость и простота программно-алгоритмической реализации. На основе разработанного программно-алгоритмического подхода решена задача о "мгновенном" источнике скрытой энергии при интенсификации тропического циклона (ТЦ) КаМпа по данным спутниковых радиометров $£М/1 миссии
Ключевые слова: тропический циклон, интегральное поле водяного пара, критические параметры генезиса; интенсификация
ВВЕДЕНИЕ
Спутниковое дистанционное зондирование (ДЗ) является в настоящее время уникальным средством получения оперативной глобальной информации о климатических процессах на Земле и, в частности, о режиме и текущем состоянии глобального тропического циклогенеза (ГТЦ). Однако, несмотря на несомненный прогресс в исследовании ГТЦ (8Иагкоу, 2000; 2011), показано, что с точки зрения требований, предъявляемых актуальными задачами к детальности и полноте входных данных, спутниковая информация носит в определенной степени фрагментарный характер. Так, отдельному прибору, размещенному на спутнике с солнечно-синхронной орбитой, как правило, требуется несколько суток для полного покрытия Земли измерениями. При этом если задача касается "стационарных" объектов на земной поверхности (например, растительность), то принципиальных проблем для формирования двумерного поля измеряемого параметра практически не возникает. Однако для изучения быстро-переменных процессов (например, генезис тропического циклона (ТЦ) или его интенсификация) ситуация принципиально иная. Наблюдательный интервал должен быть существенно сокращен за счет одновременной работы нескольких идентич-
ных приборов на серии спутников, как, например, в случае спутниковых радиометров 88М/1 (Ермаков и др., 2007), используемых для восстановления глобальных полей приповерхностного ветра, концентрации водяного пара и других метеорологических параметров. Для анализа механизмов формирования ТЦ или поиска источников и механизмов его интенсификации требуются измерения с частотой несколько (4—8) раз в сутки (Ермаков и др., 2011), и при этом должно обеспечиваться полное покрытие экваториального пояса Земли или, по крайней мере, циклоногенери-рующих акваторий Мирового океана. Указанные требования к такой системе наблюдения и мониторинга (высокая частота обзора и полнота пространственного покрытия) плохо совместимы, но необходимость их реализации является принципиальной для задач поиска практически "мгновенных" механизмов и источников энергии для интенсификации атмосферных катастроф. В качестве примера можем указать на печально известный (и много обсуждаемый в научной прессе США и в средствах массовой информации) пример с неожиданной интенсификацией тропического возмущения в стадию тайфуна (ТЦ КаМпа) в акватории Мексиканского залива и последующим выходом его на г. Новый Орлеан с катастро-
фическими последствиями. Эта уникальная ситуация (своего рода "загадка" ТЦ Katrina) американскими специалистами уже неоднократно анализировалась с позиций парадигмы стандартной "термо-конвекционной гипотезы", однако без достижения корректно интерпретируемых физических результатов (Шарков, 2010).
Более того, детальный анализ эволюционных характеристик ГТЦ за двадцатилетний период (Покровская, Шарков, 2006) показывает, что указанный пример отнюдь не является исключительным (как пишет об этом американская пресса), а, наоборот, представляет собой достаточно регулярную картину в эволюции ТЦ.
Цель настоящей работы заключается в применении специализированного подхода для пространственно-временной интерполяции спутниковых данных, учитывающих кинематику многомасштабных процессов при решении задач ДЗ быстро протекающих процессов в земной атмосфере. Подход заимствован из интенсивно развивающихся дисциплин технического зрения и компрессии видеоданных. На основе разработанного програмно-алгоритмического подхода решена задача о "мгновенном" источнике скрытой энергии при интенсификации ТЦ Katrina по данным микроволнового спутникового зондирования комплекса SSM/I миссии DMSP (NASA).
ПРОБЛЕМЫ УСВОЕНИЯ
БЫСТРОПЕРЕМЕННЫХ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ
Поскольку целый ряд глобальных процессов в атмосфере Земли носят в основном характер плавных, относительно медленных изменений, то имеется потенциальная возможность выполнять их качественный анализ и оценку ряда характеристических параметров на основе "достроенных", т.е. интерполированных по времени и/или в пространстве спутниковых данных, закрывающих "пробелы" в реальных наблюдениях.
В настоящий момент известно два принципиальных подхода к подобному "достраиванию" спутниковых данных. Физически более обоснованным представляется подход, называемый ассимиляцией (или усвоением) данных. В нем промежуточные между измерениями (по времени и/или в пространстве) состояния исследуемой среды рассчитываются как решения системы уравнений, моделирующих физические процессы в этой среде. Данные измерений используются в качестве граничных условий и для уточнения (регуляризации) модельных прогнозов. В зависимости от специфики задачи может применяться модель глобальной циркуляции океана, атмосферы или общей циркуляции, см., например, (Гусев,
2011; Мингалев и др., 2011). К сожалению, несмотря на существенный прогресс в моделировании глобальной циркуляции в океане и атмосфере, вызванный как совершенствованием математического аппарата, так и увеличением быстродействия вычислительных средств, задачу построения универсальной циркуляционной модели системы океан—атмосфера Земли нельзя считать удовлетворительно решенной. Предложен ряд конкурирующих схем, отличающихся способами описания физических процессов и, в частности, способами введения трехмерной системы координат и выбора узловых точек; каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, что привело к возникновению "гибридных" моделей, реализующих "переключение" между базовыми схемами в зависимости от результатов текущих расчетов (например, (Bleck, 2002)). Вопрос сравнительного анализа существующих моделей глобальной циркуляции выходит далеко за рамки настоящей работы.
Другой существенной трудностью при реализации ассимиляционного подхода является то, что система модельных уравнений, как правило, содержит неизвестные или известные с низкой точностью параметры, а граничные условия (опорные измерения) сильно зашумлены. При решении таких систем используют сложные оптимизирующие подходы, в частности, основанные на фильтрации Калмана (Kaiman, 1960; Rozier et al., 2007). Такие подходы, применяемые для решения систем глобальной циркуляции, в дополнение к указанным выше трудностям сложны в программной реализации и часто предъявляют экстремально высокие требования к ресурсам вычислительной техники (Rozier et at., 2007).
Собственно интерполяционный (в узком смысле) подход во многом лишен указанных выше трудностей, т.е. замкнут относительно входных спутниковых данных и может быть основан на простых вычислительных схемах. Однако "достраивание" данных в отсутствие физически обоснованной модели осуществляется по более формальным математическим критериям, которые выбираются, как правило, из соображений гладкости или непрерывности получаемых решений и слабо обусловлены природой наблюдаемых процессов. Одним из ранних и широко применяемых до сих пор приемов является метод "оптимальной" интерполяции (Гандин, Каган, 1976), реализующий, по сути, линейную интерполяцию в локальной окрестности точек измерения. Такой подход вполне адекватен и эффективен при исследовании изменяющихся, но не перемещающихся по поверхности Земли объектов (например, зон строительства или иного антропогенного воздействия на малые экосистемы), либо при исследовании усредненных по значительным
промежуткам времени величин (например, полей среднемесячных температур поверхности океана). Ясно, однако, что "оптимальная" интерполяция, как и ее нелинейные локальные аналоги (сплайн-интерполяция и др.), не способна адекватно описать кратковременное возмущающее воздействие на локальные области более масштабных динамических процессов (прохождение атмосферных фронтов, ядер циклонов, распространение аэрозольных примесей и т.д.). Информация о таких событиях будет частично или полностью потеряна при локальной интерполяции, если эти события не регистрируются над изучаемой областью в соответствующий момент времени.
В настоящей работе рассмотрена возможность применения альтернативного подхода для пространственно-временной интерполяции спутниковых данных, учитывающего кинематику многомасштабных процессов. Сам подход не является новым, но к настоящему моменту не имеет широкого распространения при решении задач ДЗ и заимствован из интенсивно развивающихся дисциплин технического зрения и компрессии видеоданных. Основными достоинствами обсуждаемого метода являются его замкнутость относительно входных (интерполируемых) спутниковых данных, способность оценивать и учитывать кинематику многомасштабных процессов, сравнительно низкая вычислит
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.