научная статья по теме СРАВНЕНИЕ ИНДЕКСОВ НЕУСТОЙЧИВОСТИ АТМОСФЕРЫ, ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ПО ДАННЫМ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ И СПЕКТРОРАДИОМЕТРА MODIS В ДНИ С ГРОЗАМИ, НАД ТЕРРИТОРИЕЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СРАВНЕНИЕ ИНДЕКСОВ НЕУСТОЙЧИВОСТИ АТМОСФЕРЫ, ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ПО ДАННЫМ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ И СПЕКТРОРАДИОМЕТРА MODIS В ДНИ С ГРОЗАМИ, НАД ТЕРРИТОРИЕЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ»

УДК 551.515.4(571.1)

Сравнение индексов неустойчивости атмосферы, восстанавливаемых по данным радиозондирования и спектрорадиометра MODIS в дни с грозами, над территорией Западной Сибири

В. П. Горбатенко*, С. Ю. Кречетова**, М. Ю. Беликова**, О. Е. Нечепуренко*

Рассматривается возможность использования базы данных спектрорадиометра MODIS для определения степени неустойчивости атмосферы при прогнозе гроз над Западной Сибирью. В качестве характеристик неустойчивости сравниваются три индекса, рассчитываемые по данным спутника и радиозондов: LIFT, TOTL и KIND. Установлено, что хорошо коррелируют два индекса: LIFT, TOTL. Показано, что результаты зондирования спектро-радиометром MODIS позволяют определять пространственное положение мощных конвективных ячеек и уточнять прогноз гроз.

Ключевые слова: индексы неустойчивости атмосферы, прогноз гроз, спектроради-ометр, Западная Сибирь.

Введение

В прогнозе грозы слабой позицией остается определение ее пространственной локализации. Это объясняется сложностью прогноза развития мезомасштабной конвекции, зависящей от совокупности факторов разного пространственного и временного масштаба. Чем большей мощности в своем вертикальном развитии достигнет конвективная ячейка, тем опаснее будут явления погоды, которые она продуцирует: ливни, грозы, град, шквалы [11].

Объем наблюдений за грозами с помощью сети метеорологических станций и радиолокаторов, действующих на территории Сибири, за последние десятилетия заметно сократился [12]. Это привело к уменьшению информации о пространственной локализации гроз, учитываемой при оперативном метеорологическом обслуживании [2, 12]. Поэтому использование спутниковых данных для диагноза и прогноза пространственного положения мезомасштабных кластеров, способных продуцировать опасные явления погоды, особенно актуально. В Российской Федерации активно развиваются и внедряются в практику оперативного прогнозирования ме-

* Национальный исследовательский Томский государственный университет; e-mail: vpgor@ tpu.ru.

** Горно-Алтайский государственный университет.

тоды диагноза осадков и гроз по метеорологическим параметрам облачности, восстанавливаемым по снимкам оптического и ИК-диапазона с геостационарных и полярно-орбитальных искусственных спутников Земли [1, 3, 4].

Прогноз опасных конвективных явлений традиционно основан на интерпретации профилей температуры атмосферы и влажности, которые регистрируются радиозондами (их сеть довольно редка), при этом зондирование производится дважды в сутки. Опираясь на данные только аэрологического зондирования, невозможно прогнозировать пространственную локализацию опасной, с точки зрения развития грозы и града, конвективной облачности. В связи с этим большое распространение получили негидростатические мезомасштабные модели (например, MM5 V2 (PUS/NCAR) и WRF). В этих моделях для прогноза развития мезомасштабной конвекции используются параметризации профиля термодинамических характеристик ат мос фе ры в виде ряда ин дексов, вход ны ми дан ны ми для кото рых служат и результаты аэрологического зондирования. Другим подходом является восстановление индексов неустойчивости атмосферы по данным MOD07_L2 спектрорадиометра MODIS, установленного на платформах спутников "Terra" и "Aqua" (США) [9, 18]. Методики применения данных M0D07_L2 для определения потенциала развития опасных конвективных явлений в последние годы активно развиваются во всем мире [8, 14, 19].

Для тер ри то рии Запад ной Си би ри на осно ве дан ных аэ роло ги чес ко го зондирования получены пороговые значения индексов неустойчивости атмосферы, при достижении которых с заданной вероятностью возможно развитие опасных конвективных явлений: ливней, гроз, града [7]. Однако прогноз таких явлений по данным только аэрологического зондирования целесообразен в радиусе не более 200—250 км от аэрологических станций, поскольку радиозонд относится потоком воздуха в среднем на такое расстояние. Поэтому радиозонд не всегда пересекает конвективные кластеры, особенно небольших пространственных размеров и поступившие с наветренной стороны от аэрологической станции. Решить проблему определения пространственного расположения и перемещения конвективных кластеров помогут данные M0D07_L2 спутников "Terra" и "Aqua".

Целью настоящего исследования является сравнение индексов неустойчивости атмосферы, восстанавливаемых с помощью аэрологического зондирования и тематических данных M0D07_L2 в дни с грозами, зарегистрированными на юго-востоке Западной Сибири. Результаты исследования в дальнейшем позволят отработать методику идентификации и прогноза гроз над дру ги ми тер ри то ри я ми Рос сии.

Материалы и методы исследования

Объект исследования — состояние атмосферы в дни с грозами, зарегистрированными за период с 2009 по 2011 г. в окрестностях трех аэрологических станций: Колпашево (76 дней с грозой), Новосибирск (131 день с грозой) и Барнаул (107 дней с грозой). Для каждого дня с грозой были определены параметры неустойчивости атмосферы по данным аэрологического зондирования за два срока: 0 и 12 ч ВСВ (ниже в таблицах обозначены соответственно Р 00 и Р 12) и по данным M0D07_L2 в 5—6 ч ВСВ

(обозначение М 5—6). Поскольку спутник зондирует атмосферу в районе сравниваемых станций в полдень по местному времени, а аэрологическое зонди ро ва ние про водит ся рано утром (в 6—7 ч по мес тному вре ме ни) и вечером (в 18—19 ч по местному времени), полного совпадения значений анализируемых индексов ожидать не приходится. Тем не менее очаги конвективной неустойчивости за это время не могут переместиться далеко за пределы обнаружения аэрологической станции.

В качестве параметров неустойчивости атмосферы были использованы индексы LIFT, TOTL и KIND [12, 14, 15]:

где T850, T700 и Т500 — температура воздуха на изобарических поверхностях 850, 700 и 500 гПа соответственно (°С); Тр — температура частицы на изобарической поверхности 500 гПа, поднявшейся с высоты 500 м над земной поверхностью при средних значениях давления, температуры воздуха и точки росы (°С); TD850 и TD700 — температура точки росы на изобарических поверхностях 850 и 700 гПа (°С).

В соответствии с известными методиками определения потенциала конвективных систем и кластеров [13, 15, 16] при значении LIFT < -3°С атмосфера считается неустойчивой, отмечаются интенсивные грозы и возможен град. Значения LIFT в интервале от -3 до 0°С характери-уют атмосферу как неустойчивую, когда возможны отдельные грозы. Если LIFT > > 0°С, то атмосфера считается устойчивой, однако при значениях индекса <3°С возможно развитие слабой конвекции. При значениях индекса TOTL в интервале 40—45°С состояние атмосферы также оценивают как неустойчивое с возможными отдельными грозами. Значения TOTL более 45°С характеризуют атмосферу как неустойчивую с большой вероятностью прохождения гроз. Значения KIND от 30 до 35°С определяют состояние атмосферы как неустойчивое с большой вероятностью ливня и небольшой вероятностью появления гроз. При KIND более 35°С потенциал для развития грозы с ливнем очень высок [13, 15, 16].

Индексы неустойчивости атмосферы определяли по архивным данным аэрологического зондирования [10] и данным M0D07_L2 MODIS/"Terra" [17]. Значения характеристик атмосферы по данным MODIS брали в пикселе размером 5 х 5 км [20], в который попадает исследуемая станция. Точность измерения температуры современными радиозондами в зависимости от высоты составляет 1—2°С, а характеристик влажности -5—15%. Точность измерений спектрорадиометром MODIS температурного профиля не превышает 1,9°С, температуры точки росы — 4°С, или 10—15% [9, 20].

Сравнение значений аэрологического и спутникового мониторинга характеристик атмосферы проводилось по результатам расчетов рангового коэффициента корреляции Спирмена r, критерия Фишера F и t-критерия Стьюдента, а также с помощью однофакторного дисперсионного анализа. Совокупность используемых статистических критериев позволяет оценить

LIFT = T500 - Tp, TOTL = (T850 - T500) + (TD850 - T500), KIND = (T850 - T500) + TD850 - (T700 - TD700),

(1) (2) (3)

однородность рассматриваемых выборок и наличие статистически значимых различий между ними.

Результаты обработки данных и их обсуждение

Об объективности информации о соответствии значений индексов LIFT, TOTL и KIND, полученных по данным MOD07_L2 и с помощью аэрологического зондирования, свидетельству ют сред ние и сред нек вад рати чес-кие отклонения (табл. 1), а также эмпирические значения используемых статистических критериев К,мп (табл. 2). В табл. 2 жирным шрифтом выделены эмпирические значения критериев, которые являются статистически значимыми и свидетельствуют о том, что гипотеза о равенстве средних значений для ¿-критерия Стьюдента, о равенстве дисперсий для критерия Фишера и о равенстве нулю ко эффи ци ен та кор ре ля ции Спирмена отвергается. В случае если разность между средними значениями, а также среднеквадратическими отклонениями индекса, полученными с помощью MODIS и путем аэрологи-чес ко го зонди ро ва ния, может быть объяснена приборной ошибкой измерений, эмпирические значения критериев в табл. 2 не выделяли.

Установлено, что на всех рассматриваемых станциях средние значения индекса LIFT по данным MOD07_L2, получаемые в 12—13 ч по местному времени, статистически значимо меньше на 2,6—5,1°С среднего значения данных радиозондирования, проводимого утром (табл. 1). Полученное различие физически закономерно, поскольку является следствием суточного хода развития конвекции. Для станции Новосибирск получена статистически значимая корреляция индексов LIFT, рас счи тан ных по данным MOD07_L2 и аэрологического

о -

о а

п я

¡5 и

S о

i я

« »

о \с

а я

s

ц

ю й и

В

¡5 а

= Ч

® J f |

^ £

^ 2

2 ®

в о

о 4

н о

Щ В

В щ

а у

S и

а »

14 ^

в а

Tt Ol

,—t т—I

CN -н -н ^ -н О

Рч «■П 00 оо 00

ГТ) «■П

CN (N

О

т—<

О о -н Ч, -н -Н

Рч С\ СУ

<N

(N tN

00

О О о

ol -Н -н Ч, -н

Рн ^ m

чэ

-t

я

s я

I

я

н

U

00 00

о о

-Н -н

tN tN

On

О

^ -H -H

<N о

о

Ln

о

о d

О о -H ^ -H <1 -H

Рн

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.

Показать целиком