ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 6, с. 60-66
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.511:61
ТРАЕКТОРИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ УРАГАНА ALBERTO ОТ ТРОПИЧЕСКИХ ДО СРЕДНИХ И СРЕДНЕВЫСОКИХ ШИРОТ: СПУТНИКОВАЯ МИКРОВОЛНОВАЯ РАДИОМЕТРИЯ © 2008 г. Н. М. Астафьева, Е. А. I Марков
Институт космических исследований РАН, Москва E-mail: ast@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 12.06.2008 г.
Проведен сравнительный анализ спутниковых изображений урагана Alberto, полученных на разных частотах и отражающих энергетический вклад водяного пара, а также мелко- и крупнокапельных облачных систем. Для его выполнения использованы глобальные радиотепловые поля Земли и наземные данные по информации NHC—TPC NOAA (National Hurricane Center—Tropical Prediction Center NOAA). Показано, что крупномасштабное атмосферное окружение оказало заметное, практически определяющее влияние и на траекторию Alberto и на изменения его интенсивности. Для адекватного описания динамики и энергетики тропического циклона, теоретические и прогностические модели должны учитывать динамические и метеорологические условия в достаточно удаленном крупномасштабном окружении циклона (в рассмотренном случае это практически вся акватория Атлантического океана). Данные микроволнового спутникового зондирования (глобальные радиотепловые поля) предоставляют необходимую для повышения качества прогнозов информацию о влаго- и водозапасе тропосферы над Мировым океаном.
ВВЕДЕНИЕ
Тропическая зона системы "океан—атмосфера" обладает уникальным свойством генерации организованных мезомасштабных вихревых структур — тропических циклонов из атмосферного турбулентного хаоса, вовлеченного в глобальную циркуляцию атмосферы. Тропические циклоны (ТЦ) — одно из наиболее разрушительных природных явлений на земном шаре. Исследования последних лет показали, что интенсивные вихревые возмущения (типа ТЦ) являются необходимым элементом глобальной циркуляционной системы океан—атмосфера, поддерживающим термодинамическое и климатическое равновесие на планете. В этой связи одним из важных аспектов исследования атмосферы, как компонента климатической системы, является изучение вклада циклогенеза как процесса в целом, так и отдельных его составляющих, в термодинамику и кинематику атмосферы [1—3].
Несомненным является тот факт, что проблемы разработки современных методов наблюдения, исследования и прогнозирования ТЦ, а также формирования оптимальной стратегии безопасности в условиях перманентных (и, как показал целый ряд неудачных экспериментальных программ, неустранимых искусственным образом) атмосферных катастроф являются интернациональными и все более актуальными. Роль аэрокосмических методов при изучении влияния тропического циклогенеза на климатическую си-
стему принципиальна, поскольку пространственно-временная "случайность" процесса генезиса индивидуального ТЦ и "неопределенность" его траекторного движения не дают возможности применить в полной мере наземные методы исследования.
С середины 60-х годов прошлого века начался период активного исследования процесса глобального тропического циклогенеза космическими средствами. Сначала это было эпизодическое обнаружение ТЦ с низкоорбитальных метеорологических ИСЗ первого поколения. Затем — достаточно планомерное изучение ТЦ в оптическом и ИК-диапазонах в глобальном и региональных масштабах с геостационарных ИСЗ с хорошим временным разрешением (от получаса до двух минут). Такие спутниковые данные позволили получить представление о временной эволюции ТЦ и окружающих его облачных масс [4], однако они не содержат информацию о внутренней структуре тропического циклона и водяном паре (скрытом тепле), содержащемся в окружающей его атмосфере. Общая энергетическая картина эволюции ТЦ как внутри тела циклона, так и в окружающих его областях остается неизвестной. И, в первую очередь, остаются неизвестными источники энергии, приводящие к чрезвычайно быстрой (и достаточно неожиданной для наблюдателей) интенсификации ТЦ, как это произошло, например, в случае печально знаменитой Ка^та [2]. Решить эти задачи только при помощи
ИК- и оптических методов не представляется возможным.
В свою очередь данные микроволнового спутникового зондирования существенно расширили возможности исследований, однако по целому ряду причин до последнего времени они представляли собой полосовые поля со значительными лакунами (не покрытые данными области), а для адекватного изучения таких динамичных и достаточно крупных атмосферных вихрей, как ТЦ, необходимы непрерывные поля.
Лишь в самое последнее время исследователям из Института космических исследований РАН удалось создать электронную коллекцию глобальных радиотепловых полей GLOBAL—Field [5, 6] (по данным микроволновых приборов SSM/I), на основе которой был реконструирован весь эволюционный цикл тропического циклона с суточным временным разрешением по поверхности 0.5° х 0.5° [7, 8].
Циклоническая деятельность тропической атмосферы — один из элементов глобального полярного переноса влаги и тепла из тропической зоны в более высокие широты, сглаживающего широтные градиенты тепла в атмосфере, которая основную долю тепла от Солнца получает в тропической зоне. Это своеобразный механизм сброса избыточного тепла в условиях, когда действия обычных механизмов (турбулентная конвекция и различные составляющие глобальной циркуляции атмосферы) оказывается недостаточно. Перенос влаги (и тепла) из приэкваториальной атмосферы в более высокие широты осуществляется, в основном, не меридиональной циркуляцией, а горизонтальными вихревыми движениями [7]. Например, в [8] показано, что тропический циклон "вырвал" из экваториальной зоны и унес в более высокие широты порядка трети ее суточного влагозапаса.
Цель настоящей работы — представить результаты детального изучения передвижения вихревых образований (тропических циклонов) из тропической зоны в средние и средневысокие широты по данным микроволновой спутниковой радиометрии на примере урагана Alberto (03— 27 августа 2000 г.). Ураган Alberto является рекордсменом по времени жизни среди тропических циклонов, сформировавшихся над Атлантикой в августе, и обладает целым рядом траектор-ных особенностей. В частности, его траектория включает большую пятидневную антициклоническую петлю, он трижды достигал стадии урагана и совершил экстратропический переход.
ГЛОБАЛЬНОЕ РАДИОТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Приборы, установленные на искусственных спутниках Земли, обеспечивают глобальные наблюдения геофизических параметров в виде полей с достаточными пространственным разрешением, протяженностью и временной регулярностью. Современные ИК- и СВЧ-радиометры регистрируют собственное излучение земных покровов, Мирового океана и атмосферы (в отличие от оптического диапазона, где принимается отраженное солнечное излучение). В последние годы накоплен большой опыт использования спутниковой СВЧ- и ИК-радиометрии [9, 10] для анализа характеристик теплового и динамического взаимодействия океана и атмосферы.
В работе анализируются глобальные радиотепловые поля, построенные авторами по данным СВЧ-радиометрических приборов SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager), установленных на космических аппаратах серии DMSP (Defense Meteorological Satellite Program; http://dmsp.ngdc.noaa.gov/dmsp.ht-ml). В Институте космических исследований РАН сформирована постоянно пополняемая база данных GLOBAL-T, поставляемых в рамках программы DMSP, содержащая на настоящий момент информацию за 1995—2007 гг. Получаемые с помощью космических аппаратов серии DMSP данные из-за специфики траекторий спутников и ограниченности полей зрения приборов оказываются фрагментарными: подспутниковые дорожки не полностью покрывают поверхность планеты за сутки — покрытие оказывается чрезмерно густым на высоких широтах, но оставляет довольно большие пробелы (лакуны) на средних широтах и, особенно, в приэкваториальной области. Ширина лакун на экваторе составляет ~1200 км при ширине полосы обзора приборов ~1400 км. В результате около 25% поверхности планеты оказываются не покрытыми данными, а в тропической зоне лакуны составляют около 42% поверхности. Кроме того, возможна потеря информации из-за сбоев приемной или передающей аппаратуры.
Разработанные авторами методики [5, 6], основанные на межвитковом и кросс-аппаратном выравнивании и дополнении, позволяют восполнить недостающую информацию и построить глобальные радиотепловые поля Земли с использованием информации всех космических аппаратов F10-F15 серии DMSP. В ИКИ РАН создана многолетняя пополняемая электронная коллекция глобальных полей радиояркостной температуры GLOBAL—Field. На настоящее время она содержит глобальные радиотепловые поля Земли за период времени с 1995 по 2007 гг. (элементы коллекции представлены на сайте ИКИ РАН ht-tp://www.iki.rssi.ru/asp/). Хорошие регулярность и
плотность покрытия (два полных поля в сутки с шагом 0.5° х 0.5° по земной поверхности) делают поля сформированной коллекции GLOBAL— Field пригодными для дальнейшего научного анализа. В частности, для изучения термодинамических процессов, ответственных за перенос тепла и массы (влаги особенно) в атмосфере, в широком диапазоне пространственно-временных масштабов — от синоптических до междугодовых и как глобальных, так и региональных (от сотен километров до планетарных).
На рис. 1 (см. на цветной вклейке) показаны радиотепловые поля Земли, сформированные с помощью разработанного авторами алгоритма межвиткового и кросс-аппаратного выравнивания и дополнения по данным от 11.08.2000 на частотах 19.35, 22.24, 37.00 и 85.50 ГГц (длины волн 1.58, 1.35, 0.81 и 0.35 см соответственно). Отметим, что даже в том масштабе, в котором показаны глобальные поля на рисунке, легко различаются многие атмосферные движения с масштабами от сотен километров и более. Так, например, среди сложных атмосферных движений над Северной Атлантикой выделяется ТЦ Alberto (на широте ~34°), а над северо-западной частью Тихого океана приблизительно на той же широте хорошо виден ТЦ Ewiniar (отмечен стрелкой).
Содержание воды (в любых видах) в атмосфере является одним из фактор
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.