ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ОБНАРУЖЕНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КУПОЛОВ В ЭКВАТОРИАЛЬНОМ ПОЛЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ВОДЯНОГО ПАРА ПРИ ГЕНЕЗИСЕ ТРОПИЧЕСКОГО ЦИКЛОНА FRANCISCO (2001) © 2013 г. Е. А. Шарков*, Я. Н. Шрамков, И. В. Покровская
Институт космических исследований РАН, Москва *E-mail: e.sharkov@mail.ru Поступила в редакцию 01.02.2013 г.
С помощью принципиально усовершенствованной комплексной базы данных EVA-01 (пространственно-временная эволюция тропического циклона и поля водяного пара) с элементами объектно-реляционного типа выполнен детальный анализ поля интегральной концентрации водяного пара (по данным микроволновых спутниковых систем комплекса DMSP) на всех этапах временной эволюции тропического циклона (ТЦ) Francisco (2001) в акватории северо-западной части Тихого океана. В работе показано, что при использовании технологии сетчатых 3-D поверхностей были впервые экспериментально получены отдельные детализированные фрагменты поля водяного пара, в которых на фоне среднего значения его интегрального содержания, превышающего критическое значение, формируются своего рода "купола" повышенных значений содержания водяного пара достаточно сложной пространственной формы и с очень высокой временной изменчивостью. Возможным физическим механизмом формирования повышенного значения интегрального содержания водяного пара могут служить известные высотные конвективные колонны в облачном поле ТЦ на каждый временной эволюционный этап преобразования ТЦ.
Ключевые слова: тропические циклоны, интегральное поле водяного пара, критические геофизические параметры генезиса
DOI: 10.7868/S0205961413050096
ВВЕДЕНИЕ
C самого начала активного использования спутниковых методов в метеорологии были потрачены значительные усилия исследователей по наблюдению и регистрации отдельных (и фрагментарных) оптических и ИК-изображений тропических вихревых возмущений в различных фазах, и на их базе сформирован целый спектр оптических и ИК-сигнатур облачных систем, образующих крупномасштабную структуру атмосферной катастрофы — тропического циклона (ТЦ). Эти оптические сигнатуры облачных систем легли в основу распознавания признаков зрелости ТЦ и его динамических характеристик и используются в оперативном анализе по настоящее время (см., например, Минина, 1970, 1982; Шарков, 2010; Dvorak, 1984; Sharkov, 1998, 2000, 2012; Velden et al., 1998). Однако, с точки зрения общей энергетики атмосферной катастрофы, эти признаки являются по существу вторичными и не могут претендовать на ранг первичных признаков "близости" геофизической среды к генезису индивидуального тропического возмущения или к кризисному моменту перехода "слабой", размы-
той формы в резко интенсивную и развитую форму (т.н. процесс интенсификации ТЦ). В полной мере таких признаков пока не существует, поскольку не ясен источник "быстрой" и мощной энергии, которая позволит интенсифицировать (или дисси-пировать за счет отбора энергии) ТЦ за сравнительно короткий промежуток времени (5—8 ч). Принципиально новым шагом в изучении дистанционных критериев генезиса ТЦ следует считать результаты комплексных многочастотных оптико-ИК-микроволновых спутниковых исследований эволюции оптического образа ТЦ в поле экваториального интегрального водяного пара, при анализе которых обнаружен фундаментальный вклад малоинерционного источника энергии — поля водяного пара повышенной концентрации, — за счет энергии которого и происходят генезис первичных форм ТЦ и затем формирование зрелых форм ТЦ, и горизонтального переноса водяного пара глобальной циркуляцией и джетовыми потоками для поддержания функционирования зрелых форм ТЦ (Шарков, 2010; Шарков и др., 2010, 2011а, б).
Важно отметить, что при рассмотрении классической концепции генезиса ТЦ (Emanuel, 2003) в вопросах термодинамического баланса (типа "цикла Карно") взаимодействия тропических возмущений с полями водяного пара вообще не рассматриваются, и по существу уходит из рассмотрения значительная (и может быть и решающая) часть термо-массообмена. Сложность исследуемой проблемы заключается в том, что необходимо провести синхронный анализ дистанционной спутниковой информации двух стохастических процессов, обладающих принципиально различными пространственно-временными масштабными и структурными характеристиками. Первый процесс — эволюция ТЦ как системы облачных масс (Sharkov, 2000, 2012), второй — как особенности пространственного поля интегрального водяного пара со значительной пространственно-временной вариабельностью (Шарков и др., 2010). Сочленение двух указанных баз данных должно быть произведено на минимальном временном интервале (в данном случае — на суточном временном пикселе). В случае же увеличения временного интервала сочленения двух процессов эффективность предлагаемого метода резко падает из-за сравнительно небольшого времени жизни ТЦ и очень высокой пространственно-временной вариабельности поля водяного пара. Анализ методологии построения необходимых для исследуемой задачи баз данных показал (Шрам-ков и др., 2010), что необходимое временное сочетание параметров двух стохастических процессов возможно при использовании активно развивающейся в настоящее время объектно-реляционной технологии построения сложных комплексных баз данных.
Цель настоящей работы — на основе преимуществ объектно-реляционной базы данных сформировать усовершенствованный вариант базы данных (БД) EVA-01 с элементами объектно-реляционной технологии, которая включает в себя дистанционную спутниковую информацию о двух упомянутых выше стохастических процессах. На основе строго синхронного анализа этих стохастических полей удается показать, что на фоне среднего значения интегрального содержания поля водяного пара (далее — поля W) образуются своего рода "купола" повышенных значений интенсивностей полей W достаточно сложной пространственной формы. Фиксация по дистанционным микроволновым данным этой особенности поля водяного пара соответствует временным срокам, более ранним, чем появление зрелой эволюционной формы ТЦ по оптическим и ИК-данным (определенная сигнатура облачных систем вихревой структуры ТЦ).
ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ, МЕТОДИКА
И АЛГОРИТМ ИХ ОБРАБОТКИ
Блок-схема первого варианта БД EVA-00 с элементами объектно-реляционной технологии, которая включает в себя дистанционную спутниковую информацию о двух упомянутых выше стохастических процессах, впервые представлена в работе (Шрамков и др., 2010).
БД EVA-00 использует информацию от своих предшественниц — БД GLOBAL-TC и GLOBAL-RT-FIELDS (Институт космических исследований (ИКИ РАН)). Первая представляет собой хранилище систематизированных дистанционных данных о глобальном тропическом циклогенезе, т.е. содержит информацию о физическом процессе, рассматриваемом на всех акваториях Мирового океана (Покровская, Шарков, 2006, 2011). Каждый вновь образующийся тропический циклон или тропическое возмущение, в дальнейшем не перешедшее в развитую форму ТЦ, составляет в базе данных отдельный файл информации.
БД GLOBAL-RT-FIELDS содержит информацию о глобальных полях радиояркостных температур (Ермаков и др., 2007), полученных с помощью комплекса SSM/I — семиканального радиотеплового прибора, принимающего линейно поляризованное излучение на частотах 19.35; 22.235; 37.0; 85.5 ГГц. На всех частотах, кроме 22.235 ГГц, измеряется как вертикальное, так и горизонтальное поляризованное излучение. На частоте 22.235 ГГц — только вертикальное. Пространственное поле зрения измерений на поверхности Земли составляет 12.5 км для канала 85.5 ГГц и 25 км для других каналов. Для получения информации о содержании водяного пара необходимы данные о радиояркостных температурах на двух каналах 22.235 и 37.0 ГГц. БД EVA-00 представляет собой комплекс программ, который выполняет все необходимые, на данный момент, функции обработки глобальных полей водяного пара и информацию о ТЦ. Прежде всего, происходит последовательная обработка данных из БД GLOBAL-TC с помощью языка программирования Microsoft Visual Studio. Поля радиояркостных температур, полученные на двух частотах — 22.235 и 37.0 ГГц — и заимствованные из БД GLOBAL-RT-FIELDS, обрабатываются на языке программирования IDL с помощью линейного алгоритма обратных задач, представленного в работе (Ruprecht, 1996), по формуле
W = 131.95 - 39.50ln(280 - T22V) + + 12.49 ln(280 - T37V),
где W - значение интегрального водяного пара, в кг/м2 (или в мм), в пространственном пикселе разрешения прибора SSM/I; T22V и T37V — значения радиояркостных температур по каналам
22.235 и 37.0 ГГц (вертикальная поляризация) в пространственном пикселе разрешения прибора SSM/I.
В основу обработки и устройства полей водяного пара положен принцип рассмотрения глобальных дистанционных данных как достаточно длинных рядов пространственно-временных наблюдений. Выходные данные могут быть записаны в один или несколько файлов. Наиболее естественный — метод визуализации полученных данных — представляется как формирование серий изображений в виде видеоклипа. Развитие этой методики лежит в русле принятого ранее сотрудниками ИКИ РАН анимационного подхода (Ермаков и др., 2007) к анализу спутниковых дистанционных данных для исследования быстропроте-кающих атмосферных процессов.
На основе полученной комплексной БД сформирован демонстрационный анимационный ролик, представленный на сайте отдела исследование Земли из космоса ИКИ РАН (http://www.iki.rs-si.ru/asp/dep_coll.htm) и наглядно демонстрирующий связь областей повышенной концентрации водяного пара и генезиса тропических циклонов (Шарков и др., 2012).
Однако в связи с тем, что при отображении глобальных участков земной поверхности требуется сбалансированная цветовая схема, отображение высокочастотных (мелкомасштабных) деталей этих изображений в формате "ложных цветов" представляется крайне затруднительным. Для исследования регионов, где требуется более тщательное исследование деталей поля водяного пара, в работе предлагается уменьшение области отображения, с одной стороны, и, с другой, представление его в виде 3D-поверхности. Анализ, проведенный авторами, показал, что наиболее пред
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.