ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 482-491
УДК 551.510.52:551.771
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРНЫХ ДВИЖЕНИЙ ПО ДАННЫМ МНОГОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ИЗ КОСМОСА
© 2007 г. Ä. Ф. Нерушев*, Е. К. Крамчанинова*, В. И. Соловьев**
*Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., просп. Ленина, 82 E-mail: nerushev@typhoon .obninsk.ru **НИЦ "Планета" 123242 Москва, Большой Предтеченский пер., 7 E-mail: solovjev@planet.iitp.ru Поступила в редакцию 27.12.2006 г.
Описан метод определения динамических характеристик атмосферы по данным зондирования с геостационарного спутника, основанный на использовании в качестве трассеров неоднородностей поля концентрации консервативной примеси и применении корреляционно-экстремальных алгоритмов. Метод, в отличие от широко применяемых за рубежом, позволяет определять не только поле вектора скорости ветра, но также коэффициент турбулентной диффузии и завихренность. Приведены результаты расчетов полей горизонтальной составляющей скорости ветра и эффективного коэффициента горизонтальной мезомасштабной турбулентной диффузии по данным каналов водяного пара радиометра SEVIRI геостационарного спутника Meteosat-8. Показано, что в областях с преимущественно турбулизованным течением воздушных масс средние значения эффективного коэффициента горизонтальной мезомасштабной турбулентной диффузии в полтора раза больше, чем в областях с преимущественно ламинарным течением. Проанализированы особенности рассчитанных значений динамических характеристик верхней тропосферы на разных стадиях развития тропического циклона Helene (сентябрь 2006 г.) в Северной Атлантике.
ВВЕДЕНИЕ
Динамические характеристики атмосферы (вектор скорости ветра, коэффициент турбулентной диффузии) являются важнейшими метеорологическими параметрами для прогноза погоды, расчета миграции атмосферных примесей и решения многих других фундаментальных и прикладных задач физики атмосферы. Вычисления полей ветра в атмосфере на основе спутниковых данных широко применяются в последнее время не только в исследовательских целях, но и в оперативной практике в США, странах западной Европы, Японии, Китае, Индии и ряде других стран (см., например, [1]). При этом наибольшее распространение получили пассивные спутниковые методы, основанные на анализе движения атмосферных трассеров - облаков различных ярусов и неоднородностей поля водяного пара, в основу которых положены идеи, впервые сформулированные еще в начале 60-х годов Теодором Фуджи-той (см. обзор [2] и обширную библиографию в нем). Эти методы позволяют получать поля вектора горизонтальной скорости ветра на нескольких атмосферных уровнях: нижнем (слой с давлением р в диапазоне 700 гПа < р < 1000 гПа), среднем (400 гПа < р < 700 гПа) и верхнем (р < 400 гПа). При этом, используя различные методы привязки
трассеров по высоте и различные оптические диапазоны регистрации собственного излучения атмосферы или рассеянного и отраженного солнечного излучения, может быть получена информация о горизонтальной скорости ветра практически во всей толще тропосферы.
Главным источником информации о движении атмосферных трассеров являются измерения с геостационарных спутников, аппаратура которых позволяет получать изображение диска Земли с разрешением в подспутниковой точке лучше 1 км в видимом диапазоне длин волн и около 3 км в ИК диапазоне. При этом наименьший временной интервал между снимками составляет 15 мин для европейских геостационарных метеорологических спутников второго поколения (MSG) и 3-5 мин -для новейших американских геостационарных метеорологических спутников GOES [3, 4]. Геостационарные спутники позволяют рассчитывать поля ветра для области Земли с размерами приблизительно ±50 град по широте и долготе от подспутниковой точки. Точности получения характеристик поля горизонтальной скорости ветра, достигнутые как в американских, так и европейских центрах, вполне приемлемы для практических целей: среднеквадратическое отклонение вектора скорости ветра от данных радиозондиро-
вания составляет (4-6) м/с по величине и (10-15)° по направлению [1, 3, 4]. Для высоких широт разработаны методы определения полей горизонтального ветра по данным нескольких полярно-орбитальных спутников, основанные на тех же идеях, что и методы для геостационарных спутников, но существенно более сложные за счет необходимости учитывать геометрические искажения изображений [5].
Спутниковые методы определения полей ветра в атмосфере имеют несомненные преимущества перед традиционными методами радиозондирования в виде оперативности, однородности данных, высокого пространственного и временного разрешения. Особую ценность представляют они для областей опасных атмосферных явлений, в частности для тропических циклонов, в зоне действия которых практически невозможно применять традиционные методы радиозондирования. С помощью спутниковых методов получают уникальные данные о полях ветра на разных атмосферных уровнях в окружении и активной зоне тропических циклонов, в том числе в облачной стене и в глазе бури, которые используются для совершенствования методов прогноза развития и перемещения тропических циклонов [6, 7].
Однако, несмотря на значительный прогресс спутниковых методов определения поля ветра в атмосфере, некоторые важные вопросы остаются не решенными. К ним, с нашей точки зрения, относится определение турбулентных характеристик и вертикальных скоростей атмосферных движений. Известно, что атмосферные движения, как правило, турбулизованы. В ряде случаев процессы турбулентного переноса преобладают над процессами направленного переноса. Описанные выше спутниковые методы определения атмосферного ветра никак не учитывают этого обстоятельства. Вертикальные движения в атмосфере определяют очень важные процессы развития облачных структур, зарождение и развитие мезо-циклонов, динамику тропических циклонов. Однако с помощью существующих спутниковых методов пассивного зондирования вертикальная компонента скорости атмосферного ветра не определяется. Существенное продвижение вперед в этом вопросе дает использование активных методов зондирования, прежде всего применение лидаров. Однако эти методы не вышли пока из экспериментальной стадии разработок [8, 9].
В настоящей статье рассматривается метод, позволяющий по данным пассивного спутникового зондирования одновременно определять не только компоненты вектора скорости ветра (V), но также завихренность (го1У) и коэффициент турбулентной диффузии (К). В качестве атмосферных трассеров используются неоднородности поля концентрации водяного пара. Метод
применен для расчета динамических характеристик атмосферы по информации о собственном излучении атмосферы, принимаемом в каналах водяного пара радиометра SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) геостационарного спутника MSG-1 (Meteosat-8). Основное внимание уделяется определению Kd, в том числе в зоне зарождения и развития тропического циклона Helene (сентябрь 2006 г.).
1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МЕТОДА
Кратко опишем, следуя [10], физико-математическую модель применяемого метода. Пусть имеется случайное поле и(х, у, г, 0, описывающее распределение в атмосфере некоторой характеристики движущейся пассивной примеси. Здесь х, у, г - оси декартовой системы координат (положительное направление х - на восток, у - на север, г - в зенит), t - время. Будем считать, что примесь движется вместе с воздушной средой так, что ее перемещение в пространстве полностью отражает характеристики движения среды. Для рассматриваемого здесь случая водяного пара такое предположение соответствует действительности. Суть рассматриваемого подхода состоит в определении кинематических характеристик случайного поля статистическими методами.
Согласно [10], где рассмотрен общий подход к определению кинематических характеристик случайного поля статистическими методами в движущейся сплошной среде для случайных полей любой природы, движение некоторого выделенного элемента объема сплошной среды можно разложить на перенос (вектор скорости ветра V с составляющими Ух, Уу, Уг), вращение вокруг мгновенной оси, проходящей через его центр (го1У), и деформацию, обусловленную, например, диффузионными процессами. Выделение желаемого элемента объема среды (рабочего "окна") осуществляется трехмерным оператором Н, представляющим собой пространственную весовую функцию и играющим роль фильтра верхних пространственных частот. Процедура отождествления выделенных таким образом областей поля и в моменты времени t1 и ^ может заключаться в нахождении глобальных экстремумов взаимных статистических характеристик (например, корреляционных или структурных функций) путем вариаций пространственных сдвигов. По сдвигам, при которых достигается глобальный минимум взаимной структурной функции
штО(х, у, г, Ах, Ау, Аг, Аф, Ау, АО, t2) (1) вычисляются три компонента переносной скорости Ух = Ах/т, Уу = Ау/т, У = Аг/т (2)
и три компонента завихренности
гогхУ = Аф/т, го^У = Ау/т, го1У = АО/т, (3)
где ф, у, О - эйлеровы углы координатной системы, движущейся вместе с выделенной областью поля, т = ^ - tl. Результаты расчетов относятся к моменту времени t = ($2 + ^)/2. Вычисление скорости временной эволюции поля (Уе), обусловленной его "незамороженностью", основано на анализе эллипсоида пространственных сдвигов [10]. При этом в предположении изотропности временной эволюции поля можно определить радиус эквивалентной сферы г, объем которой равен объему эллипсоида. Тогда Уе вычисляется как Уе = г/т. Однако в атмосфере, как правило, условия изотропности выполняются лишь в пределах малых масштабов (порядка 1 км).
Выполняя последовательное скольжение оператором Н по полю и и решая каждый раз вариационную задачу, можно найти векторные поля переносной скорости У(х, у, г, 0 и завихренности го1У(х, у, г, 0. Определение этих динамических характеристик атмосферы можно рассматривать как обратную задачу статистического анализа случайного поля [10]. Обычно делаются следующие предположения о поле и в средней тропосфере: поле и непрерывно, эргодично, гауссо
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.