Введение к работе
Актуальность работы. Информация об облачности, получаемая с помощью существующих оперативных систем наблюдений, носит скорее качественный, чем количественный характер. Сетевые наблюдения с поверхности земли дают информацию о процентном покрытии неба облаками в радиусе обзора наблюдателя, сведения о типе облачности и высоте нижней границы облаков. Инструмеїшільннми являются лишь наблюдения за нижней границей облачности на небольшом количестве станций.
На основе измерений со спутников, используемых в настоящее время на оперативной основе, по отражательным и галучательным свойствам облаков и их ігоостранственно-времеїшой структуре в лучшем случае можно оценить процент покрытия поверхности Земли облаками, высоту верхней границы облачности и выделить несколько классов облачности.
Как известно, спутниковые измерения температуры поверхности океана (ТПО) не обладают достаточной точностью, но могут достаточно подробно передавать пространственно-временную структуру поля ТПО. Контактные же измерения, проводимые на судах и буях, обладают достаточной точностью, но сравнительно редки.
Актуальность темы связана с тем, что из-за большой пространственно-времегаюй изменчивости поля облачности и качественного, а не количественного характера наблюдений за облачностью с поверхности Земли, восстановление этого поля в узлах регулярной сетки представляет значительные трудности. Из-за малой плотности измерений ТПО во многих районах Мирового океана, информация о температуре поверхности океана по данным судовых и буйковых измерений также является недостаточной для детального анализа температуры морской поверхности.
Состояние изученности. Диагностика поля облачности имеет существенное значение для мониторинга климатической системы Земли, а также для-многих прішіадньїх целей, поэтому к настоящему времени предложено довольно много методик анализа облачного покрова с использованием спутниковых измерений в видимом и инфракрасном (ИК) участках спектра, поскольку только измерения со спутников могут дать информацию об облачности в глобальном масштабе.
Эти исследования ориентированы в подавляющем большинстве на многоспектральные измерения, проводящиеся на полярно-орбитальных метеорологических спутниках (Миллер и Эмери 1997; Сандерс, Крайбел 1988; Волкова и Успенский 1998; Эберт 1987; Баум и др. 1997; Рейнольде и Ван дер Хаар 1977; .Янг и др. 1996; Зейвеч 1982; Кокли и Болдуин 1984). Измереїшя с этих спутников имеют, однако, один существенный недостаток с точки зрения
синоптического и численного анализа: они производятся не одновременно над всей земной сферой или ее значительной частью. Поскольку облачность имеет достаточно большую пространственно-временную изменчивость, привязка измерений, сделанных с полярно-орбитальных спутников в разные моменты времени, к единому синоптическому сроку представляет трудноразрешимую проблему.
Этого недостатка лишены измерения с геостационарных спутников. Измерения с существующей ныне системы геостационарных спутников осуществляются глобально в широтном поясе от 60с.ш. до 60ю.ш. с большим разрешением по времени (каждые 30 минут). В этом смысле они обладают несомненным преимуществом с точки зрения численного анализа в определенный синоптический срок.
При планировании работы над диссертацией было решено ориентироваться на анализ облачности в определенные синоптические сроки, который будет содержать только количественную информацию об облаках, а именно данные о процентном покрытии облаками элементарной ячейки регулярной сетки, на которой ведется анализ, высоте нижней и верхней границы облачности. Для создания такого рода анализа облачности необходимо привлечение как измерений с геостационарных спутников в инфракрасном диапазоне, так и наземных наблюдений за облачностью, что и использовалось в данной диссертации. Задача в такой постановке решалась ранее лишь применительно к усвоению данных в мезомасштабных моделях,
Что касается задачи восстановления температуры поверхности океана по спутниковым данным, то она является традиционной для спутниковой метеорологии. Однако большинство существующих на сегодняшний день методик используют в анализе многоспектральные измерения с полярно-орбитальных спутников (Робинсон и др. 1984; Лейвеллин-Джонс и др. 1984; Нелепо и др. 1985; Успенский, Соловьев 1998; Игнатов, Суетин 1993; Чедин и др. 1983; Рейнольде, Смит 1994; Сандерс 1988). В работе Нуоки (1983) показано, что полное покрытие всего Мирового океана (на сетке 2х2) данными, полученными с полярно-орбитального спутника NOAA, возможно при осреднении их за месяц. Получение же информации с геостационарных спутников позволяет покрывать Мировой океан данными за более короткий период.
Целью данной работы является разработка методики регионального численного анализа облачности в определенные синоптические сроки, с использованием инфракрасных измерений с геостационарного спутника и наземных данных. Следующая цель работы практическая: понять, каково реальное качество восстановления ТПО по измерениям в ИК диапазоне с геостационарных спутников?
Если это качество является удовлетворительным, то появляется возможность заметно увеличить количество информации о ТПО путем совместного использования спутниковых и судовых измерений.
Разнородные на первый взгляд задачи анализа облаков и ТПО на самом деле весьма близки в методологическом плане: используется один и тот же источник спутниковой информации, имеется одна и та же задача разделения сигналов, поступающих от облачности и подстилающей поверхности. Именно в связи с такой методологической близостью процедур получения спутниковой информации в диссертации рассмотрены методики анализа, как облачности, так и ТПО.
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
-
Проанализировать имеющийся положительный опыт использования измерений в ИК диапазоне для восстановления полей облачности и температуры поверхности океана.
-
Разработать методику анализа облачности с использованием ИК измерений с геостационарных спутников и наземных данных.
-
Разработать методику анализа температуры поверхности океана на основе вариационного усвоения ИК информации с геостационарных спутников и контактных измерений на судах.
-
Разработать программные средства, позволяющие производить анализ поля облачности и температуры поверхности океана в оперативном режиме.
-
Оптимизировать эмпирические коэффициенты, используемые в методиках.
-
Проанализировать точность восстановления поля процентного покрытия облачности и поля высоты нижней границы облачности по разработанной методике.
-
Оценить точность восстановления по разработанной методике поля ТПО по спутниковым измерениям, по судовым измерениям, и поля, полученного в результате вариационного согласования полей спутниковой и судовой ТПО.
Использованные материалы.
-
Измерения в диапазоне 10.5-12.5 мкм, представленные значениями яркости в радиометрических единицах (0-255), с МИСЗ METEOSAT-7 в период с 2 июня по 31 августа 1999 г., GOES-E, GOES-W, GMS, METEOSAT-5 в период с 2 июня по 29 июля 1999 г.
-
Таблицы перевода ретранслируемых значений яркости в фюические перемишые брались на сервере EUMETSAT: .
-
Сведения о балле облачности и о высоте ее нижней границы, давлении и температуре на станциях, поступающие в коде СИНОП за все синоптические сроки.
-
Данные анализов и прогнозов на 12 ч температуры воздуха у поверхности земли, температуры и геопотенциалшой высоты на различных поверхностях, поступающие в коде GRTB из Брэкнелла и относящиеся к срокам 00 и 12 СГВ.
-
Климатический анализ ТПО для северного полушария, построенный для каждого месяца на основании многолетних контактных измерений (NOAA Atlas, NESDIS 4,1994).
-
Недельные анализы ТПО Национальных центров по прогнозу окружающей Среды США (NCEP/NOAA), построенные на основании как контактных измерений ТПО, так и спутниковых измерений (ИСЗ NOAA).
7. Судовые и буйковые измерения ТПО.
Предмет защиты:
-
Методика восстановления процентного покрытия облачности и высоты верхней границы облачности в узлах регулярной сетки на основе ИК'измерений с геостационарных спутников и высоты нижней границы облачности на основе станционных измерений.
-
Методика восстановления температуры поверхности океана в узлах регулярной сетки на основе вариационного согласования ИК измерений с геостационарных спутников и контактных измерений на судах.
Научная новизна работы:
-
На основе усвоения ИК измерений с геостационарных спутников и наблюдений на сети метеорологических станций разработана новая методика анализа облачного покрова дающая информацию о процентном покрытии облачности, высоте ее верхней и нижней границы в узлах регулярной сетки с разрешением порядка 111 х 111 км2.
-
Разработана новая методика привлечения ИК информации с геостационарных спутников для восстановления поля температуры поверхности океана с разрешением порядка 111 х 111 км2 методом вариационного согласования.
-
Созданы программные средства, пригодные для проведения оперативного анализа полей облачности и температуры поверхности океана.
Научная и практическая ценность работы: Предложенная методика и соответствующие программные средства могут быть использованы в оперативном численном анализе поля облачности в теплое время года и температуры поверхности океана. Такого рода численный анализ облачности ориентирован на обобщенную диагностику облачного покрова, а также на возможность усвоения данных об облачности в моделях численного прогноза и использование анализов для оценки качества воспроизведения облачного покрова прогностическими моделями и является полезным для уточнения поля влажности в схемах численного прогноза
погоды. Кроме этого подобный анализ может быть полезным в климатических исследованиях, а сведения о верхней и нижней границах облаков окажутся полезными для обслуживания авиации и других отраслей экономики. Совместное использование спутниковых данных о ТПО и судовых измерений позволяет более детально исследовать пространственно-времешгую структуру поля ТПО и представляет практический интерес для океанологии и рыболовства.
Апробация работы. Основные положения и материалы работ докладывались на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам: "Ломоносов-98" (секция "География", г. Москва 1998 г.)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованных источников (84 наименования). Диссертация содержит 111 страниц машинописного текста, включая 9 рисунков и 7 таблиц.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 работы, 1 работа принята в печать.
