Identification of mesoscale convection and thunderstorms by space platform data.pdf Одной из самых уязвимых позиций в прогнозе грозы остается определение ее пространственной локализации. Причиной тому является сложность прогноза развития мезомасштабной конвекции, зависящей от совокупности факторов разного пространственного и временного масштаба. Исследования российских [1, 2] и зарубежных авторов [3-5] вскрыли большой потенциал использования спутниковой информации для наблюдения за развитием мезомасштабной конвекции и прогноза образования опасных конвективных явлений, включая грозу, град, смерч. С выводом на полярную солнечно-синхронную орбиту в феврале 2000 г. пилотной космической платформы Terra стали доступны данные, необходимые для восстановления ключевых параметров структуры атмосферы, регистрируемые 36-канальным спектрорадио-метром MODIS [5]. В перечень продуктов, создаваемых по данным MODIS, входит продукт MOD07_L2 (Atmosphere Profile Product), в котором содержится ряд характеристик атмосферы, включая профили температуры, точки росы и их производные [6-8], которые широко используются для прогноза опасных конвективных явлений за рубежом [3-5]. Одним из первых шагов в создании алгоритма идентификации мезомасштабных конвективных ячеек является сравнение результатов стандартного профильного зондирования атмосферы, осуществляемого радиозондами на аэрологических станциях, с данными спутниковых регистраций в дни с грозой, зарегистрированной наблюдателями метеорологических станций. Целью настоящей работы является сравнительный анализ характеристик неустойчивости атмосферы, определяемых по данным аэрологического зондирования и MOD07_L2 для территории Западной Сибири в дни с грозами. В качестве реперной точки для проведения сравнительного анализа была выбрана территория аэрологической станции Колпашево (Томская область). Маркером наличия мощной конвекции послужили грозы, зарегистрированные наблюдателями на метеорологической станции, расположенной в непосредственной близости от аэрологической. Материалы и методы. Практически все существующие методы прогноза гроз основаны на использовании результатов аэрологического зондирования атмосферы. По результатам зондирования определяется степень неустойчивости атмосферы и мощность конвективно-неустойчивого слоя. Чем большей мощности в своем вертикальном развитии достигнут конвективные ячейки, тем интенсивнее будут опасные явления погоды, которые они продуцируют: ливни, грозы, град, смерчи [9-11]. В негидростатических мезомасштабных моделях для прогноза опасных конвективных явлений погоды используются количественные значения индексов, характеризующих конвекцию по ряду параметров [12, 13]. Наиболее часто используемыми являются индекс LIFT (различие температуры окружающей среды и частицы, поднимающейся с уровня 500 м и 850 гПа), индекс TOTL (комплексная характеристика статической стабильности и влажности в слое 850-500 гПа) и индекс KIND (комплексная характеристика статической стабильности и влажности в слое 850-700 гПа). Интенсивность развития конвективных вертикальных движений определяется в большей степени стратификацией температуры воздуха. Например, интенсивные грозы и град формируются в атмосфере с положительной энергией неустойчивости во всём слое облакообразова-ния, когда в средней и верхней тропосфере температурные градиенты существенно превышают величину влаж-ноадиабатического. Эту характеристику состояния атмосферы отражают значения индекса: LIFT = Т500 — ^Parsell , (1) где Т500 - температура окружающей среды на уровне 500 гПа (°С); Tparcell - температура частицы на уровне 500 гПа, поднявшейся с уровня 500 м над земной поверхностью при среднем давлении, температуре и точке росы, °С. Степень развития вынужденной конвекции при влажнонеустойчивой стратификации атмосферы зависит от толщины влажнонеустойчиво стратифицированных слоев. Заметим, что наличие таких слоев является необходимым условием для развития опасных конвективных явлений. Поэтому вторую группу индексов представляют индексы, в которых кроме стратификации температуры присутствуют характеристики влажности, например Total Totals index (TOTL) и MND: TOTL = (T850 — T500) + (TD850 — T500) ; (2) KIND = (T850 - T500) + TD850 - (T700 - TD 700), (3) где Т850 - температура на уровне 850 гПа, °С; Т500 -температура окружающей среды на уровне 500 гПа, °С; TD850 - температура точки росы на уровне 850 гПа, °С; Т700 - температура на уровне 700 гПа, °С; TD700 - температура точки росы на уровне 700 гПа, °С. Величины индекса LIFT [8, 14, 15] меньше -9 являются признаком крайней неустойчивости атмосферы, при которой особенно высока вероятность не только грозы и града, но и шквала, смерча. В интервале значений LIFT от -9 до -6 атмосфера сильно неустойчива и высока вероятность перечисленных выше явлений. В интервале значений LIFT от -6 до -3 атмосфера неустойчива, отмечаются интенсивные грозы и возможен град. При значениях LIFT от -3 до 0 атмосфера считается слабо неустойчивой, но отдельные грозы возможны. Если значения LIFT больше 0, то атмосфера считается устойчивой, но при этом надо помнить, что слабая конвекция возможна и при значениях LIFT, изменяющихся в интервале от 0 до 3. Согласно [8, 14, 15], если значения индекса TOTL изменяются в пределах 40-45°С, то состояние атмосферы слабо неустойчивое, возможны отдельные грозы. При значениях TOTL в интервале 45-50°С атмосфера неустойчива, образуются грозы на больших территориях. Если значения TOTL составляют 50-55°С, то состояние атмосферы сильно неустойчивое и вероятность развития грозы и даже града высока. При значениях индекса TOTL более 55 атмосфера крайне неустойчива и над территорией вероятны сильные грозы, град и другие опасные явления, обусловленные конвекцией. Если индекс KIND принимает значения в интервале 25-30°С, это указывает на слабо неустойчивое состояние атмосферы. При значениях от 30 до 35°С состояние атмосферы неустойчивое и высока вероятность ливня, но возможны с невысокой степенью вероятности и грозы. Значения индекса в интервале 35-40°С свидетельствуют о сильно неустойчивом состоянии атмосферы и наличии потенциала для развития грозы с ливнем, а при значениях индекса больше 40°С атмосфера крайне неустойчива и грозы с сильным ливнем и градом неизбежны [8, 14, 15]. Составляющие уравнений 1-3 определяются по результатам аэрологического зондирования атмосферы и по данным MODIS. Точность измерения температуры радиозондом не одинакова по высоте и составляет 1-2°С, а характеристик влажности - 15-20%. Точность измерений спектрорадиометром MODIS температурного профиля, согласно [8], не превышает 1,9°С, температуры точки росы - 4°С. Однако значения температуры точки росы на уровне 850 гПа не могут быть измерены спектрорадиометром, поэтому они восстанавливаются по эмпирическим формулам на основе данных об относительной влажности в нижних слоях атмосферы [8]. Таким образом, значения индексов TOTL и KIND определяются по косвенным характеристикам, и, следовательно, нельзя ожидать полного совпадения значений этих индексов с результатами, полученными по данным аэрологического зондирования. Тем не менее точность измерений и вычисления значений индексов неустойчивости продукта MOD07_L2 сопоставима с точностью аэрологических исследований атмосферы. Пространственное разрешение данных MOD07_L2 составляет 5 х 5 км в надире. Абсолютная погрешность привязки изображения MODIS/Terra к местности не превышает 150 м. Более точный анализ погрешности геопривязки, выполненный NASA, показал, что в направлении движения спутника средняя погрешность привязки составляет 18 м (при среднеквадратичном отклонении с = 38 м), а в направлении скана - 4 м (при с = 40 м) [6, 16, 17]. Объектом исследования являлось состояние атмосферы в дни с грозами, зарегистрированными в окрестностях аэрологической станции Колпашево за летний сезон 2009-2011 гг. Всего было рассмотрено 76 дней с грозой, наблюдавшихся в исследуемый период. Для каждого из этих дней были рассчитаны значения индексов неустойчивости TOTL, KIND и LIFT как по данным аэрологического зондирования, так и по данным спектрорадиометра MODIS. Данные аэрологического зондирования были взяты за 00 часов ВСВ. Над территорией Западной Сибири спутник Terra пролетает в период 5-6 ч ВСВ. Значения характеристик атмосферы по данным MODIS брали в пикселе размером 5 х 5 км, в который попадает исследуемая станция. Сравнительный анализ значений аэрологического и спутникового мониторинга характеристик атмосферы проводился на основе расчетов рангового коэффициента корреляции Спирмена, критерия Фишера и t-кри-терия Стьюдента для зависимых выборок. Выбор t-кри-терия Стьюдента для определения значимости различий между средними значениями зависимых выборок продиктован тем, что измерения характеристик атмосферы, по которым рассчитывались индексы, проводились для одной и той же станции, но разными способами. С помощью критерия Фишера проводилась оценка значимости различий в дисперсиях значений соответствующих индексов. Кроме того, с помощью критерия х2 Пирсона была проведена оценка соответствия частот распределений значений индексов, полученных путем аэрологического и космического зондирования. Совокупность используемых статистических критериев позволяет оценить однородность рассматриваемых выборок. При работе с данными MODIS было необходимо использовать специальное программное обеспечение, поскольку данные MODIS хранятся в формате HDF (Hierahical Data Format). Формат HDF был выбран NASA в качестве основного формата для хранения данных EOS (Earth Observing System) и объединяет в себе массивы данных, растровые изображения, атрибуты (поименованные текстовые строки), а также результаты группирования исходных данных [18]. Файлы формата HDF поддерживают нерегулярную сетку и заданы в синусоидальной проекции, которая не поддерживается ГИС. Для перепроектирования данных MOD07_L2 и создания тематических продуктов, отвечающих конкретным параметрам атмосферы, была использована программа HEG [19]. Средствами HEG был создан промежуточный файл формата GeoTiff в проекции UTM, который позволяет визуализировать и подвергать численной обработке тематический продукт в любой ГИС, поддерживающей этот формат. Изучение параметров атмосферы требует обработки достаточно больших временных серий продуктов MOD07_L2. На наш взгляд, наиболее приемлемой ГИС для решения этой проблемы является ГИС GRASS [20], которая поддерживает пакетный режим обработки файлов данных, т.е. имеется возможность задания цикла обработки файлов, хранящихся в одном каталоге. Результаты обработки данных и их обсуждение На рис. 1 приведены значения сравниваемых индексов неустойчивости атмосферы, рассчитанных по разным базам данных: аэрологического зондирования и MODIS. 90 80 70 60 50 С 40 Н 30 20 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 —*— радиозонд - MODIS TOTL Очевидно, что значения индексов в моменты близких по времени измерений достаточно хорошо согласуются между собой, а следовательно, являются объективной характеристикой степени неустойчивости атмосферы. На основании этого сопоставления можно утверждать, что анализируемые индексы перспективны для использования над Западной Сибирью не только при анализе информации спутников, но и при адаптации мезомасштабных прогностических моделей для исследуемой территории. 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 LIFT 45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -0 - / 1 f » / А л\ Л / ' 1 ' 1 1 1 1 ' пЛгЛ'\ А Л t ^t У \ Ч. ! Л 1 N 1 " ii\iif\ •л/V У\ 1\ V/ v' >*

Скачать электронную версию публикации