CC BY
8УДК 550.3+551.521:528.85/.87(15)
Бобришев О.Ю., Кривобок О.А.
Технолог1я оперативного в1дновлення профлей температури i вологост1 по даним супутникових вим1рювань_
УкраТнський Пдрометеоролопчний 1нститут, м. КиТв, e-mail: alex.bobryshev@gmail.com
Анотаця. Статья посвящена особенностям морфогенеза грибовидных останцов на склонах гор Красная и Пугу-Кая в Крыму. Рассмотрены геолого-геоморфологические условия, в которых формируются данные формы. Дана морфологическая характеристика объектов исследования. Выяснена роль отдельных факторов в образовании бронированных останцов.
Ключовслова: бортовой отпор, морфогенез, останец, песчаник, селективная денудация, трещина.
Дослщження та прогнозування атмосферних процеав, небезпечних та стихшних явищ погоди, мошторинг кл1мату, оточуючого середовища та Тх глобальних i регюнальних змш неможлив1 без даних про стан атмосфери на р1зних висотах. Без ц1еТ шформаци також неможлив1 розробка та адаптац1я рег1ональних чисельних моделей як1 дозволяють зд1йснювати прогнозування метеовеличин з р1зною завчасн1стю i детал1зац1ею у простор!.
1снуюча мережа температурно-волопсного зондування УкраТни, яка нал1чуе 9 пункт1в спостережень, дозволяе отримати шформацш про стан атмосфери на висотах. Але ц1еТ 1нформац1Т недостатньо для мошторингу, досл1дження та прогнозування небезпечних i стих1йних явищ погоди, особливо конвективних (дуже сильних дощ1в, сильних злив, граду, шквалу, смерчу, грози), як1 е локальними, тривають недовго i завдають значних збитк1в економ1ц1 та населенню краТни. Вщсутнють даних про стан атмосфери над акватор1ею Чорного та Азовського мор1в та на сход1 краТни створюють труднощ1 при прогнозуванн1 умов погоди, пов'язаних з виходом швденних циклоыв та розвитком блокуючих процес1в, як1 е найб1льш небезпечними в УкраТ'ш. Кр1м того, протягом останн1х 20 рок1в ця мережа пост1йно скорочувалась (частина станцш законсервован1, 1нш1 проводять спостереження один раз на добу або на дв1 доби, до того ж у р1зний час), що привело до суттевого скорочення кшькосп i точносп шформаци про стан атмосфери. Розвиток в останне десятил1ття метод1в дистанц1йного зондування (ДЗ), пов'язаний з новими можливостями спостережень з штучних супутник1в Земл1 (ШСЗ), дозволяе отримувати р1зноман1тну 1нформац1ю про параметри атмосфери, Тх вертикальний розподт, стратиф1кац1ю атмосфери [4], а впровадження в оперативну роботу УкраТнського гщрометеоролопчного 1нституту (УкрГМ1) суперкомп'ютера, сучасних ПЕОМ i робочих станц1й створило можливосп засвоення великого обсягу цифровоТ супутниковоТ 1нформац1Т та розробки технолог1й Тх обробки.
TexHo^oria oпpaцroвaннa onepaTMBHoT cynyTHMKoBoT iH^opMa^T no BiflHoB^eHHro BepTMKa^bHMx npo^rniB TeMnepaTypM Ta Bo^orocTi noBiTpa 3a gaHMMM rn^panepBoHMx Ta MiKpoxBM^boBMx pagioMeTpiB, BK^wnae HacTynHi eTanu:
- oпpaцroвaннa cynyTHMKoBMx gaHMx nporpaMHMM 3a6e3ne>HeHHaM AAPP(ATOVS and AVHRR Preprocessing Package), ^o ,qo3Bonae nepeTBopMTM nepBMHHi flaHi ATOVS/NOAA (BflocKoHa^eHa anapaTypa BepTMKa^bHoro 3oHflyBaHHa aTMoc^epu cynyTHMKa NOAA) 3 $opMaTy level 1c y $opMaT level 1d;
- oцiнкa cryneHa noKpMTTa cynyTHMKoBMMM gaHMMM TepMTopiT yKpaTHM Ta noSyqoBa BiflnoBiflHoT KapTM A^a Bi3ya^bHoro o^HWBaHHa;
- BiflHoB^eHHa BepTMKa^bHMx npo^rniB TeMnepaTypu Ta Bo^orocTi noBiTpa 3a nporpaMHMM 3a6e3ne<HeHHHM IAPP (International ATOVS Processing Package).
Ha puc. 1 npeflCTaB^eHa 6^oK-cxeMa пpoцe1цypм BiflHoB^eHHa npo^rniB TeMnepaTypu Ta Bo^orocTi.
BxiflHi flaHi oTpuMywTbca 3 BMMipiB npu^afly ATOVS, HKMM BcraHoB^eHMM Ha no^apHo-opSiTa^bHMx cynyTHMKax cepiT NoAa Ta eBponencbKux cynyTHMKax cepiT MetOp. Hapa3i BiH BcraHoB^eHMM Ha naTM cynyTHMKax: NOAA-16-19 Metop-A Ta Metop-B. ATOVS cK^a,qaeTbca 3 noKpa^eHoro MiKpoxBM^boBoro 3oHflyBa^bHoro npMcrpow (AMSU) Ta iH^panepBoHoro 3oHflyBa^bHMKa BMCOKOT Po3flmbHoT' 3flaTHocTi (HIRS/3). AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) - цe My^bTMKaHa^bHMM MiKpoxBM^boBMM paflioMeTp, 3kmm BMKopMcToByeTbca fl^a BMMipwBaHHa BepTMKa^bHoro po3no,qmy TeMnepaTypM Ta Bo^orocTi y BMnaflKy xMapHocTi. HIRS/3 - цe SaraToKaHa^bHMM 3oHflyBa^bHMK, aKMM flo3Bo^ae BiflHoB^WBaTM npo^ini TeMnepaTypM Ta Bo^orocTi fl^a 6e3XMapHMx niKce^iB.
Вступ
Технологiя опрацювання оперативно! супутниковоТ шформаци по вщновленню вертикальних профiлiв температури та вологостi повiтря
Рис. 1. Блок-схема процедури вщновлення проф^в температури та вологост
В УкрГМ1 дек1лька рок1в тому був поставлений прийом супутникових даних по систем! EumetCast [1], в загальному потоц1 яко'1 надходять дан1 з полярно-орб1тальних супутник1в (NOAA та METOP) у стандартних форматах BUFR i level 1c (дан1, що мають географ1чну прив'язку та в1дкал1брован1 до р1вня ф1зичних величин). Програмне забезпечення, що вщновлюе вертикальн1 проф1л1 температури та вологост1 пов1тря потребуе як вх1дн1 дан1 формату level 1d (дан1 формату level 1c приведен! до картограф1чно'|' проекцп та в1дф1льтрован1 вщ впливу хмарност1). Через в1дсутн1сть единих стандарт1в формату даних level 1d, Тх використання пов'язане з додатковим завданням приведення Тх до однакового вигляду. В якост1 альтернативного вар1анту, нами було вир1шено використовувати дан1 формату level 1c, i використовуючи однаковий алгоритм переводити дан1 у формат level 1d.
Для конвертацп даних використовуеться програмне забезпечення AAPP, яке було розроблене спец1ал1стами европейських метеоролопчних орган1зац1й (Météo France, UK Met Office, ECMWF) в проект! NWP SAF для попередньо'1 обробки даних AVHRR та ATOVS, а також конвертацп даних м1ж р1зними р1внями (типами) даних [3]. Конвертац1я даних здшснюеться в три етапи: спочатку розкодовуються BUFR файли, дал1 розм1щуються лшп зн1мання, i нарешт1, виконуеться власне конвертац1я.
Наступний етап обробки - це визначення ступен покриття територп Украши супутниковими даними для прийняття р1шення про подальшу обробку даних . Внутр1шня структура опрацьованих супутникових даних мютить географ1чн1 координати середини кожного з вщзнятих п1ксел1в. К1льк1сними критер1ями для визначення диференц1аци по ступеню покриття даними запропонован наступн1: с1мдесят i бтьше п1ксел1в дозволяють отримувати репрезентативн1 карти для бтьшо'Г частини Украши. Вщ тридцяти до семидесяти п1ксел1в дозволяють отримати репрезентативн карти 1з залученням даних чисельного моделювання. При ктькосп п1ксел1в менше тридцяти карти будуються майже повн1стю по даним чисельного моделювання. Вщновлення проф1л1в метеовеличин вщбувалося т1льки для зображень, як1 вщповщають першому або другому критер1ю. Приклади просторового розташування супутникових даних наведен! на рис. 2а та 2б.
Наступним кроком е використання IAPP - програмного засобу, який був розроблений В1сконсинським Ун1верситетом, США для вщновлення проф1л1в температури i вологост1 та 1нших параметр1в атмосфери, за ясних та хмарних умов за даними вим1рювань ATOVS [2]. Алгоритм роботи IAPP складаеться з таких крок1в:
• виявлення хмарних дтянок та процедури усунення хмарност1;
• корекц1я вим1рювань ATOVS;
• регресшний процес в1дновлення;
• нел1н1йний 1терацшний процес ф1зичного в1дновлення.
Проф1л1 температури та водяно'Г пари в1дновлюються на 42 1зобаричних р1внях. Наприк1нц1, проводиться контроль якост даних, виокремлюються дан1 для територп Украши та здшснюеться Тх арх1вац1я. У п1дсумку формуються сорок два зображення по кожному параметру, як1 вщповщають двовим1рному розподту температури або вологост1 пов1тря на кожному вертикальному р1вн1.
Рис 2. Просторове розташування супутникових даних
Оцшка T04H0CTi вiдновлення вертикальних проф^в температури та вологостi повггря
На основi спiвставлення даних супутникового зондування, аеролопчних вимiрювань та даних чисельного моделювання виконана перевiрка якостi вщновлення температури i вологостi.
Данi аеролопчних вимiрювань ми отримували безпосередньо 3i станцiй та використовували електронний архiв унiверситету Вайомiнга, США. Даний архiв мiстить повнiстю вiдкалiброванi данi, як надходять до банку даних ВМО. Радюзондування надае данi прямого вимiрювання метеорологiчних елементiв. Тому в розрахунках ми використовували Тх як iстиннi значення величин метеорологiчних елементiв. Список станцш радiозондування, данi з яких використовувались для аналiзу, наступний: Шепе^вка, КиТв, Львiв, Ужгород, Чернiвцi, Кривий Pir, Одеса, Сiмферополь та Харш. Згiдно з повною програмою радюзондування кожна стан^я виконуе 2 спостереження на день: 00 UTC та 12 UTC. Для оцшки точност отриманих проф^в за супутниковими даними ми використовували результати чисельних моделей прогнозу погоди GFS та WRF. GFS (The Global Forecast System [5]) - це глобальна модель прогнозування, яка дозволяе розраховувати характеристики атмосфери з просторовою роздтьною здатнютю 0.5х0.5 градуав на 64 нерiвних шари - найнижчий атмосферний рiвень на iзобаричнiй поверхнi 997.3 гПа, найвищий рiвень на iзобаричнiй поверхн 0.27 гПа.. WRF( The Weather Research and Forecasting) - чисельна мезомасштабна модель прогнозу погоди, яка була адаптована для територп УкраТни спецiалiстами УкраТнського Гiдрометеорологiчного 1нституту. Роздтьна здатнiсть моделi: по-горизонталi - 230х180 точок, з кроком приблизно рiвним 15 км; по-вертикалi модель мае 25 шарiв з сталою висотою. Pозрахованi модельнi данi доступнi за наступною адресою [6].
Для проведення порiвняння були вiдiбранi профiлiв температури та вологосл повiтря та вщповщы супутниковi данi , якi вщповщають наступним умовам:
а) рiзниця у час проведення супутникових i аеролопчних спостережень не бтьше двох годин;
б) для сумщення даних виконувалася просторова iнтерполяцiя ;
в) в аналiзi не брали участi дан вимiрювань, зробленi пiд час активних адвективних процеав.
Для профiлiв температури уа випадки були подiленi на двi групи: безхмарнi умови та хмарна погода. В розрахунках було використано 1260 проф^в. Результати порiвняння представлен у Таблицях 1-3.
Таблиця. 1.
Середня рiзниця мiж супутниковими та модельними значеннями температури та даними _радюзондування за безхмарних умов, oC_
Pressure, hPa 850 700 500 400 300 250 200 150 100 50 Total
Satelline 2.01 1.45 1.73 1.64 1.95 2.22 2.03 1.96 2.02 1.42 18.44
WRF 1.27 0.96 1.38 1.31 1.81 1.37 1.59 1.61 1.30 1.85 14.45
GFS 2.39 1.93 3.13 3.51 3.92 3.34 3.13 2.62 2.31 2.64 28.93
Таблиця. 2.
Середня рiзниця мiж супутниковими та модельними значеннями температури та даними _радюзондування за хмарних умов, oC_
Pressure, hPa 850 700 500 400 300 250 200 150 100 50 Total
Satelline 1.90 1.67 2.36 1.70 2.54 2.80 2.42 3.19 3.30 2.16 25.76
WRF 0.88 0.85 1.42 1.25 2.30 1.58 1.49 2.80 2.58 2.22 17.88
GFS 2.07 2.30 3.64 3.95 4.42 3.60 2.31 2.09 2.27 2.79 31.97
Таблиця 3.
Середня рiзниця мiж супутниковими та модельними значеннями водяно! пари та даними _эадюзондування, %_
Pressure, hPa 1000 850 700 500 400 Total
Satelline 14.15 22.68 28.68 43.04 37.41 145.95
WRF 7.10 15.62 21.05 29.70 29.23 102.69
Анал1з даних показав, що найнижча кореляц1я для температурного поля вщповщае приземному шару атмосфери, де зазначаеться завищення в середньому на 2.3° К вщновлених по супутниковому зондуванн даних щодо аеролопчних спостережень i максимальне середньоквадратичне вщхилення RMSE (2.6° К). До причин, що викликають таку велику похибку вщновлення температури в л1тнш пер1од невизначен1сть властивостей пщстилаючоТ поверхн1 на р1вн1 земл1, не врахування похибки випромшювання земноТ поверхнк Розрахован1 за супутниковими даними температури найкраще узгоджуються з даними радюзондування в середн1й та верхн1й атмосфер! (150-50 гПа). Температури за регюнальною моделлю WRF найкраще узгоджуються в нижнш атмосфер! (850-400 гПа). Температури за глобальною моделлю GFS найкраще узгоджуються в нижнш та верхнш атмосфер! (850-700 та 150-50 гПа). Наявнють хмар попршуе результати вщновлення вах вищеперерахованих метод!в. За абсолютними показниками найкраща точнють розрахунк!в у регюнальноТ модел! WRF, середне вщхилення значень температур - 1,45oC. Розрахунки за супутниковими даними мають середне вщхилення - 1,84oC. Найпршу точнють мають розрахунки глобальноТ модел! GFS - середне вщхилення температур 2,89oC. Отриман результати в цтому п!дтверджуються вал!дац!ею алгоритм!в в!дновлення за допомогою апаратури ATOVS, проведеноТ в 1998р [3].
Висновки
Розроблена технолог!я опрацювання оперативноТ супутниковоТ шформаци по вщновленню вертикальних проф^в температури та вологост пов!тря за даними ¡нфрачервоних та м!крохвильових рад!ометр!в. Основою програмних засоб!в по в!дновленню проф!л!в температури та вологост атмосфери по даним TOVS/ATOVS е пакет програм IAPP (International ATOVS Processing Package), який адаптовано для опрацювання даних, що отримуються з супутниюв NOAA i METOP.
На основi проведеного аналiзу, зроблено таю узагальнен висновки про точнють вщновлення параметрiв вертикального зондування атмосфери за даними ATOVS:
- точнють вщновлення температури змшюеться вщ 1.3° К до 2.1° К на поверхнях вщ 850 до 300 гПа. Вище 200 гПа точнють вщновлення зростае до 1.3° К, на висот 200 гПа точнють падае до 3.1° i в приземному шарi на р1вн1 1000 гПа - до 2.6 ° К;
- точнють вщновлення питомоТ вологост змшюеться вщ 0.2 г/кг на поверхн 900 гПа i змшюеться до
0.3.г/кг на р1вн1 500 гПа. У вщсотковому вщношенш похибка вщновлення питомоТ вологост складае 1020%.
В результат проведеного аналiзу було показано, що вщбуваеться погiршення точностi вщновлення вертикальних проф^в температури i вологост при збiльшеннi бала хмарностi.
Лтература
1. Кривобок А. А. Новые возможности приема цифровой спутниковой информации через систему EUMETCast. УкраТнський пдрометеоролопчний журнал / А. А. Кривобок. - Одеса: Вид. "Еколопя", 2008. - стор. 25-32.
2. International ATOVS Processing Package: The algorithm development and its application in real data processing, Technical Proceedings of the Tenth International TOVS Study / [Li, J., W. Wolf, W. P. Menzel, W. Zhnag, H.-L. Huang, T. H. Achtor, and H. M. Woolf] - Conference, Boulder, Colorado, USA, 1999;
3. AAPP documentation scientific description, NWP SAF documentation / [Labrot, T., L. Lavanant, K. Whyte, N. Atkinson, and P. Brunel] - 2011;
4. Kaplan L.D. Inference of atmospheric structures from satellite remote radiation measurements / L.D. Kaplan. -J. Opt. Soc. Amer., 1959. - 1004-1007;
5. NCEP Products Inventory. Global Products. Global Forecast System (GFS) Model. - [Electronic resource] - Available at : http://www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/products/gfs/#GFS;
6. Weather Research & Forecasting Model. WRF-ARW v.3.3.1. - [Electronic resource] - Available at : http://accuweather.org.ua/
Abstract. O. J. Bobryshev, O. A. Kryvobok Technology of operational retrieval profiles temperature and water vapour based on satellite data. Based on AAPP and IAPP software was developed technology of operational retrieval profiles temperature and water vapour. Validation of results showed that accuracy of retrieval changes with the altitude. Temperature retrieval accuracy - from 1.3° К to 2.1° К, for the water vapour - 0,2-0,5 g/kg. Presence of clouds has caused the decrease accuracy of retrieval for 10-20%
Keywords: Vertical profiles of temperature and water vapour, IAPP, AAPP, TOVS/ATOVS
Аннотация. А. Ю. Бобрышев, А. А. Кривобок Технология оперативного восстановления профилей температуры и влажности по данным спутниковых измерений. На основе программного обеспечения AAPP и IAPP разработана технология оперативного восстановления профилей температуры и влажности. Валидация результатов показала что ошибка восстановления изменяется по высоте и для температуры составляет от 1.3° К до 2.1° К, для влажности - 0,2-0,5 г/кг. Наличие облачности ухудшает точность восстановления на 10-20%.
Ключевые слова: Вертикальные профили температуры и влажности, IAPP, AAPP, ATOVS
Поступила в редакцию 27.01.2014 г.
