CC BY
141
УДК
Восстановление поля ветра у Земли и на изобарических поверхностях по космическим снимкам
Н.И. Толмачева, Л.Н. Ермакова Пермский государственный университет
Изображения облачности, получаемые с помощью метеорологических спутников Земли (МСЗ), отличаются от наземных наблюдений тем, что дают целостную картину распределения облаков над обширными территориями, соизмеримыми с основными синоптическими объектами. Облачность тесно связана с процессами, происходящими в атмосфере, поэтому космическое изображение можно использовать для восполнения отсутствующих сведений, соответствующих конкретным облачным структурам, или для качественной интерполяции имеющихся данных приземных измерений. Результаты наблюдений МСЗ имеют тем большее практическое значение, чем быстрее и экономичнее их огромный объем сводится к той необходимой гидрометеорологической информации, которая непосредственно используется потребителем.
Рис. 1. Определение яркостных характеристик по космическому снимку
Характеристика исходного материала. Разработка и испытание метода восстановления поля ветра по космическим снимкам проводились на основе архивов спутниковых и аэрологических данных для территории России за период с 01.01.2001 г. по 31.12.2004 г. Анализировались сроки 00 и 12 ч МСВ, разность по времени между снимком и аэрологическими измерениями не превышала 30 мин. Нефанализ спутниковых снимков проводился в программе ScanViewer, приложении предварительной обработки изображений, предназначенного для просмотра, общей предварительной оценки и фрагментации файлов изображений Земли из космоса, принятых с помощью станций производства ИТЦ «СканЭкс». Обработка материала производилась в программах Adobe Photoshop CS CE для получения яркостных
© Н.И. Толмачева, Л.Н. Ермакова, 2007
характеристик, нанесения приземного поля ветра на космический снимок (рис. 1) и Surfer — построение высотных ветровых полей (рис. 2).
Восстановление поля ветра по космическим снимкам у земной поверхности. В исследовании проанализировано около 12500 снимков в приложении ScanViewer. Из них интересующую нас информацию, т.е. наличие целого циклонического образования гиперболической формы, содержали 329 снимков. За основу разрабатываемой методики был взят метод из Руководства [1, 2]: выбираем облачную спираль, близкую по форме к гиперболе, проводим, ориентируясь на тыловую границу, асимптоту АС, затем из центра вихря опускаем перпендикуляр ОВ, к нему проводим нормаль ББ. Линии ОВ и ББ определяют квадранты вихря. Нумерация квадрантов производится по часовой стрелке, начиная с правого верхнего. Для оценки скорости и направления ветра определяется номер квадранта на снимке, измеряется расстояние до точки 5, в которой производится оценка ветра, затем, используя соотношение О5/ОВ, определяются Дф и V (рис. 3).
По этой методике в исследовании были определены параметры ветра в тех точках, где имеются фактические данные, затем проведен анализ всех имеющихся в наличии материалов и на основе сделанных выводов внесены в методику коррективы: таблицы, с помощью которых определяются значения скорости и направления у земной поверхности были пересчитаны; введен поправочный коэффициент к, учитывающий тип облачности и эволюцию циклона; при определении параметров ветра на высоте, где отсутствует замкнутая циркуляция, пересчитана формула для определения направления и введен поправочный коэффициент, учитывающий квадрант циклона. Оценку ветра у земли проводим с помощью табл. 1, уточненной по данным за 2000-2001 гг.
Рис. 3. Пример восстановления поля ветра в циклоне
Таблица 1
Средние данные о скорости ветра ¥1, м/с и его ориентации относительно облачных спиралей А, °
Уровень Расстояние от центра вихря, км Номер квадранта
I II II] IV
Аф V, Аф V, Аф V, Аф V,
Земля 0-0,3 -20 1 0 3 -20 1 -20 2
0,4-0,6 -20 3 -10 4 -10 3 -10 4
0,7-1,5 -20 5 -20 6 0 6 0 5
Для определения направления ветра проводим касательную КЬ к облачной спирали в точке 5, из неё к северу - прямую, которая с касательной образует угол фг. Направление вектора ветра определяется по формуле фв = фг + Д, где фв — направление вектора ветра; фг — направление вектора, определенного по снимку с МСЗ; Д — отклонение вектора ветра («-» -- вправо, «+» — влево).
Для определения скорости ветра необходимо: установит стадию развития циклона, его горизонтальные размеры и, используя яркостные характеристики, тип облаков, найти поправочный коэффициент к к скорости ветра у земли, используя табл. 2 (рассчитанную по данным за 2000-2004 гг.). Используя формулу У0 = У*к, где Уо — скорость ветра у поверхности земли, м/с, У- — скорость ветра, определенная по таблице, к — коэффициент, учитывающий структуру облачности (табл. 2), найдем скорость ветра у поверхности земли.
Построение высотных ветровых полей по информации со спутников. Каждая изобарическая поверхность имеет свое основное назначение: 850 гПа — определение положения фронта, 700, 500 гПа — определение стадии развития барического образования и его пере-
мещения по ведущему потоку, 300 гПа — для прогноза ветра на высоте по трассе полета, которое необходимо учитывать при восстановлении параметров ветра на этих высотах.
Таблица 2
Определение поправочного коэффициента к к скорости ветра у поверхности земли, учитывающего тип облачности и эволюцию циклона
Стадия развития Горизонтальная Тип облаков Коэффициент
протяженность, км (яркость, V) к
Молодой 100-500 (152-156) 0.6
Си (180-188) 0.43
500-1000 (156-160) 0.66
Си (182-188) 0.5
Максимального 500-1000 (152-158) 0.8
развития Си (180-188) 0.75
1000-1500 (154-160) 0.85
Си (182-188) 0.8
1500-2000 (156-160) 0.9
Си (184-188) 0.85
Окклюдированный 1500-2000 (152-156) 0.80
Си (180-188) 0.76
Бе (160-178) 0.85
2000-2500 (154-160) 0.61
Си (182-188) 0.56
Бе (164-178) 0.65
2500-3000 (156-160) 0.53
Си (184-188) 0.5
Бе (166-178) 0.6
Проведение асимптоты к облачной спирали и разбитие ее на квадранты зависят от многих факторов, например, качества принимаемой информации, поэтому для получения более точных данных поля ветра желательно иметь 3-4 контрольных станции, по которым корректировать восстанавливаемые величины. В данной работе в качестве таких станций были выбраны Пермь, Омск, Казань, Новосибирск, Ханты-Мансийск, Сыктывкар.
При восстановлении параметров ветра на основных изобарических поверхностях необходимо:
1. Определить стадию развития циклона, тип облачности, а следовательно, примерную высоту распространения барического образования
2. На высотах, где существует замкнутая циркуляция, при определении скорости и направлении ветра следует воспользоваться табл. 1-2 и формулой, приведенной выше.
3. На высотах, где отсутствует замкнутая циркуляция, направление ветра определяется следующим способом: I, II и IV квадранты разбиваем на 2 части и нумеруем их 1а, 1б, 11а, 11б, ^а, ГУб (рис. 4); в !а, Пб, III, ГУа параметры ветра определяем по табл.2; в К, На, ГУа направление ветра вычисляется по формуле: фв = фобл+(Дф+90), где фв — направление вектора ветра; фобл — направление вектора, определенного по снимку с МСЗ; Дф — отклонение вектора ветра из табл. 2 («+»заменяем на «-», так как незамкнутая циркуляция).
4. На высотах, где отсутствует замкнутая циркуляция скорость ветра берется из табл.
2, но умножается на К (табл. 3).
Максимальная ошибка определения направления и скорости ветра у земли по уточненной методике составляет ±20° и ±2 м/с, на основных изобарических поверхностях - ±25° и ±5 м/с.
Рис. 4. Пример дополнительных построений при восстановлении параметров ветра на высотах, где отсутствует замкнутая циркуляция
Таблица 3
Определение поправочного коэффициента К к скорости ветра на ___________высотах, где отсутствует замкнутая циркуляция________
№ квадранта I II III IV
К G.7 1.3 1.5 1
После определения параметров ветра производится построение высотных ветровых полей в программе «Surfer». Для этого в программе создается таблица, в которую заносятся данные не только о ветре, но и координаты точки, в которой они получены, чем больше точек, тем точнее произойдет интерполяция значений. Используя десять точек, точно можно построить несложное поле ветра, а для серии циклонов необходимо большее количество.
Анализ восстановленных ветровых полей по космическим снимкам. Над территорией изучаемого района вихревые структуры, аппроксимируемые гиперболой, наблюдаются часто, но распределение их по сезонам года неодинаково. Наибольшее число случаев приходится на осень (123), зиму (108), наименьшее на весну (42), лето (56).
Таблица 4
Восстановленные по космическим снимкам данные о скорости ветра
________________и направлении 6 января 2001 г.________________________
Дата № V Земля 85G 7GG 5GG 3GG
ddd ff ddd ff ddd ff ddd ff ddd ff
G6.G1.G1 1 152 24G 7 275 12 28G 14 295 18 33G 22
2 154 36G 5 5 4 15 12 295 11 295 24
3 154 65 3 18G 7 225 13 225 24 245 26
4 156 14G 3 225 13 24G 15 25G 24 265 28
5 156 16G 4 26G 18 275 24 27G 19 27G 32
6 152 19G 3 21G 11 24G 13 3G5 12 3G5 24
7 156 22G 6 26G 18 285 21 28G 23 3GG 27
8 152 21G 3 25G 17 275 2G 27G 24 29G 28
9 154 22G 1 26G 19 285 22 28G 22 3GG 26
1G 153 25G 6 27G 12 285 14 295 18 32G 18
Рассмотрим ситуацию, сложившуюся 6 января 2001 г. У земли циклон, который виден на снимке, находится в стадии максимального развития, его горизонтальные размеры - 1500 км. Разобьем облачную спираль на квадранты. Воспользовавшись табл. 3, определим направление ветра в 10 точках, равномерно распределенных по облачной спирали и занесем полученные значения в табл. 4. Воспользовавшись табл. 2, определим поправочный коэффициент к. Найдем значение скорости ветра в каждой точке и восстановленное поле ветра у земли наложим на космический снимок в два слоя (рис. 5).
Рис. 5. Восстановленное поле ветра у земли 06.01.2001 г.
В предварительных стадиях циклон развился по высоте, стал высоким барическим образованием, замкнутая циркуляция прослеживается на уровне 700 гПа, поэтому при восстановлении поля ветра на уровне 850, 700 гПа воспользуемся таблицами, применяя поправочный коэффициент к. При определении параметров ветра на 500 и 300 гПа в точках 1 и 4, 5 значения скорости умножим на 1,3 и 1,5 соответственно, а направление найдем по формуле. приведенной выше. Построим поля ветра на основных изобарических поверхностях (рис.6).
Рис. 6. Восстановленные поля ветра на уровне: а) 850 гПа, б) 700 гПа,
в) 500 гПа, г) 300 гПа
На всех высотах (850, 700, 500 и 300 гПа) над рассматриваемым районом расположена крупномасштабная ложбина, ориентированная с северо-востока на юго-запад, максимальные скорости ветра приходятся на южную часть ложбины. Сравним ситуации. сложившиеся 8 и 9 января 2002 г. (рис. 7, 8).
Рис. 7. Восстановленное поле ветра у земли Рис. 8. Восстановленное поле ветра у земли
за 08.01.2002 г. за 09.01.2002 г.
8 января циклон находится в стадии максимального развития, а 9 — в стадии заполнения. Восстановление скорости и направления ветра проводилось аналогично 6 января 2001г. На снимке 8 января отчетливо просматривается зернистая текстура с величиной яркости V = 184, что говорит о наличии кучевообразной облачности, на снимке 9 января в этой же части облачной спирали наблюдается матовая текстура (V = 152), следовательно, облачность слоистообразная, а скорости ветра у земли 8 января больше, чем 9 января. Разберем подробно высотные ветровые поля.
Рис. 9. Восстановленное поле ветра на уровне 850 гПа: а) 08.01, б) 09.01
На уровне 850 гПа в обоих случаях (рис. 9) наблюдается замкнутая циркуляция, 9 января скорости ветра немного ниже, чем 8, это объясняется тем, что ветер на высоте геострофи-ческий, т. е. дует вдоль изогипс и зависит от их сгущения: 9 января циклон у земли уже начал заполняться и изобары на АТ-850 более разряженные, следовательно, скорости ветра должны быть меньше, чем в предыдущих стадиях.
Рис. 10. Восстановленное поле ветра на уровне 700 гПа а) 08.01, б) 09.01
На уровне 700 гПа (рис.10) также просматривается замкнутая циркуляция. Поле векторов ветра на рис. 10, а неоднородно, это говорит о том, что циклон на АТ-700 выражен 1 или 2 изогипсами и продолжает интенсивно развиваться по высоте. На рис. 10,б отчетливо видно, где находится центр циклона, значит, он представлен на АТ-700 2-4 изогипсами, следовательно, он должен прослеживаться и на высоте 500 гПа. Скорости ветра в центре циклона 9 января около 10 м/с, по периметру они увеличиваются до 17 м/с, 8 января скорости около 1012 м/с, в центре до 8 м/с.
Рис. 11. Восстановленное поле ветра на уровне 500 гПа а) 08.01, б) 09.01
На рис. 11,а видим, что векторы ветра имеют западную составляющую, и значения 255-315°, что говорит о параллельности потоков на этой высоте. Скорость ветра на этой высоте 20-23
м/с, очагов не наблюдаем. На рис. 11,б, как и предполагали, наблюдаем замкнутую циркуляцию. Скорости ветра в центре равны 15-20 м/с, на периферии - 20-23 м/с.
8 января поле ветра на уровне 300 гПа (рис.12) практически не отличается от поля на 500 гПа, только скорости увеличились до 25-28 м/с. 9 января замкнутая циркуляция не прослеживается, но высотная ложбина видна, скорости в центре ложбины небольшие. 15-20 м/с, а на периферии 25-30 м/с. Следовательно, при прогнозе поля ветра на высоте необходимо учитывать стадию развития и форму облачности. При восстановлении параметров ветра на основных изобарических по космическим снимкам поверхностях следует помнить, что циклону на высоте соответствует крупномасштабная ложбина, а разрушающийся циклон может не проявляться в поле ветра у земли, но на высоте он еще существует [3, 4].
Заключение. Методика восстановления параметров ветра заключается в следующем: выбирается облачная спираль гиперболической форм ы, разбивается на квадранты; для точек, в которых восстанавливаются значения ветра, определяются яркостные характеристики, вводится поправочный коэффициент к на тип облачности и стадию развития циклона, с учетом которого вычисляются значения направления и скорости ветра у земли. При восстановлении параметров поля на высоте определяем, замкнутая или нет наблюдается циркуляция, в случае незамкнутой циркуляции вводим поправочный коэффициент К, учитывающий, в какой части облачной полосы находится точка, для которой вычисляются значения ветра, в случае замкнутой циркуляции пользуемся таблицами.
Восстанавливать параметры ветра по космическому снимку можно без использования наземных и аэрологических наблюдений, в таком случае погрешности определяемых величин составляют ±4 м/с, ±50° у земли и ± 8 м/с, ±40°на высоте. Использование 3-4 контрольных станций уменьшает эти ошибки в два раза. Использование яркостных характеристик облачности часто облегчает определение формы облачности и высоты верхней границы, а следовательно, и прослеживание смещения облаков.
При прогнозе поля ветра на высоте необходимо учитывать стадию развития циклона и форму облачности. При восстановлении параметров ветра на основных изобарических поверхностях следует помнить, что циклону на высоте соответствует крупномасштабная ложбина, а также то, что разрушающийся циклон может не проявляться в поле ветра у земли, но на высоте он еще существует. При оценке ветра у поверхности земли следует помнить, что в области крупномасштабных полос поток конвергирует в нижнем слое атмосферы, следовательно, вектор ветра по краям облачной полосы следует отклонять внутрь облачного массива. Ошибки в определении параметров поля ветра сводятся к минимуму в случае полного анализа космического снимка, т.е. при извлечении информации о стадии развития циклонов, определении типа облачности и высоты, а также высоты распространения барических образований.
Библиографический список
1. Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды / под ред. И.П. Ветлова и Н.Ф. Вельтищева. Л.: Гидрометиздат, 1982. 269 с.
2. Герман М.А. Космические методы исследования в метеорологии / М.А. Герман. Л.: Гидрометиздат, 1985. 135 с.
3. Толмачева Н.И. Космическая метеорология с основами астрономии. Ч. II. Дешифрирование космических снимков (текстура, мезоструктура изображения): метод. указания к лабораторным работам / Н.И. Толмачева; Перм. ун-т, 2002. 25 с.
4. Толмачева Н.И. Космическая метеорология с основами астрономии. Ч. III. Дешифрирование космических снимков (макроструктура изображения): метод. указания к лабораторным работам / Н.И. Толмачева; Перм. ун-т, 2002. 27 с.
