Исследование поведения океана и атмосферы в зонах деятельности циклонов с помощью спутниковых СВЧ-радиометрических и наземных средств

Обнаружен эффект тепловой накачки атмосферы (т.е. аккумуляции скрытого тепла) в атмосферном водяном паре в период времени, предшествующий приближению циклона Katrina к станции SMKF1, который выражается в постоянном нарастании значений термодинамических параметров атмосферы - температуры и влажности воздуха, а также яркостной температуры СОА в линии резонансного поглощения радиоволн 1.35 см (22.235 ГГц) (рис. 17). На этом рисунке представлены вариации температуры приводного воздуха в период с 19 по 24 августа 2005 г., зарегистрированные датчиками станции SMKF1. Чередующиеся пики (максимумы и минимумы) этого параметра отражают его суточные колебания. Из иллюстрации видно, что по мере приближения ТЦ Katrina к району станции SMKF1 наблюдается нарастание температуры приводного воздуха: величина вариаций средних (аппроксимированных) значений параметра t_a в период с 19 по 23 сентября достигает 0.5^oC, причем суточный размах изменений этого параметра составляет около 1^oC.

Рис. 17. Вариации температуры t_a приводного воздуха перед приходом ТЦ Katrina в район станции SMKF1 во Флоридском проливе. Пунктирная линия - аппроксимация оригинальных результатов полиномом 2-ой степени

Рис. 18 иллюстрирует поведение влажностных (а, б) и яркостных (в) характеристик атмосферы в районе станции SMKF1 в течение недельного промежутка времени, предшествующего приходу ТЦ Katrina (18-27 сентября). На рис. 18а представлены расчетные оценки вариаций абсолютной влажности a приводного воздуха, которые получены на основе результатов обширных экспериментальных исследований связи упругости водяного пара с разностью температур воды и воздуха [8] в различных частях Мирового океана - прямые измерения влажности воздуха на буйковых станциях NOAA не предусмотрены. На рис 18б и 18в представлены оценки вариаций ИВА - параметра Q (18б), полученные по данным измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua с помощью известной методики [11], а также вариации яркостной температуры T^я (18в), измеренной в области резонансного поглощения водяного пара атмосферы 1.26 см.

Из иллюстрации видно, что в период времени, предшествующий приходу ТЦ Katrina в район станции SMKF1, наблюдается монотонное возрастание абсолютной влажности приводного воздуха (a) на 3г м^\-3, ИВА - параметра Q на 11 кг м^-2, а также яркостной температуры T^я СОА на длине волны 1.26 см на 13 градусов Кельвина.

Рис. 18. Вариации абсолютной влажности приводного воздуха a(а), интегрального влагосодержания атмосферы Q (б) и яркостной температуры системы океан-атмосфера T^я, измеренной радиометром AMSR-E на длине 1.26 см (вертикальная поляризация) в период приближения ТЦ Katrina к станции SMKF1. Пунктирные линии - аппроксимации оригинальных результатов полиномами 2-ой степени

Сравнение рис. 18б и 18в подтверждает широко известный факт о тесной связи между яркостной температурой СОА в области резонансного поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы и полным влагосодержанием атмосферы; величина чувствительности интенсивности собственного СВЧ-излучения СОА к вариациям полного влагосодержания атмосферы DT^я_1.26/DQ близка к ее теоретическому значению, которое составляет на длине волны 1.35 см (центральная линия резонансного поглощения радиоволн в водяном паре) в тропических широтах океана 1.1-1.2 К/(кг м^-2).

Черноморский эксперимент

СВЧ-радиометрические измерения

В сентябре 2010 г. в Голубой бухте в районе Геленджика на экспериментальной базе южного филиала Института Океанологии им. П.П. Ширшова РАН были проведены комплексные измерения метеорологических и СВЧ-излучательных характеристик атмосферы в период, предшествующий появлению интенсивного шторма. Приборы измерительного комплекса располагались на конце пирса, длина которого составляет примерно 200 м, а глубина моря в месте расположения измерительного комплекса равна 7 м (см. рис. 19, 20).

Рис. 19. Общий вид измерительного комплекса

Рис. 20. Внешний вид сканирующего СВЧ-радиометра (слева).

Такие исследования на этой экспериментальной базе проводятся регулярно (ежегодно) при участии различных научных организаций России и Украины, но в 2010 г. мы включили впервые со стороны ИРЭ РАН в состав измерительных средств СВЧ-радиометр, действующий в линии поглощения радиоволн 1.35 см (частота 22.235 ГГц), разработанный и изготовленный в НПО Вега (г. Москва) по тематике гранта МНТЦ №3827 Разработка технологий диагностики зарождения тропических ураганов в океане на основе методов дистанционного зондирования.

Поворотная платформа для установки СВЧ-радиометра была закреплена на металлической ферме длиной 5 м. Обзор верхней полусферы осуществлялся путем ее сканирования с плавным изменением угла от зенита до надира и обратно для ряда фиксированных направлений по углу места.

Нами проведено сопоставление динамики температуры и влажности приводного воздуха в предштормовой ситуации), измеренных метеорологическими датчиками на пирсе с результатами одновременных наземных СВЧ-радиометрических измерений, радиометром, действующим на длине волны 1.35 см (разработанным и изготовленным в НПО ВЕГА), а также с данными измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua на длине волны 1.26 см (23.8 ГГц) в области моря, примыкающей непосредственно к Голубой бухте со стороны моря.

Значения яркостной температуры атмосферы на длине волны 1.35 см для сканов в вертикальной плоскости в период 23-30 сентября, предшествующий появлению шторма в Голубой бухте (эпицентр циклона прошел над измерительным комплексом 1 октября 2010 г.) монотонно возрастают: как ее минимальные, так и максимальные значения, зарегистрированные при положениях поворотной платформы 0 и 90 градусов, соответственно.

Рис. 21 иллюстрирует зависимости яркостной температуры атмосферы на длине волны 1.35 см от величины отклонения угла от зенита. Эта величина тесно связана с интегральным влагосодержанием атмосферы и отчетливо демонстрирует эффект накопления водяного пара в атмосфере в предштормовой период.

Рис. 21. Угловая зависимость яркостной температуры атмосферы T^я на длине волны 1.35 см для дней сентября в предштормовой период в Голубой бухте. Кривые с номерами от 1 до 7 соответствуют датам от 23 до 30 сентября

Отметим, что приведенные на рис. 21 результаты хорошо соответствуют классическим представлениям об угловых зависимостях яркостной температуры атмосферы.

Тепловые характеристики приводного воздуха

Результаты метеорологических измерений на пирсе показали, что в течение нескольких суток, предшествующих приходу шторма в район Голубой бухты, наблюдалось повышение температуры и влажности приводного воздуха.

С помощью балк-формул (1) и (2) на основе данных контактных измерений температуры воды и воздуха, а также скорости приводного ветра рассчитаны вертикальные потоки явного, скрытого и суммарного тепла, а результаты приведены на рис. 22.

Рис. 22. Вариации потоков явного q_h, скрытого q_eи суммарного q_he тепла в предштормовой период в Голубой бухте

Согласно результатам расчетов в этот период происходило накопление тепла в водяном паре приводного слоя атмосферы; величина удельного теплосодержания которого возросла примерно на 61 КДж м^-2. Столь сильное приращение теплосодержания водяного пара приводной атмосферы по сравнению с предштормовой ситуацией во Флоридском проливе в августе 2005 г. (14.7 КДж м^-2) объясняется тем, что вариации температуры и влажности приводного воздуха в Голубой бухте в период приближения шторма значительно превышали вариации этих параметров в районе станции SMKF1 во время приближения ТЦ Katrina.

Результаты комплексных наблюдений в районе Голубой бухты

Проведено сопоставление динамики температуры и влажности приводного воздуха, измеренных метеорологическими датчиками на пирсе, с результатами одновременных измерений радиометром AMSR-E спутника EOS Aqua на длине волны 1.26 см (23.8 ГГц) в области моря, примыкающей непосредственно к Голубой бухте со стороны моря. Сравнение данных спутниковых измерений яркостной температуры СОА над самой Голубой бухтой было бы некорректным, т.к. размеры бухты в несколько раз меньше величины пространственного разрешения канала 1.26 см радиометра AMSR-E. Размеры выбранной области соответствуют спутниковому ?пятну?, линейные размеры которого на длине волны 1.26 см составляют 40х60 км; координаты центра области - 44^о с.ш., 38^о в.д.

На рис. 23 иллюстрируются результаты сопоставления температуры (1) и влажности (2) приводного воздуха (а), яркостной температуры СОА, измеренной радиометром AMSR-E на длине волны 1.26 см (б) и яркостной температурой, измеренной с пирса сканирующим СВЧ-радиометром на длине волны 1.35 см (в). В последнем случае из всех сканов используются выборки, соответствующие только измерениям в надир.

Из иллюстрации видно, что по мере приближения шторма происходило снижение величины потока явного тепла с 40 до -100 Вт м^-2 и скрытого тепла с 225 до 10 Вт м^-2. Таким образом, в предштормовой период водная поверхность отдавала тепло приводному воздуху, а примерно за сутки до прихода шторма в Голубую бухту характер теплообмена между водой и воздухом сменился на противоположный.

Рис. 23. Вариации температуры (1) и абсолютной влажности (2) приводного воздуха в период, предшествующий шторму в Голубой бухте (а), а также яркостной температуры СОА на длине волны 1.26 см, измеренной спутниковым радиометром AMSR-E (б), яркостной температуры СОА, измеренной с пирса СВЧ-радиометром на длине волны 1.35 см (в).

Из сравнения рис. 10 и рис. 22 следует, что перепад величины потока явного тепла в предштормовой период в Голубой бухте, в 2 раза превышает соответствующую величину, зафиксированную во Флоридском проливе во время приближения ТЦ Katrina к станции SMKF1, а перепад величины потока скрытого тепла несколько меньше.

Из иллюстраций также видно сходство характера реакции температуры и влажности приводного воздуха на пирсе, а также яркостных температур СОА в резонансной области поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы, независимо от способа спутниковых СВЧ-радиометрических измерений (из космоса или с морской поверхности).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в статье результаты сравнительного анализа динамики температуры и влажности приводного воздуха, поверхностных потоков явного и скрытого тепла, полного влагосодержания и энтальпии атмосферы, а также СВЧ-излучательных характеристик СОА в периоды времени, предшествующие приближению ТЦ Katrina к району станции SMKF1 во Флоридском проливе (конец августа 2005 г.) и приходу морского шторма в район Голубой бухты в Черном море (конец сентября 2010 г.) позволяют сделать следующие выводы.

1. Наблюдаются сходные признаки в поведении этих характеристик СОА - монотонное возрастание температуры и влажности приводного воздуха, полного влагосодержания и энтальпии атмосферы, а также яркостной температуры СОА и снижение интенсивности тепло- и влагообмена между водной поверхностью и атмосферой в периоды времени, предшествующие приближению ТЦ Katrina к району станции SMKF1 и приходу морского шторма в район Голубой бухты.

2. В обоих случаях в предштормовой период времени (в течение нескольких суток) наблюдается эффект накачки атмосферы энергией в виде скрытого тепла, содержащегося в водяном паре, который отчетливо регистрируется как метеорологическими датчиками, так и спутниковыми СВЧ-радиометрическими средствами.

3. Полученные в черноморском эксперименте данные СВЧ-радиометрических измерений в области резонансного поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы - наземные и спутниковые - хорошо согласуются между собой и могут в равной степени служить полезным инструментом для контроля изменчивости полного влагосодержания атмосферы в предштормовых ситуациях.

Результаты нашего исследования подтверждают роль интегрального содержания водяного пара в атмосфере (легко доступного для мониторинга этой характеристики современными спутниковыми СВЧ-радиометрическими средствами) на стадиях, предшествующих развитию штормовых ситуаций в океане и на море. Последние исследования [12] показывают, что регулярный контроль именно этой характеристики является важным и необходимым условием при изучении проблемы генезиса тропических циклонов.

Важную роль в нашем исследовании сыграл грант МНТЦ №3827 (2008-2011 гг.), целью которого было развитие технологий диагностики зарождения тропических ураганов в океане на основе методов дистанционного зондирования и математического моделирования. В частности, на средства этого гранта в Концерне Радиостроения ?Вега? был изготовлен СВЧ-радиометр, работающий на длине волы 1.35 см (22.235 ГГц), использованный в черноморском эксперименте.

Проведению экспедиционных работ в Голубой бухте способствовали гранты РФФИ №08-05-00890-а, №09-02-00780-а, №10-02-10019-к, №10-05-10054-к, а также грант МНТЦ №3827.

спутниковый радиометрический погодный атмосфера

ЛИТЕРАТУРА

1. А.Е. Башаринов, А.С. Гурвич, С.Т. Егоров. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука. 1974. 188 с.

2. СВЧ-радиометрия земной и водной поверхностей: от теории к практике. Под ред. А.М. Шутко и Ю.В. Гуляева. Академическое издательство им. проф. М. Дринова, София, 2012 г. (в печати).

3. С.С. Лаппо, С.К. Гулев, А.Е. Рождественский. Крупномасштабное тепловое взаимодействие в системе океан-атмосфера и энергоактивные области Мирового океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1990. 336 с.

4. А.Г. Гранков, А.А. Мильшин. Взаимосвязь радиоизлучения системы океан-атмосфера с тепловыми и динамическими процессами на границе раздела. М.: Физматлит, 2004, 168 с.

5. Special Sensor Microwave Imager (SSM/I). Users Guide. Marshall Space Flight Center (MSFC). Distributed Active Archive Center.

6. T. Kawanishi, T. Sezai T, Ito et al. The advanced microwave scanning radiometer for the Earth Observing System (AMSR-E), NASDA's contribution to the EOS for global energy and water cycle studies. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 2003, no. 48, pp. 173-183.

7. D. Kunkee, D. Boucher, G. Poe. and S. Swadley. Evaluation of the Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) Special Microwave Imager Sounder (SSMIS). Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2006, pp. 101-104.

8. В.Г. Снопков. Расчет влажности воздуха на морем по разности температуры вода-воздух // Метеорология и гидрология. 1980. №2. С. 109-111.

9. Г.С. Голицын. Ураганы, полярные и тропические, их энергия и размеры, количественный критерий возникновения // Изв. РАН. Физика океана и атмосферы. 2008. Т.44. №5. С. 579-590.

10. А.А. Харкевич А.А. Основы радиотехники (3-е издание). М.: Физматлит. 2007. 512 с.

11. J.C. Alishouse, S.A. Snyder, J. Vongsatorn and R.R. Ferrado. Determination of oceanic total precipitate water from the SSM/I. J. Geophys. Res., 1990, vol. 28, no. 5, pp. 811-816.

12. Е.А. Шарков., Я.Н. Шрамков., И.В. Покровская. Повышенное содержание водяного пара в атмосфере тропических широт как необходимое условие генезиса тропических циклонов // Исслед. Земли из космоса, 2012, №2, С. 73-82.

Размещено на Allbest.ru