Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 4, стр. 495-506

1. ВВЕДЕНИЕ

Разработка технологий диагностики характеристик атмосферы и океана в зонах деятельности тропических ураганов (ТУ) на различных стадиях их существования с помощью спутниковых радиофизических средств является актуальной задачей [1, 2]. Одним из перспективных направлений ее решения является использование данных спутниковых измерений интенсивности собственного СВЧ-излучения – яркостной температуры (ЯТ) системы океан–атмосфера в окрестности линии 1.35 см (22.235 ГГц) спектра резонансного излучения (поглощения) водяного пара в атмосфере. В этой области СВЧ-диапазона наблюдаются тесная связь ЯТ с общим (интегральным) содержанием водяного пара в атмосфере – характеристикой, которую точнее было бы называть общим паросодержанием атмосферы, но чаще называют ее влагосодержанием или влагозапасом. Данная характеристика широко используется в исследованиях генезиса и развития тропических ураганов, об этом свидетельствуют, например, работы [3‒8], где в [3, 4] исследуется связь спутниковых СВЧ-радиометрических оценок общего влагосодержания атмосферы (ОВА) с тропическим циклогенезом в акваториях Мирового океана, в [5] рассматривается роль тропосферных адвективных потоков скрытого тепла, сосредоточенного в водяном паре, в интенсификации ТУ, в [6] анализируется возможность оценивания скорости переноса водяного пара и локализации источников энергии с помощью СВЧ-радиометрических методов, в [7, 8] демонстрируется возможность использования ОВА и ЯТ в качестве показателей динамики ураганов на различных стадиях их развития.

Целью настоящей работы является исследование связи процессов зарождения ураганов в Мексиканском заливе с пространственно-временной изменчивостью общего влагосодержания атмосферы над его акваторией. Основное внимание сосредоточено на местных ураганах, зародившихся в акватории Мексиканского залива, а не пришедших сюда из Карибского моря, либо Атлантики уже в зрелой форме. Рассмотренные в статье ТУ Humberto (2007 г.), Lorenzo (2007г.), Bret (1999 г.), Katia (2017 г.) принадлежат к числу немногих тропических образований, зародившихся в акватории Мексиканского залива, например, в период с 1995 по 2017 г. в заливе зародились лишь 9 ураганов, в то время как число пришедших ТУ, обрушившихся на побережья США и Мексики в этот период, исчисляется несколькими десятками.

Уступая последним в интенсивности, местные ураганы оставляют мало времени местным службам на предупредительные меры, т.к. время их распространения от очагов возникновения к суше составляет от двух до нескольких суток.

Еще одной важной причиной интереса к ураганам, зародившимся в Мексиканском заливе, может служить наше предположение о том, что изучение именно этой категории ТУ позволит достичь лучшего понимания региональных механизмов их появления и прогресса в разработке технологий их раннего обнаружения.

Выделенные нами ураганы отражают многообразие циклонических процессов в Мексиканском заливе, их интенсивность сильно варьирует: скорость ветра для ТУ Humberto, Lorenzo, Katia составляет 130‒170 км/ч и достигает 230 км/ч для ТУ Bret; что еще более важно, данные ураганы характеризуются различными синоптическими историями.

В статье приведены результаты анализа связи процессов развития местных ураганов в Мексиканском заливе с пространственно-временной изменчивостью полей общего влагосодержания атмосферы над его акваторией на примерах ураганов Humberto, Lorenzo, Bret, Katia. Стимулом для проведения этого исследования послужило наблюдение о существовании дружного отклика СВЧ-излучательных и влажностных характеристик атмосферы на зарождение ураганов Humberto и Lorenzo в обширных областях Мексиканского залива, прилегающих к районам их зарождения [9].

В работе используются архивы NSIDC (National Snow & Ice Data Center) и RSS (Remote Sensing Systems) данных многолетних измерений (и результатов их тематической обработки), полученных с помощью радиометров SSM/I (Scanning Sensor Microwave Imager [10]) и SSMIS (Special Sensor Microwave Imager Sounder) [11] метеорологических спутников DMSP и радиометра AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer [12]) океанографического спутника EOS Aqua.

2. ОТКЛИК ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ОБЩЕГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРЫ В МЕКСИКАНСКОМ ЗАЛИВЕ НА ЗАРОЖДЕНИЕ УРАГАНОВ HUMBERTO И LORENZO

Изменчивость СВЧ-излучательных и влажностных характеристик атмосферы в районах зарождения ураганов Humberto и Lorenzo

Получены оценки изменчивости суточных значений яркостной температуры системы океан–атмосфера на длине волны 1.35 см, общего влагосодержания атмосферы и общего (интегрального) водозапаса облаков в районах зарождения Humberto (29.5° с.ш., 94.48° з.д.) и Lorenzo (20.5° с.ш., 96.3° з.д.) на основе анализа временных рядов параметров $T_{{1.35}}^{{\text{я}}}$, Q, W на следующих интервалах:

– предшествующих зарождению тропических образований Humberto (7–12.09.2007) и Lorenzo (17–25.09.2007);

– включающих все стадии существования (от зарождения до диссипации) тропических образований Humberto (12–14.09.2007) и Lorenzo (25–28.09.2007).

Результаты представлены на рис. 1.

Рис. 1.

Вариации яркостной температуры T^я, общего влагосодержания атмосферы Q и интегрального водозапаса облаков W в районах зарождения ТУ Humberto (А) и Lorenzo (Б): (а) – данные измерений ЯТ радиометром SSMIS спутника F17 на длине волны 1.35 см на вертикальной поляризации с 24-часовым разрешением (архив RSS); (б) и (в) – оценки среднесуточных значений параметров Q и W из архива NSIDC по данным радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua. Стрелками отмечены моменты начала тропических депрессий (1) и начала перехода тропических образований в стадию урагана (2).

Из иллюстрации следует, что появление и развитие ТУ Humberto и Lorenzo сопровождается ростом общего влагосодержания атмосферы и яркостной температуры в их очагах, а ослабление ураганов – их снижением. Отмечается также сильное уменьшение значений параметров Q и $T_{{1.35}}^{{\text{я}}}$ в период времени, предшествующий появлению ТУ Humberto и Lorenzo. Одновременно в районах их зарождения наблюдается известный для тропических ураганов факт конденсации атмосферного водяного пара в жидкокапельную влагу облаков на стадии тропической депрессии.

Отклик СВЧ-излучательных и влажностных характеристик атмосферы на зарождение ураганов Humberto и Lorenzo в акватории Мексиканского залива

Проведен анализ изменчивости суточных значений ЯТ по данным спутниковых СВЧ-радиометрических измерений в Мексиканском заливе в период развития ураганов Humberto и Lorenzo в районах расположения буйковых станций наблюдательной сети NDBC (National Buoy Data Center) NOAA. Станции сети, расположенные вблизи береговой линии залива, исключены из рассмотрения, чтобы избежать искажений оценок ЯТ, обусловленных попаданием суши в поле зрения антенн спутниковых радиометров.

В качестве примера на рис. 2 представлены вариации ЯТ на длине волны 1.26 cм (23.8 ГГц) в спектральной области излучения водяного пара в атмосфере на вертикальной поляризации в период зарождения и развития тропического образования Humberto для ряда буйковых станций, прилегающих к району его зарождения.

Рис. 2.

Вариации ЯТ в период развития ТУ Humberto (5‒15 сентября 2007 г.) в районах расположения станций, ближайших к району его зарождения (отмечен кружком). По вертикальной оси – градусы северной широты, по горизонтальной – градусы западной долготы. Точки обозначают местоположение станций.

Наблюдается дружный отклик ЯТ на зарождение ТУ Humberto в областях Мексиканского залива, находящихся на значительном удалении (до 500–700 км) от района его зарождения. По данным анализа в этих областях за несколько дней до интенсификации тропического образования Humberto до стадии урагана (13 сентября) отмечается снижение величины T^я_1.26 на 15–20 К на вертикальной поляризации. Еще более сильные вариации ЯТ на этой длине волны (30–40 К) отмечаются на горизонтальной поляризации, где величина T^я_1.26 чувствительна не только к влагосодержанию атмосферы, но и к скорости ветра в приводном слое атмосферы. Отчетливый сигнал на зарождение ТУ Humberto дает также канал радиометра AMSR-E на длине волны 1.6 см (18.7 ГГц) в области излучения водяного пара, который также реагирует на оба этих атмосферных параметра.

Выполнен анализ изменчивости суточных значений общего влагосодержания атмосферы Q в отдельных областях Мексиканского залива с временным разрешением 24 ч на основе данных архива NSIDC – результатов тематической обработки данных измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua.

Рисунок 3 иллюстрирует изменчивость суточных значений ОВА в области 19°–25° с.ш., 82°–98° з.д. Мексиканского залива для ряда точек в окрестности зарождения урагана Lorenzo.

Рис. 3.

Вариации ОВА в районе зарождения урагана Lorenzo в период 15 сентября–5 октября 2007 г. По вертикальной оси – градусы северной широты, по горизонтальной – градусы западной долготы. Кружком выделен район зарождения тропической депрессии. Точки обозначают местоположение станций.

Рисунок демонстрирует дружный отклик водяного пара атмосферы на зарождение ТУ Lorenzo в различных точках Мексиканского залива, находящихся на удалении от района его зарождения до 500–700 км. Наблюдается заметное снижение величины Q на 15–20 кг/м² в прилегающих к точке зарождения урагана областях в течение 5–7 дней на начальной стадии урагана (тропической депрессии) и сильный рост на 20–25 кг/м² в течение последующих 4–5 дней при интенсификации тропического образования Lorenzo до стадии урагана (28 сентября).

Приведенные примеры указывают на то, что формирование ТУ Humberto и Lorenzo сопровождается отчетливой реакцией общего влагосодержания атмосферы и яркостной температуры в спектральной области резонансного излучения атмосферного водяного пара не только в районах зарождения этих ураганов, но и в прилегающих к ним обширных акваториях Мексиканского залива.

3. ГРУППОВОЙ ОТКЛИК ОБЩЕГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРЫ В МЕКСИКАНСКОМ ЗАЛИВЕ НА ТУ HUMBERTO, LORENZO, BRET, KATIA

Согласованность откликов величин $\Delta T_{{1.26}}^{{\text{я}}}$ и Q на зарождение ТУ Humberto и Lorenzo в различных областях Мексиканского залива с их откликом в районах зарождения данных ураганов наводит на мысль о целесообразности изучения группового (формируемого всей акваторией залива) отклика этих характеристик и их связи с историями возникновения и развития этих и других ураганов.

Проведен анализ статистических характеристик пространственной изменчивости общего влагосодержания атмосферы в области 21.75°–28° с.ш., 85.5°–95.75° з.д. Мексиканского залива в периоды зарождения и развития ТУ Humberto и Lorenzo, а также более мощных ураганов Bret и Katia с “пропиской” в Мексиканском заливе (рис. 4).

Рис. 4.

Положение выбранной области в Мексиканском заливе и районов зарождения тропических образований Humberto (1), Lorenzo (2), Bret (3), Katia (4) в моменты их перехода из стадии тропического шторма в стадию урагана.

Ураган Bret образовался из тропической депрессии в заливе Кампече (южной части Мексиканского залива) 18 августа 1999 г. [15]. Утром 22 августа Bret, набрав максимальную силу, стал приближаться к южному побережью Техаса со скоростью ветра около 230 км/ч, что соответствует 4-й категории интенсивности по шкале Саффира–Симпсона.

Ураган Katia зародился в виде тропической депрессии в полдень 5 сентября 2017 г. в заливе Кампече [16]. Утром 6 сентября достиг статуса тропического шторма и вечером того же дня трансформировался в ураган, распространяющийся к мексиканскому побережью со скоростью около 170 км/ч.

С помощью данных архива NSIDC проведен анализ статистических характеристик пространственной изменчивости общего влагосодержания атмосферы Q (дисперсии и средних значений) в выбранной области Мексиканского залива в периоды времени, охватывающие синоптические истории ТУ Humberto, Lorenzo, Bret и Katia. Для данной области, покрывающей значительную часть залива, сформированы массивы данных в виде матриц 42 × 26, элементами которой являются суточные значения параметров Q и W в пространственных ячейках 0.25° × 0.25°.

Результаты анализа показывают общую для этих тропических образований особенность – усиление в течение нескольких дней пространственной дисперсии ОВА над акваторией Мексиканского залива и дальнейшее ее ослабление перед финальной стадией – появлением урагана (рис. 5).

Рис. 5.

Стандартные отклонения общего влагосодержания атмосферы σ_Q от среднесуточных значений в Мексиканском заливе в периоды зарождения и развития ТУ Humberto (а), Lorenzo (б), Bret (в) и Katia (г). Стрелкой отмечен момент перехода тропического образования в стадию урагана.

Отметим, что сходству откликов параметра σ_Q на развитие данных ураганов не препятствует различие их синоптических историй. Действительно, причиной образования ТУ Humberto послужил местный фактор – перемещение атмосферного желоба от южного побережья Флориды к северо-западной части Мексиканского залива [13], а зарождение ТУ Lorenzo произошло вследствие прихода в Мексиканский залив тропической волны с западного побережья Африки [14]. В зарождении ураганов Bret и Katia сыграли важную роль тропические волны, пришедшие из Атлантики, но синоптические истории их формирования в Мексиканском заливе сильно различались [15, 16].

Проведен анализ группового отклика общего влагосодержания атмосферы на зарождение и развитие ТУ Humberto, Lorenzo, Bret и Katia в виде вариаций его усредненных в акватории залива среднесуточных значений. Выявлены общие для данных тропических образований особенности: “накачка” атмосферы водяным паром в период, предшествующий зарождению ураганов, монотонный рост величины Q за 5–8 сут до достижения стадии урагана и последующее снижение (примеры для ТУ Lorenzo и Bret приведены на рис. 6).

Рис. 6.

Вариации среднесуточных значений общего влагосодержания атмосферы Q в Мексиканском заливе в периоды зарождения и развития ТУ Lorenzo (а) и Bret (б). Стрелками отмечены моменты перехода тропических образований в стадию урагана.

Выполнен анализ статистических характеристик общего (интегрального) водозапаса облаков в Мексиканском заливе в периоды зарождения и развития ТУ Humberto, Lorenzo, Bret и Katia. Его результаты указывают на следующую особенность: процесс пространственно-временной изменчивости данного параметра близок к классу процессов с постоянным коэффициентом вариации (отношением стандартного отклонения σ_wк среднему значению W). Отмеченная особенность иллюстрируется на рис. 7 на примере урагана Bret.

Рис. 7.

Вариации стандартных отклонений σ_w (а) и средних значений W (б) общего водозапаса облаков W над Мексиканским заливом в период зарождения и развития ТУ Bret. Стрелкой отмечен момент перехода тропического образования в стадию урагана.

4. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ РАЙОНОВ МЕКСИКАНСКОГО ЗАЛИВА ПО ЭВОЛЮЦИЯМ ПОЛЕЙ ВОДЯНОГО ПАРА В ПЕРИОД, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ЗАРОЖДЕНИЮ МЕСТНЫХ УРАГАНОВ

Наглядными характеристиками отклика атмосферы в акватории Мексиканского залива на процесс образования ураганов могут служить временные эволюции полей ее общего влагосодержания атмосферы (рис. 8).

Рис. 8.

Ураган Humberto: эволюции пространственного распределения ОВА в Мексиканском заливе в период 20 (а), 21 (б), 22 (в), 23 (г), 24 (д), 25 (е) сентября.

Иллюстрация хорошо отражает приход в область зарождения ТУ Lorenzo теплой тропической волны с северо-восточного направления, динамику ее распространения, сопровождающуюся увеличением ОВА над заливом в период, предшествующий образованию урагана. Также наблюдаются резкое снижение дисперсии ОВА в период 23‒25 сентября перед зарождением Lorenzo.

Возможность использования суточных отсчетов для индикации эволюций ОВА в виде горизонтальных разрезов его пространственного распределения в Мексиканском заливе в период, предшествующий зарождению ТУ Humberto, демонстрирует также рис. 9.

Рис. 9.

Ураган Humberto: горизонтальные разрезы ОВА в северной (А) и южной (Б) частях Мексиканского залива: (а), (г) – 8.09.2007 г.; (б), (д) – 9.09.2007 г.; (в), (е) – 10.09.2007 г.

Здесь представлены пространственные вариации параметра Q на сетке 0.25° × 0.25° в северной части залива (26°–28° с.ш., 85.5°–95.75° з.д.) и южной части (21.75°–26° с.ш., 85.5°–95.75° з.д.) в период 8‒10 сентября, предшествующий возникновению тропической депрессии 13 сентября, трансформировавшейся впоследствии в ураган Humberto. Этот процесс, как видно из рис. 9, сопровождается сильной перестройкой поля ОВА исключительно в северной части Мексиканского залива, ограниченной атмосферным желобом у южного побережья Флориды и районом зарождения урагана у побережья Техаса. Несмотря на невысокую регулярность спутниковых измерений, наблюдение данного процесса в течение 3 сут позволяет выделить области с высокой дисперсией ОВА и зафиксировать их перемещение от атмосферного желоба к району зарождения ТУ Humberto.

Еще один пример мониторинга эволюций полей общего влагосодержания атмосферы в Мексиканском заливе иллюстрирует рис. 10, где представлена серия полученных с помощью спутников F15, F17 и EOS Aqua изображений пространственного распределения ОВА в период времени 29 сентября‒5 октября 2017 г., предшествующий зарождению ТУ Katia в окрестности точки 21.8° с.ш., 95.2° з.д.

Рис. 10.

Ураган Katia: эволюции пространственного распределения ОВА в Мексиканском заливе в период 20 (а), 21 (б), 22 (в), 23 (г), 24 (д), 25 (е) сентября по данным измерений радиометра SSM/I спутника F15 (20.09), радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua (30.09, 01.10, 04.10, 05.10) и радиометра SSMIS спутника F17 (02.10).

Из иллюстрации видно, что формирование ТУ Katia на начальной стадии 20‒22 сентября сопровождается процессами адвективного переноса скрытого тепла в атмосфере. По данным [5], данный фактор играет также важнуе роль в интенсификации тропических образований на стадиии зрелого урагана.

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты анализа пространственно-временной динамики радиояркостных и влажностных характеристик атмосферы над Мексиканским заливом по данным измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua и радиометров SSM/I, SSMIS спутников DMSP указывают на существование значительных вариаций общего влагосодержания атмосферы (десятки кг/м²) на различных стадиях образования и развития тропических образований Humberto, Lorenzo, Bret, Katia. Еще за несколько дней до их интенсификации до стадии урагана фиксируются заметные возмущения величины ОВА, сохраняющиеся даже после перемещения ураганов из Мексиканского залива на сушу.

Данные особенности проявляются не только в районах зарождения ураганов Humberto, Lorenzo, Bret, Katia, но и в областях Мексиканского залива, находящихся на значительном удалении (до 500–700 км) от них. Отмечается общая для ураганов Humberto, Lorenzo, Bret, Katia закономерность – усиление в течение нескольких дней пространственной изменчивости ОВА над акваторией Мексиканского залива и дальнейшее ее ослабление (затишье) перед финальной стадией – появлением урагана. Наблюдается также “накачка” атмосферы водяным паром в период, предшествующий зарождению ураганов, монотонный рост величины ОВА за 5–8 сут до достижения стадии урагана и последующее снижение.

Эти наблюдения могут служить важными предпосылками для разработки технологий ранней диагностики зарождения ураганов в Мексиканском заливе на основе мониторинга пространственно-временной изменчивости общего влагосодержания атмосферы спутниковыми СВЧ-радиометрическими методами.

О возможности постановки такой задачи свидетельствует существование и повторяемость группового отклика поля общего влагосодержания атмосферы в Мексиканском заливе к процессам зарождения и развития местных ураганов. В дальнейшем, по-видимому, предстоит дать ответ на вопрос: является ли информация об эволюциях полей ОВА в Мексиканском заливе достаточной для определения времени зарождения тропических ураганов и местоположения их очагов, является ли при этом необходимым знание о пространственно-временной изменчивости скорости ветра и других параметрах приводного слоя атмосферы.

Можно констатировать, что современный арсенал зарубежных и отечественных спутниковых СВЧ-радиометрических средств, обладающих пространственным разрешением 20‒30 км и регулярностью обзора 6‒12 ч, обеспечит решение данных задач.

Автор выражает признательность своим коллегам А.А. Мильшину, Н.К. Шелобановой и Е.П. Новичихину за сотрудничество и полезные обсуждения.

Исследование проведено в ходе выполнения государственного задания № 0030-2019-0008 (шифр “Космос”).