Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 10, стр. 959-966

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря наличию сильной спектральной линии 1.35 см (22.235 ГГц) резонансного поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы ее общее влагосодержание (ОВА) относится к числу параметров, жестко связанных с измеряемой с ИСЗ интенсивностью собственного СВЧ-излучения (яркостной температурой) системы океан–атмосфера (СОА).

Эффективность использования данного участка СВЧ-диапазона для оценки динамики ОВА и ее связи с тепловыми и излучательными СВЧ-характеристиками СОА подтверждена результатами совместного анализа данных метеорологических и аэрологических измерений в циклонических зонах Северной Атлантики, полученными в ходе судовых экспериментов НЬЮФАЭКС-88 и АТЛАНТЭКС-90 и данных синхронных измерений радиометра SSM/I спутника DMSP F08 [1, 2]. Выявлена чувствительность ОВА и яркостной температуры СОА на длине волны 1.35 см к появлению и развитию среднеширотных атлантических циклонов и четкая взаимосвязь с их важными энергетическими характеристиками – вертикальными турбулентными потоками явного и скрытого (латентного) тепла на поверхности океана и теплосодержанием (энтальпией) атмосферного пограничного слоя.

В последние годы появился ряд публикаций, свидетельствующих об актуализации темы использования спутниковых радиометрических СВЧ-методов для анализа роли атмосферного водяного пара в генезисе и развитии циклонов в тропических широтах океана – тропических ураганов (ТУ) [3‒7]. Так, в [3, 4] исследована связь спутниковых СВЧ-радиометрических оценок ОВА с тропическим циклогенезом в акваториях Мирового океана, в [5] рассмотрена роль тропосферных адвективных потоков скрытого тепла, сосредоточенного в водяном паре, в интенсификации ТУ, в [6, 7] показана возможность оценивания скорости переноса водяного пара и локализции источников тепловой энергии с помощью радиометрических СВЧ-методов.

В данной работе рассмотрены возможности использования данных спутниковых измерений яркостной температуры СОА в спектральной области поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы для оценки динамики ОВА в зонах активности ТУ. Приведены примеры, показывающие роль водяного пара атмосферы как количественного индикатора развития тропических образований на начальных стадиях (тропическая депрессия, тропический шторм), пространственно-временной динамики распространения ураганов в океане и их трансформации, а также реакции СОА на приближение ТУ. Полученные результаты могут служить основой для построения простых методов, позволяющих проводить экспресс-анализ динамики ТУ, не требующих привлечения трудоемких вычислительных процедур и больших массивов спутниковых данных.

В работе получила дальнейшее развитие тематика исследований, начатых в ИРЭ РАН в 2008 г. в рамках гранта МНТЦ 03827 “Разработка технологий диагностики зарождения тропических ураганов в океане на основе методов дистанционного зондирования”.

Источниками информации об излучательных СВЧ-характеристиках поверхности океана и атмосферы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн здесь служат данные многолетних измерений семиканальным четырехчастотным радиометром SSM/I (Scanning Sensor Microwave Imager [8]) метеорологических спутников DMSP и 12-канальным шестичастотным радиометром AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer [9]) океанографического спутника EOS Aqua, обеспечивающими полный обзор Земли за трое суток, а неполный – за одни сутки.

Нами использованы современные архивы данных спутниковых измерений над Мировым океаном:

– NSIDC (National Snow & Ice Data Center) – значения яркостной температуры и результаты тематической обработки данных измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua;

– RSS (Remote Sensing Systems) – результаты тематической обработки данных измерений радиометров SSM/I и SSMIS спутников DMSP, радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua;

– HURSAT (данные National Climatic Data Center) – значения яркостной температуры, измеренные радиометрами SSM/I спутников DMSP в циклонически активных областях океана.

Данные измерений представлены в виде сеточных значений для квадратов 0.25° × 0.25°^{с суточным разрешением. Привлечены архивные материалы для ряда наиболее сильных в истории наблюдений ураганов, достигших наивысших, 4-й и 5-й категорий по шкале Саффира–Симпсона, что позволило получить отчетливые представления о динамике и взаимосвязи метеорологических и СВЧ-излучательных характеристик на различных стадиях развития ТУ.}

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ АНАЛИЗА ЦИКЛОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПО СПУТНИКОВЫМ СВЧ-РАДИОМЕТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ

При наблюдении с ИСЗ для расчета излучательных характеристик СОА используется плоскослоистая модель излучения, согласно которой яркостная температура (ЯТ) T^я при наблюдении в надир с высоты H слагается из трех компонентов [10]:

где – ЯТ излучения поверхности океана, ослабленного атмосферой (величина $T_{{\text{п}}}^{{\text{я}}}$ пропорциональна коэффициенту излучения водной поверхности κ и ее термодинамической температуре T_п ($T_{{\text{п}}}^{{\text{я}}}$ = κT_п)), – ЯТ восходящего излучения атмосферы; – ЯТ нисходящего излучения атмосферы, переотраженного водной поверхностью; T_a(h) – термодинамическая температура атмосферы на уровне h; τ(h) = $\int_0^h {\gamma (h{\kern 1pt} ')dh{\kern 1pt} '} $ – интегральное поглощение излучения в атмосфере, определяемое погонным поглощением γ_Σ и толщиной слоя h' отсчитываемого от поверхности океана (h' = 0); R – коэффициент отражения нисходящего излучения атмосферы от водной поверхности.

Модель (1) легко распространяется на случай наблюдения поверхности океана под произвольным углом θ с помощью корректирующего множителя sec θ, учитывающего влияние оптической толщины атмосферы на интегральное поглощение τ.

Коэффициент излучения κ и коэффициент отражения R зависят от термодинамической температуры его поверхности и от степени ее шероховатости и интенсивности пенообразований, которые связаны со скоростью приводного ветра. Яркостная температура прямой и отраженной компонент атмосферы на сантиметровых и миллиметровых волнах определяется поглощением радиоволн в водяном паре и молекулярном кислороде атмосферы, которое зависит от температуры и влажности воздуха и характеристик их вертикального распределения, а также от водозапаса облаков и интенсивности осадков [10]. В дальнейшем модель (1) получила развитие в работе [11], где благодаря значительному объему накопленных натурных данных об излучательных характеристиках СОА в различных гидрометеорологических условиях была обоснована возможность ее использования в широком диапазоне изменения скорости приводного ветра, водозапаса облаков и интенсивности осадков.

Водяной пар, в котором сосредоточена значительная часть тепловой энергии атмосферы, играет важную роль в ее тепловом взаимодействии с поверхностью океана как физическая субстанция, а его общее влагосодержание, тесно связанное с яркостной температурой СОА в спектральной линии 1.35 см и ее окрестности, чувствительно к тепловым процессам в так называемых энергоактивных зонах океана (штормовых зонах, фронтальных зонах, зонах смешения теплых и холодных течений), в том числе и его циклонических областях [1, 2, 12].

В дальнейшем в центре нашего внимания будет находиться изменчивость именно этой характеристики атмосферы на различных стадиях зарождения, распространения и трансформации тропических образований (от тропической депрессии до тропического шторма и урагана).

2. РАЗВИТИЕ ТРОПИЧЕСКИХ УРАГАНОВ НА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ

Исходным материалом для данного раздела послужили синоптические истории возникновения и развития ТУ Charley и Katrina [13, 14].

Ураган Charley зародился в августе 2004 г. в Атлантике, набрал силу в Карибском море и Мексиканском заливе и впоследствии обрушился на полуостров Флорида [13].

Выполнен анализ временной изменчивости общего влагосодержания атмосферы на начальных стадиях развития урагана Charley. Были проанализированы ежесуточные, усредненные по квадратам 0.25° × 0.25° данные об ОВА (архив NSIDC), полученные с помощью радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua. На их основе были построены зависимости величины ОВА от времени для различных точек траектории урагана Charley в Карибском море на стадиях тропической депрессии и морского шторма (рис. 1). Как видно из рисунка, развитие урагана Charley на каждой стадии сопровождается нарастанием общего содержания водяного пара.

Сами значения ЯТ, измеряемые со спутников в спектральной области поглощения излучения в водяном паре атмосферы, благодаря их тесной связи с влажностными характеристиками атмосферы также могут служить количественными характеристиками тропических образований на начальных стадиях.

На рис. 2 представлен пример прямого использования спутниковых измерений в спектральной области резонансного поглощения собственного излучения СОА в водяном паре атмосферы для обнаружения на ранней стадии (тропическая депрессия) ТУ Katrina в районе Багамских островов 21.5°…25° с.ш., 73.5°…76° з.д. в августе 2005 г. Представленные результаты получены на основе данных глобального обзора Мирового океана радиометрами SSM/I спутников DMSP F13, F14, F15 на длине волны 1.35 см (архив HURSAT).

Рисунок демонстрирует возможность пространственной локализации тропического образования Katrina на стадии тропической депрессии по данным измерений яркостной температуры СОА на длине волны 1.35 см.

3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ТРОПИЧЕСКИХ УРАГАНОВ

Исследована связь динамики распространения и трансформации ТУ с пространственно-временной изменчивостью следующих характеристик СОА:

– яркостная температура в спектральной области поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы на длинах волн 1.26 см (23.8 ГГц) и 1.6 см (18.7 ГГц) на вертикальной (V) и горизонтальной (H) поляризациях (соответствуют каналам 23V, 23H и 18V, 18H радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua);

– общее содержание водяного пара в атмосфере (результаты обработки данных измерений радиометра AMSR-E).

Каналы радиометра AMSR-E 18V и 18H обладают высокой чувствительностью не только к влагосодержанию атмосферы, но и к скорости приводного ветра, величина которого кратно увеличивается в процессе формирования ураганов.

Выполнен анализ пространственно-временной изменчивости ЯТ, измеренной каналом 18H радиометра AMSR-E в Мексиканском заливе вдоль трассы распространения урагана Katrina от района его зарождения (Багамские острова) к южному побережью США (штат Луизиана) в период 24–30 августа 2005 г. (см. рис. 3), а его результаты представлены на рис. 4.

Появление урагана Katrina в той или иной области Мексиканского залива сопровождалось резким всплеском ЯТ на длине волны 1.6 см на горизонтальной поляризации (до 100…120 К 27–28 августа), природа которых объясняется нарастанием водяного пара в атмосфере в моменты времени прихода циклона, а также усилением скорости приводного ветра. На длине волны 1.26 см, где яркостные контрасты СОА меньше зависят от состояния поверхности океана и обусловлены преимущественно вариациями ОВА, пиковые значения ЯТ вдвое меньше.

Были проанализированы также данные, полученные для ТУ Wilma, сформировавшегося в октябре 2005 г. над Карибским морем, развернувшегося у юго-восточного побережья Южной Америки в сторону Мексиканского залива, пересекшего полуостров Флорида, продолжившего свой путь в водах Северной Атлантики вдоль восточного побережья США и потерявшего силу у Новой Шотландии (рис. 5), а результаты представлены на рис. 6. В этом случае маркером распространения урагана Wilma является величина ОВА, определенная по данным AMSR-E спутника EOS Aqua (суточные значения, усредненные по квадратам 0.25° × 0.25°, архив NSIDC).

Из рис. 6 видно, что появление урагана Wilma в той или иной области Мексиканского залива сопровождается всплеском ОВА: на 35…40 кг/м² (Карибское море, 18 октября 00 ч) (рис. 6а), на 45…50 кг/м² (Карибское море, 21 октября 00 ч) (рис. 6б), на 60…65 кг/м² (Мексиканский залив, 24 октября 00 ч) (рис. 6в).

Приведенные на рис. 5 и 6 результаты позволяют качественно проиллюстрировать пространственно-временную динамику ОВА и получить приближенные оценки скорости переноса водяного пара вдоль траектории распространения ТУ. Из данных иллюстраций следует, например, что эта величина составляет для урагана Wilma в период 18−24 октября 2005 г. около 300 км/сут. Подобные оценки можно получить и на основе данных о временном положении пиков ЯТ в спектральной области поглощения собственного СВЧ-излучения СОА в водяном паре атмосферы. Например, из приведенных на рис. 3, 4 результатов следует, что скорость переноса водяного пара вдоль траектории урагана Katrina составляет около 350 км/сут в период 25−27 августа 2005 г. и около 650 км/сут 27−29 августа 2005 г. Более точные оценки скорости переноса атмосферного водяного пара требуют привлечения более обширных массивов спутниковых данных и реализуются с помощью специальных вычислительных процедур [6].

Данные о пространственно-временном распределении интенсивности собственного СВЧ-излучения СОА в области резонансного поглощения излучения в водяном паре атмосферы позволяют судить не только о скорости нарастания интенсивности урагана Wilma вдоль трассы его распространения от района зарождения, но и о динамике расширения размеров охваченных им областей (рис. 7, 8). На рис. 8 иллюстрируется пространственно-временная изменчивость поля яркостной температуры СОА, измеренной каналом 19V радиометра SSM/I в виде его поперечных (меридиональных) разрезов в области распространения тропического образования Wilma от очага зарождения и его трансформации из стадии тропической депрессии (15 октября 2005 г.) до урагана наивысшей силы (19–20 октября 2005 г.).

Из приведенных результатов видно, что переход тропического образования Wilma из одной стадии в другую сопровождается ростом яркостной температуры $Т_{{{\text{18V}}}}^{{\text{я}}}$ от 20 до 50…55 K.

В этот период наблюдается также увеличение горизонтальных размеров урагана (судя по яркостным разрезам) от 1 до 4.3 град (от 110 до 475 км).

4. РЕАКЦИЯ СИСТЕМЫ ОКЕАН–АТМОСФЕРА НА ПРИБЛИЖЕНИЕ ТРОПИЧЕСКИХ УРАГАНОВ

Изучение возмущений характеристик поверхности океана и атмосферы, обусловленных приближением ураганов может полезным, на наш взгляд, при поиске факторов, влияющих на зарождение циклонических областей.

Здесь рассмотрим результаты анализа изменчивости влагосодержания атмосферы и яркостной температуры СОА по данным измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua (архивы RSS) накануне прихода ТУ Katrina в районе станции SMKF1 (Sombrero Key) во Флоридском проливе Мексиканского залива (24.38° с.ш., 81.07° з.д.).

Наблюдается эффект аккумуляции водяного пара в атмосфере в период времени, предшествующий приближению урагана Katrina к станции SMKF1, который выражается в постоянном нарастании значений ОВА, а также яркостной температуры СОА на длине волны 1.26 см на вертикальной поляризации (канал 18V радиометра AMSR-E) (рис. 9). Аналогичный эффект отмечается и авторами [7], исследовавшими энергетические источники интенсификации ТУ Katrina на основе данных спутниковых радиометрических СВЧ-измерений.

Из рис. 9 следует, что в период времени, предшествующий приходу урагана Katrina в район станции SMKF1, наблюдается монотонное возрастание ОВА − параметр Q увеличивается на 11 кг/м² (рис. 9а), а ЯТ СОА на длине волны 1.26 см – на 13 К (рис. 9б).

Следует отметить, что результаты спутниковых и наземных радиометрических СВЧ-исследований временной динамики ОВА, проведенных в Голубой бухте Черного моря, указывают также на существование эффекта накопления водяного пара в атмосфере в предштормовых ситуациях, т.е. в периоды, предшествующие приходу интенсивных морских штормов [2, 12].

Учет данного эффекта может оказаться полезным при разработке методов прогнозирования темпов и сроков приближения тропических ураганов к той или иной области океана (побережья), где их появление регулярно и ожидаемо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спутниковый мониторинг пространственно-временной изменчивости общего содержания водяного пара в атмосфере в районах активности тропических ураганов указывает на его тесную связь с процессами нарастания и развития тропических ураганов на различных стадиях.

Анализ данных измерений яркостной температуры СОА радиометров SSM/I спутника DMSP и AMSR-E спутника EOS Aqua в области резонансного поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы в районах активности тропических ураганов Wilma, Katrina, Charley свидетельствует о возможности использования общего влагосодержания атмосферы в качестве маркера для определения траектории распространения ураганов в океане, а также для оценки границ их влияния на близлежащие акватории.

Данный подход, основанный на наличии прямых, физически обусловленных связей между общим влагосодержанием атмосферы и яркостной температурой системы океан–атмосфера, не требуя привлечения больших массивов спутниковой информации и трудоемких вычислительных процедур и не претендуя на высокую точность количественных оценок, открывает перспективы выработки инструментария для экспресс-анализа развития тропических ураганов и качественного прогноза их эволюции.