Спутниковая метеорология изучает методы дистанционного зондирования атмосферы для измерения и наблюдения за метеорологическими явлениями и условиями погоды, а также связанными с ними некоторыми параметрами на поверхности Земли благодаря использованию космических летательных аппаратов.
Космический летательный аппарат (шина) представляет собой каркас, на который монтируются приборы, проводящие мониторинг Земли и её атмосферы с различных орбит в условиях высокого вакуума под влиянием гравитационного поля Земли и других космических тел, светового давления, наличия энергетических частиц радиации и микрометеорной пыли. Контроль характеристик летательного космического аппарата осуществляется с помощью различных средств в зависимости от общей конструкции. Точная скорость вращения может поддерживаться за счёт изменения распределения массы спутника, а следовательно, момента его инерции. Альтернативно используются инерционные системы, которые вращаются в соответствии с магнитным полем Земли.
Чем более устойчивым является космический летательный аппарат, тем дольше срок его возможной работы. Атмосферное трение не позволяет использовать высоту орбит намного ниже 300 км, поскольку значительно снижается срок службы летательного аппарата. На более высоких орбитах это сопротивление незначительно, а срок службы летательного аппарата достигает нескольких лет.
Орбита космического летательного аппарата — это траектория, которая описывается искусственным спутником Земли во времени и в космическом пространстве.
По высоте полёта орбиты спутника подразделяются на:
- низкоорбитальные;
- среднеорбитальные;
- геостационарные.
Низкоорбитальная орбита спутников лежит в пределах 700–1500 км. Период обращения спутников на такой орбите составляет около 2 часов, скорость движения — около 2500 км/ч.
Высота орбит среднеорбитальных спутников — от 5000 до 11 000 км. Период обращения составляет 4–6 часов, скорость движения — до 30 000 км/ч.
Высота орбит геостационарных спутников — 35 790 км, период обращения — около 24 часов, скорость движения — около 11 000 км/ч.
По наклону своих орбит (Спутниковые наблюдения. Руководство по метеорологическим приборам и методам наблюдений, ВМО) спутники подразделяются на:
- экваториальные (наклон орбит — 0˚, спутники движутся на восток);
- наклонные (наклон орбит от 40˚ до 80˚);
- полярные (наклон орбит около 90˚) (рис. 12.1).
Траектория метеорологического спутника Земли, двигающегося без трения в гравитационном поле сферической планеты, может быть эллиптической, параболической или гиперболической в зависимости от первоначальной скорости.
В случае выведения спутника на геостационарную орбиту он вращается в том же направлении, что и Земля, с периодом в одни сутки.
Круговая орбита над экватором является стационарной по отношению к Земле, и поэтому спутник всегда обращён к одному и тому же району поверхности Земли.
Метеорологические спутники используются для получения целого ряда изображений и количественных характеристик поверхности Земли, а также данных о состоянии атмосферы на высотах до 20 км.
Использование целого комплекса датчиков на спутниковых метеорологических платформах позволяет проводить измерения многих геофизических параметров. Спутниковые наблюдения имеют как преимущества, так и недостатки, по сравнению с использованием наземных наблюдательных систем.
Преимуществами использования спутников в метеорологии являются:
- возможность давать те или иные формы изображения процессов в атмосфере и на поверхности Земли. Изображения облачности и ледовых условий — это особая диагностическая информация, которая необходима при анализе метеорологических явлений;
- глобальный, региональный и локальный охват наблюдений, включая удалённые и труднодоступные районы суши и Мирового океана;
- высокое пространственное и временное разрешение данных спутниковых наблюдений;
- возможность одновременного измерения широкого диапазона параметров;
- при определённых условиях — измерения по всей толще атмосферы, в том числе при суровых условиях погоды;
- возможность получения количественных характеристик метеорологических измерений.
К недостаткам использования спутников следует отнести следующие:
- атмосферные, океанографические и гидрологические параметры не измеряются непосредственным образом;
- низкая точность измерения в точке (постоянного внимания требует калибровка приборов и процедуры приведения данных);
- длительные сроки подготовки для новых приборов;
- выход из строя датчика может привести к полной потере данных;
- при большом слое облачности (суровые условия погоды) можно проводить только частичные измерения приземных и низко-атмосферных параметров.
Телевизионная и инфракрасная аппаратура, установленная на метеорологических спутниках, даёт возможность получать днём и ночью изображения Земли. На фоне земной поверхности, благодаря снимкам из околоземного космического пространства, появилась возможность изучать особенности структуры и распределения облачного покрова в тропосфере, а также определять температуру подстилающей поверхности или верхней границы облаков, целого ряда атмосферных вихрей и явлений погоды и многое другое.
Типизация таких крупномасштабных процессов в атмосфере как циклоны и связанные с ними облачные системы создала основу для спутникового анализа облачности (нефанализа), состоящего в дешифровании изображений облачности в целях определения синоптической ситуации. Благодаря спутниковым снимкам значительно дополняется информация о состоянии атмосферы, получаемая с наземных станций. Это особенно важно для районов, где нет регулярной сети метеорологических станций — над океанами и во многих районах тропиков, в высоких широтах как Северного, так и Южного полушарий. Особенно важна роль спутниковой информации для своевременного распознавания, прослеживания и прогноза тропических штормов и ураганов. Спутниковые изображения подстилающей поверхности позволяют получать и ценные сведения о ледяном и снежном покровах, дрейфующих морских льдах и айсбергах.
В комплекс аппаратуры метеорологических спутников входят также актинометрические приборы для измерений отражённой Землёй в космос солнечной радиации и собственного теплового излучения Земли в космическое пространство. Это позволяет изучать закономерности планетарного распределения прихода-расхода тепла и изменчивости климата.
С помощью спутниковых измерений дистанционно могут быть определены такие параметры атмосферы, как содержание в атмосфере малых газовых и аэрозольных (в т. ч. загрязняющих) компонент, влажность грунта и многое другое.
Особое значение спутниковые метеорологические наблюдения за Мировым океаном приобрели для мониторинга морского дрейфующего льда. Создание спутниковых радиолокаторов с синтезирующей аппаратурой позволяет получать детальную информацию о пространственной структуре ледяного покрова при любых погодных условиях.
Использование метеорологических спутников позволяет осуществлять непрерывное слежение за развитием погодообразующих процессов в атмосфере и оперативно использовать эти данные при решении различных задач прогноза погоды.
Космическая гидрометеорологическая система
В настоящее время оперативная космическая гидрометеорологическая система действует в рамках взаимодействия национальных гидрометеорологических служб Европейского Союза, Российской Федерации, Китайской Народной Республики, Соединённых Штатов Америки и Японии (рис. 12.2–12.3).
Метеорологические спутники на геостационарных орбитах:
Европейский союз — EUMETSAT (система METEOSAT).
Meteosat First Generation:
- Meteosat–6 (IODC) (2007–2011);
- Meteosat–7 (1997–2006);
- Meteosat–7 (IODC) (2006–2016).
США — система GOES (рис. 12.3).
Geostationary Operational Environmental Satellite — 2nd generation (NOAA):
- GOES–11 (2000–2011);
- GOES–12 (2001–2010);
- GOES–9 (GMS backup) (2003–2006);
- GOES–13 (2006–2015);
- GOES–10 (S–America) (2006–2009);
- GOES–14 (2009–2016);
- GOES–15 (2010–2020);
- GOES–12 (S–America) (2010–2013).
Geostationary Operational Environmental Satellite — 3rd generation (NOAA):
- GOES–R (2015–2026);
- GOES–S (2017–2028);
- GOES–T (2019–2030);
- GOES–U (2024–2035).
Япония — система MTSAT–1R.
Россия — система «Электро»:
- Electro (RosHydroMet);
- Electro–GOMS (1994–2000);
- Electro–L N1 (2011–2018);
- Electro–L N2 (2014–2021);
- Electro–M N1 (2016–2026);
- Electro–L N3 (2016–2023);
- Electro–M N2 (2017–2027);
- Electro–M N3 (2021–2031).
Метеорологические и природно-ресурсные спутники на приполярных орбитах:
Россия — спутниковая система МЕТЕОР–3М.
В рамках использования спутниковых систем можно оперативно получать широкий спектр визуальной информации о процессах в атмосфере Земли (рис. 12.6–12.8, сайт ВМО).
Специализированное гидрометеорологическое и ледовое обеспечение рейса на основе спутниковой информации
Специализированное гидрометеорологическое и ледовое обеспечение (СГМО) в рамках морского метеорологического обслуживания, плавания и любых морских операций является одним из основных условий безопасного и эффективного выполнения работ в высоких широтах.
Целью СГМО любого высокоширотного рейса является своевременное и полное информирование капитана ледокола (капитана судна или руководства экспедиции) о фактической и прогностической гидрометеорологической и ледовой обстановке в районе плавания. Это необходимо для принятия научно обоснованных решений по выполнению маршрута плавания, морской операции или научных исследований.
Одним из основных принципов организации СГМО рейса или работ в море является его комплексный характер:
- оперативный сбор, обработка, анализ и хранение фактической информации (гидрометеорологической, ледовой, спутниковой);
- предварительная адаптация численных моделей ледовых прогнозов для района работ;
- сравнительный анализ достоверности разработанной прогностической гидрометеорологической и ледовой продукции с реально наблюдающимися условиями;
- разработка метеорологических и ледовых прогнозов, навигационных рекомендаций.
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Метеорологические наблюдения включают в себя определение основных метеорологических параметров:
- направление и скорость ветра;
- температура воздуха;
- атмосферное давление;
- влажность;
- точка росы.
Наблюдения за горизонтальной видимостью проводятся попутно со специальными ледовыми наблюдениями.
ЛЕДОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источниками информации о состоянии ледяного покрова в районе работ на предварительном этапе могут быть:
- снимки ИСЗ Terra (MODIS) разрешением 250 × 1000 м, ТВ диапазон;
- снимки ИСЗ NOAA в формате HRPT (High Resolution Picture Transmission) разрешением 700 × 1100 м, ТВ диапазон;
- карты распределения общей сплоченности ледяного покрова в Арктике по данным ИСЗ AQUA AMSR–Е (совместный алгоритм обработки Danish Technical Institute, Danish Centre Remote Sensing и ААНИИ).
Карты распределения общей сплоченности ледяного покрова в Арктике, построенные по данным пассивного микроволнового зондирования ИСЗ AQUA AMSR–Е, принимаются по Интернету с сайтов Institute of Environmental Physics University of Bremen (IEP) и Danish Technical Institute, Danish Centre Remote Sensing (DTU), сервера ААНИИ (http://wdc.aari.ru/gmo/arc/2013/).
Данная информация используется для общего мониторинга состояния ледяного покрова в Арктическом бассейне, разработки предварительного сценария морской операции.
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ
Для получения данных ледовой обстановки могут использоваться изображения с искусственных спутников Земли TERRA и AQUA. Для этого создаются скрипты, которые позволяют в автоматическом режиме выполнять вырезку мозаичной спутниковой информации (на сервере ААНИИ).
По информации, получаемой с ИСЗ TERRA и AQUA с разрешением 1 км и 250 м, могут быть выделены определённые районы (рис. 12.9). Эти районы покрывают весь предполагаемый маршрут следования ледокола или судна; по ним в Интернете размещаются данные этих ИСЗ в виде периодически меняющейся суточной мозаики (рис. 12.10).
Помимо перечисленной выше спутниковой информации, дополнительно могут использоваться радиолокационные съемки с ИСЗ RADARSAT–2. Данные этих съемок могут оказать существенную помощь в обеспечении оперативной ледовой информацией (рис. 12.11).
По ходу движения обычно принимается только та спутниковая информация, которая освещает ледовую обстановку по планируемым районам плавания.
Несмотря на определённые достоинства, каждый из видов спутниковой информации имеет и свои недостатки. При наличии облачности или плотного тумана (довольно частое явление в период рейса) спутниковые снимки видимого диапазона становятся неинформативными.
Всепогодная радиолокационная информация не всегда позволяет однозначно оценить характеристику льда в разрывах ледяного покрова, на которые обращалось основное внимание при разработке маршрута движения. При одних синоптических ситуациях подобные разрывы расширялись и могли способствовать быстрому продвижению, при других они закрывались.
Крайне сложно определить по радиолокационному изображению, в каком состоянии находится разрыв, так как отображение гряд торосов, образующихся при закрытии разрывов, и ниласовых и серых льдов в виде ледяной каши и небольших торосов в открытом разрыве практически идентично.
ЛЕДОВЫЕ ПРОГНОЗЫ, НАВИГАЦИОННЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ЛЕДОВЫЕ УСЛОВИЯ ПЛАВАНИЯ
Для климатической оценки ледовых условий плавания в районе проведения работ может быть использована База данных ледовых условий плавания в Арктическом бассейне, сформированная в ААНИИ. Данные наблюдений, включенные в Базу, получены во время проведения высокоширотных плаваний российских ледоколов и судов сотрудниками ААНИИ в период 1977–2008 гг. по единой методике, традиционно применяемой в ААНИИ. Данные наблюдений, выполненных в этих экспедициях, послужили источником для анализа. Обработка данных предусматривала построение гистограмм распределений общей сплоченности льда на пути плавания судов, торосистости, толщины и разрушенности льда.
Среднесуточные прогнозы дрейфа льда позволяют оперативно отслеживать положение зон сплочённости и разрежения льдов (рис. 12.12).
Навигационные рекомендации
На этапе подготовки высокоширотного рейса обычно разрабатывается предварительный сценарий рейса (план). Он основывается на анализе развития фактических метеорологических и ледовых процессов, долгосрочных прогнозах и режимных данных(рис. 12.13).
Обозначения: черная линия — рекомендованный вариант плавания научно-оперативного штаба ААНИИ по маршруту Мурманск — СП–40; коричневая линия — рекомендованный вариант плавания научно-оперативного штаба ААНИИ по маршруту СП–40 — м. Баранова от 12 июня 2013 г.; синяя линия — рекомендованный вариант плавания научно-оперативного штаба ААНИИ по маршруту СП–40 — м. Баранова от 15 июня 2013 г.; желтая линия — рекомендованный вариант плавания научно-оперативной группы на борту ледокола по маршруту СП–40 — м. Баранова от 12 июня 2013 г.; красная линия — рекомендованный вариант плавания научно-оперативной группы на борту ледокола по маршруту м. Баранова — Мурманск; розовая линия — вариант плавания по маршруту м. Баранова — Мурманск, предложенный капитаном ледокола.
Примеры использования информации с искусственных спутников Земли (ИСЗ) в ААНИИ (по данным Бессонова В.И.)
Цели и задачи приёма и обработки спутниковых наблюдений:
Целью спутниковых ледовых наблюдений было получение данных о состоянии ледяного покрова, наблюдавшегося в период проведения экспедиции в различных районах Арктического бассейна.
Основными задачами при приёме и обработке спутниковых наблюдений были сбор, привязка на местности и интерпретация спутниковых изображений, которые размещались в Интернете на сервере ААНИИ (wdc.aari.ru), и радиолокационных изображений низкого разрешения с ИСЗ RADARSAT–2 по отдельным районам Арктики на канадском сайте (ceocat.ccrs.nrcan.gc.ca). Эти изображения использовались для оперативной информационной поддержки плавания атомного ледокола «Россия».
Методика обработки и анализ полученной информации
Для получения данных ледовой обстановки во время экспедиции широко использовались изображения, получаемые с искусственных спутников Земли RADARSAT–2, TERRA и AQUA. Перед началом экспедиции в ААНИИ были созданы скрипты, которые позволяли в автоматическом режиме выполнять вырезку мозаичной спутниковой информации с указанных выше сайтов и размещать её на сервере ААНИИ.
Для информации с ИСЗ TERRA и AQUA с разрешением 1 км и 250 м были определены 5 стандартных районов (рис. 12.14), которые покрывали весь предполагаемый район работы экспедиции. По этим районам в Интернете размещались данные этих ИСЗ в виде периодически меняющейся односуточной мозаики, получаемой из информации, которую передавали спутники в видимом диапазоне. На сервере ААНИИ было запланировано формирование пакетов спутниковой информации к следующим срокам: для данных ИСЗ TERRA и AQUA — 6:10 UTC, 15:10 UTC, 23:10 UTC. Помимо перечисленной выше спутниковой информации, были получены 4 радиолокационные съемки с ИСЗ RADARSAT–2, которые были заказаны ААНИИ для поиска потенциальных ледяных полей для организации новой дрейфующей станции (рис. 12.15). Всего за время экспедиции на борту ледокола было принято и обработано 123 снимка ИСЗ общим объёмом 122 Мб, из них: NOAA — 4 снимка, NOAA (для синоптика) — 31 снимок, MODIS (TERRA, AQUA) — 59 снимков, RADARSAT–2 (высокое разрешение) — 2 снимка, RADARSAT–2 (низкое разрешение) — 27 снимков. Кроме этого были приняты 2 обзорные ледовые карты из ААНИИ.
Возрастное распределение морских льдов даёт общую картину ледовых условий (рис. 12.16).
При необходимости могут быть выявлены и выделены детальные размеры и формы дрейфующих льдов (рис. 12.17). Дрейфующий остров располагался в однолетних льдах вблизи кромки старых льдов.
Поиск перспективных ледяных полей преимущественно осуществляется по многоканальным данным с ИСЗ TERRA и AQUA, которые выставлялись в оперативном режиме в Интернете (рис. 12.18–12.20).
Литература
Гидрометеорологическое Обеспечение Мореплавания - Глухов В.Г., Гордиенко А.И., Шаронов А.Ю., Шматков В.А. [2014]
