Метод прогноза осадков в холодный период года
с использованием данных 5-канального радиометра AVHRR
со спутников гидрометеорологического назначения серии NOAA и результаты его испытания

В мае 2002 г. Самарский ЦГМС-Р начал приём спутниковой информации на комплексе СканЭкс с полярно-орбитальных спутников NOAA-12, NOAA-15, NOAA-16, NOAA-17, обеспечивающих пространственное разрешение около 1км, что позволяет проводить исследование радиационной температуры на верхней границе облачности. Для зимнего периода эта характеристика более информативна по сравнению с отражаемостью.

Для анализа радиационной температуры использовался 5-й инфракрасный (ИК) канал передачи информации с длиной волны 12 мкм, а к дешифрированию облачности в ночное время привлекался и 3-й ИК-канал с длиной волны 3,7 мкм. По информации этих каналов, применяя интерактивное дешифрирование, можно достаточно уверенно отделить облачность от снежного покрова. Сплошные слоисто-дождевые, слоисто-кучевые облака с высокой водностью и низкой температурой на верхней границе, из которых выпадают осадки, обладают значительной вертикальной мощностью и выглядят на снимках в виде рисунка белого сравнительно однородного тона. Последовательный обзор поверхности Земли с большой частотой позволяет получить достаточно полную информацию пространственно-временной изменчивости температуры верхней границы облаков.

В ходе исследований сопоставлялась температура на верхней границе облачности по цифровой информации радиометра AVHRR с количеством осадков, выпадающих из этой облачности по данным наземной сети метеорологических станций.


Восстановление количества осадков, выпадающих на землю, по данным о радиационной температуре на верхней границе облачности радиометра AVHRR

Восстановление количества осадков в зимний период проводилось по данным радиометра AVHRR полярно-орбитальных спутников NOAA-12, NOAA-15, NOAA-16 [1]. Для анализа привлекались наземные наблюдения метеорологиче-ских станций Самарской области и близлежащих областей.

Полученные результаты показали, что цифровая информация с ИСЗ о радиационной температуре облачности является объективной количественной характеристикой осадков, выпадающих из этой облачности.

В холодный период года осадкообразующие облака – это облака в основном нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые) и реже – кучево-дождевые. Наиболее значительные осадки в зимний период выпадают из слоисто-дождевых облаков. Они имеют большую вертикальную протяженность, в умеренных широтах до 7 км [6]. Осадкообразующая облачность, как правило, связана с фронтальными системами.

Для прогноза количества осадков необходимо иметь ряд характеристик облака: размеры облачной системы, агрегатное состояние, водность. Расчёт этих характеристик из-за редкой сети зондирования часто невозможен. Поэтому приходится привлекать другие доступные характеристики путём установления эмпирических зависимостей между ними и процессами образования осадков. Наиболее важными из этих характеристик являются вертикальная протяжённость облака и температура на его верхней границе. Первая величина определяет общие условия конденсации и коагуляции, а вторая – вероятность появления твердой фазы в облаке [2].

Из водяных капельных облаков выпадает малое количество осадков. Для формирования значительного количества осадков должна присутствовать кри-сталлическая фаза и переохлаждённые капли. Отсюда следует: чем ниже температура верхней границы облака, тем больше осадков из облака может выпасть [4].

Цифровая информация о радиационной температуре верхней границы облаков позволяет различать мощные облака, имеющие ледяную фазу, и тонкие более тёплые облака.

Сопоставление количества выпадающих осадков с радиационной температу-рой облачности проводилось следующим образом: в момент, когда наземная метеорологическая станция отмечала осадки, по 5-му ИК-каналу спутника NOAA снимались данные о радиационной температуре на верхней границе облачности, из которой выпадали осадки. Данные о преобладающей радиационной температуре сопоставлялись с полусуточным количеством осадков, которые наблюдались на станции. В результате были построены графики взаимосвязи между регистрируемыми значениями радиационной температуры облачности и количеством выпадающих из неё осадков для спутника NOAA-15 (см. рис.1) и для спутника NOAA-12 (см. рис.2). Для построения графиков использовались данные об осадках, продолжительность которых не превышала 6 ч.

Рисунок 1


Корреляционный график зависимости количества выпавших осадков от радиационной температуры облачности по информации радиометра AVHRR, принятой с ИСЗ NOAA-15.
1 – среднее количество осадков, за период не более 6 ч, которое может выпадать из облачности с радиационной температурой верхней границы от 205 до 265°К.
2 – максимально возможное количество осадков, за период не более 6 ч, которое может выпадать из облачности с радиационной температурой верхней границы от 205 до 265°К.


Рисунок 2


Корреляционный график зависимости количества выпавших осадков от радиационной температуры облачности по информации радиометра AVHRR, принятой с ИСЗ NOAA-12.
1 – среднее количество осадков за период не более 6 ч, которое может выпадать из облачности с радиационной температурой верхней границы от 213 до 256°К.
2 – максимально возможное количество осадков, за период не более 6 ч, которое может быть отмечено метеорологической станцией с радиационной температурой верхней границы от 213 до 256°К.

Из графиков видно, чем ниже радиационная температура верхней границы облачности, тем больше осадков выпадает из неё.

Эмпирически найденная зависимость количества осадков от радиационной температуры облачности может использоваться при прогнозировании осадков.

В отделе метеорологических прогнозов (ОМП) Самарского ЦГМС-Р была разработана методика прогноза осадков в зимний период с применением най-денной эмпирической зависимости.


Прогноз количества осадков в холодный период года с использованием данных о радиационной температуре на верхней границе облачности

Кроме информации о радиационной температуре облачности со спутников NOAA при прогнозе осадков используются прогностические данные гидроди-намической модели Регионального специализированного метеорологического центра (РСМЦ-Экзетер): прогностические траектории воздушных частиц на уровне 700 гПа, диагноз и прогноз вертикальных движений воздуха на уровне 850 гПа, прогноз относительной влажности воздуха на уровнях 850 гПа, 700 гПа, 500 гПа.

На снимок спутника 5-го ИК-канала (длина волны 12 мкм) наносятся прогностические траектории воздушных частиц на уровне 700 гПа и производится пе-ремещение облачных массивов в пункт прогноза. Далее на участках облачности, попадающих в пункт прогноза, снимаются данные о преобладающей радиационной температуре (tp) на верхней границе облачности (рис.1).

Рисунок 3



На следующем по времени снимке анализируется, как меняется tp на прогнозируемых участках облачности. Повышение tp указывает на то, что облачность в ближайшие часы становится тонкой и размывается, т.е. интенсивность осадков должна ослабевать. Понижение tp означает усиление интенсивности осадков.

Данные о tp облачности с последнего анализируемого снимка используются для прогноза количества осадков по эмпирическим графикам (рис. 2 и рис. 3).




Подтверждением наличия прогнозируемых осадков или их отсутствия служат также вертикальные движения воздуха на уровне 850 гПа. Необходимым условием выпадения осадков являются восходящие движения воздуха, однако слабые осадки могут наблюдаться и при небольших нисходящих вертикальных движениях [5].

При прогнозировании количества осадков необходимо предусмотреть эволюцию облачности. Для этого в методике используется тенденция изменения вертикальных движений воздуха за последние 12 ч.

В ходе исследований эмпирическим путем было установлено, на сколько будет меняться tp облачности при значительных изменениях вертикальных движений воздуха. Эта зависимость представлена в таблице 1.

Эмпирические графики для определения количества осадков по tp облачности (рис.1 и рис.2) построены для осадков, по продолжительности не превышающих 6 ч. Для прогноза продолжительности осадков по снимку определяются горизонтальные размеры облачной полосы (массива облаков) по направлению ее (его) перемещения в пункт прогноза и скорость, с которой движется данная облачность. В том случае, когда облачность над пунктом прогноза будет находиться более 6 ч, вводится поправочный коэффициент, который для районов Среднего Поволжья ~10°К.


Дешифрирование облачности

Низкую температуру и яркую белую окраску дают не только слоисто-дождевые, кучево-дождевые облака, но и неосадкообразующие облака верхнего и среднего яруса. Для определения вида облачности и отделения её от заснеженной поверхности Земли используется интерактивное дешифрирование. В ночное время для этого привлекаются 5-й и 3-й ИК-каналы (длина волны 12 мкм и 3,7 мкм), в дневное время 5-й ИК и 1-й ТВ-каналы (длина волны послед-него 0,6 мкм).

Чтобы исключить ошибку при дешифрировании вида облаков рекомендуется использовать прогностические значения относительной влажности по высотам.

Если облачность осадкообразующая, то в слое от уровня 850 гПа до 500 гПа наблюдается уменьшение относительной влажности; если преобладает плотная облачность верхнего или среднего яруса, под которой нет слоисто-дождевой, то относительная влажность воздуха с высотой увеличивается.

Таблица 1

Оценка прогнозов велась согласно Наставлению по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения [3].

Рекомендации к внедрению

Применение современных технологий приема и обработки спутниковой информации, в данном случае аппаратно-программного комплекса СканЭкс, позволило найти новый подход к прогнозированию обложных осадков в зимний период.

Новый метод оказывает существенную помощь синоптику при прогнозировании количества осадков, особенно в тех случаях, когда облачность перемещается из районов, плохо освещенных сетью наземных наблюдений, в частности, при выходе Каспийских циклонов.

В связи с высокими показателями успешности прогнозов, полученными в результате производственных испытаний метода, коллегией Приволжского УГМС 13 апреля 2005 г. было рекомендовано внедрение метода прогноза осадков в холодный период года в оперативную практику отдела метеорологических прогнозов Самарского ЦГМС-Р в качестве вспомогательного.


Список литературы

1.  Воинова Е.В., Успенский А.Б. «Обнаружение зон осадков в умеренных широтах по изображениям облачного покрова в видимом и инфракрасном диапазонах спектра с полярно-орбитальных ИСЗ» // Метеорология и гидрология, 1996, № 10, c. 5-14
2.  Зверев А.С. «Синоптическая метеорология», // Л.: Гидрометиздат, 1977, 518 с.
3.  Наставление по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения РД 52.88.629, 2002, СПб.: Гидрометеоиздат, 2002, 42 с.
4.  Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды, Л.: Гидрометиздат, 198, 39 с.
5.  Руководство по краткосрочным прогнозам погоды. Часть I, Л.: Гидрометиздат, 1986, 399 с.
6.  Хромов С.П., Мамонтова Л.И., Метеорологический словарь, Л.: Гидрометиздат, 1974,
с. 422-423.


Контакты
Ольга Владимировна Переведенцев – ведущий синоптик отдела метеорологических прогнозов Самарского ЦГМС-Р,
тел.(846) 252-99-09, smra@mts1.smra.mecom.ru