Геостационарные спутники

Геостационарные МИСЗ располагаются в экваториальной полосе и обеспечивают непрерывный обзор погоды от 70 град. ю.ш. до 70 град. с.ш. Меридианы 0-65 град. з.д. закреплены за европейским космическим агентством (EUMETSAT), меридиан 74 град. в.д. – за Индией (информация не транслируется через МЕТЕОСАТ-7), меридиан 140 град.в.д. – за Японией, меридианы 105 и 135 град. – за США (2 МИСЗ). Российская Федерация планирует осуществить запуск геостационарного МИСЗ в 2006 г. на восточной долготе 76 град. Характеристики аппаратуры будут аналогичны характеристикам аппаратуры МИСЗ METEOSAT-8. Для синоптического анализа данные измерений пяти геостационарных МИСЗ доступны в трех диапазонах (радиометр МVIRI). Измерения с помощью радиометра SEVIRI на спутнике МSG-1 или МЕТЕОСАТ-8, запущенном в 2002 г, ведутся в 12 каналах, они пока недоступны для метеорологов на территории РФ.

Характеристики радиометра МVIRI (Meteosat-8- SEVIRI)
Число спектральных каналов: 3 (12)
Центральные длины волн в спектральных каналах: 0.7, 6.3, 11 мкм (0.6, 0.7, 0.8, 1.6, 3.9, 6.2, 7.3, 8.7, 9.7, 10.8, 12.1, 13.4)
Пространственное разрешениев центре полосы обзора: 1-5 км в видимом канале, 5-11 км в инфракрасном каналеи канале излучения водяного пара
Радиус диска обзора: 12000 – 14000 км

Практическое применение данных дистанционного зондирования (ДЗЗ) зависит в первую очередь от типа измерений, т.е. от спектрального диапазона ДЗЗ.


В видимом диапазоне (аналог телевизионного сигнала – ТВ) электромагнитного спектра (ЭМГС) аппаратура МИСЗ фиксирует солнечную радиацию, отраженную от земной поверхности или от верхней границы облаков (ВГО). В этом «окне прозрачности» солнечная радиация незначительно поглощается газовыми составляющими тропосферы. Поэтому измерения практически соответствуют характеристикам отражения радиации от подстилающей поверхности и ВГО. Они позволяют составлять карты облачности и альбедо в дневное время суток (Рис. 2).


Рисунок 2

На картах оттенки серого цвета показывают различные значения альбедо:
– яркие белые тона характерны для высоких значений альбедо, соответствующих отражающей способности мощных и высоких облаков, либо покрытой снегом и льдом подстилающей поверхности;
– серые оттенки – это низкие значения альбедо, характерные тонким просвечивающим облакам;
– темно-серые и черные оттенки соответствуют практически отсутствию отражения, что характерно для водной поверхности (озера, реки, моря) и растительности (леса).


В инфракрасном диапазоне (ИК) в дневное и ночное время суток приборы фиксируют радиацию, излучаемую земной поверхностью и облаками, т.е. тепловую составляющую ЭМГС излучения ВГО (температуру). Изображения используются для круглосуточного представления карт облачности и оценки приземной температуры (Рис.3).


Рисунок 3

Оттенки серого цвета на черно-белых изображениях представляют собой различную температуру излучаемых поверхностей ВГО или земной поверхности. (В синоптической практике для единообразной интерпретации изображений в ТВ и ИК диапазонах обычно рассматривают негативные изображения).

Для ярких белых тонов характерны низкие температуры, которые соответствуют высоким значениям верхней границы перистой облачности.
Для серых оттенков (средние значения отрицательных температур) характерны значения ВГО среднего яруса. Темно-серые до черного цвета оттенки (высокие температуры) характерны теплой подстилающей поверхности (например, акватории тропических морей или территории пустынь).


Спектральный канал в диапазоне излучения водяного пара (ВП). Водяной пар в столбе атмосферы не является прозрачным для представляемого диапазона волн. Излучение радиации в слое ниже 600 гПа полностью поглощается слоем водяного пара, расположенным выше. ВП становится излучающим слоем и излучает радиацию в соответствии с законом Кирхгоффа. Различные оттенки изображений серого цвета представляют собой различные величины содержания водяного пара в слое 600 – 300 гПа, что в свою очередь соответствует и трассерам вертикальных атмосферных движений (Рис.4).


Рисунок 4

Яркие белые тона соответствуют жидко-капельной фазе, характерной для основных типов облачности и восходящим вертикальным движениям.
Серые полутона соответствуют различному насыщению столба воздуха водяным паром в верхней тропосфере.
Темные тона соответствуют низким значениям содержания ВП, т.е. сухой тропосфере и нисходящим вертикальным движениям.


Границы между светлыми (влажными) и темными (сухими) районами характеризуют особенности распределения основных потоков в верхней тропосфере синоптического масштаба. При анализе ряда последовательных по времени снимков наблюдающаяся эволюция границ потоков (как и любая тенденция взаимодействия между светлыми и темными участкам снимка), свидетельствуют о развитии динамических процессов. Сопоставление изображений с МИСЗ в ВП диапазоне с модельными полями метеорологических величин показывает связь наблюдаемой структуры изображения с динамическими структурами синоптического масштаба. Особенно наглядно прослеживается связь изображений в ВП диапазоне с рассчитанным для верхней тропосферы по модельным данным динамическим параметром – потенциальным вихрем скорости (ПВ).


На рисунке 5 в качестве примера приведен динамически активный район, позволяющий оценить процессы динамики в верхней тропосфере, существенно влияющие на процессы циркуляции основных синоптических структур.


Рисунок 5

При этом темно-синим цветом изображены изотахи максимального ветра, начиная с 50 м/с и выше, с интервалом 10 м/с на изоповерхности, соответствующей значению 1.5 ПВ.

Следует отметить, что значения ПВ в стратосфере и тропосфере отличаются на порядок. Граница перехода указанных количественных значений соответствует динамической тропопаузе. На рисунке красным цветом показаны изолинии высот в дам поверхности со значениями ПВ, равными 1.5. Темно-зеленая стрелка показывает аномалию динамической тропопаузы с низкими высотами, на снимке ВП она соответствует темному пятну. Светлые области «B» и «С» соответствуют областям переноса водяного пара в верхние слои (восходящие вертикальные движения вовлекают перенос водяного пара).


В динамически активном районе (область циклогенеза) наблюдаются положительные аномалии ПВ и усиление скоростей в струйном течении, что соответственно создает условия для конвергенции в верхних слоях и дивергенции в окрестностях. В таких районах струйное течение характеризуется большими градиентами перехода от темных к светлым оттенкам на ВП изображении, с сухим воздухом на стороне, обращенной к полярным широтам. Опускание связано с внедрением сухого воздуха стратосферного происхождения в отдельные области верхней тропосферы. Содержание влаги в этой области будет падать и, следовательно, изображение на снимке ВП будет становиться темнее от срока к сроку (как это показано зеленой стрелкой на рисунке 5). В то же время, район дивергенции, связанный с подъемом более влажного тропосферного воздуха, будет становиться светлее от срока к сроку на ВП снимках в областях «В» и «С».

Таким образом, синоптический анализ приобретает наглядный инструмент для быстрой и непосредственной (без расчетов) оценки динамических структур синоптического масштаба в виде снимков ВП диапазона.