Атмосферные явления, возникающие в кучево-дождевой облачности, представляют большую опасность для полетов авиации. Поэтому распознавание такой облачности, картирование ее теку-щего положения и динамики изменения в предшествующие сроки, а также получение данных о высоте верхней границы облаков являются важными задачами спутниковой метеорологии. В на- стоящее время они решаются не только с помощью метеорологических автоматизированных радиолокационных сетей [1], но и на основе новых методов автоматизированной дешифровки информации с геостационарных спутников [2].

Надежность обслуживания авиации результатами метеорологической дешифровки спутниковой информации в значительной степени зависит от правильности распознавания атмосферных явлений, кучево-дождевой облачности (Cb) и погрешности оценки высоты ее верхней границы (Нвго). Поэтому анализ соответствия таких видов спутниковой продукции результатам, получаемым по результатам обработки информации наземных метеорологических радиолокаторов (МРЛ), представляет как методический, так и практический интерес.

Метеорологические карты, выпускаемые на основе автоматизированной обработки данных МРЛ и спутников, являются частично подобными, но не тождественными. Причем, каждый из этих двух видов информации имеет свои специфические ограничения. Для их корректного учета при верификации рассмотрим более подробно специфику этих двух видов метеорологической информации.

Известно, что распознавание атмосферных явлений, связанных с облачностью, с помощью МРЛ проводится по косвенным признакам. Причем, правильность распознавания существенно зависит от типа метеорологического объекта и его удаленности от МРЛ.

Согласно [1], МРЛ-2 и МРЛ-5 позволяют с вероятностью 95 % облачность без осадков и мощную кучевую облачность обнаруживать на равнинных районах на дальности не более чем 20 и 50 км соответственно. Летние обложные моросящие осадки и слоисто-дождевая облачность 420 распознаются на дальности до 60 и 120 км соответственно. В зимний период дальность обнаружения таких осадков уменьшается примерно в два раза и не превышает соответственно 30 и 60 км. Кучево-дождевая облачность с ливневым дождем и снегом распознается на дальности до 90-120 км, а с грозой и градом – до 150-200 км. Причем, за высокими препятствиями, например в горной местности, а также в районах с сильными электромагнитными помехами, обнаружение атмосферных явлений оказывается принципиально невозможным.

Кроме того, на картах МРЛ могут не отображаться облака, занижаться значения высот верх- ней границы кучево-дождевой облачности и правильно не распознаваться метеорологические яв- ления в случае, если они находятся за зоной интенсивных и протяженных осадков. Дальность правильного обнаружения и точность расчета высоты верхней границы облачности снижается и в тех случаях, когда осадки выпадают непосредственно на защитную оболочку антенны МРЛ.

Перечисленные ограничения приводят к тому, что карты метеорологических явлений, выпус- каемые по информации МРЛ, во-первых, не являются адекватными общепринятой метеорологи- ческой информации и, во-вторых, с определенной вероятностью отображают только часть воз- можных метеорологических объектов в пределах максимального радиуса наблюдения. Причем, наиболее полная и точная информация о метеорологических объектах содержится на фрагменте карты в радиусе до 20 км от МРЛ.

Средняя вероятная ошибка определения высоты верхней границы облачности по измерениям МРЛ в радиусе до 20 км составляет примерно ±(0.5-0.6) км [1]. С увеличением расстояния от МРЛ ошибка возрастает из-за расширения диаграммы направленности антенны, уменьшения мощности сигнала, приходящего после отражения от гидрометеоров (особенно когда они находятся за зоной интенсивных и протяженных осадков), искажающего влияния боковых лепестков диаграммы на- правленности антенны, и ряда других факторов. Разное влияние этих факторов приводит к тому, что верхняя граница радиоэха удаленного облака может совпадать с его реальной верхней грани- цей, а может быть значительно выше или ниже ее.

Отметим, что при измерениях с помощью МРЛ особо выделяются кучево-дождевые облака с опасными явлениями (гроза и град). По экспериментальным оценкам средняя вероятная ошибка определения высоты их верхней границы в радиусе до 150 км практически не зависит от дально- сти и составляет примерно ±0.5 км [1]. Т.е. метеорологические параметры этого типа облачности, рассчитываемые по информации МРЛ, оказываются статистически наиболее надежными (по дальности обнаружения и точности оценки) для сравнения с выпускаемыми спутниковыми ме- теорологическими картами. Однако большая пространственно-временная изменчивость высоты верхней границы кучево-дождевых облаков (в 20 % случаев превышает ±0.2 км/мин) при продол- жительности обзора всей территории с помощью МРЛ от 3 до 15 минут может привести к боль- шим отклонениям (до ±3 км) при оценке значений Нвго в конкретный момент времени. Это об- стоятельство важно учитывать при сравнении карт МРЛ с картами дешифровки результатов спут- никовой съемки, продолжительность которой во много раз меньше, чем у МРЛ.

Рассмотренные ограничения свидетельствуют о том, что отдельные МРЛ и даже созданные на их основе радиолокационные сети, принципиально не могут обеспечить правильное распозна- вание всех метеорологических явлений, отображаемых на карте в пределах максимального радиу- са представления информации. Поэтому разработка и совершенствование пространственно не- прерывной системы обзора облачности и связанных с ней опасных явлений погоды, несомненно, относится к одной из важных задач. [1]

Спутниковые метеорологические измерения без пропуска покрывают любую интересующую территорию независимо от рельефа места, типа поверхности (суша или вода) и государственных границ. Причем, поля метеорологических явлений, дешифрируемые по спутниковой информации, не зависят от «дальности наблюдения» и поэтому могут заметно отличаться от аналогичных карт МРЛ.

Распознавание метеорологических явлений (облачность, осадки, ливни, грозы, град в облаках и др.) и оценка высоты верхней границы кучево-дождевой облачности по спутниковой информа- ции осуществляется на основе прямых измерений радиационной температуры на верхней грани- цы облаков и учета специально рассчитываемых прогностических данных о вертикальном профи- ле температуры и влажности воздуха в атмосфере [2]. Поэтому правильность распознавания ме- теорологических явлений и оценки их параметров зависит от точности не только спутниковых измерений, но и используемой прогностической информации.

При вычислениях и построении спутниковых метеорологических карт для территории России используется нормализованное пространственное разрешение, равное 0.1° географической широ- ты и долготы, что примерно соответствует прямоугольной ячейке со сторонами 11 и 7 км. Такое пространственное разрешение спутниковых карт примерно соответствует разрешающей способ- ности измерительной аппаратуры геостационарных спутников при наблюдении в умеренных ши- ротах, но оказывается в несколько раз грубее, чем у МРЛ. Различие в пространственном разреше- нии приводит к тому, что отдельные кучево-дождевые облака, локальные вершины которых имеют небольшую горизонтальную протяженность (до нескольких километров) и хорошо видны с помо- щью МРЛ, не всегда могут быть однозначно идентифицированы по спутниковой информации.

Регистрируемое при спутниковых измерениях излучение ИК-диапазона формируется в пре- делах самого верхнего слоя даже тонкой перистой облачности. Под ней в ряде случаев могут рас- полагаться и более мощные слоистые и кучево-дождевые облака. Поэтому, сначала по спутнико- вой информации рассчитываются значения высот верхней границы самой высокой облачности, которые с дискретностью по высоте 3 км наносятся на карту разными оттенками серого цвета в диапазоне от 0 до 15 км. После чего в пределах выделенной облачности проводится дополнитель- ное распознавание районов, где пространственная изменчивость радиационной температуры, термодинамическая температура и влажность воздуха в атмосфере оказываются типичными для кучево-дождевых облаков. Рассчитываются максимальные значения высот возможной кучево- дождевой облачности в этих районах и наносятся на карту в виде плавно меняющейся цветовой палитры. При этом наносимые значения Нвго кучево-дождевых облаков ограничиваются наибо- лее опасным для авиации диапазоном от 7 до 15 км.

Следует отметить, что опасные метеорологические явления, диагностируемые по спутнико- вой информации, по своей физической интерпретации существенно ближе к информации МРЛ, чем к наземным метеорологическим измерениям. Согласно [1], при интерпретации карт МРЛ ис- пользуемое обозначение «гроза» соответствует одновременно грозоопасному облаку и ливневому дождю с грозой, термин «град» относится к градоопасному облаку и грозовому облаку с градом, «ливень» обозначает негрозоопасное конвективное облако и негрозовой ливень.

Учитывая выше перечисленные ограничения, перейдем к рассмотрению результатов сравни- тельного анализа метеорологических карт, полученных в результате автоматизированной дешиф- ровки почти синхронных по времени спутниковых и радиолокационных измерений.

Сравнительный анализ проведен в теплый период с мая по июль 2007 г. по метеорологиче- ским картам, которые каждые 10 минут передавались с радиолокационной системы АКСОПРИ (г. Москва) и каждые 15 минут выпускались в ГУ «НИЦ «Планета» с помощью автоматизированной информационной системы (АИС) «Метео-ИСЗ» по результатам дешифровки информации с гео- стационарного спутника Meteosat-9. На радиолокационных картах с детальностью 4 км нанесены метеорологические явления, распознанные на удалении до 200 км от МРЛ, а карты дешифровки спутниковой информации имели детальность 0.1° (по широте и долготе) и охватывали террито- рию от 0 до 50° в.ш. и от 45 до 65° с.ш.

Продолжительность обзора метеорологических явлений на выбранной территории диаметром 400 км при спутниковой и радиолокационной съемке составила около 0.4 и 8 минут соответствен- 422 но. Т.е. спутниковая съемка территории оказалась примерно в 20 раз быстрее, чем радиолокаци- онная. Разница в продолжительности съемки даже несколько минут может приводить к заметным изменениям внутренней и внешней структуры кучево-дождевой облачности и соответствующих параметров метеорологических явлений. Поэтому определенное различие между спутниковыми и радиолокационными метеорологическими картами может возникать и из-за разной продолжи- тельности обзора одной и той же территории. Причем, различие тем заметнее, чем больше ско- рость переноса атмосферы в районе с наблюдаемой облачностью.

Для сравнения отбирались радиолокационные карты, на которых с помощью АКСОПРИ бы- ли зарегистрированы метеорологические процессы разной интенсивности, включая кучево- дождевую облачность с грозами. После чего на эти же моменты времени или близкие к ним (раз- личие по времени съемки составляло от 3.5 до 10 минут) подбирались аналогичные спутниковые карты метеорологических явлений, высоты кучево-дождевой облачности и радиационной темпе- ратуры. Причем, карты радиационной температуры использовались для оценки типа синоптиче- ской ситуации на момент съемки.

Сравнение карт, построенных с помощью АКСОПРИ и АИС «Метео-ИСЗ», показало сле- дующее.

1. Поля облачности, осадков, ливней и гроз на этих двух типах карт в подавляющем боль- шинстве рассмотренных случаев, оказались сопоставимы и принципиально не противоречили друг другу. Причем, карты, построенные с помощью АИС «Метео-ИСЗ», давали удовлетвори- тельное обзорное представление о положении наиболее протяженных зон с кучево-дождевыми облаками, ливнями и грозами, а карты АКСОПРИ позволяли более детально определять локаль- ные особенности процессов на удалении до 50-100 км от МРЛ. Поэтому совместное использова- ние таких карт позволяет с большей оперативностью и надежностью распознавать быстро возни- кающие опасные для авиации атмосферные явления, связанные с кучево-дождевыми облаками.

2. Небольшие (протяженностью 1-2 пикселя) очаги с возможными, но менее вероятными гро- зами, в ряде случаев отмечавшиеся на картах АКСОПРИ, по спутниковой информации чаще де- шифрировались как кучево-дождевые облака с ливнем. Причиной не распознавания таких воз- можных локальных гроз может быть относительно более грубое пространственное разрешение спутниковой информации и, по-видимому, некоторая ограниченность принятой в настоящее вре- мя методики их автоматизированного дешифрирования.

3. Визуально наибольшее различие между пространственной структурой и расположением метеорологических явлений на сравниваемых картах отмечено в районах, занятых протяженной и сплошной перистой облачностью, типичной для теплого сектора циклонов, фронтов окклюзии, мезомасштабных облачных вихрей и конвективных комплексов. Однако и в этих ситуациях ре- зультаты автоматизированной дешифровки спутниковой информации принципиально не проти- воречили данным АКСОПРИ по районам расположения зон осадков и гроз, а также по оценке максимальной высоты верхней границы кучево-дождевой облачности.

4. Значения высот кучево-дождевых облаков, рассчитанные по спутниковой информации, удовлетворительно совпадали (в пределах принятых градаций) с их наибольшими значениями, представленными в этих же районах в виде локальных максимумов на соответствующих картах АКСОПРИ. Причем, локальные максимумы Нвго на картах АКСОПРИ во многих случаях не точ- но совпадали с положением наиболее интенсивных атмосферных явлений, а располагались вблизи них, что является следствием относительно большой продолжительности обзора разных высот- ных уровней атмосферы при радиолокационной съемке.

Количественная оценка расхождения между этими двумя видами информации в большинстве случаев не превышала 0.5 км. Наибольшее расхождение до 1-2.5 км (по МРЛ высоты оказывались меньше, чем по спутнику) наблюдалось только в тех случаях, когда кучево-дождевые облака ре- гистрировались с помощью АКСОПРИ на удалении около 200 км.

5. Некоторые из выбранных карт АКСОПРИ были построены в условиях сверхрефракции зондирующего луча МРЛ в нижнем слое атмосферы. Несмотря на это карты оказались в основном 423 сопоставимы с результатами спутниковой метеорологической дешифровки. Исключение состави- ли отдельные линейные структуры облаков и осадков, вытянутые по радиальному направлению от МРЛ, которые не находили подтверждения на спутниковых метеорологических картах.

Следует отметить, что учет выявленных особенностей соответствия между обзорными карта- ми автоматизированной метеорологической дешифровки спутниковой информации и простран- ственно более детальными картами АКСОПРИ, позволяет более уверенно использовать обзорные карты в районах, где отсутствует информация МРЛ.

Таким образом, в работе рассмотрены специфические ограничения локальной радиолокаци- онной и обзорной спутниковой метеорологической информации и проведен сравнительный ана- лиз синхронных карт метеорологических явлений, связанных с облачностью, и высот кучево- дождевых облаков. Сравниваемые карты построены в теплый период 2007 г. по результатам де- шифровки информации с геостационарного спутника Meteosat-9 и МРЛ АКСОПРИ. Выявлены условия сопоставимости и расхождения метеорологической информации на соответствующих картах. Отмечена перспективность совместного использования обзорных и локальных метеороло- гических карт текущей погоды, выпускаемых соответственно по спутниковой и радиолокацион- ной информации.

Литература :.

1.Метеорологические автоматизированные радиолокационные сети / Отв. Ред. Г.Б. Брылев // СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 331 с..

2. Алексеева А.А., Бухаров М.В., Лосев В.М., Соловьев В.И. Диагноз осадков и гроз по изме- рениям уходящего теплового излучения облачности с геостационарных спутников // Метеороло- гия и гидрология, 2006. № 8. С. 33-42..