Диагноз конвективных штормов по спутниковым данным

Спрыгин Александр Анатольевич,
метеоролог ОФОАВ ФГБУ «ЦАО».

Возможности спутникового диагноза конвективных штормов над ЕТ СНГ по многоканальным данным спутников Meteosat второго поколения (MSG).

В статье будут описаны возможности спутникового диагноза и сверхкраткосрочного прогноза мезомасштабных конвективных систем по данным геостационарных спутников МЕТЕОСАТ-8 и -9 (второго поколения) – Meteosat second generation (MSG), имеющих хорошее покрытие по западу и центру Европейской части СНГ. Будет сделан также некоторый анализ возможностей приёма этих данных и их визуализации с помощью специальных программных продуктов.

1. Описание данных спутников MSG.

Спутники MSG (Meteosat второго поколения) разработаны с применением новых технологий на основе успешного опыта использования первых спутников серии Meteosat. Спутник MSG-1 (Meteosat-8) запущен 28 августа 2002 г., MSG-2 (Meteosat-9) – 21 декабря 2005 г. Спутники располагаются на долготе 9.5° (MSG-1) и 0° (MSG-2). Радиометр SEVIRI, установленный на спутниках MSG, имеет 12 каналов, которые позволяют получать изображения поверхности Земли каждые 5 (MSG-1) 15 минут (MSG-2). Канал высокого разрешения (HRV) в видимом диапазоне имеет разрешающую способность (в подспутниковой точке над низкими широтами) 1 км, остальные каналы – 3 км. [1]. Характеристики каналов представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Описание каналов спутников MSG.

Канал Маркировка (цифры – длина волны, мкм) Диапазон /характеристика Использование в анализе
Ch 01 VIS 0.6 Видимый канал Поверхность Земли, облачность, поле ветра
Ch 02 VIS 0.8 Видимый Поверхность Земли, облачность, поле ветра
Ch 03 NIR 1.6 Ближний инфракрасный канал Поверхность Земли, фазовое состояние облачных элементов
Ch 04 IR 3.9 Инфракрасный Поверхность Земли, облачность, поле ветра, обнаружение
туманов ночью, пожары
Ch 05 WV 6.2 Канал водяного пара Водяной пар, облачность верхн. яруса, неустойчивость атмосферы
Ch 06 WV 7.3 Канал водяного пара Водяной пар, неустойчивость атмосферы
Ch 07 IR 8.7 Инфракрасный канал Поверхность Земли, облачность, неустойчивость
Ch 08 IR 9.7 Инфракрасный Озон
Ch 09 IR 10.8 Инфракрасный Поверхность Земли, облачность, поле ветра, неустойчивость
Ch 10 IR 12.0 Инфракрасный Поверхность Земли, облачность
Ch 11 IR 13.4 Инфракрасный Высота облаков верхнего яруса, неустойчивость
Ch 12 HRV (0.4 – 1.1 мкм) Видимый, высокого разрешения Поверхность Земли, облачность

Важными для анализа конвективных систем являются в основном каналы: 01, 03, 09 и 12, а также сочетания различных каналов (RGB). Подробнее об этом будет рассмотрено в п. 5.

2. Система приёма спутниковых данных Eumetcast.

В конце 2003 года Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников (EUMETSAT) разработала технологию квазиоперативного распространения цифровой метеорологической
информации, включая и спутниковую, через систему телекоммуникационных спутников – EUMETCast, которая является альтернативой традиционным способам получения данных. Данная технология основана на передаче цифрового видеосигнала (Digital Video Broadcast (DVB)), для приема которого используется стандартное недорогое оборудование. Таким образом, удалось решить, в первую очередь, задачу доступности спутниковых данных и, как следствие, их эффективного использования [1].

В главный телекоммуникационный центр, расположенный в г.Узинген (Германия), передаются данные по широкополосным каналам связи со станций приема первичной информации, как с геостационарных, так и полярно-орбитальных спутников. Данные с геостационарного спутника MSG (Meteosat Second Generation) поступают со станции приема первичных данных расположенной в г. Дармштад.

Через систему Eumetcast передаются как данные с геостационарного спутника MSG, так и с полярно-орбитальных – NOAA, METOP, а также: данные метеорологических, аэрологических наблюдений и численных прогностических моделей в известных кодах: GTS, GRIB, BUFR.

Данные со спутника MSG передаются каждые 15 минут в 12 спектральных каналах, расположенных в видимом и инфракрасном диапазонах спектрах. Пространственное разрешение в подспутниковой точке по ЕТ СНГ составляет 8-12 км, а в канале высокого разрешения (HRV) – 2-4 км.

Описанная система вполне может быть рекомендована для установки в оперативно-прогностических центрах ЕТР. При этом появляется возможность оперативной визуализации и использовании в работе
метеоролога-прогнозиста геостационарных данных MSG, имеющих большую ценность (исходя из их характеристик), в частности, для диагноза и прогноза мезомасштабных конвенктивных систем (МКС).

Получение данных через систему Eumetcast успешно реализовано, в частности, в Гидрометслужбе Украины, где работает 4 станции приёма (3 в региональных метеоцентрах Львова, Одессы и Симферополя и 1 станция плюс главный сервер – в УкрНИГМИ).

3. Обзор программных продуктов для визуализации данных MSG SEVIRI. Описание возможностей пакета MSGProc/ViewMSG.

Для визуализации данных MSG разработано несколько программных
продуктов в разных странах. Среди самых известных назовём [4]:
  1. MSGProc/ViewMSG – разработчик Ян Канак (Словацкий метеорологический институт);
  2. MSG Data Manager & Animator (автор – D.Taylor);
  3. SUMO software;
  4. MSGView (автор – Aydin Erturk, Метеослужба Турции).

Все данные программные средства имеют некоторые преимущества и недостатки, однако наиболее приемлемым для использования в СНГ, на наш взгляд, является первое в данном списке (MSGProc/ViewMSG) бесплатное программное обеспечение, разработанное Яном Канаком и, в частности, любезно предоставленное для изучения и использовании в научных целях. В данное время ПО, в частности, успешно используется в Гидромете Республики Беларусь, изображения, полученные с помощью данного ПО, размещаются (только некоторые варианты отображения) на странице http://pogoda.by/eumetsat/.

На снимке (рис. 1), HRV_clouds за 01.04.2011 г, источник снимка – http://pogoda.by/eumetsat/ хорошо идентифицируются различные виды облачности, туман, а также снежный покров и его граница, ледяной покров.

Рисунок 1. Пример отображения данных MSG с помощью ПО MSGProc/ViewMSG (RGB-композиция HRV_clouds за 01.04.2011).

4. Возможности диагноза конвективных штормов по данным MSG.

Конвективные штормы различного масштаба довольно успешно идентифицируются по данным MSG, как было уже показано в вышеуказанных примерах. Необходимо отметить широкие возможности
глубокого анализа конвективной облачности по различным параметрам отображения данных. Важнейшим здесь является последовательный просмотр изображений (разных вариантов отображений) по времени (либо их анимация), при котором появляется возможность оценить стадии эволюции конвективных штормов, довольно часто и их развитость (мощность) – а значит, косвенно, и угрозу комплекса конвективных ОЯ, вызываемых наиболее развитыми и мощными образованиями.

На спутниковых снимках в видимом и инфракрасном каналах кучево-дождевые облака имеют вид больших ярких образований, которые сопровождаются более мелкими. Для хорошо развитой конвективной облачности характерно появление кристаллической фазы на ее верхней границе. На спутниковом изображении облака глубокой конвекции имеют вид мезомасштабного облачного кластера овальной или круглой формы в зависимости от силы ветра в верхнем слое атмосферы. В зоне восходящего потока облачный кластер имеет четко очерченный край. Это связано с тем, что ветер сносит верхнюю часть облака в направлении его движения. Наиболее яркая часть облака наблюдается в зоне наиболее интенсивных вертикальных движений.

И на изображениях в ИК области спектра и в видимом диапазоне и в каналах поглощения водяного пара облака Сb выглядят ярко-белыми образованиями, лишь иногда (как правило, только в начальной стадии развития) вершины облаков имеют серый тон на изображениях, что говорит о небольшой высоте верхней границы облаков.

На рисунках 2-10 схематически показано отображение облаков Cb, и их структуры в различных (вышеописанных – см. табл. 1) каналах и примеры отображения данных сочетаний (RGB).

Рисунок 2. Различие в оттенках на изображениях по разным каналам в стадии развития (а) и в зрелую фазу (б) жизненного цикла облаков Cb (VIS – каналы видимого участка спектра,
IR – инфракрасные каналы, WV – каналы поглощения водяного пара, HRVIS – канал высокого разрешения в видимом участке спектра) [3].

Как видно из рисунка 2, в изображениях облачности Cb, полученных в различных каналах (даже без использования сочетаний каналов при цветном изображении (RGB), т.е. в черно-белом виде) довольно хорошо различимы стадии развития облачных систем глубокой конвекции и отдельных облаков Cb, а также достижение вершин наиболее мощными из них уровня тропопаузы и её «пробойЛ Он идентифицируется по наличию характерного купола (Overshooting Top – OT) – сравнительно небольшого возвышения вершины над наковальней Cb, образуемого в результате мощнейшего (часто вращающегося вокруг вертикальной оси) восходящего потока внутри Cb. Данный признак часто говорит о большой мощности, а значит и потенциальной возможности развития опасных конвективных явлений, предположительно генерируемых таким облаком либо комплексом конвективных штормов. Об идентификации OT мы подробнее остановимся позднее.

Рассмотрим возможности мониторинга с помощью композитных изображений RGB полученных в результате различных сочетаний каналов (всех типов). Эта технология позволила диагностировать такие параметры облачности, как оптическая толщина, величина частиц и их фазу, влажность верхних и средних уровней, температуру верхней границы облачности, типе воздушных масс и др., а также получить информацию и о стадии развития облаков глубокой конвекции, что мы и рассмотрим подробно.

Итак, для мониторинга конвекции в дневные часы рекомендуются следующие композиции RGB (некоторые изображения уже были показаны выше, при рассмотрении ПО ViewMSGProc):
   1. Микрофизика. Используются каналы: VIS 0.6 (red), NIR 1.6 (green), IR 10.8 (blue). В этом типе отображения конвективные облака уже на очень ранней стадии развития будут белыми и светло-розовыми, становясь все более розовыми при развитии. Первое обледенение может быть обнаружено по небольшим областям сиреневого цвета, которые становятся всё темнее по мере увеличения размеров ледяных частиц (см. рис. 3).

Рисунок 3. RGB – изображение с использованием каналов VIS 0.6, NIR 1.6, IR 10.8. [3]

   2. Вместо канала IR 10.8 можно использовать канал NIR 3.9. При таком отображениии конвективные облака на ранней стадии развития будут белого цвета, развиваясь – будут становиться коричневатыми (хаки), в зрелую фазу – вершина облака станет темнее, перистые облака наковальни будут отображаться сероватым тоном, а купола (ОТ) – более светлых оттенков (по сравнению с цветом вершины Cb) – см. рис. 4.

Рисунок 4. RGB – изображение с использованием каналов VIS 0.6, NIR 1.6, NIR 3.9 [3].

   3. Наилучшая идентификация конвективных штормов производится по композиции, называемой Convective Storm RGB. Здесь используются следующие комбинации разности каналов: WV6.2-WV7.3 (red), NIR3.9-IR10.8 (green), NIR1.6-VIS0.6 (blue). В данном типе отображения холодные вершины хорошо развитых Cb с малыми ледяными частицами – желтого цвета, вершины с большими частицами – красного цвета. В особо мощных Cb мелкие ледяные частицы и даже водяные капли могут выноситься сильными восходящими потоками к вершине облака, образуя купола (Overshooting Tops). Они хорошо различимы на фоне окружающей наковальни в данном виде композиции RGB (см. рис 5).

Рисунок 5. Пример RGB изображения Convective Storm и соответствующая цветовая схема [3].

   4. При применении в сочетаниях RGB канала высокого разрешения HRV удается достичь хороших результатов для идентификации куполов Cb (OT). В ПО ViewMSGProc для этих целей можно применять такие вариантыотображения, как: HRV_Clouds и HRV_severe_storms. На рис. 6 и 7 показано, что в дневное время по этим композициям довольно хорошо просматриваются детали вершин наиболее мощных Cb, в том числе достаточно четко выделяются и рассматриваемые нами Overshooting Tops (показаны стрелкой на рис. 6 и 7).


Рисунок 6. Пример RGB изображения HRV_Clouds.

Рисунок 7. Пример RGB изображения HRV_severe_storms.

При использовании отображения HRV_severe_storms (рисунок 7) появляется возможность оценить наличие на верхней границе шторма мелких кристаллов (жёлтый цвет), что является косвенным признаком мощности шторма (его способности генерировать опасные явления), крупные кристаллы отображаются белым цветом, облака Ci развитых наковален тёмно-фиолетовым. Данный вид композиции RGB рекомендуется использовать (в частности, в УкрГМЦ) для мониторинга и наукастинга особо мощных конвективных штормов [2].

В ночное время для идентификации конвективных штормов рекомендуется использовать следующие варианты отображения:
   5. Night_microphysical – эта композиция RGB строго говоря не нацелена на обнаружение конвективных штормов, однако может быть полезной в диагнозе ночной конвекции. Здесь применяется такое сочетание каналов и их разностей для создания цветного RGB-изображения: IR12.0 – IR10.8 (red), IR10.8 – NIR3.9 (green), IR10.8 (blue). На рис. 8 показан пример изображения и схема распределения цветов при различных стадиях развития штормов.

Рисунок 8. Пример RGB изображения Night_microphysical и соответствующая цветовая схема [3].

   6. Для ночного обнаружения конвективных штормов может также использоваться композиция Airmass с использованием каналов WV6.2-WV7.3 (red), IR9.7-IR10.8 (green), WV6.2 (blue). Кроме непосредственно конвекции, этот вид изображений позволяет определить положение струйных течений, области сухого воздуха, опускающегося из нижних слоев стратосферы, а также помогает различить воздушные массы (ВМ) с высоким (тропические) и низким (полярные ВМ) содержанием озона (по информации канала IR9.7). На рис. 9 показана идентификация различных областей и воздушных масс с использованием данного вида отображения.

Рисунок 9. Изображение Airmass RGB.

Цифрами на рис. 9 обозначены идентифициунмые области: 1. Мезомасштабные конвективные системы – облака ярко-белого цвета, вершины которых достигают больших высот. 2. Фиолетовые области указывают на области с холодными воздушными массами и низкой тропопаузой. 3. Зеленые области соответсвуют теплым ВМ. Эти области характеризуются более высоким положением тропопаузы, а также низким содержанием озона. 4. Синие области соответсвуют холодным ВМ с низким положением тропопузы и большим содержанием озона. 5. Система облаков с высоким содержанием водяного пара на всех уровнях. Область вероятного положения холодного фронта. 6. Красный и темно-красный цвет указывают на области, где возможны нисходящие движения сухого воздуха из нижних слоев стратосферы [3].

Этот вид отображения также хорошо применим для раннего обнаружения конвекции. Можно заметить, что развитие конвекции имеет место в темно-синих областях (во влажных на низких и в сухих ВМ в верхних слоях тропосферы). Проникновение сухого воздуха из стратосферы, которое усиливает неустойчивость и делает эту область благоприятной для конвекции, может быть идентифицировано по областям красного цвета. На рис. 10 показано отображение и цветовая схема развития Cb в этом виде RGB-композиции.

Рисунок 10. Вид конвективных облаков и цветовая схема стадий жизненного цикла Cb на изображении Airmass RGB [3].

 

Выводы

Описанные возможности спутникового диагноза позволяют применять их в практике оперативного мониторинга и прогнозирования конвективных штормов, особенно в районах с недостаточным покрытием данными МРЛ или при их отсутствии. Это решается сравнительно недорогой установкой оборудования по приёму данных (Eumetcast) и обучением специалистов-прогнозистов по интерпретации и использовании данных.

Литература

1. Новые возможности приема цифровой спутниковой информации через систему EUMETCast / А.А. Кривобок // Украинский гидрометеорологический журнал. – 2008. – №3. – С.25 – 32.
2. Рекомендации по использованию спутниковой информации для идентификации Cb и мезомасштабных конвективных образований. – УкрГМЦ. – 2009.
3. http://www.eumetrain.org/satmanu/SatManu/main.htm.
4. http://www.convection-wg.org.