СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В РАЙОНАХ С ОБЛАЧНЫМ ПОКРОВОМ Российский патент 2008 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к метеорологии, а точнее к методам спутникового определения метеорологических параметров атмосферы в районах с облачным покровом, и наиболее эффективно может быть использовано для диагноза и картирования с геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ) таких параметров атмосферных явлений, как средняя и максимальная интенсивности осадков, их фаза, максимальная скорость вертикальных восходящих движений в облачности, водозапас облаков, верхняя граница кучево-дождевой облачности, интенсивность гроз, диаметр града и др. Карты пространственного распределения таких параметров необходимы при разработке безопасных маршрутов полета авиации, метеорологическом обслуживании наземного и морского транспорта, сельского хозяйства, энергетики и других отраслей экономики, а также для учета в качестве исходных данных при разработке сверх краткосрочных и краткосрочных прогнозов погоды в конкретных регионах.

Известен способ определения параметров атмосферных явлений в районах с облачным покровом, заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, по величине которой судят о возможной интенсивности летних осадков ([1], с.28-38).

Недостатком известного способа является большая погрешность количественного определения интенсивности осадков в разные сезоны года, когда температура воздуха у поверхности Земли в разных широтных поясах меняется в больших пределах, а также небольшое количество диагностируемых метеорологических параметров.

Известен способ определения параметров атмосферных явлений в районах с облачным покровом, заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, по величине которой судят о высоте верхней границы облаков, максимальной скорости вертикальных восходящих движений, количестве осадков и других метеорологических параметрах ([2], с.18, 34, 39, 64).

Недостатком известного способа является ограниченность его применения только теплым периодом года, когда наблюдаются зоны атмосферной конвекции, дневным и вечерним временем суток, а также необходимость проведения интерактивного анализа типов облачного покрова.

Из известных наиболее близким по технической сущности и реализации является способ определения параметров атмосферных явлений в районах с облачным покровом, заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли [3].

Недостатком известного способа является ограниченность его применения только одной задачей - определением высоты нулевой изотермы в облаках.

Целью изобретения является расширение перечня метеорологических параметров атмосферных явлений, диагностируемых по спутниковой информации в районах с облачным покровом в любое время суток.

Цель достигается тем, что в способе определения параметров атмосферных явлений в районах с облачным покровом, заключающемся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, согласно изобретению, выделяют пространственно совпадающие и одинаковые по размерам участки облачного покрова и поверхности Земли, по измеренным в пределах каждого выделенного участка значениям радиационной температуры и температуры воздуха у поверхности Земли рассчитывают их соответствующие средние значения, при отсутствии измеренных значений температуры воздуха в пределах выделенного участка ее среднее значение оценивают по пространственно ближайшим измеренным значениям температуры воздуха, а параметры атмосферных явлений в пределах каждого участка облачного покрова рассчитывают по формулам

где Tp - среднее значение радиационной температуры теплового излучения; Твп - среднее значение температуры воздуха у поверхности Земли; Нвго - максимальная высота верхней границы облачности; Wm - максимальная скорость вертикальных восходящих потоков в облачности; Imed, Imax - среднее и максимальное значения интенсивности осадков соответственно; γ - среднее значение вертикального градиента температуры воздуха в слое от поверхности Земли высотой h (над уровнем моря) до верхней границы облачности; FR₁, FR₂ - дискриминантные функции наличия (FR₁=FR₀₂=1) и отсутствия (FR₁=FR₂=0) осадков средней и максимальной интенсивности соответственно; Tp₁, γ₁, Imed₁ - критические значения соответствующих параметров; С_Н, C_w, С₁₁, C₁₂ - эмпирические коэффициенты, причем, значения С_Н и C_w зависят от среднего значения температуры воздуха у земли.

Кроме того, радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, измеряют с геостационарного ИСЗ в диапазоне 10-11 мкм, температуру воздуха у поверхности Земли измеряют на сети наземных и морских метеорологических наблюдений, а все измерения проводят одновременно в стандартные синоптические сроки.

Кроме того, при несовпадении моментов времени измерения значений радиационной температуры и температуры воздуха, оценки средних значений температуры воздуха у поверхности Земли выполняют с учетом ближайших предшествующих измерений и климатического суточного хода температуры воздуха по формуле:

Твп=Твп(t₀)+КТвп(t)-КТвп(t₀),

где Твп(t₀), КТвп(t₀) и КТвп(t) - среднее значение температуры воздуха у поверхности Земли и ее климатические значения, соответственно, в ближайший предшествующий срок измерений t₀ и момент времени t текущего измерения значений радиационной температуры.

Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы показал, что на дату подачи заявки не известны технические решения, в которых раскрыта заявленная совокупность отличительных существенных признаков, позволяющая достигнуть поставленную цель. Вследствие этого предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

Для подтверждения возможности осуществления изобретения рассмотрим конкретный пример его реализации. При этом измерение радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, можно осуществлять с помощью радиометров инфракрасного (ИК) диапазона, например, типа AVHRR, установленных на полярно-орбитальных ИСЗ NOAA [1] или радиометров ИК-диапазона, установленных на геостационарных ИСЗ типа Meteosat и др. ([4], с.34). Пространственное разрешение таких радиометров на поверхности Земли и на верхней границе облачного покрова составляет единицы км.

Для решения поставленной задачи необходимо определять средние значения радиационной температуры и температуры воздуха в пределах выделяемых участков, имеющих линейные размеры примерно от 10·10 до 50·50 км·км. Существенно больший (чем пространственное разрешение спутниковых измерений) размер выделяемых участков объясняется тем, что параметры атмосферных явлений при облачности меньшего размера во многих случаях невозможно однозначно диагностировать из-за большой пространственной изменчивости локальных значений радиационной температуры и температуры воздуха у земли. Поэтому соответствующая площадь выделяемых участков, в пределах которой целесообразно оценивать средние значения радиационной температуры и температуры воздуха у поверхности Земли, составляет примерно сотни км².

Выделение пространственно совпадающих участков облачного покрова и поверхности Земли в простейшем случае можно осуществить с помощью сетки географических координат, имеющей одинаковый шаг по долготе и широте, например, 0.2°. При этом процедура вычисления географических координат любого элемента спутникового изображения известна и широко используется при подготовке спутниковых выходных продуктов [4]. Координаты всех метеостанций на поверхности Земли, а также расположение морских судов, на которых проводятся измерения температуры воздуха и других метеопараметров, известны, либо сообщаются в телеграммах, передаваемых в стандартные сроки наблюдений. Фактическая метеорологическая информация, измеренная в стандартные синоптические сроки (через каждые 3 часа), оперативно поступает в Гидрометцентр России и может быть использована для реализации заявленного способа.

Следует отметить, что не все метеорологические станции передают результаты измерений в стандартные синоптические сроки (через каждые 3 часа). Поэтому, для исключения пропусков в пространственном поле данных о температуре воздуха, целесообразным оказывается оценка ее возможных значений, основанная на учете результата ближайших предшествующих измерений и ее климатического суточного хода в каждом анализируемом районе. Кроме исключения пропусков информации, эта процедура позволяет оценивать значения температуры воздуха и в те промежуточные моменты времени (например, через каждые 30 минут или каждый час), когда проводятся измерения значений радиационных температур с геостационарных спутников.

Для оценки среднего значения температуры воздуха у поверхности Земли в пределах каждого выделенного участка, в простейшем случае можно использовать арифметическое усреднение пространственно ближайших измеренных значений температуры воздуха, либо известную математическую процедуру их пространственной интерполяции или экстраполяции.

Входящие в соотношения (1)-(5) значения всех эмпирических коэффициентов и их зависимость от средней температуры воздуха у Земли могут быть эмпирически найдены для любого анализируемого района аналогично тому, как это было сделано для теплого периода в работе [2].

Способ реализуется следующим образом. С помощью радиометра ИК-диапазона, установленного, например, на полярно-орбитальном ИСЗ, проводят измерение значений радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова и подстилающей поверхности.

Одновременно или почти одновременно (расхождение по времени не должно превышать 30 минут) с этим, в тех же самых или пространственно ближайших участках поверхности Земли проводят стандартные метеорологические измерения значений температуры воздуха на высоте 2 м от поверхности и других метеопараметров (скорость ветра, влажность воздуха, количество осадков, балл и тип облачности и т.д.).

На полученных картах значений радиационной температуры и температуры воздуха выделяют пространственно совпадающие участки протяженностью, например, 0.2° по широте и долготе (или примерно 20·20 км·км). В пределах каждого такого участка по измеренным значениям рассчитывают соответствующие средние значения радиационной температуры (Тр) и температуры воздуха (Твп). При отсутствии измеренных значений температуры воздуха в пределах выделенного участка ее среднее значение оценивают по пространственно ближайшим измеренным значениям температуры воздуха.

Выделяют участки с облачным покровом, для которых выполняются следующие условия: Тр<-10°С и Твп-Тр>5°С. После чего, по формулам (1)-(5) рассчитывают параметры атмосферных явлений в пределах каждого выделенного участка облачного покрова.

Кроме того, радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, измеряют с геостационарного ИСЗ в диапазоне 10-11 мкм, температуру воздуха у поверхности Земли измеряют на сети наземных и морских метеорологических наблюдений, а все измерения проводят одновременно в стандартные синоптические сроки. Такой вариант измерений является наиболее оптимальным для того, чтобы проводить регулярный спутниковый мониторинг значений параметров атмосферных явлений в стандартные сроки, а также использовать получаемые спутниковые данные для повышения пространственной детальности значений метеоэлементов, что может оказаться полезным при совершенствовании численных методов краткосрочного и среднесрочного прогноза погоды.

Учитывая синхронность и пространственную совмещенность измерений, определяемые по спутниковым данным значения ряда метеопараметров допускают прямую проверку их соответствия результатам наземных измерений. По результатам такой проверки, для отдельных районов, обладающих явно выраженной спецификой влияния на погоду местных орографических особенностей, дополнительно могут уточняться значения используемых эмпирических коэффициентов.

Кроме того, при несовпадении моментов времени измерения значений радиационной температуры и температуры воздуха, оценки средних значений температуры воздуха у поверхности Земли выполняют с учетом ближайших предшествующих измерений и климатического суточного хода температуры воздуха по формуле:

Твп=Твп(t₀)+КТвп(t)-КТвп(t₀),

где Твп(t₀), KTвп(t₀) и КТвп(t) - среднее значение температуры воздуха у поверхности Земли и ее климатические значения, соответственно, в ближайший предшествующий срок измерений t₀ и момент времени t текущего измерения значений радиационной температуры. Этот вариант измерений является наиболее оптимальным для того, чтобы восстанавливать значения параметров атмосферных явлений при каждом измерении радиационной температуры, проводимом с геостационарных спутников с периодичностью 0.5 или 1 час. В этом случае оказывается возможным проведение детального анализ динамики изменения значений параметров атмосферных явлений, что необходимо для разработки сверхкраткосрочных прогнозов погоды и опасных явлений.

Вышеописанную последовательность действий повторяют для каждого выделяемого участка с облачностью. После чего, определенные таким образом значения метеорологических параметров (верхняя граница облачности, максимальная скорость вертикальных восходящих движений в облаках, средняя и максимальная интенсивности осадков и др.) наносят на карты. Карты пространственного распределения таких параметров необходимы при разработке безопасных маршрутов полета авиации, метеорологическом обслуживании наземного и морского транспорта, сельского хозяйства, энергетики и других отраслей экономики, а также для учета в качестве исходных данных при разработке сверхкраткосрочных и краткосрочных прогнозов погоды в конкретных регионах.

Следует отметить, что, если по способу [3] одновременно определять высоту нулевой изотермы в облаках, а также учитывать известные взаимосвязи между параметрами, описанные в работах [2], ([5], с.159-161), то в летний период оказывается возможным по спутниковой информации дополнительно диагностировать диаметр града и интенсивность грозовой деятельности. Если же дополнительно учитывать и взаимосвязи между параметрами, описанные в работе ([5], с.142-145), то в переходные сезоны оказывается возможным распознавать и фазу выпадающих осадков (снег, снег с дождем, дождь).

По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет существенно расширить перечень диагностируемых метеорологических параметров атмосферных явлений в районах с облачным покровом и повысить точность их диагноза. Вследствие этого предлагаемый способ может найти широкое практическое применение.

Следует отметить, что в настоящее время ежечасные снимки с геостационарных ИСЗ, получаемые в инфракрасном диапазоне, являются одним из наиболее оперативных и широко используемых видов спутниковой метеорологической информации. Реализация предложенного способа позволит перейти от проводимого сейчас качественного анализа таких снимков к количественному анализу восстанавливаемых по ним значений метеорологических параметров и может послужить основой совершенствования численных методов прогноза естественной динамики погоды и опасных метеорологических явлений. В свою очередь, это может позволить перейти к более точным оценкам и прогнозированию ожидаемой результативности известных новых методов управляемого дистанционного воздействия на погоду.

Литература

1. Волкова Е.В., Успенский А.Б. Детектирование облачности и выделение зон осадков регионального масштаба по данным полярно-орбитальных метеорологических ИСЗ. - Метеорология и гидрология, 2002, №4, с.28-38.

2. Руководство по диагнозу и прогнозу опасных и особо опасных осадков, града и шквалов по данным метеорологических радиолокаторов и искусственных спутников Земли. / Н.И.Глушкова, В.Ф.Лапчева. - М., Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 1996, с.18, 34, 39, 64.

3. Бухаров М.В., Алексеева А.А., Глушкова Н.И. Способ определения высоты нулевой изотермы в облаках. - Патент РФ №2193787, G01W 1/00, БИ №33 от 27.11.2002 г.

4. Справочник потребителя спутниковой информации. / Под ред. В.В.Асмуса и О.Е.Милехина. С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 2002, с.34.

5. Приходько М.Г. Справочник инженера-синоптика. - Л., Гидрометеоиздат, 1986, 327 с.

Изобретение относится к метеорологии, в частности, к методам определения метеорологических параметров атмосферы в районах с облачным покровом. Сущность: измеряют радиационную температуру теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и температуру воздуха у поверхности Земли. Выделяют пространственно совпадающие и одинаковые по размерам участки облачного покрова и поверхности Земли. По измеренным в пределах каждого выделенного участка значениям радиационной температуры и температуры воздуха у поверхности Земли рассчитывают их соответствующие средние значения. С учетом полученных значений рассчитывают параметры атмосферных явлений в пределах каждого участка облачного покрова. Технический результат: расширение перечня определяемых метеорологических параметров. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ определения параметров атмосферных явлений в районах с облачным покровом, заключающийся в измерении радиационной температуры теплового излучения, уходящего от верхних участков облачного покрова, и измерении температуры воздуха у поверхности Земли, отличающийся тем, что выделяют пространственно совпадающие и одинаковые по размерам участки облачного покрова и поверхности Земли, по измеренным в пределах каждого выделенного участка значениям радиационной температуры и температуры воздуха у поверхности Земли рассчитывают их соответствующие средние значения, при отсутствии измеренных значений температуры воздуха в пределах выделенного участка ее среднее значение оценивают по пространственно ближайшим измеренным значениям температуры воздуха, а параметры атмосферных явлений в пределах каждого участка облачного покрова рассчитывают по формулам

где Тр - среднее значение радиационной температуры теплового излучения; Твп - среднее значение температуры воздуха у поверхности Земли; Нвго - максимальная высота верхней границы облачности; W_m - максимальная скорость вертикальных восходящих потоков в облачности; Imed, Imax - среднее и максимальное значения интенсивности осадков соответственно; γ - среднее значение вертикального градиента температуры воздуха в слое от поверхности Земли высотой h до верхней границы облачности; FR₁, FR₂ - дискриминантные функции наличия (FR₁=FR₀₂=1) и отсутствия (FR₁=FR₂=0) осадков средней и максимальной интенсивности соответственно; Tp₁, γ₁, Imed₁ - критические значения соответствующих параметров; С_Н, C_w, С₁₁, C₁₂ - эмпирические коэффициенты, причем значения С_Н и C_w зависят от среднего значения температуры воздуха у земли.

Твп=Твп(t₀)+КТвп(t)-КТвп(t₀),

где Твп(t₀), KTвп(t₀) и КТвп(t) - среднее значение температуры воздуха у поверхности Земли и ее климатические значения, соответственно, в ближайший предшествующий срок измерений t₀ и момент времени t текущего измерения значений радиационной температуры.