Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МИНИСТЕРСТВА ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУВПО «Пермский государственный университет»

Н.А. Калинин, Н.И. Толмачева

КОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ В МЕТЕОРОЛОГИИ

Допущено Учебно-методическим объединением

по классическому университетскому образованию РФ

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности «Метеорология»

Пермь 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.………………………………………………………...

Введение.……………………………………………………………..

Глава 1. Основные сведения сферической астрономии

.………

1.1. Небесная сфера и ее суточное вращение.……………………...

1.2. Определение видимых положений небесных светил.

Небесные координаты.………………………………………………

1.2.1. Горизонтальная система небесных координат.…………

1.2.2. Экваториальная система координат……………………..

1.3. Видимое суточное движение светил…………………………..

1.4. Годовое движение Солнца……………………………………..

1.5. Движение Луны и планет………………………………………

1.6. Измерение времени……………………………………………..

1.6.1. Определение звездного времени………………………..

1.6.2. Определение солнечного времени……………………...

1.6.3. Определение времени на различных меридианах……..

1.6.4. Поясное и декретное время……………………………...

1.7. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения. Механика

неба …………………………………………………………………...

Глава 2. Основы теории движения искусственого спутника

Земли………………………………………………………………….

2.1. Невозмущенное движение……………………………………...

2.1.1. Траектория полета. Уравнение движения спутника…...

2.1.2. Плоскость орбиты спутника. Уравнение движения

ИСЗ в плоскости орбиты…………………………………………….

2.1.3. Элементы орбиты и параметры движения спутника…..

2.2. Возмущенное движение ИСЗ…………………………………...

2.2.1. Уравнение движения спутника с учетом

возмущающих сил……………………………………………………

2.2.2. Возмущения, вызываемые несферичностью Земли …..

2.2.3. Возмущения, вызываемые сопротивлением атмосферы

2.2.4. Возмущающее влияние планет, Солнца и светового

давления………………………………………………………………

2.2.5. Время существования спутника………………………...

2.2.6. Типы орбит ИСЗ………………………………………….

2.2.7. Определение географических координат ИСЗ…………

Глава 3. Метеорологическое зондирование атмосферы

из космоса……………………………………………………………

3.1. Физические основы получения метеорологической

информации из космоса……………………………………………..

3.1.1. Общая характеристика методов дистанционного

зондирования…………………………………………………………

3.1.2. Физико-математические основы косвенных

дистанционных методов измерений метеорологических величин..

3.2. Основные понятия теории излучения………………………….

3.2.1. Электромагнитное излучение и его трансформация…..

3.2.2. Взаимодействие электромагнитного излучения

с атмосферой…………………………………………………………

3.3. Теория излучения. Уравнение переноса……………………….

3.3.1. Основные законы излучения…………………………….

3.3.2. Вывод уравнения переноса излучения………………….

3.3.3. Коэффициенты поглощения, рассеяния и ослабления...

3.4. Обзор систем дистанционного зондирования…………………

3.4.1. Прибор MSS (спутник Landsat)…………………………

3.4.2. Прибор HRV (спутник SPOT)…………………………...

3.4.3. Прибор МСУ-Э (спутник Ресурс-01)…………………...

3.4.4. Прибор GOME (спутник ERS-2)………………………..

3.4.5. Прибор AVHRR(спутник NOAA)………………………

3.4.6. Микроволновые радиометры SMMR и SSM/I…………

3.4.7. Прибор SAR (спутник ERS-1/2)………………………...

Глава 4. Метеорологические спутники Земли………………….

4.1. Научная и служебная аппаратура МСЗ………………………...

4.2. Наземный комплекс приема, обработки и распространения

спутниковой информации Росгидромета…………………………..

4.2.1. Особенности приема и обработки спутниковой

информации программным комплексом…………………………...

4.3. Метеорологические космические системы……………………

4.3.1. Космические аппараты дистанционного зондирования

4.3.2. Прием спутниковой информации………………………

4.3.3. Искажения спутниковых сканерных изображений……

Глава 5. Основные виды метеорологической информации,

получаемой с МСЗ, и ее обработка……………………………….

5.1. Общая характеристика гидрометеорологической

спутниковой информации…………………………………………...

5.1.1. Изображения, получаемые в видимом участке спектра

излучения……………………………………………………………..

5.1.2. Инфракрасная спутниковая информация………………

5.1.3. Микроволновая радиометрия……………………………

5.1.4. Многоспектральные космические изображения и

спектрометрические наблюдения с МСЗ…………………………...

5.2. Временная и географическая привязка космических

104

107

111

118

128

133

138

139

140

142

144

изображений………………………………………………………….

5.2.1. Слежение за метеорологическими спутниками Земли...

5.2.2. Кодовая форма для слежения за МСЗ…………………..

5.2.3. Временная привязка космических изображений………

5.2.4. Географическая привязка космических изображений...

5.3. Метеорологическое дешифрирование космических снимков

облачности……………………………………………………………

5.3.1. Особенности дешифрирования космических снимков..

5.3.2. Инструментальное дешифрирование снимков МСЗ…..

5.3.3. Количественная интерпретация спутниковой

информации…………………………………………………………..

5.3.4. Текстура и мезоструктура изображения………………..

5.3.5. Макроструктура снимка…………………………………

5.3.6. Дешифрирование облачности…………………………...

5.3.7. Изображение подстилающей поверхности

на космических снимках…………………………………………….

5.4. Использование мезоструктурных особенностей облачности

в анализе атмосферных процессов………………………………….

5.4.1. Конвективные облачные системы и их связь

с характеристиками состояния атмосферы…………………………

5.4.2. Орографические облачные системы……………………

5.4.3. Облачные системы, связанные с неоднородностью

температуры и шероховатостью подстилающей поверхности……

5.5. Макроструктурные особенности облачных полей и их связь

с синоптическими процессами……………………………………...

5.5.1. Облачность воздушных масс, атмосферных фронтов

и струйных течений………………………………………………….

5.5.2. Облачность барических систем на космических

изображениях………………………………………………………...

5.5.3. Облачность антициклонов………………………………

5.5.4. Оценка эволюции и перемещения облачных

образований…………………………………………………………..

5.6. Облачные системы тропической зоны…………………………

5.6.1. Обнаружение тропических циклонов…………………..

5.6.2. Эволюция тропических циклонов………………………

5.6.3. Международная классификация тропических

возмущений и циклонов……………………………………………..

5.6.4. Прогноз эволюции тропических циклонов. Метод,

основанный на анализе структуры облачности……………………

5.7. Оценка локальных условий погоды по космическим изобра-

жениям………………………………………………………...

145

152

154

155

157

158

160

164

166

170

173

177

180

182

186

189

194

201

202

208

209

211

217

222

5.7.1. Анализ атмосферного давления…………………………

5.7.2. Анализ распределения температуры……………………

5.7.3. Оценка относительной влажности и выпадения

осадков………………………………………………………………..

5.7.4. Определение характеристик воздушных движений…...

5.8. Основные направления комплексного использования данных

МСЗ и наземных метеорологических радиолокаторов для

анализа условий погоды……………………………………………..

5.8.1. Облачность воздушных масс……………………………

5.8.2. Анализ зон осадков и очагов гроз………………………

5.8.3. Структура облачных систем атмосферных фронтов…..

5.9. Использование данных МСЗ в численных методах анализа

условий погоды………………………………………………………

5.9.1. Определение температуры излучающей поверхности...

5.9.2. Определение вертикальных профилей температуры,

влажности и основных газовых компонент атмосферы…………...

5.9.3. Восстановление полей воздушных течений по данным

МСЗ…………………………………………………………………...

5.10. Использование спутниковой информации в процессе

метеорологического обеспечения авиации………………………...

5.10.1. Применение данных спутниковых наблюдений

в синоптическом анализе……………………………………………

5.10.2. Обнаружение тумана и низких слоистообразных

облаков………………………………………………………………..

5.10.3. Определение характеристик турбулентности

по данным МСЗ………………………………………………………

5.11. Применение данных спутниковых наблюдений

в агрометеорологии, гидрологии суши и экологии природной

среды………………………………………………………………….

Глава 6. Использование космических изображений

для диагноза и прогноза условий погоды……………………….

6.1. Диагноз фронтальных облачных полос на космических

изображениях………………………………………………………...

6.1.1. Холодные фронты………………………………………...

6.1.2. Теплые фронты……………………………………………

6.1.3. Фронты окклюзии………………………………………...

6.1.4. Взаимосвязь между облачным вихрем

и местоположением приземного циклонического центра………...

6.2. Использование данных МСЗ для прогнозирования

облачности и осадков………………………………………………..

6.2.1. Анализ летних осадков с использованием снимков

223

224

225

226

227

228

231

232

236

240

243

244

245

247

248

258

260

263

264

облачности……………………………………………………………

6.2.2. Анализ зимних осадков с использованием космических

снимков……………………………………………………………….

6.2.3. Использование космических снимков для прогноза

количества и вероятности осадков………………………………….

Глава 7. Прогнозирование на основе цифровой обработки

изображений…………………………………………………………

7.1. Общие принципы и методы цифровой обработки

спутниковых изображений………………………………………….

7.1.1. Текстурный анализ изображений………………………

7.1.2. Построение центральной линии объекта на

спутниковых изображениях…………………………………………

7.1.3.Система цифровой обработки спутниковых

изображений………………………………………………………….

7.1.4. Построение атмосферных фронтов на спутниковых

снимках……………………………………………………………….

7.1.5. Прогнозирование динамики атмосферных фронтов и

облачных образований………………………………………………

7.1.6. Определение степени покрытия облаками земной

поверхности по спутниковым изображениям……………………...

7.2. Пакет IDRISI для цифровой обработки изображений………..

7.2.1. Геоинформационные системы: основные понятия……

7.2.2. ГИС IDRISI……………………………………………….

7.2.3. Основные этапы обработки данных дистанционного

зондирования с помощью ГИС IDRISI……………………………..

7.2.4. Ввод и отображение спутниковых данных в IDRISI…..

7.2.5. Предварительная обработка спутниковых данных с

помощью ГИС IDRISI……………………………………………….

7.2.6. Определение характеристик подстилающей

поверхности…………………………………………………………..

Библиографический список……………………………………….

265

268

274

281

285

291

293

298

308

312

317

318

322

326

329

332

340

342

ПРЕДИСЛОВИЕ

Последний учебник по курсу «Космические методы исследова-

ний в метеорологии» издан в нашей стране в 1995 г.* Стремительное

развитие космических технологий коренным образом изменили воз-

можности аппаратных и программных средств обработки данных, по-

ступающих с искусственных спутников Земли, что привело к необхо-

димости подготовки нового учебника, учитывающего современные

тенденции в развитии дистанционного зондирования Земли из космоса

в оценках состояния природной среды, атмосферы, подстилающей по-

верхности и погоды.

Предлагаемый вниманию читателя учебник сложился в резуль-

тате чтения курса лекций в Пермском государственном университете

на протяжении последних 10 лет. В нем изложен полный комплекс

теоретических вопросов, касающихся исследования атмосферы с ис-

пользованием метеорологических космических систем. Главное вни-

мание уделено основным теоретическим понятиям дисциплины (осно-

вам теории движения искусственного спутника и теории излучения),

вопросам физико-технического характера (особенностям строения ме-

теорологических космических систем) и методическим основам полу-

чения и обработки данных наблюдений метеорологических спутников.

Довольно подробно в учебнике изложены способы интерпретации и

использования спутниковых данных в синоптическом анализе и крат-

косрочном прогнозе погоды. Наиболее важной, с точки зрения исполь-

зования спутниковых метеорологических данных при обслуживании

потребителей, являются главы 5, 6 и 7, где показаны существующие и

обозначены потенциальные возможности космической информации в

диагнозе опасных метеорологических явлений и прогнозе погоды. Ос-

новной задачей курса является изучение теоретических основ и мето-

дических принципов получения, обработки, интерпретации и практи-

ческого использования информации метеорологических спутников

Земли для диагноза и прогноза погоды. Для успешного освоения курса

студенты должны располагать знаниями в области физической и ди-

намической метеорологии, физики, астрономии, а также владеть прак-

тикой работы в современных программах ГИС, Windows и Internet.

Искреннюю благодарность авторы выражают коллективу ка-

федры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы Казанского

государственного университета во главе с д-ром геогр. наук проф.

Ю.П. Переведенцевым, а также канд. геогр. наук И.Ф. Берестовскому,

взявшим на себя труд по рецензированию рукописи.

_ __________________ _________ ____________ ____________ ______ _______________ ____________ _________ ____________ ____________ ___________ _________ ____________ ____________ ________

*См.: Говердовский В.Ф. Космическая метеорология с основами ас-

трономии / РГГМИ. СПб., 1995.

ВВЕДЕНИЕ

Мечты о проникновении в космос и стремление человека к звез-

дам родились тысячелетия назад, но первый известный проект пилоти-

руемого ракетного летательного аппарата в научной разработке был

выполнен русским ученым Н.И. Кибальчичем в 1881 г. Основополож-

ником космонавтики, создателем теории ракетного полета, основных

принципов построения ракетно-космических систем, автором первых

научных планов проникновения человека в межпланетное пространст-

во является К. Э. Циолковский. Опубликованная им в 1903 г. работа

«Исследование мировых пространств реактивными приборами» явля-

ется фундаментальным вкладом в мировую науку. Теоретические раз-

работки К.Э. Циолковского подтверждены и дополнены как оте-

чественными учеными (Ю.В. Кондратюк, Ф.А. Цандер, В.П. Ветчин-

кин, Н.И. Тихомиров, С.П. Королев, В.П. Глушко и многие другие),

так и за рубежом (Р. Эно-Пельтри (Франция), Р. Годдард (США), Г.

Оберт (Германия) и др.).

Космическая эра на Земле началась 4 октября 1957 г., когда на-

ша страна впервые в мире вывела на орбиту искусственный спутник.

После запуска первого искусственного спутника Земли начались ин-

тенсивные разработки дистанционных методов измерений и соответст-

вующей аппаратуры для их реализации. Начало исследованиям плот-

ности высоких слоев атмосферы положил запуск третьего космическо-

го спутника, запущенного 15 мая 1958 г., а с марта 1962 г. в рамках

программы «Космос» началась планомерная работа по подготовке и

осуществлению запусков метеорологических искусственных спутни-

ков Земли (ИСЗ). Первый такой спутник, «Космос-122», был запущен

25 июня 1966 г., с его помощью была получена значимая гидрометео-

рологическая информация. И хотя он позволил исследовать только

глобальное поле облачности, этот первый космический эксперимент

наглядно продемонстрировал огромные потенциальные возможности

нового типа метеорологических наблюдений. В последующие годы в

России, США и ряде других стран были запущены и успешно функ-

ционировали десятки различных МСЗ как оперативного, так и иссле-

довательского характера, позволившие получить много разнообразной

количественной информации о параметрах физического состояния

системы атмосфера–подстилающая поверхность.

Дистанционное зондирование Земли из космоса включает на-

блюдения и измерения энергетических и поляризационных харак-

теристик собственного и отраженного излучения элементов суши,

океана и атмосферы в различных диапазонах электромагнитных волн,

способствующих описанию местонахождения, характера и временной

изменчивости естественных природных параметров и явлений, при-

родных ресурсов, окружающей среды, а также антропогенных объек-

тов и образований.

Космические методы исследований в метеорологии (космиче-

ская метеорология) — это раздел метеорологии, изучающий физиче-

ское состояние атмосферы и подстилающей поверхности, систему

Земля — атмосфера в целом, а также метеорологические явления и

процессы с помощью искусственных спутников.

Главная задача космических методов исследований в метеоро-

логии — получить необходимую первичную информацию об атмо-

сферных процессах и явлениях, о состоянии земной поверхности и

океана в планетарном масштабе и разработать методы использования

этой информации для анализа и прогноза погоды, экологического со-

стояния окружающей среды, изучения климата.

Современное состояние и проблемы развития метеорологиче-

ских космических систем (МКС). Отечественная МКС развивается как

2-ярусная система в составе среднеорбитальных космических аппара-

тов (КА) на приполярных орбитах серии «Метеор» и высокоорбиталь-

ного (геостационарного) КА «Электро». Гидрометслужба России (Рос-

гидромет) выполняет функции оператора национальных метеорологи-

ческих космических систем (МКС) и является крупнейшим на феде-

ральном уровне потребителем данных океанографических спутников

серии «Океан-01», спутников изучения природных ресурсов серии

«Ресурс-01». Информация оперативных метеорологических ИСЗ (с

начала 70-х гг.) и океанографических спутников (с 1984 г.) использу-

ется на регулярной основе прогностическими подразделениями Гид-

рометеорологической службы. В условиях постоянного сокращения

плотности сети наблюдений (как на суше, так и над океанами) даль-

нейшее развитие и совершенствование отечественной МКС, включая

космический и наземный сегменты, становится одной из важнейших

задач, по существу определяющих перспективу гидрометеорологиче-

ского обслуживания различных отраслей экономики страны.

Отечественная МКС развивалась как составная часть глобаль-

ной космической подсистемы наблюдений гидрометеорологического

назначения, которая сложилась на основе национальных космических

систем при координирующей роли Всемирной метеорологической ор-

ганизации (ВМО): спутники основных операторов США, Европейско-

го сообщества, Японии, КНР на геостационарной орбите (GOES-E,

GOES-W, METEOSAT, GMS, FY-2) и система оперативных аме-

риканских ИСЗ серии NOAA на средневысотных солнечно-синхрон-

ных орбитах. Значительный объем спутниковой метеоинформации

Росгидромет получает с ИСЗ серии NOAA (данные регионального по-

крытия) и с зарубежных геостационарных ИСЗ.

Оперативные полярно-орбитальные метеорологические ИСЗ

включают многоканальный сканер видимого и инфракрасного (ИК)

диапазонов спектра; аппаратуру атмосферного зондирования; борто-

вую радиотехническую систему сбора данных с наземных на-

блюдательных станций. Перечисленные виды аппаратуры уста-

навливаются на борту спутников «NOAA», КА «Метеор-3М». Выход-

ные продукты для информационного обеспечения задач оперативной

метеорологии включают многоспектральные изображения облачности

и подстилающей поверхности, данные температурно-влажностного

зондирования атмосферы (ТВЗА), данные о температуре поверхности

океана и суши, а также параметры облачного покрова — регионально-

го и глобального покрытия.

Выходные спутниковые информационные продукты и их ис-

пользование. Основные направления использования космической ме-

теорологической информации:

– оперативное гидрометобеспечение, включая подготовку гид-

рометеорологических прогнозов различных масштабов и заблаговре-

менности;

– обнаружение опасных и стихийных гидрометеорологических

явлений;

– мониторинг ледовой обстановки в арктических и антарк-

тических морях;

– мониторинг климата, окружающей среды и глобальных изме-

нений.