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

Подождите немного. Документ загружается.

– добавочных минимумов при d sin

= 1/2

, 3/2

5/2

,..., (5.23)

где d — расстояние между идентичными точками соседних щелей;

– главных максимумов при d sin

, 2

, 3

,…. (5.24)

При этом между главными максимумами располагается доба-

вочны

х угла

й максимум, а вся картина практически сосредоточена в области

центрального дифракционного максимума от щели в предела

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

+−

bbb

λλ

⎛

ражением (5.22);

которых равно N – 1

и кото

В общем случае спектр дифракционной решетки, включающей

N щелей, состоит из:

– первичных максимумов и минимумов, обусловленных ди-

фракцией света на щели, положение которы определяется вы-

– главных максимумов, определяемых параметрами решетки d и

b, положение которых определяется выражением (5.24);

– добавочных минимумов и вторичных максимумов, распола-

гающихся между главными максимумами, число

рые в спектре, как правило, визуально не обнаруживаются.

Расстояние между главными максимумами определяется пе-

риодом решетки d, а распределение интенсивности между ними —

соотношением между b и d. В интервале

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−

λλ

количество глав-

ных максимумов также определяется отношением d/b, а не количест-

вом щелей в рамке N. Чем больше отношение d/b, тем больше главных

максимумов в интервале. В тех случаях, когда d и b соизмеримы, неко-

ксимумы будут отсутствовать.

торые главные ма

Если у дифракционной решетки d/b → 1 или d/b → ∞, а также

если она состоит из штрихов (параллельных щелей, имеющих одина-

ковую ширину, длину и контраст), расположенных на различных рас-

стояниях друг от друга (случайное распределение), то дифракционная

карт на не будет иметь главных максимумов и по виду будет прибли-

жаться к дифракции на отдельной щели.

Синусоидальная дифракционная решетка, для которой ампли-

тудное пропускание света

(х) определяется соотношением

()

2/2/

cos

eeB

ωτ

−

++=+=

, (5.25)

пропускает световые потоки в трех направлениях: параллельно опти

ческой оси; под углом к оптической оси, синус которого равен +

ωλ

;

под углом к оптической оси, синус которого равен –

ωλ

. Заметим,

162

что

— угловая частота решетки. Следовательно, дифракционная

картина от такой решетки будет состоять из двух точечных максиму-

мов, отстоящих от третьего, центрального (недифрагированный свет)

на расстоянии u =

f/d, причем f — фокусное расстояние линзы опти-

ческой системы, а

— длина волны света.

Изображение, состоящее из нескольких синусоидальных ре-

шеток, дает дифракционную картину в виде нескольких максимумов.

При анализе космических изображений, представляющих собой

двумерное распределение коэффициента пропускания (яркости), ис-

пользуется двумерная ракционная картина, создаваемая световым

, дифрагирующим на двумерной решетке. При этом в частном

случае изображение может рассматриваться как совокупность не-

скольких однополярных решеток. Тогда по расположению и направле-

нию соответствующих максимумов можно судить о периодичности и

взаимной ориентировке решеток изображения, а параметр d/b может

быть использован для изучения характера периодических объектов (на

земной поверхности — пашни, леса, барханы, морские волны; в атмо-

сфере — поля сплошной облачности, волнистые облака, конвективные

облачные ячейки).

диф

полем

вание Фурье, пре-

путем использования структурных призна-

Дифракционная картина любого космического изображения

может также рассматриваться как распределение интенсивности света

(яркости) в соответствии с амплитудами синусоидальных компонен-

тов, расположенных в порядке возрастания их пространственных час-

тот. Математической моделью, дающей адекватное описание процесса

дифракции света, в этом случае может послужить разложение функции

в ряды (в случае периодической структуры объектов) или один из ме-

тодов спектрального анализа — быстрое преобразо

образования Адамара, Уолша, косинусов и др.

Спектральный анализ при дешифрировании космических изо-

бражений используется для автоматизации данного процесса и повы-

шения его эффективности

ков дешифрирования, как простых (форма, размеры элементов изо-

бражения, их взаимное расположение, однородность), так и сложных,

производных (получаемых путем различных специальных преобразо-

ваний). Выбор структурных признаков и способов их преобразования

определяется особенностями поставленной задачи.

Одним из наиболее информативных описаний пространствен-

ной структуры изображений является спектральное описание, осно-

ванное на использовании двумерных спектров Фурье или других ста-

тистических спектров.

163

Энергетический спектр Фурье, например, обладает способ-

ностью сжатия информации, позволяющей уменьшить объем исполь-

зуемых данных; возможностью измерения размеров естественных объ-

ектов

определение шеро-

ховатости по оценкам энергетического спектра на определенных час-

приро объектов принято рассматривать как спектры нерегуляр-

ных р

5.3.3

в, имеющих большой динамический диапазон в кон-

кретны

дис-

танцио

либровкой. Результаты сопоставления оценивают долями единицы или

, положение которых заранее неизвестно или случайно. Наи-

большее преимущество такого спектра состоит в том, что чем меньше

размер элемента объекта, тем больше размер картины дифракции на

них, и следовательно, становится возможным исследование таких ха-

рактеристик, как текстура изображения (например,

отах), причем оценки инвариантны к сдвигу изображения. Спектры

дных

ешеток, ограниченных частотой не выше частоты ω* = 1/2Δ (Δ

— размер случайно распределенных элементов решетки).

Оптическая обработка космических изображений используется

для изучения волнения морской поверхности (тип волнения, длина

волн, скорость и направление их распространения), для дешифрирова-

ния растительности, лесов, структур почвенного покрова, для распо-

знавания и характеристики облачных образований.

. Количественная интерпретация спутниковой информации

Количественный подход к интерпретации результатов дистан-

ционного зондирования Земли из космоса первоначально трактует

данные наблюдений как набор некоторых абстрактных измерений, а

изображение рассматривает как одну из форм их представления (ото-

бражения). Другими словами, технология обработки информации в

системах, ориентированных на число, всегда предполагает измерение

сигналов датчико

х участках спектра электромагнитного излучения.

Измерением называют операцию (процедуру), в результате ко-

торой определяется, во сколько раз измеряемая величина больше или

меньше соответствующей величины, принимаемой за эталон. Вот по-

чему в сигналах измерительной аппаратуры, используемой для

нного зондирования, должны быть представлены два самостоя-

тельных вида сигналов — эталонный и реальный, сравниваемый с ним.

В приборах неконтактного измерения часто устанавливают строго оп-

ределенные пределы изменения амплитуды сигналов и используют это

для калибровки.

Процесс сопоставления амплитуды измеряемого реального си-

гнала с диапазоном ее изменения в данной аппаратуре называют ка-

164

в процентах. С точки зрения калибровки датчики условно могут быть

подразделены на схемные и потенциометрические (контактные).

Калибровка измерений, осуществляемых сх

требует сравнения их с некоторым эталоном (например

вительности инфра-

е-

мым, стабильным напряжением U

эт

. Тогда ка

произведена по формуле

емным датчиком,

, с имитатором

абсолютно черного тела — лампой контроля чувст

красной аппаратуры). Пусть сигнал, характеризующий излучение ре-

ального объекта, отображается амплитудой и

изм

электрического на-

пряжения и для измерения сравнивается с сигналом и

эт

, определяю-

щим излучение эталона, находящегося под постоянно контролиру

либровка может быть

)()(

010

uukuu

измизм

эт

сх

−=−

−

(5.26)

где и

эт

— нулевой уровень сигналов (напряжения).

Калибровка измере ий, получаемых с помощью потенциомет-

рическ

ого датчика, работающего в строго ограниченном интервале

изменения измеряемой величины, осуществляется по соотношению

)(

0100

ииk

ии

изм

−=

−

, (5.27)

где и

100

— максимальный (стопроцентный) уровень сигналов.

. осуществляется на основе из-

: Планка, Вина, Сте

гофа и др.

сли, например, поток излучения W

Δλ

рад

), зафиксированный

асной аппаратурой МСЗ в окне прозрачн

8–12 мкм как сигнал U

изм

от реальной изл

имеющей радиационную температуру T

рад

, соизмерим с потоком W

Δλ

лкч

) от лампы контроля чувствительности (ЛКЧ) этой же аппаратуры,

Радиометрическая совместимость множеств измерений, полу-

чаемых разными спутниками в различных условиях работы аппа-

ратуры, осуществляется путем тарировки (радиометрической ка-

либровки).

Тарировкой называют процесс преобразования измерений в фи-

зические величины, характеризующие суть или стояние изучаемых

объектов, явлений или процессов Она

вестных законов излучения фана-Больцмана, Кирх-

инфракр ости атмосферы Δλ =

учающей поверхности,

находящейся под напряжением U

лкч

и излучающей при температур

лкч

, то можно записать

лкч

изм

лкчрад

TWTW )()(

λλ

ΔΔ

, (5.28)

откуда

165

⎟

⎞

⎜

⎛

−

изм

рад

, (5.29)

⎠⎝

лкчлкч

где с

— –12 мкм.

Испо мости Т

рад

от отн

и постоянные Планка,

— середина интервала 8

льзуя соотношение (5.29), строят графики зависи

ошения

лкч

изм

для естественных объектов с различными коэффи-

циентами излучения

и используют их для тарировки в процессе

цифровой обработки спутниковой информации. Для более точной ко-

личественной оценки восстанавливаемых параметров в данные изме-

рений вводят поправки, определяемые функциями пропускания атмо-

сферы.

5.3.4. Текстура и мезоструктура изображения

Текстура изображения

— рисунок, образованный мелкими де-

талями с различной яркостью отдельных элементов, размеры которых

сравнимы с разрешающей способностью аппаратуры. Различается 4

основных типа текстуры: зернистая, матовая, волокнистая и дендрито-

вая.

Зернистая текстура — скопление пятен (зерен) светлого тона.

Мелкие зерна характерны для кучевообразной облачности. Иногда

зернистую текстуру имеет мелкобитый лед. Зернистая текстура, как

правило, на ИК снимках просматривается плохо.

Матовая текстура — характеризуется однородным тоном изо-

бражения. Такая текстура характерна для открытых участков водной

поверхности, тумана, слоистообразной облачности, сплошных льдов.

На ИК снимках матовую текстуру могут иметь кучевые и слоисто-

кучевые облака в случае, когда просветы между облачными элемента-

ми меньше элементов разрешения или соизмеримы с ними.

Волокнистая текстура — волокна, нити, полосы незначитель-

ной ширины, но вытянутые в длину на десятки и сотни километров, с

размытыми нечеткими краями. Такая текстура характерна для облаков

верхнего и среднего ярусов.

Особый тип текстуры — дендритовая текстура — свойствен

изображению суши. Такая текстура характерна для покрытых снегом

гор и равнин, расчлененных речной сетью. Наиболее четко этот рису-

нок просматривается на снимках в видимом участке спектра.

Дешифрирование телевизионных космических снимков. Объек-

тами прослеживания со спутников в видимом участке спектра являют-

166

ся обл

ательные свойства облаков тесно связаны с их погло-

щател

ю (0,002–0,003 г/м ) и поэтому почти прозрачны для солнеч-

ной ра

я (ИК) аппаратура позволяет по разнице этих величин

отлича

ака и открытые участки земной поверхности. Возможность об-

наружения облачности на фоне подстилающей поверхности заключена

в их различной способности отражать падающую на них прямую и

рассеянную радиацию, благодаря чему на снимках они характеризуют-

ся различной яркостью. Облака представляют собой скопления боль-

шого количества водяных частиц и ледяных кристаллов и в связи с

этим являются объектами, сильно рассеивающими свет. Они значи-

тельно ослабляют проходящую через них прямую солнечную радиа-

цию и в отличие от объектов подстилающей поверхности отражают из

своих внутренних областей проникающую туда радиацию.

Результаты наблюдений и теоретические исследования показы-

вают, что отраж

ьной способностью и пропусканием прямой и рассеянной сол-

нечной радиации, а также с отражательной способностью находящейся

под облаками подстилающей поверхности. Альбедо облаков в основ-

ном определяется их вертикальной мощностью, водностью, фазовым

состоянием и высотой солнца. Например, облака верхнего яруса —

перистые и перисто-слоистые, несмотря на значительную в среднем

вертикальную мощность (1,5–2,5 км), обладают малым альбедо. Эти

облака состоят из ледяных кристаллов, отличаются незначительной

водность

диации.

Бортовая аппаратура, чувствительная к потоку радиации в ви-

димом участке спектра (0,4–0,76 мкм), осуществляет съемку облачно-

сти и подстилающей поверхности вдоль трассы полета спутника. В

этом спектральном диапазоне количество излучения достаточно вели-

ко для того, чтобы регистрировать сравнительно мелкомасштабные

неоднородности поля излучения. По яркости или тону изображения на

снимках имеется возможность распознать особенности пространствен-

ного распределения облачности над различной подстилающей поверх-

ностью.

Дешифрирование инфракрасных космических снимков. Подсти-

лающая поверхность земли и атмосфера являются источниками тепло-

вого излучения. Из средних многолетних климатических данных из-

вестно, что в умеренных широтах температура на верхней границе об-

лаков значительно ниже, чем температура подстилающей поверхности,

поэтому излучение от облаков обычно много меньше излучения под-

стилающей поверхности. Установленная на метеорологических ИСЗ

инфракрасна

ть облака от подстилающей поверхности. Интенсивность попа-

дающей на спутник радиации измеряется в определенном направлении

167

и с определенного участка земли и атмосферы, находящегося в преде-

лах элементарного угла зрения спутника. На выходе радиометра излу-

чению каждого элемента разложения соответствует сигнал определен-

ной величины, амплитуда которого пропорциональна энергии излуче-

ния в спектральной полосе работы радиометра. Снимки в ИК диапазо-

не спектра получаются благодаря наличию энергетических контрастов

между

объект

аницы. Менее светлые участки

соотве

ение составляет лишь изображение слои-

стых о

м подстилающая поверхность. В таких условиях облака будут

выгляд

их размеров, детали которого

могут

ратуры.

подстилающей поверхностью и облаками, поэтому их называют

тепловыми.

Обычно на «тепловых» (ИК) снимках объекты, имеющие высо-

кую температуру и, следовательно, излучающие большое количество

тепловой энергии, изображаются в виде более ярких областей, че

ы с более низкой температурой. Однако, для того чтобы облач-

ность на снимках в ИК диапазоне спектра не отличалась от ее изобра-

жения на снимках в видимом диапазоне спектра и имела светлый тон

изображения, в практике используют негативные отпечатки, на кото-

рых холодные объекты выглядят светлыми, а теплые темными.

Каждый фиксированный объект на ИК снимках отличается

своеобразной тональностью, которая зависит от количества излучае-

мой этим объектом тепловой энергии. В связи с этим облачные обра-

зования, верхняя граница которых холоднее открытых участков суши

и водной поверхности, имеют на снимках светлый тон изображения.

Более светлые участки соответствуют облакам, имеющим наи-

более низкую температуру верхней гр

тствуют облакам с более высокой температурой верхней грани-

цы или тонким облакам верхнего и среднего яруса и облачным масси-

вам с просветами, излучение от которых смешиваются с излучением от

земной поверхности. Исключ

блаков в холодное время года при наличии мощных приземных

инверсий возникающих ночью вследствие сильного выхолаживания. В

этом случае верхняя граница слоистой облачности имеет температуру

выше, че

еть темнее, чем подстилающая поверхность, и их принято назы-

вать «черными» слоистыми облаками.

Мезоструктура изображения — рисунок, создаваемый изме-

нением яркости при переходе от одной группы элементов разрешения

к другой, т.е. структурный рисунок средн

иметь свою текстуру.

Мезомасштабные облачные системы, как правило, могут легко

различаться на изображениях в видимом участке спектра, имеющих

более высокое разрешение, чем изображения, полученные от ИК аппа-

168

Облачные линии (продольные и поперечные) — узкие полосы

облаков, размер которых в поперечнике соизмерим с разрешающей

способ

ичных размеров, но, как правило, в диаметре не более одно-

го кил

уг к другу, перпендикулярно или под некоторым углом к

направ

ставляющими одну гряду, меньше разрешающей способности

аппара

кило-

метров

изонтальные размеры ячеек

колебл

ностью аппаратуры. Промежутки между облачными элемента-

ми линий меньше разрешающей способности аппаратуры, вследствие

чего облака образуют сплошную линию.

Продольные облачные линии образованы из конвективных об-

лаков разл

ометра. Продольные линии встречаются в виде «цепочек» и

«улиц». Ширина таких линий и безоблачных пространств соизмерима

с разрешающей способностью аппаратуры, а их длина может дости-

гать нескольких сотен километров.

Поперечные облачные линии встречаются реже, чем продоль-

ные. Они выглядят в виде узких коротких полосок, расположенных

близко др

лению облачных полос атмосферных фронтов или струйных

течений.

Облачные гряды — система конвективных облаков, которые,

располагаясь друг возле друга, образуют группировку, напоминающую

по внешнему виду цепочку. В том случае, когда просветы между обла-

ками, со

туры, гряда представляет собой линию шириной от 10 до 50 км,

а длина конвективных гряд меняется от 30 до нескольких сотен кило-

метров.

Одной из разновидностей облачных гряд являются линии шква-

лов — скопления кучево-дождевых облаков в виде почти сплошной

облачной гряды протяженностью до нескольких сотен километров,

которая обычно располагается перед холодным фронтом. Ширина та-

ких облачных гряд варьирует от нескольких десятков до сотен

Облачные ячейки. Открытые ячейки — облачные образования

квазишестиугольной формы с облачным пространством внутри и об-

лачным кольцом по периферии, состоящим из нескольких десятков

облачных элементов, слившихся друг с другом или разделенных не-

большим безоблачным пространством. Гор

ются от 10 до 100 км. Чаще всего диаметры ячеек составляют

30–40 км. Во внетропических широтах открытые ячейки состоят из

кучевых, мощных кучевых или кучево-дождевых облаков.

Закрытые ячейки –– облачные образования квазишестиуголь-

ной формы, ограниченные по периферии безоблачным пространством.

Закрытые ячейки образуются из слоисто-кучевых облаков, иногда в

сочетании со слоистыми или кучевыми облаками. Образуются как над

169

водной поверхностью, так и над сушей. Горизонтальные размеры за-

крытых ячеек изменяются от 10 до 100 км.

Волнистые облака –– извилистые полосы шириной от сотен

метров

нород-

ной м

фических обла-

ков мо

триваются.

в,

чередующихся с безоблачными спиралями. Такие облачные образова-

ния имеют диаметр

Вторичные облачные вихри собой облачные об-

разова

200 до 500 км. Такие вихри встречаются чаще всего в ты-

ловой

ризует геометрические

особен

до десятков километров. Полосы разделены безоблачными

просветами такого же размера. Волнистые облака могут возникать

вследствие орографических эффектов или образовываться в од

ассе подинверсионной слоисто-кучевой облачности, а также по

краям крупномасштабных облачных полос. Вид орогра

жет меняться в зависимости от формы препятствия. Эти облач-

ные полосы обычно состоят из слоисто-кучевых и высоко-кучевых

облаков и ориентируются перпендикулярно воздушному потоку. На

ИК снимках мелкие волны не просма

Мезомасштабные вихри (мезовихри) –– облачные образования,

имеющие диаметр от нескольких десятков до сотен километров и со-

стоящие из чередующихся облачных и безоблачных спиралей.

Орографические мезовихри образуются в поле слоисто-кучевых

и слоистых облаков с подветренной стороны островов.

Конвективные мезовихри –– изолированные облачные образо-

вания, состоящие из спиралей кучевых и кучево-дождевых облако

от 50 до 200 км.

представляют

ния в виде одной или нескольких спиралей, состоящие из куче-

вых и кучево-дождевых облаков. Мощность облачности увеличивается

по мере продвижения от периферийной к головной части облачной

спирали. Горизонтальные размеры вторичных облачных вихрей со-

ставляет от

части циклонов, где имеет место хорошо развитая конвекция.

5.3.5. Макроструктура снимка

Макроструктура изображения характе

ности больших участков изображений, создаваемых сотнями и

тысячами элементов разложения. Отдельные участки изображений

могут иметь различные структурные характеристики (мезоструктуру и

текстуру).

Для целей синоптического анализа и прогноза наибольшее зна-

чение имеет изучение по спутниковым снимкам изображений облач-

ных образований синоптического масштаба (макроструктуры), в том

числе облачных полос атмосферных фронтов, облачных вихрей ци-

клонов и облачных систем струйных течений.

170

Облачные полосы — облачные образования квазилинейной фор-

мы. Длина облачных полос в несколько раз превышает их ширину,

которая бывает менее 1000 км. Тон и структура облачных полос могут

быть р

ро-

ну низ

епенно уменьшается. Об-

лачны

на полосы теплого фронта часто распада-

ются н

я, основная спиралевидная полоса связана с фронтом окк-

люзии

азличными. Наиболее широкие и яркие облачные полосы соот-

ветствуют активным фронтам с интенсивными восходящими движе-

ниями влажного воздуха. Облачные полосы, соответствующие размы-

тым фронтам, обычно состоят из несплошной облачности, а иногда из

нескольких отдельных, расчлененных прояснениями, сравнительно

узких полос. В циклонах фронтальные облачные полосы спиралевидно

изгибаются под влиянием циркуляции воздуха. В антициклоне они

вытягиваются вдоль его периферии и несколько прогибаются в сто

кого давления у поверхности Земли.

Облачные полосы холодных фронтов имеют вид или узкой ярко-

белой полосы, состоящей из отдельных скоплений облачных образо-

ваний различной яркости, или широкой ярко-белой полосы сплошной

облачности, в которой отчетливо проявляются признаки кучево-

дождевых облаков. Облачные полосы холодного фронта имеют четкие

границы как со стороны холодной воздушной массы, так и со стороны

теплой. Утолщение облачной полосы, изменение ее кривизны и ярко-

сти соответствуют образованию волнового возмущения на фронте.

Облачные полосы теплых фронтов отличаются от облачных

полос холодного фронта как по форме, так и структуре изображения.

Граница облачной полосы теплого фронта, обращенная к теплой воз-

душной массе (теплый сектор), отличается по яркости от подстилаю-

щей поверхности довольно резко, а со стороны холодного воздуха яр-

кость изображения облачной полосы пост

е полосы теплых фронтов имеют большую протяженность в ста-

дии максимального развития циклона, в котором еще не начался про-

цесс окклюдирования. В случае же окклюдированного циклона облач-

ная полоса теплого фронта остается лишь в непосредственной близо-

сти от центра циклона, у точки окклюзии, и представляет собой не-

большой выступ (выметы перистой облачности), отходящей от общей

облачной полосы, которую составляют холодный фронт и фронт окк-

люзии. На периферии цикло

а отдельные облачные образования.

Облачная полоса фронта окклюзии в начальной стадии окклю-

дирования циклона представляет собой облачную полосу незначитель-

ной протяженности. В циклоне, достигшем максимальной стадии окк-

людировани

. В ряде случаев она полностью огибает циклон, закручиваясь

вокруг его центра. Позади основной облачной полосы хорошо видна

171