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

Подождите немного. Документ загружается.

темная спиралевидная полоса безоблачной погоды, которая, однако, не

достигает центра циклона.

Фронтальные полосы состоят, как правило, из многослойной

облачности, являющейся сочетанием различных типов облаков. Распо-

знаван

олее от-

четлив

ее его облачная система и тем лучше

выраж

ие типов облаков, присутствующих во фронтальной зоне, пред-

ставляет определенную трудность и требует детального анализа изо-

бражения.

Облачные вихри (внетропические и тропические) представляют

собой крупномасштабные образования с выраженной спиралевидной

структурой. Фокус спирали является центром вихря. В циклоническом

облачном вихре сходимость полос к центру в северном полушарии

происходит против часовой стрелки, а в южном полушарии — по ча-

совой стрелке.

Внетропические облачные вихри отличаются большим разнооб-

разием размеров и форм изображения в зависимости от стадий их раз-

вития, влажности воздуха, вертикальных движений, района формиро-

вания, перемещения вихря и других причин. На снимках наиб

о отображаются облачные вихри развитых и заполняющихся

циклонов, имеющие, как правило, большое количество спиралевидных

облачных полос, сходящихся в одной точке. Ширина и длина полос, а

также безоблачных пространств между ними разнообразны. Иногда

облачный вихрь образуется одной широкой облачной спиралью. Для

облачной системы внетропического вихря характерно сочетание обла-

ков различных типов. Исключение составляет облачность заполняю-

щегося циклона, вихревая структура которого может быть образована

из узких прерывистых полос только кучевообразных облаков.

Тропические облачные вихри (тайфуны, ураганы) изображаются

на снимке в виде обширного ярко-белого пятна со сходящимися к не-

му короткими спиралевидными полосами в виде «запятой». Чем ин-

тенсивнее циклон, тем обширн

ена спиралевидная структура. В ураганах и тайфунах преобла-

дают кучево-дождевые и перистые облака, которые наиболее плотной

и мощной массой концентрируются вокруг его центра, образуя зону

сплошной облачности. В центре тропического циклона иногда про-

сматривается глаз бури (прояснение в центре облачного вихря) в виде

небольшого темного пятнышка. В большинстве случаев глаз бури и

спиралевидная структура в центральной части вихря скрываются по-

кровом перистых облаков. Изображение в таких случаях приобретает

ярко-белый однородный тон.

Облачность внутритропической зоны конвергенции (ВЗК)

представляет собой скопление активно развивающихся кучевых, мощ-

172

ных кучевых и кучево-дождевых облаков в сочетании с большим ко-

личеством перистых облаков в виде полосы, которая расположенна

вблизи

облака либо отсутствуют, либо являются низкими. Основным призна-

ком опознавания является резкая

граница облаков перистых форм со с роны холодного воздуха. При

очень

по тен

юдений тем, что дают це-

лостну

блачные поля, состоящие

из обл

аздела между полями с различными характери-

экватора над водной поверхностью океана. Полосы могут быть

сплошными или прерывистыми и могут простираться на несколько

тысяч километров. На краях облачных массивов могут наблюдаться

ответвления в виде линий и гряд кучевообразных облаков или выметы

перистообразной облачности. Иногда облачность ВЗК состоит из бо-

лее мелких скоплений кучево-дождевых и мощных кучевых облаков.

На снимках в видимом и инфракрасном диапазонах полосы значитель-

ной или сплошной облачности хорошо выделяются на фоне сущест-

венно меньшего количества облаков по обе стороны от ВЗК.

Облачность струйных течений обычно состоит из плотных пе-

ристых облаков, имеющих волокнистую текстуру изображения. Эти

высокие облака образуются с теплой стороны струйного течения в ви-

де обширного, вытянутого вдоль потока, сплошного массива или в

форме длинных узких полос. С холодной стороны струйного течения

облачной полосы струйного течения

то

сильных ветрах массив перистых облаков может иметь мезо-

масштабные поперечные полосы, расположенные вдоль его границы

по оси струйного течения. Положение струйного течения можно опре-

делить по облакам, особенно по резкому краю перистых облаков или

и, отбрасываемой этими облаками на нижележащие. На снимках

в видимом диапазоне тень выглядит темной полосой шириной 1–3 мм.

5.3.6. Дешифрирование облачности

Изображения облачности, получаемые с помощью МСЗ, отли-

чаются от полученных путем наземных набл

ю картину распределения облаков над обширными тер-

риториями, соизмеримыми с основными синоптическими объектами.

Известно, что чем меньше размеры разрешающего элемента на

местности, тем точнее их дешифрирование. О

аков меньшего размера, чем элемент разрешения на местности

выглядят на космических изображениях в виде однородной светлой

полосы или пелены, подобно очень тонким облакам. Поэтому при де-

шифрировании снимков облачности прежде всего определяют ее гра-

ницы, количество облаков, а затем и их тип.

Граница и количество облаков. Границей (контуром) на-

зывается линия р

173

стикам

ии. Как самостоя-

тельны

атмосферных фронтов, районы обширной сплошной облачно-

сти и

четкую границу облачности или тумана.

Штрих

странством, облачными полями.

частка земной поверхности и определяют отно-

шение

аниченной контуром. Различают четыре гра-

дации

излучения, не всегда уда-

ется из

учетом ин-

форма

сификации, но и всевозможные сочетания

разнов

и. Контурами очерчиваются районы (поля), однородные по яр-

кости и структуре изображения облачности.

Границы облачных полей проводятся таким образом, чтобы ка-

ждый контур ограничивал облачные массы с одинаковой структурной

характеристикой и равномерным распределением по очерченной пло-

щади. Контуры проводятся без излишней детализац

е рекомендуется выделять облачные образования, занимающие

площадь более чем 2×2°. Исключения могут составлять лишь кучево-

дождевые облака.

Границы главных облачных систем (облачные вихри, облачные

полосы

т. д.) очерчиваются линией с фестонами выпуклостью наружу.

Сплошная линия обозначает

овая линия указывает на нечеткую границу между облачностью

и безоблачным про

Количество облаков характеризуют степенью покрытия обла-

ками того или иного у

м (в %) площади, занятой облачными элементами внутри конту-

ра, ко всей площади, огр

– ясно, облака полностью отсутствуют или ими покрыто менее

20 % выделенного контура;

– небольшая облачность, облаками покрыто от 20 до 50 % выде-

ленного контура;

– значительная облачность, облаками покрыто от 50 до 80 %

выделенного контура;

– сплошная облачность, облаками покрыто более 80 % площади,

ограниченной контуром.

Форма облачности. Определить формы генетической класси-

фикации облаков на космических изображениях, полученных в види-

мом или инфракрасном диапазонах спектра

-за визуального сходства большинства из них между собой. По-

этому при дешифрировании пользуются условной морфологической

классификацией (типизацией) облаков, рекомендованной Всемирной

метеорологической организацией (ВМО) и составленной с

тивности космических изображений. Основные типы облачно-

сти в этой классификации могут включать не только соответствующие

формы генетической клас

идностей облаков различных ярусов, создающих на космиче-

ских снимках сходный зрительный эффект.

174

Кучевообразная облачность. Изображение кучевообразной об-

лачности на снимках создается кучевыми, мощными кучевыми, высо-

ко-куч

белый, неоднородный. Облачные элементы разнообразны

по фор

ровный светло-серый или серый тон изображения

и могу

чности на снимках создается слоисто-дождевыми, слоистыми,

высок

змеры. На снимках в видимом диапазоне слоисто-

образн

облачность

выгляд

евыми и перисто-кучевыми облаками. Количество облачности

может быть различным, но, как правило, она не сплошная.

Тон изображения на снимках в видимом участке спектра светло-

серый или

ме и размерам.

На снимках в инфракрасном диапазоне кучевообразные облака

имеют сравнительно

т быть видны в тех случаях, когда размеры облачных элементов

и безоблачных пространств превышают размер элементов разрешения

аппаратуры.

Скопления кучевых облаков с просветами, которые соизмеримы

с элементами разрешения, на ИК снимках выглядят в виде неплотной,

неоднородной по тону серой пелены (особенно над водной поверхно-

стью).

Кучевообразные облака могут быть беспорядочно разбросаны

по полю снимка или организованы в различного вида линии, ячейки,

гряды.

Слоистообразная облачность. Изображение слоистообразной

обла

о-слоистыми и плотными перисто-слоистыми облаками. Кроме

того, некоторые облака — высоко-кучевые и слоисто-кучевые, со-

стоящие из мелких облачных элементов, разделенных пространствами

меньше элементов разрешения аппаратуры, — могут выглядеть так же,

как слоистообразные.

Как правило, поля слоистообразной облачности имеют большие

горизонтальные ра

ая облачности имеет матовую текстуру, тон изображения — от

белого до серого, в зависимости от мощности облаков и высоты Солн-

ца.

На снимках в инфракрасном диапазоне тон изображения слои-

стообразной облачности изменяется от белого до темно-серого. Слои-

сто-дождевая облачность имеет, как правило, фронтальное происхож-

дение, поэтому верхняя граница ее расположена на большой высоте и

имеет низкую температуру. На снимках слоисто-дождевая

ит светлее других форм слоистой облачности и имеет белый

тон изображения.

Высоко-слоистые облака имеют светло-серый тон изображения

и нечеткие границы. Эти облака мало отличаются от тонкой перисто-

слоистой облачности.

175

Низкие слоистые облака обычно изображаются ровным серым

тоном (от светло-серого до темно-серого) и имеют однородную струк-

туру.

положением береговых ли-

ний. А

лачность формируется в холодном влажном

воздух

руктура облачности имеет вид за-

крыты

т белого в центре облачного элемента до

светло

рого. В случае, когда расстояния между об-

лачны

лака находятся над однородной поверхно-

стью с

и видами перистых облаков.

Иногд

В тех случаях, когда тепловой контраст между подстилающей

поверхностью и облаками незначителен, слоистообразную облачность

на снимке в инфракрасном диапазоне обнаружить трудно.

Туман. На снимках тон изображения тумана однородный, изме-

няется от светло-серого до белого. Отличительной чертой изображения

тумана являются его четкие границы. Границы тумана, образованного

у побережий и в долинах рек, совпадают с

двективный туман может иметь полосную структуру.

Слоисто-кучевообразная облачность. К этому типу относятся

только слоисто-кучевые облака, организованные в закрытые ячейки.

Слоисто-кучевая об

е в подинверсионном слое и имеет небольшую вертикальную

протяженность. Облачные элементы имеют округлую форму, диамет-

ром — от 1 до 100 км. Размер безоблачных промежутков в несколько

раз меньше облачных элементов. Ст

х ячеек квазишестиугольной формы. Количество облачности

изменяется от значительной до сплошной.

Анализ большого количества снимков показал, что этот тип об-

лачности весьма распространен на всех широтах земного шара и мо-

жет наблюдаться как над водной поверхностью, так и над сушей в те-

чение всех сезонов года.

Тон изображения слоисто-кучевой облачности на снимках в ви-

димом диапазоне меняется о

-серого на его периферии. Очень часто на снимках облачность

напоминает внешним видом гальку.

Тон изображения на снимках в инфракрасном диапазоне от

светло-серого до темно-се

ми элементами малы, облачность на снимке имеет вид сплошной

серой пелены, которая часто сливается с подстилающей поверхностью.

Когда слоисто-кучевые об

уши или водной поверхностью, температура которой незначи-

тельно отличается от температуры верхней границы облаков, их быва-

ет очень трудно распознать.

Перистообразная облачность. Изображение перистообразной

облачности на снимках создается всем

а за перистообразную облачность могут быть приняты тонкие

высоко-слоистые облака.

176

Перистообразная облачность чаще всего наблюдается в сочета-

нии с другими типами облачности. В этих случаях усиливается общая

яркость облачного поля.

На снимках в видимом диапазоне тон изображения перистых

нитеви

ет центральной части облачных образований, которая су-

ществ

их низкую температуру и не пропускающих излучение

подсти

ных полос, параллельных друг другу,

имеющ

зоне.

облачность, как правило, распределяется хаотично, но

иногда образует полосы, гряды.

Кол на-

блюдаться обширные -дождевой облачно-

сти.

дных облаков –– от светло-серого до серого. Перистые ните-

видные облака образуют полосы шириной 50–100 км и протяженно-

стью более 1000 км. Сквозь эту облачность хорошо просматриваются

особенности рельефа и кучевые облака.

Тон изображения перистых облаков на снимках в инфракрасном

диапазоне изменяется от серого до белого. Волокнистая текстура не

просматривается.

На снимках в видимом диапазоне тон изображения плотных пе-

ристых облаков — от светло-серого до белого. Наибольшая яркость

соответству

енно уменьшается к их периферии.

На инфракрасных снимках тон изображения плотных перистых

облаков, имеющ

лающей поверхности, белый или ярко-белый, причем яркость

убывает от центральной части к его периферии.

Часто такая облачность образует полосы в 150–200 км, прости-

рающиеся на несколько тысяч километров, или обширные массивы,

состоящие из множества отдель

их волокнистую текстуру и отбрасывающих тени на нижеле-

жащие плотные облака, которые хорошо видны на снимках в видимом

диапа

Кучево-дождевые облака. Кучево-дождевые облака различны

по своим размерам –– от 10–40 до 100 км в диаметре в случае слив-

шихся облаков.

На снимках они выглядят в виде ярких пятен и сопровождаются

более мелкими кучевообразными облаками. Для хорошо развитых ку-

чево-дождевых облаков характерны выметы перистых облаков. Куче-

во-дождевая

ичество ее значительно, а в тропических широтах могут

массивы сплошной кучево

Тон изображения кучево-дождевых облаков на снимках –– от

белого до ярко-белого, с хорошо выраженными границами. Присутст-

вие наковален делает их границы менее резкими, а тон по краям ––

менее ярким. Признаком распознавания кучево-дождевых облаков на

снимках в видимом диапазоне являются отбрасываемые ими тени,

177

особенно в тех случаях, когда они пробивают толщу слоистообразной

облачности.

5.3.7. Изображение подстилающей поверхности

на космических снимках

Объекты региональной географии и характеристики ланд-

шафта.

Основой для распознавания различных типов земной поверх-

ности являются отличия либо в отражательной способности, либо в

тепловом состоянии. При благоприятных условиях съемки на спутни-

ковых снимках опознаются почти все крупные физико-географические

объекты (горные системы, моря, реки, озера, равнины, пустыни, со-

лончаки). Космические изображения, полученные в видимом диапазо-

не спектра излучения, позволяют различать основные типы земной

поверхности, которые резко отличаются друг от друга по отражатель-

ной способности: водные поверхности (альбедо 2–7 %); районы, по-

крыты е растительностью (альбедо 10–15 %); пустыни (альбедо

28–35 %); заснеженные области (альбедо 50–70 %). Для изображения

подстилающей поверхности на инфракрасных снимках обычно харак-

терны темные пятна. Контрастность таких изображений колеблется в

пределах 2–3 градаций яркости, позволяя при наличии соответствую-

щей разности температур отличать горные районы от равнинных, ви-

деть береговые линии, долины крупных рек, границы сплоченных

морских льдов. Некоторые объекты из-за суточного хода температуры

днем выглядят темными, а ночью –– светлыми. Снежный покров ино-

гда подчеркивает ландшафтные особенности земной поверхности, хо-

рошо различимые на снимках.

Дешифрирование почв, растительного и снежного покрова. В

одних и тех же географических зонах существенно различной отража-

тельной и излучательной способностью (яркостью) обладают лишен-

ные растительности поверхности пустынь, вспаханные поля и покры-

тые растительностью участки местности. Пустынные районы с редкой

растительностью и светлыми тонами почв (желтые и белые пески,

светлые глины) выглядят на снимках видимого диапазона спектра в

виде белесоватых участков, на светлом фоне которых при отсутствии

облачности четко видны темные, покрытые растительностью участки

местности. Благодаря большой отражательной способности яркость

изображения солевых отложений в пустынных районах соизмерима с

яркостью изображения облаков. Наиболее светлый тон, не отличаю-

щийся от облаков, имеет на снимках подстилающая поверхность, по-

крытая снегом. О наличии или отсутствии снежного покрова судят по

178

контрастам тона, текстуре, структуре изображения, по особенностям

отражения на снимках физико-географических деталей района. В зави-

симости от ландшафтных особенностей территории, покрытой снегом,

удается различать несколько структур изображения: ветвистую (рас-

члененный горный рельеф; сетчатую (заболоченная местность); пятни-

стую (районы с большим количеством озер и густой, но мало разветв-

ленно

га различны.

морской поверхности зависит от ее оптических свойств, ус-

ловий

ости от солености и температуры в области

длин в

нем слоя

й речной сетью); полигональную (малорасчлененные горные

системы) и трещинообразную (равнины с малоразвитой речной сетью).

Дендритовая структура заснеженных гор сохраняется круглый год, но

зимой отличается менее изрезанным рисунком. Граница снежного по-

крова контрастнее изображается на равнинной территории. При пере-

ходе границы снежного покрова в лесную зону достоверность ее де-

шифрирования уменьшается. В переходные сезоны многозональная

информация позволяет определять границы области снеготаяния и

участки его наибольшей интенсивности, так как в видимой и ближней

инфракрасной зонах спектра излучения спектральные характеристики

сухого и влажного сне

Характеристики водной поверхности и ледяного покрова.

Открытая водная поверхность, обладающая однородным распределе-

нием яркости, изображается на снимках однородным тоном (темнее,

чем суша). Морская вода содержит три оптически активных компонен-

та — чистую воду, растворенные вещества и взвесь. Поэтому тон изо-

бражения

освещенности прямой солнечной радиацией и рассеянным све-

том неба, от угла визирования поверхности со спутника, морского

волнения и других причин. Наиболее полно изучены изменения

свойств воды в зависим

олн до 20 мкм.

Инфракрасное изображение водной поверхности выглядит бо-

лее однотонным, чем инфракрасное изображение суши, но эта одно-

тонность нарушается теплыми и холодными течениями, изменением

глубины у побережий (в шельфовой зоне). Тон изображения водной

поверхности несколько темнее тона изображения суши ночью и свет-

лее днем.

Тон заснеженных побережий всегда является светлым и резко

контрастирует с темным изображением незамерзших заливов и морей.

Очертания же заснеженного берега на фоне припая практически не-

различимы на снимках.

Лед на реках и водохранилищах характеризуется относительной

однородностью, большой прозрачностью и более гладкой поверхно-

стью. Альбедо такого покрова — 36–40 %, а присутствие на

179

воды тол ной по-

кров на м истика-

ми, как и снежны области спектра

излучения вследствие сильного поглощения световых волн, т.е. его

отража

ервичных форм льда и

от серого

блачные образования, имеющие диаметр от десятков до сотен ки-

ломет

щие с подветренной стороны препятствия и имеющие

размеры могут наблюдаться вдоль

высоких побережий или за гористыми тровами, за которыми цепоч-

ки этих в ;

– конв лачных об-

разований, состоящих из спиралей кучевообразных облаков, чередую-

щихся

блюдаются, как правило, в массах холодного воздуха. Открытые кон-

щиной 15–20 см снижает его альбедо до 26 %. Ледя

орях обладает почти такими же яркостными характер

й покров в ближней инфракрасной

тельные характеристики зависят от возраста, влажности, факту-

ры поверхности и ее загрязненности, высоты солнца и т.д. По косми-

ческому изображению возможно распознать припай, дрейфующие

льды, отдельные скопления дрейфующих льдов, многолетний лед. О

возрасте льда можно судить только по тону изображения, который

меняется от темного до темно-серого в случае п

до светло-серого, белого для более старого льда.

5.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕЗОСТРУКТУРНЫХ

ОСОБЕННОСТЕЙ ОБЛАЧНОСТИ В АНАЛИЗЕ

АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Большинство мезомасштабных облачных систем в атмосфере

возникает под действием конвекции, орографической и термической

неоднородности подстилающей поверхности. Мезомасштабные вихри

— о

ров и состоящие из чередующихся облачных и безоблачных

спиралей. По причине образования различают:

– орографические мезовихри в поле слоистообразной облач-

ности, возникаю

10–100 км. В океане такие вихри

ос

ихрей могут простираться на сотни и тысячу километров

ективные мезовихри в виде изолированных об

с безоблачными зонами. Диаметр образований — от 50 до 200

км;

– вторичные облачные вихри в виде одной или нескольких спи-

ралей, состоящих из кучевообразных облаков, в тыловой части обшир-

ного циклона. Горизонтальные размеры таких вихрей колеблются от

200 до 500 км.

Рассмотрим основные виды систем.

5.4.1. Конвективные облачные системы и их связь

с характеристиками состояния атмосферы

Облачные

гряды и ячейки. Конвективные гряды облаков на-

180

вективные ячейки в атмосфере образуются в постепенно нагреваю-

щихся воздушных массах и характеризуют районы адвекции холода

(район

ая) зависит от распределения

темпер

облачности в основном ориентированы по

направ

открытых ячеек) и 21 : 1 (для закрытых ячеек).

Прави х может

сущес

облаков. Размеры этих об-

лачны

ы с нисходящими крупномасштабными движениями). Закрытые

конвективные ячейки образуются в постепенно охлаждающихся воз-

душных массах и характеризуют районы адвекции тепла (районы с

восходящими крупномасштабными течениями). Другими словами, вид

облачной ячейки (открытая или закрыт

атуры с высотой. Когда градиент температуры убывает с высо-

той, образуются открытые облачные ячейки с нисходящими движе-

ниями воздуха в центре. Когда градиент температуры возрастает с вы-

сотой, образуются закрытые облачные ячейки с восходящими воз-

душными движениями в центре.

Мезомасштабные конвективные гряды и ячейки возникают в

сравнительно тонких, неустойчиво стратифицированных слоях атмо-

сферы. Мощность конвективного слоя составляет в среднем 1,5–2 км, а

выше него располагается, как правило, задерживающий слон с инвер-

сионным распределением температуры.

Гряды конвективной

лению ветра. Общий диаметр ячейки и соотношение между об-

лачной и безоблачной зонами зависят от мощности конвективного

слоя, вертикального градиента температуры и относительной влажно-

сти в слое конвекции. Соотношение диаметров облачной и безоблач-

ной зон для закрытых ячеек в среднем равно 5, а для открытых ячеек

0,5. Диаметр конвективных ячеек относится к их вертикальной мощ-

ности как 30 : 1 (для

льная полигональная структура облачности в ячейка

твовать лишь при слабых ветрах и небольших сдвигах скорости

в нижнем слое атмосферы.

Массивы и гряды кучево-дождевых

х образований в умеренных широтах составляют от десятков до

100–150 км. Поэтому с точки зрения масштаба движений их целесооб-

разнее всего отнести к системам субсиноптического масштаба, на

формирование которых существенно влияет как горизонтальная неод-

нородность распределения метеорологических элементов, так и про-

цессы конвекции.

Различают два основных типа облачных образований:

– изолированные массивы кучево-дождевых облаков квази-

круглой или неопределенной формы;

– гряды кучево-дождевых облаков.

Информативной особенностью этих облачных образований яв-

ляется возможность получения сведений о ветре и направлении сме-

181