Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений

Подождите немного. Документ загружается.

I К^чсно-дождевые

облака.

Основными признаками кучево-дождевых

рИЬмиши, изображения которых получены в видимом участке спектра,

ИЦянютеи: наиболее яркий (ярко-белый) тон изображения; отчетливо

•Мрчсннме контуры облачности, хорошо различимые на фоне подсти-

рНКШК'И поверхности

легко опознаваемые на фоне любой другой об-

[^•MHiii'

i и;

значительные колебания горизонтальных

размеров;

характер-

ГЩЫР

иыбросы (шлейф) наковален перистых облаков. Мощные

;

ПИепо-дождевые облака, характеризуемые высокой отражательной

цннюопостью, на снимках видимого и ИК-участков спектра имеют

ЙМИннконую яркость.

= Полезным для распознавании признаком кучево-дождевых облаков

МШ\ННУ\С»

отбрасываемые ими

тени,

особенно

случаях, когда они про-

iiUHflioTCM сквозь толшу слоистообразных облаков. Кучево-дождевые

gfrlttkii без наковален выглядят яркими пятнами. Наличие их

—

хоро-

ший индикатор для прогноза гроз, ливней и шквалистых ветров врай-

EHi. лля которого получена спутниковая информация.

Ивхнология

анализа

прогноза стихийных гидрометеорологических яв-

МИЙ, Она существенно зависит от имеющегося диагностического

рпрогностического материалов

способов их представления. Для со-

ЦТйНлеиия качественного

достоверного краткосрочного прогноза си-

Щатик должен получить из крупного метеорологического центра ре-

гулы

пты

крупномасштабных анализов и прогнозов для освещаемой

^рритории, а также более детальных анализов, по крайней мере у по-

|#рч11()сти Земли, для конкретных районов. При наличии данной ин-

:ф»рмпции космические снимки облачного покрова

видимом

инфра-

ррисном участках спектра могут существенно облегчить задачу анализа

прогноза стихийных гидрометеорологических явлений.

Мри этом на первом этапе следует рассматривать крупномасштаб-

ЩШ

анализы и прогнозы,

а также

эволюцию крупномасштабных облач-

jiKix систем за последние 6—12 часов и идентифицировать возможную

•проблему

дня»:

приближение подвижной фронтальной зоны, попада-

\ЦШ в

зону стационарного фронтального раздела и т.д., т.е. определять

||Мможность появления синоптической ситуации, в которой следует

; Цжндать

развития интенсивной конвекции, поскольку

ней связано по-

Динлиющее большинство случаев возникновения СГЯ.

Ксли такая «подозрительная» ситуация возникает, целесообразно

Пронести

более

детальный анализ последней фактической информации:

ёНугмиковых, радиолокационных

обычных

данных.

При этом особое

Внимание необходимо уделить связи скоплений облачности с мезо-

Мй^штабными синоптическими объектами: циклонами, фронтами,

Чо*(»инами и т.п. Кроме

того,

непрерывные в пространстве данные об

< >(и|,i'i

поста позволяют при анализе дискретных синоптических наблю-

241

дений заметить некоторые детали в структуре метеорологических пи

лей, которые ускользают из поля зрения прогнозиста без этих данных

Выделение мезомасштабных зон конвергенции, депрессий

связан

ных с ними очагов облачности завершает второй этап анализа, на ко

тором определяются «подозрительные»

точки зрения конвекции обь

екты.

На следующем этапе производятся анализ и прогноз эволюции

и смещения выделенных зон облачности, для которого целесообразно

использовать следующие эмпирические правила:

• по фактическим или прогностическим высотным картам (либо но

расчетным данным вертикального зондирования атмосферы

TOVS,

по

лученным со спутников NOAA) необходимо рассчитать среднюю ско

рость

направление воздушного потока

использовать

их для

прогно

зирования будущего положения облачного массива (ОМ), поскольк\

после образования ОМ имеет тенденцию двигаться

со

средним потоком

в слое с давлением 500-700 гПа (гектопаскалей);

•

для

оценки эволюции ОМ целесообразно использовать данные

о(>

изменении температуры верхней границы облаков, применяя для это

го систему TOVS. При интерпретации ИК-изображений следует по

мнить,

что

осадки

Земли начинаются при температуре верхней грани

цы облаков (ВГО) примерно -32°. При тенденции понижения

температуры ВГО следует ожидать в ближайшие

2—4

часа увеличения

интенсивности осадков и их площади, и наоборот;

• обострения зоны конвекции

усиления интенсивности развития

в ней кучево-дождевых облаков следует ожидать при ее смещении

в район более влажного и неустойчиво стратифицированного воздуха.

Поэтому по имеющимся данным

температуре и влажности дистанци-

онного вертикального зондирования TOVS следует оценить степень

неустойчивости и влагосодержания атмосферы в районе, куда смеща-

ется ОМ.

Оценив в процессе предварительного анализа общие тенденции

развития синоптических процессов в интересующем районе или реги-

оне,

направление и скорость смещения опасных зон и их эволюцию,

можно переходить к анализу этих зон на предмет образования в них

опасных и стихийных гидрометеорологических явлений.

Прогнозирование

сильных шквалов и

смерчей.

Шквалы

смерчи от-

носятся к локальным явлениям погоды, возникают внезапно (чаше

после полудня), кратковременны (часто несколько минут)

охватыва-

ют сравнительно небольшие площади. Это определяет трудности их

исследования и прогноза. Шквал

—

резкое усиление ветра

до 25—30

м/с

с изменением направления в течение короткого времени. Он всегда

связан с развитием активной конвекции и сопровождается интенсив-

:т

ими осадками

градом. Внутримассовые шквалы в жаркую летнюю

Mt'iv, обусловленные мощными кучево-дождевыми облаками,

не

гшшяют серьезной опасности, скорость ветра не превышает

м/с.

Виншльные шквалы, образуемые

на

атмосферных, преимуществен-

на цолодиых фронтах, представляют собой довольно опасное явление.

гШииииы сопровождаются кучево-дождевыми облаками (Cumulo-nim-

М,

Ъ)

низким основанием

высокой вершиной. Чем мощнее СЬ,

iM t'lini.iiee шквалы [21, 22].

Анализ облачности

на

космических снимках

дни

развитием

jfcMwioB разной интенсивности показал, что перед их возникновени-

и районах

их

развития

или

вблизи этих районов уже

ночные

или

•лугренние часы выявляются характерные скопления СЬ, имеющие

шующие параметры:

• округлую, овальную, в редких случаях неправильную форму с чет-

ами границами;

• линейные размеры скоплений

90% случаев

пределах 100—

||0 км,

10% случаев более 450 км

всегда более 100 км;

• если характерные скопления

СЬ

появляются

дневное время,

i и

ними могут быть связаны только слабые шквалы.

На рис. 5.13 показано изображение облачности для случаев разви-

тии сильных шквалов.

данной ситуации скорость ветра составляладо

М/с.

Иг ^ IV !она с опасными явлениями погоды

fill iiiiHiii.iM спутника NOAA

..-г

iivsiuvmiiii'j.

Шлщ^ци

¥<*-&'

Чарпмсрнос скопление мошных кучево-ложлены.ч

411.» пи зона

опасными скоплениями погоды:

Й-|'Ч1>|И граница облакоп

—

9-10 км

iF'iiii'piiTvpa

на

верхней Гранине 55,

-57 X

I нмыин фаница облакоп

—

наличие

»'= цып!»

—

признак грозоного об;|ака

243

Шквалы, особенно очень сильные, имеют много общего со смер

чами. Смерчем называют вихрь с вертикальной осью вращения (в от

личие от шквалов с горизонтальной осью), сопровождающийся колос

сальными скоростями ветра. Большинство смерчей связано

линиями

шквалов или активными холодными фронтами с грозами. Обычно при

смерче из грозового облака отщепляется облачный столб в виде во

ронки. Скорость ветра внутри смерча

может

достигать

100

м/с

более

Условия образования смерчей наиболее благоприятны непосредствен

но

ыа

линии приземного фронта, вблизи поверхности Земли (это узкая

полоса шириной около 50 км по обе стороны линии фронта).

К таким условиям относятся:

• наличие развитых мощных скоплений СЬ, которые хорошо вид

ны на снимках облачности с ИСЗ на территориях

до

200—400

км.

Верх

няя граница СЬ в большинстве случаев составляет более

км;

• наличие фронта с большими градиентами скорости ветра по вы

соте,

способствующими образованию вихрей;

• наличие большой неустойчивости и большой доли влаги во всей

толще воздушной массы.

За шестилетний период эксплуатации Красноярской станции HRPT

приема информации со спутников NOAA о возникновении смерчей

на территории Восточной Сибири не было.

Прогнозирование

сильных осадков в холодный период

года.

умерен

ных широтах значимые осадки выпадают

из

слоисто-дождевых облаков

с вкраплениями в них кучево-дождевых, в которых создаются условия

для увеличения скорости падения водяных капель или ледяных крис

таллов по сравнению со скоростью восходящих движений воздуха.

Особо опасными считаются осадки при интенсивности более 20 мм за

часов.

холодный период года осадки такой интенсивности форми

руются на атмосферных фронтах при подъеме влажных теплых воз

душных масс в циклонах. Продолжительные по времени и интенсивно

сти восходящие движения способствуют накоплению больших запасов

влаги

облачных системах, а механизм циркуляции воздушных частип

в облачных системах

—

к образованию и выпадению осадков. Оченв

сильные осадки (СГЯ) связаны

прохождением через

пункт хорошо

раз-

витых циклонов преимущественно

юга или юго-запада

[21,22].

На ко

смических снимках хорошо развитым южным циклонам соответству-

ют обширные облачные вихри диаметром более 500 км и с верхней

границей облачности более

км. Сильные

очень сильные осадки ни-

когда не отмечаются при перемещении воздушных масс

севера, севе

ро-востока, востока и юго-востока.

В 100% случаев СГЯ на космическом снимке отмечены централь-

ные части облачных вихрей. Более чем в половине случаев СГЯ отме

244

Чвмнся яркие широкие облачные полосы. Таким образом, опасные

;

#HtM опалы можно связать с облачностью циклонов и атмосферных

ф|И

III

IOD.

11рогнозирование осадков сильной интенсивности теплого полугодия.

К конвективным осадкам теплого полугодия относятся ливневые дож-

Ш и град. С сильными ливнями чаще всего связаны сели, паводки,

г Ппшонления, повреждения сельскохозяйственных культур и пр., а с гра-

: дом повреждения сельскохозяйственных и садовых культур, постро-

ен» и пвтотранспорта.

I Опасные и особо опасные конвективные осадки развиваются вос-

=Ипниом в мезомасштабных облачных системах

|21,

22|. Эти системы не

(Wei ли

можно обнаружить в поле температуры и влажности. На косми-

\ Ц»1ких снимках они появляются за 6-12 часов до осадков. Поэтому

ffwtiiiiioe значение имеет методика прогноза опасных и особо опасных

Н№ннсктивных явлений с использованием всего комплекса синоптиче-

ских, радиолокационных и спутниковых наблюдений.

f Прогнозы всех указанных явлений можно составлять по следующей

|§мемс:

i • определение (расчет) траектории перемещения облачной систе-

МЫ

ни период прогноза;

| • определение исходных параметров облачной системы вдоль тра-

Црмрии перемещения;

F • определение эволюции параметров облачной системы;

• расчет прогнозируемого явления по существующим формулам

?Илн графикам, разработанным Росгидрометом.

Следует иметь в виду, что для образования града необходимо дости-

Швние верхней границы облака уровня естественной кристаллизации

ЦЛЙГИ,

в противном случае прогнозируется выпадение ливневого дож-

§§и. Вероятность выпадения града определяют высотой изотермы 0°.

Опасный и особо опасный град возникает в определенных облач-

ных системах, выделяющихся на снимках с ИСЗ в скоплениях кучево-

10ждевых облаков с четкими границами овальной, круглой или грибо-

1|брнчной

формы размерами более 300 км или в зонах конвективной

'рйлпчности молодого циклона с активным холодным фронтом.

течение

лет эксплуатации Красноярской станции HRPT приема

Информации со спутников NOAA накоплен опыт практического ис-

I Пользования спутниковых наблюдений для уточнения прогнозов погод-

| ных условий на территории Восточно-Сибирского региона, особенно

[ дли обнаружения стихийных гидрометеорологических явлений, и преж-

• д§ иесго

труднодоступных районах, где традиционные методы не при-

[ Менимы.

245

5.8. ПРОБЛЕМА АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА

5.8.1.

Ультрафиолетовое излучение Солнца

Ультрафиолетовое (УФ) излучение составляет менее 5% общем .•

солнечного излучения, однако его значимость в процессах жизнедея

тельности очень велика из-за сильного воздействия на различные хп

мические и биологические процессы. Интенсивность УФ-облученно

сти зависит от высоты Солнца над горизонтом и максимальна в мести

ы г

полдень.

Сточки зрения биологического воздействия выделяют три облае

ти длин волн: А (315 < I

400 нм), £(280 <

А.

< 315 нм) и

(к

280 нм)

Излучение области

обладает наибольшей эритемной эффективное

тью,

т.е. наибольшей способностью вызывать эритему (расширена

мельчайших капилляров кожи и сопутствующие этому процессы)

Благотворное в малых дозах, эритемное воздействие оказывается oi

рицательным в больших дозах, так как сильная эритема — это уже

воспалительный процесс. Излучение области

обладает общим тера

певтическим и антирахитичным действием.

Излучение в области А, прилегающей к видимой части спектра

менее эффективно биологически, но оказывает благотворное эритем

ное и загарное воздействие. Излучение в области Собладает мощным

бактерицидным действием и оказывает сильное негативное влияние н;°

живые и растительные организмы. Интенсивность УФ-облученности за

висит от высоты Солнца над горизонтом.

Основным глобальным фактором, ослабляющим УФ-излученис

является атмосферный озон, а также атмосферные аэрозоли

—

взвешен

ные в воздухе твердые частицы или капли жидкости природного и

антропогенного происхождения. Частые лесные пожары

регионе Си

бири сопровождаются выбросами дыма, который поглощает УФ-излу

чение. На интенсивность УФ-облученности у поверхности Земли силь

но влияет облачность, в целом снижая прозрачность атмосферы

Но рассеянное УФ-излучение может иногда возрастать и при наличии

облаков, что наблюдается, когда край кучевого облака «наплывает» на

солнечный диск. В регионах с большим числом облачных дней, на

пример в Западной и Восточной Сибири (до 80% облачных дней), вли

яние облаков в среднем даже более существенно, чем влияние озоно

вого слоя, поэтому интенсивность УФ-излучения здесь не всегда

напрямую зависит от количества озона в атмосфере.

Наиболее велико УФ-излучение

тропиках и субтропиках. На сред

них широтах на равнине, в частности в Сибири, наблюдается дефици:

его,

достигающий в среднем 30—45% медицински обоснованной нор

246

Mo море подъема в горы интенсивность увеличивается, так как

шучение все меньше поглощается атмосферой.

тропиках слиш-

лит ое пребывание на солнце без одежды и большая УФ-экспози-

4И Mi»

ут привести к появлению раковой опухоли кожи

—

меланомы.

|И1#|Ц'сн(), что чернокожие жители южных штатов США заболевают

1(1

Полезные в 7 раз реже, чем белые, так как в их коже содержится

IHlMiHir, задерживающий УФ-излучение.

1,2 Экологическая роль озона

И (он, несмотря на малое его содержание в атмосфере, играет важ-

f|гН>

роль во многих биосферных процессах, поскольку является основ-

IHM Поглотителем солнечной ультрафиолетовой радиации в областях

И С Существенное уменьшение общего содержания озона (ОСО)

put нетственно увеличение УФ-излучения может привести к негатив-

ен последствиям и нанести ущерб народному хозяйству (снижение

ЛЭкпйиости сельскохозяйственных культур, разрушение морских эко-

йИем и др.) и здоровью населения (поражение зрения, рост числа за-

унчшний раком кожи и др.).

Оюп распределен

атмосфере на высотах от

до 80 км.

тропосфе-

ешц'ржится менее 8% озона, на стратосферу приходится 80—85%

Общая масса озона в атмосфере составляет около

3 •

т [22, 23].

(Удержание озона в атмосфере относительно невелико и очень из-

(flt'iiiiio. Геофизики выражают общее количество озона (ОСО) в стол-

Hiмоеферы

—

от 80 км до поверхности Земли

—

через толщину (в сан-

IMcipax) того слоя, который образовал бы весь озон атмосферы,

5ршшый отдельно и приведенный к нормальному давлению 760 мм

f, Li, и нормальной температуре 0 °С. Значение 0,001 см называют

Уииицей Добсона (сокращенно е.Д.). В среднем по земному шару

ГО составляет 290 е.Д., или 0,29 см.

Сточки зрения экологии наиболее важен стратосферный озон. За-

|рживая основную часть УФ-излучения, он оказывается глобальным

iilui тиком всего живого на Земле.

тропосфере же озон играет ско-

И роль врага, чем союзника, являясь вредным для здоровья людей про-

(умом промышленного загрязнения воздуха. При взаимодействии

окружающей средой озон действует как мощный окислитель с силь-

ным медико-биологическим воздействием. ПДК озона по стандартам

'снеии составляет 0,03 мг/м

по среднесуточной концентрации

II,

К)

мг/м

по максимально разовой с первым классом опасности.

iUfc'iiiH приземного озона в общее содержание его в атмосфере пепс-

ины, но локальные концентрации могут достигать опасных для живой

ирпролы значений и в несколько раз превышать уровень ПДК.

247

Солнечные лучи падают по нормали к экваториальной атмосфер!

проходя в ней наименьший путь. На средних и высоких широтах сол

нечные лучи падают на атмосферу под углом 8 к нормали и в соотвс

ствии с законом Бугера(см. п. 1.2.3 ирис. 1.8) проходят

ней большим

путь.

Обычно 8 = 90° - \|/, где у

—

высота Солнца над горизонтом

В день весеннего и осеннего равноденствия 21 марта и 23 сентябре

в местный полдень

<р,

где ф

—

широта местности, в полдень

дет

летнего солнцестояния 22 июня угол

5 = tp — e

минимален.

день зим

него солнцестояния 22 декабря в полдень угол 8 = ф +

е,

максимален

Здесь г

23°26"

—

угол между осью вращения Земли и осью мир

(т.е.

осью, вокруг которой происходит кажущееся вращение небесном

сферы).

Если X— общее содержание озона, то по закону Бугера эффектии

ное общее содержание озона, ответственное за поглощение солнечно

го

ультрафиолета,

=X/cos8.

На широте

50°

эффективное ОСО превы

шает Л'минимум в

!, 12

раза, на широте 55-56° (Москва, Новосибирск

Красноярск)

превышаетЛГне менее чем в 1,18 раза, на широте

69°

(Но

рильск) не менее чем в 1,42

раза.

Таким образом, если бы над Краснояр

ском, Новосибирском или Москвой 22 июня наблюдалось аномально

низкое для этого времени и этих широт ОСО в 270 е.Д., то в поглоще

нии ультрафиолетового излучения фактически участвовал бы слом

ОСО

320

е.Д., это вполне достаточно

для

подавления вредного вли

яния ультрафиолета

В и

С.

8 августа 2000

г.

над Красноярском по дан

ным спутника TOMS-ЕР ОСО действительно составляло 274 е.Д

но Х

380 е.Д.

5.8.3. Образование и разрушение озона

Озон постоянно образуется

верхней стратосфере из молекулярно

го

кислорода

под

действием УФ-радиации Солнца [22,

23].

Наибольшее

количество озона возникает в стратосфере в результате фотохимичес

ких реакций близи экватора, где солнечные

лучи

пронизывают

атмосфе-

ру под прямым углом.

Процесс начинается с диссоциации молекулы кислорода на дв.1

атома под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца

частип

высоких энергий, входящих

состав космических

лучей.

Образовавши

еся атомы кислорода либо соединяются вновь между собой

присутст

вии третьей молекулы М:

0 + 0+М-*Оо+М,

248

ЛИАН

нчаимодеиствуют

молекулой 0

(также

присутствии третьего те-

Яя),

образуя молекулу озона:

П4 0

+М-+0

+М.

'- Нп озон, как и на молекулярный кислород, влияют внешние фак-

г fnpu (получение, потоки частиц),

под

действием которых он разруша-

: iti

(диссоциирует). Наконец, будучи химически активными, атомы

= О и

молекулы 0

могут взаимодействовать между собой (кислородный

§ Цикл):

i о

->о

К разрушению озона также приводят реакции азотного цикла:

0,+ NO->N0

+ 0

+0->NO + 0

1 причем

в результате

достаточно высоких концентраций N0

ско-

1 ричь гибели О и 0

может стать во много раз больше, чем в предыду-

\ ш«й реакции. Эти реакции наиболее существенны

слое с максимумом

| задержания озона.

нижней стратосфере на разрушение озона

атомарного кислоро-

\ м сильнее всего влияют водород и его окислы (водородный цикл):

[

->он

[

он

1 он +

-»но

\ Н0

+ 0

-» ОН + 20

На озон заметно воздействуют присутствующие в стратосфере со-

единения хлора, который может участвовать более чем в 70 реакциях

рн'фушения озона, причем окись хлора выступает

роли катализатора

(хлорный цикл; подобно хлору ведет себя бром):

С! + 0

-> СЮ + 0

СЮ + О ->

С1

+ 0

Источником атомов хлора

стратосфере является диссоциация его

соединений под воздействием излучения Солнца.

249

Таким образом, к разрушению стратосферного озона приводят че-

тыре фотохимических цикла: кислородный, азотный, водородный

хлорный. Правда, эффект

их

действия

не

равен сумме эффектов

от

от-

дельных циклов, так как химические реакции между членами различ-

ных семейств снижают воздействие циклов

на

озон.

По одним оценкам,

около 1,2% образующегося озона поступает в тропосферу, 17% разру-

шается при кислородном цикле,

11%

—

при водородном, остальные

70%

—

при азотном. По другим данным, 17% озона разрушается при

кислородном цикле,

—

при водородном,

70%

—

при азотном

—

при хлорном.

В принципе между процессами образования и разрушения озона

должно

быть

динамическое

равновесие:

сколько озона возникает, столь-

ко его и

разрушается.

Тем

не менее

80-х

—

начале 90-х

годов XX

в.

сум-

марное глобальное содержание озона ежегодно уменьшалось на

0,3—

0,5%,

что может свидетельствовать о нарушении равновесия. Однако

самом конце 90-х годов отмечен рост глобального содержания озона.

В 80—90-е

годы

в.

многие ученые пришли к выводу,

что хлор и

его

соединения могут быть причиной разрушения стратосферного озона.

Развитие цивилизации приводит

росту выбросов хлорных соединений

и их накоплению

атмосфере, одну из ведущих ролей

этом процессе

играют так называемые фреоны. Доказательством этого, как утвержда-

ется, служит феномен «озоновой дыры» над Антарктидой.

Опасность дальнейшего роста выбросов хлорсодержащих соеди-

нений

атмосферу вызвала тревогу на международном уровне. По ини-

циативе ученых ведущие государства подписали в 1987

г.

Монреальский

протокол, согласно которому должно быть резко сокращено использо-

вание наиболее опасных долгоживущих фреонов

других опасных для

атмосферы веществ. К настоящему времени к протоколу присоедини-

лись около

170

стран. Образован специальный фонд помощи развива-

ющимся странам для перехода на технологии, не использующие озоно-

разрушающие вещества.

сентября объявлено Международным днем

защиты озонового слоя.

Законе Российской Федерации «Об охране

окружающей природной среды»

есть

статья

56,

посвященная охране озо-

нового слоя Земли. Мероприятия по защите озонового слоя

—

пример

объединения усилий ученых, политиков

общественности

в деле

реше-

ния глобальных экологических проблем. Правда, нет пока оснований

утверждать, что именно эта деятельность привела к глобальному увели-

чению содержания озона в конце 90-х годов, так как накопление фре-

онов

атмосфере продолжается.

Анализ влияния крупных промышленных комплексов Сибири на

озоновый слой не обнаружил заметных изменений ОСО. Однако об-

ширные лесные пожары приводят к некоторому уменьшению ОСО,

250