WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Киев ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАЧНОСТИ ПО ДАННЫМ ...»

УДК 551.58 + 528.83

А.А. Кривобок, к.г.н .

Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт, Киев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЕРХНЕЙ

ГРАНИЦЫ ОБЛАЧНОСТИ ПО ДАННЫМ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО СПУТНИКА

MSG

Рассмотрены теоретические основы определения яркостной температуры верхней

границы облачности, размеры которой меньше единичного элемента изображения .

Показано, что яркостная температура облачности зависит от яркостной температуры подстилающей поверхности и степени покрытия облачностью единичного элемента изображения N. Предлагается использовать данные высокого пространственного разрешения для оценки N .

Ключевые слова: Яркостная температура, уравнение переноса излучения, спутник MSG

1. Введение .

Геостационарный спутник METEOSAT второго поколения (MSG) благодаря своим техническим характеристикам, в первую очередь за счет увеличения пространственного разрешения в видимом диапазоне до 1 км (канал НRVIS) и обновления данных через каждые 15 минут, может рассматриваться как достаточно надежное средство обнаружения и мониторинга развития особо опасных конвективных явлений. Разработанные ранее методы слежения за развитием конвективной облачности по спутниковым данным основывались на метеопараметрах, полученных по данным инфракрасного канала радиометра HRI спутника METEOSAT первого поколения [1] .

Яркостная температура в этом канале позволяет описывать конвективную облачность с соответствующими свойствами (размер, направление движения, минимальная температура, градиенты температуры по пространству и времени). Тестирование показало, что точность автоматической идентификации конвективной и грозоопасной облачности составляет около 80% и 90% соответственно [1], но это в случае развития облака в течении нескольких часов. Если же процесс развития мощного облака составляет менее 60 минут, в этом случае точность его обнаружения существенно ниже. В этом случае, уже упоминавшиеся данные MSG должны улучшить точность и заблаговременность его обнаружения. Дело в том, что в момент зарождения кучевого облака его горизонтальные размеры меньше, чем пространственное разрешение пикселя (единичного элемента изображения размером 33 км) в инфракрасном канале данного спутника. В связи с этим, измеряемая со спутника яркостная температура пикселя, частично покрытого облачностью, существенно выше, чем реальная яркостная температура верхней границы облачности, что препятствует раннему обнаружению опасной конвективной облачности .

Данная работа посвящена этой проблеме и состоит из двух частей. В первой описываются теоретические основы определения температуры верхней границы облачности по данным инфракрасного канала, имеющей незначительные горизонтальные размеры, меньше одного пикселя. Для корректировки температуры верхней границы облачности вводится параметр, описывающий долю покрытия пикселя облачностью, который определяется по данным видимого канала высокого пространственного Теоретические основы восстановления температуры верхней границы облачности ______________________________________________________________________________________________

разрешения HRVIS. Во второй - проанализированы результаты восстановления параметров облачности (доля покрытия облачности и температура на верхней границе облачности) по предложенным методам по данным MSG-1 .

2. Определение температуры верхней границы облачности по спутниковым данным





2.1 Уравнение переноса инфракрасного излучения для пикселя изображения, полностью покрытого облачностью Интенсивность изучения Ic, измеряемое со спутников в инфракрасном диапазоне спектра над пикселем, полностью покрытым облачностью в случае не учета эффекта рассеяния в облаке выглядит следующим образом

–  –  –

где s - коэффициент излучения поверхности;

Ts – температура поверхности;

H h - пропускание слоя атмосферы от поверхности до верхней границы .

s H s (, ) B(Ts ) h (, ) - данный член описывает излучение от подстилающей поверхности s облака и дает основной вклад в формирование сигнала на верхней границе атмосферы на длинах волн, где поглощение незначительно. Для простоты обозначим его как I csc .

–  –  –

Теоретические основы восстановления температуры верхней границы облачности ______________________________________________________________________________________________

–  –  –

2.4 Определение температуры верхней границы облака с учетом того, что часть пикселя (N) изображения покрыта облачностью В инфракрасном диапазоне длин волн яркостная температура практически линейно зависит от интенсивности излучения, поэтому уравнение (7) можно переписать как

Tccc + Tc = [TIR – (1-N)( Tssc Ts )]/N. (8)

Для наших дальнейших рассуждений запишем, что Tc = Tccc + Tc является яркостной температурой верхней границы облачности, измеряемой со спутника над пикселем, частично покрытым облачностью, а Ts = Tssc Ts является яркостной температурой поверхности, тогда уравнение (8) может быть переписано как Tc = [TIR – (1-N)* Ts )]/N. (9) Таким образом, для оценки яркостной температуры верхней границы облачности, частично покрывающей пиксель изображения, необходимо получить яркостную температуру подстилающей поверхности Ts и оценить степень покрытия пикселя облачностью N .

3. Оценивание N по данным видимого канала высокого пространственного разрешения спутника MSG Учитывая, что измерения в канале HRVIS спутника MSG проводятся с более высоким пространственным разрешением, чем в инфракрасном, то естественно, что они позволяют обеспечить более раннее и точное обнаружение конвективной облачности. В работе [2] показано, что измерения в видимых каналах более чувствительны к присутствию облачности в поле зрения прибора на ее ранних стадиях развития .

3.1 Основные определения Интенсивность отраженного солнечного излучения (IVIS), измеряемого со спутников над пикселем изображения, частично покрытого облачностью в видимых каналах, может быть записана в следующем виде IVIS=N I cvis +(1-N) I svis, (10) где N – часть пикселя, покрытого облачностью;

I cvis - излучение регистрируемое на спутнике от части пикселя, покрытого облачностью;

–  –  –

3.2 Определение R svis с использованием метода «ближайшего пикселя»

Идея метода, подробно описанного в [3], заключается в нахождении на изображении ближайшего к исследуемому, частично покрытому облачностью пикселю, безоблачного пикселя, имеющего такое же значение R svis на верхней границе атмосферы как исследуемый, в том случае, если последний был бы безоблачным. Общеизвестно, что значение альбедо на верхней границе атмосферы в видимом диапазоне спектра зависит от значений альбедо подстилающей поверхности и вклада атмосферы, который определяется содержанием водяного пара (вкладом аэрозольного рассеивания мы пренебрегаем) .

Поэтому для нахождения соответствующей пары пикселей на изображении мы исходили из того, что такие пиксели будут иметь одинаковые значения альбедо на верхней границе атмосферы, если они имеют близкие значения альбедо на подстилающей поверхности и содержание водяного пара над ними будет таким же. Для этого мы использовали базу данных значений альбедо подстилающей поверхности в видимом диапазоне спектра, созданной по данным AVHRR [4] и среднемесячные характеристики содержания водяного пара в атмосфере [5]. В связи с тем, что исходные данные спектрального альбедо HRV отличаются от данных спектрального альбедо AVHRR, мы привлекли дополнительно, данные, характеризующие тип подстилающей поверхности [6]. Мы исходили из того, что, если пара пикселей принадлежит к одному типу подстилающей поверхности и имеет сходные значения альбедо (AVHRR), то они будут иметь и близкие значения альбедо подстилающей поверхности, измеряемые HRV. Найденная пара пикселей будет иметь одинаковые значения R svis, если содержание водяного пара над ними будет одинаковым .

Данный метод применим для ограниченных по размерам фрагментам изображений (150100 пикселей), где углы, определяющие геометрию наблюдений, изменяются незначительно, и вследствие этого альбедо каких-либо объектов не зависит от изменения этих углов .

3.3. Определение Rcvis Метод основан на расчете Rcvis облачного слоя путем моделирования переноса излучения в видимом диапазоне в облачной среде. Теоретические расчеты и реальные наблюдения [7] показывают, что для оптически плотной облачности (100) альбедо на верхней границе облачности в основном не зависит от дальнейшего роста оптической толщины облака (рис.1). Конвективные облака являются оптически плотными, даже если Теоретические основы восстановления температуры верхней границы облачности ______________________________________________________________________________________________

их геометрические размеры незначительны [8]. В табл. 1 приведены наблюдаемые значения эффективного радиуса r и водности облака (LWC) [9], которые используются для расчета оптической толщины au. Эта величина рассчитывается по следующей формуле [10] au =(3CLWP)/(2rw), (13) где w - плотность воды;

CLWP=LWCH, где H – высота облака .

Для расчета оптической толщины облака мы предполагали, что вертикальные геометрические размеры (высота) облака на начальной стадии изменялась от 500 до 1500 метров. Рассчитанные значения au для различных r и LWC приведены в табл.2 .

Вариации оптической толщины довольно значительны и зависят от фазы развития и вертикальных размеров облака, однако заметные изменения альбедо облака будут наблюдаться только для случаев, когда au 100 (рис.1). Для оценки альбедо пикселя, полностью занятого облачностью ( Rcvis ), мы использовали значение оптической толщины 100, что соответствует развивающемуся кучево-дождевому облаку с вертикальными размерами 700 м. Для расчетов мы использовали одномерную модель переноса излучения в плоско-параллельной облачности .

Таблица1 - Микрофизические параметры различных типов кучевой облачности [9]

–  –  –

1. Validation report for the PGE11 of the SAFNWC/MTP (SAF/NWC/IOP/MFT/SCI/VAL-01) .

2. Wielicki B., Parker L., 1992, On the determination of cloud cover from satellite sensors : The effect of sensor resolution. J.Geophys.Res., 97, 12,799-12,823 .

3. Kryvobok, O., 2005, Monitoring characteristics of young convective clouds for RDT product using MSG data, Visiting Scientist Report, SAF/NWC/IOP/MFT/SCI/RP/02.p.49 Теоретические основы восстановления температуры верхней границы облачности ______________________________________________________________________________________________

4. Gutman G., Tarpley D., Ignatov A., and Olson S., 1995. The enhanced NOAA global land dataset from the Advanced Very High Resolution Radiometer, Bulletin of the American Society,76 (7) 1141-1156 .

5. Oort A.H., 1983, Global atmospheric circulation statistics, 1958-1973. NOAA professional Paper No. 14 .

6. http://edcdaac.usgs.gov/glcc/glcc.asp

7. Calahan, R., Ridgway, W., Wiscombe, W., 1994. Independent Pixel and Monte-Carlo Estimates of Stratocumulus Albedo, J.Atm.Sci., 51,3776-3790 .

8. O’Hirok, W. and Gautier C., 1998. A Three-Dimentional Radiative Transfer Model to Investigate the Solar Radiation with a Cloudy Atmosphere. Part I:Spatial Effects, J.Atm.Sci., 55, 2162-2179 .

9. Rosenfeld, D. and I. M. Lensky, 1998. Satellite-based insights into precipitation formation processes in continental and maritime convective clouds. Bull. Amer. Meteor. Soc., 79, 2457-76 .

10.Stephens, G.L., 1978. Radiation profiles in extended water clouds. Part II: Parametrization schemes. J.Atm.Sci., 35, 2123-2132 .

Теоретичні основи відновлення температури верхньої межі хмар за данними геостатичного супутника MSG. Кривобок О.А .

Розглянуті теоретичні основи визначення температури верхньої межі хмар, розміри якої меньші, ніж одиничний елемент зображення. Показано, що температура хмарності залежить від яскравісної температури підстильної поверхні і ступеня покриття хмарністю одиничного елемента зображення N .

Пропонується використовувати дані високого просторового розрізнення для оцінки N .

Ключові слова: Яскравісна температура, рівняння переносу випромінювання, супутник MSG The theory of cloud top temperature retrieval for cloudiness using the data from geostationary satellite MSG. Kryvobok O.A .

The theory of cloud top temperature retrieval of cloud, which size is less than a pixel is discussed. It is shown that the brightness temperature of cloud depends on surface albedo and cloud fraction N. It is suggested to use high resolution visible data for obtaining N .

Key words: Brightness temperature, equation of radiative transfer, MSG satellite




Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ПРОБЛЕМЫ ГЕОЛОГИИ И ОСВОЕНИЯ...»

«А. И. Дубских, А. В. Бутова, Т. Ю. Залавина. Средства вербализации положительной самопрезентации. УДК 8; 81-119 DOI: 10.23951/1609-624X-2018-4-53-58 СРЕДСТВА ВЕРБАЛИЗАЦИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ САМОПРЕЗЕНТАЦИИ В "ЗВЕЗДНОМ" ИНТЕРВЬЮ А. И. Дубских, А. В. Бутова, Т. Ю. Залавина Маг...»

«Масла компрессорные Gazpromneft Compressor Oil РПБ № 84035624.02.38958 стр. 3 Действителен до 11.08.2020 г. по СТО 84035624-031-2010 из 16 1 Идентификация химической продукции и сведения о производителе и/или поставщике 1.1 Идентификация химической продукции Масла...»

«КОСОЛАПОВ Юрий Владимирович Способ защиты информации от технической утечки, основанный на применении кодового зашумления и кодовых криптосистем 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандид...»

«М. М. Демидова. Особенности перевода герундия в художественном тексте. СОПОСТАВИТЕЛЬНАЯ ЛИНГВИСТИКА И ЛИНГВИСТИКА ТЕКСТА УДК 81`25 DOI: 10.23951/1609-624X-2018-8-39-44 ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕВОДА ГЕРУНДИЯ В ХУДОЖЕСТВЕННОМ ТЕКСТЕ (НА МАТЕРИАЛЕ РОМАНА JANE AUSTEN “SENSE AND SENSIBILITY”...»

«ПУСКОВЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ CBB60. отечественный аналог К78-22, К78-25, К78К78-43. Конденсаторы предназначены для запуска асинхронных электродвигателей и создания фазосдвигающей цепи после выхода на рабочий режим. Конденсаторы проходят обязательную операцию заливки компаундом, соответствующим классу пожаробезопасности V...»

«ЛЕУХИНА Татьяна Леонидовна УЧЕТНО-АНАШПИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕIШЕ ОЦЕНКИ НЕПРЕРЬШНОСТИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ 08.00.12 Специальность: БyxrairrepcкиA учет, статиСТИkа Авторефераr диссертации на соиска...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.