Исследование физических параметров различных типов облачности по данным тематических продуктов MODIS

В настоящее время накоплен достаточно большой объем информации об облачности и ее характеристиках: высоте верхней и нижней границы, водности, микроструктуре, эффективном радиусе частиц, оптической толщине и многих других. Всемирная метеорологическая организация классифицирует облака на 10 основных форм на основе морфологического описания их структуры по результатам наземных наблюдений. При этом каждая из этих форм облачности имеет несколько подтипов. Таким образом, общее количество разновидностей облаков достигает нескольких десятков, что существенно затрудняет их эффективную классификацию не только с Земли, но и средствами дистанционного зондирования. Наиболее полная классификация используется международной сетью наземных и судовых метеостанций, при которой облачность разделяется на 27 разновидностей, включая как все основные формы облаков, так и их сгруппированные подтипы и некоторые сочетания. При дистанционном зондировании в большинстве случаев применяется усеченная версия классификации облачности, включающая только ее основные формы. Результаты многолетних наблюдений за облачностью содержатся в Атласе облаков [1] и в различных базах данных международных проектов по мониторингу глобального поля облачности [2]. При этом в указанных базах отсутствует полная информация о характерных значениях физических параметров. Часть характеристик обобщается на весь тип, а другая – описывается качественно, а не количественно. Поэтому для решения задач климатологии и метеорологии привлекается дополнительная информация, получаемая посредством самолетных измерений или метеозондов.
Данные дистанционного зондирования Земли из космоса являются единственным источником информации о глобальном поле облачности. По ним можно восстановить значения таких параметров облаков, как температура и высота их верхней границы, эффективный радиус частиц, водозапас, фазовый состав, коэффициент отражения и ряд других. Поэтому архивы спутниковых данных можно использовать для определения физических параметров различных типов облачности и построению ее моделей. При этом не существует известных работ в данной области, в которых бы облачность детектировалась и классифицировалась так же эффективно, как и при наземных наблюдениях по 27 разновидностям. Это является одним из принципиальных ограничений, не позволяющих в полном объеме использовать спутниковую информацию о физических параметрах облачности для описания ее типов.
В докладе предложена статистическая модель физических параметров для 25 разновидностей облаков, построенная на основе тематической продукции спектрорадиометра MODIS с пространственным разрешением 1000 м и результатов автоматической классификации изображений однослойной облачности на спутниковых снимках MODIS [3]. Алгоритм классификации основан на вероятностной нейронной сети и информации о текстуре изображений облачности и применяется для локализации участков, принадлежащих определенным разновидностям облаков, для которых с помощью тематических продуктов MODIS определяются значения физических параметров. Модель включает в себя законы распределений, описывающие флуктуации физических параметров различных типов облаков, и оценки их параметров. Приводятся ключевые характеристики некоторых типов облачности и результаты сопоставления модели и ее характеристик с международными базами данных. Обсуждаются перспективы практического применения полученных результатов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-60019 мол_а_дк.