Методика определения типа атмосферного фронта на основе результатов классификации облачности по данным MODIS

Идентификация зон атмосферных фронтов и определение их типов относится к числу основных задач, решаемых при составлении надежных прогнозов погоды. В общем случае фронтальная зона представляет собой область перехода, разделяющая воздушные массы с различными характеристиками, к числу которых относится температура, давление, скорость ветра и ряд других. Стандартная процедура выделения зон атмосферных фронтов синоптиком заключается в проведении изобар на картах погоды, нахождении областей выпадения осадков и облачных полей и определении линий, разделяющих теплые и холодные воздушные массы. Ранее для этого использовались только данные международной сети наземных метеостанций. Анализируя метеорологическую информацию, специалист учитывает тип и рельеф подстилающей поверхности, направление и скорость ветра и ряд других параметров. В результате получается достаточно субъективная оценка детектирования зон атмосферных фронтов, поскольку те или иные их характеристики могут меняться, например, в зависимости от климатического пояса или орографии местности.
Начиная с 60-х годов прошлого столетия, были предприняты первые попытки создания эффективной автоматической процедуры выделения фронтов на картах погоды, используя стандартные метеорологические параметры. Наиболее интересные результаты приведены в [1, 2], в которых предложено использовать величину, называемую фронтальным параметром, зависящую от значений давления и температуры воздуха на определенных уровнях. Однако экспериментальные исследования показали эффективность применения показателя бароклинности только при детектировании интенсивных атмосферных фронтов. В [3] данный метод был усовершенствован за счет использования большего числа классификационных характеристик (предикторов) и определения вероятности наличия фронта в исследуемой области. Этот алгоритм прошел оперативные испытания и в настоящее время используется в Гидрометцентре России. Точность обнаружения фронтальных зон находится на уровне 70 – 80%. В настоящее время для анализа облачных фронтов активно применяются данные дистанционного зондирования Земли из космоса, которые позволяют получать более детализированную оценку их наличия над определенными территориями. Согласно [4] спутниковые снимки также используются для визуального определения синоптиками типа атмосферного фронта: теплого, холодного (1-го и 2-го рода), окклюзии (теплой и холодной).
В докладе представлена методика определения типа атмосферного фронта путем применения результатов классификации облачности по спутниковым данным MODIS с различным пространственным разрешением. Приводится описание алгоритмов распознавания типов облаков, основанных на использовании технологии искусственных нейронных сетей и методов нечеткой логики, а также статистических моделей текстуры изображений облачности и ее физических параметров [5]. Основанная идея предложенного подхода заключается в анализе проклассифицированных участков облачных полей, соответствующих фронтальным зонам, и поиске определенных последовательностей комбинаций типов облаков, характерных для конкретного типа атмосферного фронта. Представленная методика не требует большого числа физических характеристик атмосферы и их высотных профилей. При этом зонирование может быть выполнено различными способами: с помощью экспертной оценкой, использованием указанных выше фронтальных параметров или выделением мезосистем облачности характерной формы. Обсуждаются результаты определения типа атмосферного фронта по спутниковым данным MODIS полученным над Томской областью в период с 2000 по 2017 год. Разработанная методика демонстрирует практическую значимость результатов классификации облачности при решении задач климатологии и метеорологии, к числу которых относится задача выделения фронтальных зон и определения их типов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-60019 мол_а_дк.