Диагноз степени выраженности и прогноз эволюции атмосферных фронтов по данным спутникового зондирования

Наиболее сложные метеорологические условия наблюдаются в зоне атмосферных фронтов. Практически весь спектр опасных явлений погоды и неблагоприятных метеорологических условий характерен для фронтальных разделов: от гроз, града, ливней и шквалистых порывов ветра до низкой слоистой облачности, туманов и гололедных явлений. На высотах в массиве фронтальной облачности наблюдаются болтанка, сдвиги ветра, электризация, обледенение различной интенсивности [1]. Характер погоды и его тренд; интенсивность, географическая распределённость и продолжительность погодных явлений; пространственная и временная изменчивость полей метеовеличин обуславливаются типом, степенью выраженности и эволюцией атмосферного фронта.
Данные наземных метеорологических и аэрологических наблюдений, рассмотренные в динамике, несут значительную, но не исчерпывающую информацию о выраженности и эволюции атмосферного фронта, вследствие их пространственно-временной дискретности. Существенно дополнить данные регулярных наблюдательных сетей о структуре и тенденции развития атмосферных фронтов позволяют данные спутникового зондирования, особенно в цифровом формате. Открытым остаётся вопрос о возможности определения степени выраженности и эволюции атмосферных фронтов исключительно по данным специализированных космических аппаратов.
Исходя из изложенного целью представленного исследования была определена разработка методики диагноза степени выраженности и прогноза эволюции атмосферных фронтов по данным спутникового зондирования.
В качестве исходных данных использовались данные спутникового зондирования с полярно-орбитальных отечественных и зарубежных специализированных космических аппаратов в цифровом формате со средней дискретностью около двух часов. Отбирались фрагменты снимков с изображением атмосферных фронтов. Для контроля и оценки степени выраженности и эволюции атмосферных фронтов использовались приземные карты погоды и карты барической топографии за квазисинхронные сроки. В некоторых случаях привлекались архивные данные срочных получасовых наблюдений АМСГ аэропортов, расположенных в зоне рассматриваемых фронтальных разделов. Всего было подвержено анализу более 700 фрагментов цифровых изображений облачных систем атмосферных фронтов над территорией Европы. Обработка данных осуществлялась с использованием программных средств HRPTReader и АКТОМИКА-2. Анализ проводился дифференцированно по трём градациям степени выраженности: 1 - «активный», 2 - «умеренный» (средней степени выраженности) и 3 – «размытый» и трём градациям тренда: 1 – «обостряющийся», 2 – «стационарный» (без существенных изменений) и 3 – «размывающийся». Интервал оценки эволюции брался 12 часов, исходя из дискретности аэрологических данных, привлекаемых в качестве количественных критериев выраженности и эволюции фронтальных разделов.
В качестве показателей выраженности атмосферных фронтов использовались значения максимальной протяжённости зоны фронтальных осадков, их интенсивности (оцениваемой по минимальной дальности видимости в зоне осадков) и вертикальной мощности облачности; контраста температур во фронтальной зоне на уровне 1,5 км (по АТ850) и в слое от поверхности Земли до высоты 5-6 км (по ОТ500/1000); минимальных значений дефицита точки росы на высотах около 1,5; 3; 5,5 км (изобарические уровни 850, 700, 500 гПа) в области рассматриваемых фрагментов облачных систем.
В качестве показателей эволюции АФ использовались значения изменения представленных характеристик за 12-часовой интервал времени.
Были выполнены построения спектров яркостных температур для 5-6 каналов (в зависимости от космического аппарата) и получены количественные характеристики распределений: средние, дисперсии, стандартные отклонения, квантили, коэффициенты асимметрии и эксцесса.
Для детального анализа степени однородности характеристик спектров яркостных температур были рассчитаны критерии Фишера и Стьюдента для классов с различной степенью выраженности и последующим характером эволюции облачных систем и, связанных с ними метеорологических условий и характеристик явлений погоды.
Из анализа рассчитанных критериев было установлено, что наибольшие отличия наблюдаются при сравнении ширины спектров излучения (с учётом исключения излучения от подстилающей поверхности) и значений эксцесса, что соответствует выводам, полученным ранее в работе [2]. Наиболее информативными оказались данные в третьем спектральном диапазоне (ближний инфракрасный участок спектра).
По результатам проведённых расчётов было установлено, сто случаи с выраженной тенденцией имеют высокий потенциал дифференциации.
На основе полученных результатов, был проведен численный эксперимент по объективному определению класса выраженности атмосферных фронтов и характера их эволюции на основе дискриминантного анализа (метод эталонов).
Лучше поддаются классификации случаи с холодными фронтами. Наиболее сложная задача определения тенденции развития – при наличии теплых атмосферных фронтов в теплое врем года.
Критерии успешности разработанных диагностических и прогностических правил позволяют сделать вывод о возможности определения фактического и ожидаемого состояния атмосферных фронтов на основе данных специализированных космических аппаратов.