Синергетический подход к исследованию мезомасштабных атмосферных процессов арктического региона

Современный уровень развития средств и методов исследования атмосферных процессов, программных комплексов обработки данных и широкое распространение геоинформационных систем, позволяют получить качественно новую информацию о состоянии атмосферы, процессов и динамике атмосферных явлений и изменения их состояния, в частности изменении климата. Проблема глобального изменения климата, выявление тенденций, поиск индикаторов такого изменения и прогнозирование климата в будущем является одной из актуальных современных научных проблем. Последствия изменения климата могут привести к ряду негативных процессов, в частности, к ухудшению экологической ситуации в ряде регионов, изменению основных параметров, среды обитания животных.
Атмосфера играет весьма существенную роль в формировании облика Земли, вследствие этого новое информационное качество определяет новые методологические подходы и перспективные технологии в получении и целевом применении материалов дистанционного зондирования Земли для комплексных исследований процессов и явлений. Используются активные и пассивные данные дистанционного зондирования, анализируя исследуемый процесс в пространстве и во времени.
Такое явление как мезомасштабные циклоны, которые, формируются в основном в полярных районах, постоянно ассоциируются с огромной разрушительной силой, с сильными осадками, мощной облачностью и ветрами, создавая угрозу безопасности судов: обледенение и затруднение проведение производственных операций.
Доказательства этого служат всевозможные примеры появления и разрушительные последствия влияния полярных циклонов над северными регионами. В феврале 1983 г. полярный циклон при выходе на побережье США принес сильный снегопад (в Вашингтоне выпал снег, образовав слой высотой 100 см), при этом погибло 69 человек. Мезомасштабные циклоны всегда характеризуются ливневыми осадками.
Полярные циклоны – это часть большого класса погодных мезомасштабных систем. Полярные циклоны как области низкого давления, т.е. циклоны, имеют свойственные характеристики с циклонами. Циклону свойственна своя система воздушных течений. В поле течений (поле ветра) циклон – гигантский вихрь. В слое трения центр циклона является точкой сходимости воздушных течений, то есть поле движения состоит из двух простых полей: кругового (в северном полушарии против часовой стрелки, в южном полушарии – по часовой стрелке.) и стока. В свободной атмосфере ветер близок к градиентному ветру, то есть линии тока почти совпадают с изобарами (изогипсами). В циклоне преобладают восходящие движения воздуха.
В последние годы спутниковая информация является одним из основных видов гидрометеорологического обеспечения в Арктике и Антарктике. В частности, данные с метеорологических спутников используются для наблюдения за изменением облачности и развитием циклонов, в том числе таких, как ураганы и полярные циклоны. Наблюдения за облачностью с Земли охватывают лишь 10-20% всего покрова и зондируют атмосферу до высоты 20-25 км. Метеорологические спутники показывают общее распределение ряда метеорологических элементов всего Земного шара. Широта обзора спутников до 1000 км и выше. С помощью аппаратуры спутника можно узнать не только формы и распределение облачности, а также количественные характеристики циклонических и антициклонических циркуляций, распределение снежного покрова и ледяных полей в океанах, температуру верхней границы облаков и открытых участков Земли и океанов. Также получение информации о зонах выпадения осадков, их интенсивности, распределении очагов грозовой деятельности.
Для детального исследования полярных циклонов необходимо использовать основной источник количественной пространственной информации – это спутниковые данные и поля геофизических параметров, восстановленных по различным спутниковым сенсорам. В то время как спутниковые данные в видимом и инфракрасном диапазонах, данные скатерометров и радиолокационные данные используются в основном как источник качественной информации, то только данные измерений микроволновых пассивных радиометров используются для построения полей содержания атмосферного водяного пара и жидко-капельной влаги в полярных циклонов, что вляется количественной информацией. Данные микроволновых пассивных радиометров также могут эффективно использоваться для определения и отслеживания полярных циклонов.
Применение синергетического подхода для исследования эволюции и структуры полярных циклонов в высоких широтах – это определение траектории полярных циклонов, расчет местонахождение полярных циклонов и их центров, вычисления количественных характеристик полярных циклонов, используя различные данные дистанционного зондирования. Для решения проблем комплексного изучения полярных циклонов с применением синергетического подхода, космические снимки являются самым достоверным источником информации, позволяющие вести картографирование поверхности быстрее и экономичнее по сравнению с авиационными и наземными измерениями. Еще несколько лет назад изображения Земли из космоса использовались лишь узким кругом специалистов. Сегодня спутниковые снимки становятся повседневным источником объективной и актуальной информации для решения различных и достаточно сложных задач в науки.
Исследование полярных циклонов, необходимое их своевременное обнаружение, изучение их качественных и количественных характеристик, отслеживание движения и предсказание полярных циклонов это одна из важнейших, до сих пор, не решенных задач современной науки.