Валидация спутникового диагноза грозовой активности по наземным данным метеорологических наблюдений и грозопеленгации в Европейском регионе

Грозовая активность часто сопровождает неблагоприятные и опасные явления погоды (ливневые осадки, град, шквалистые усиления ветра), а также может привести к повреждениям и возгораниям наземных объектов (линий электропередач, лесов и др.), поражению людей и животных. В связи с этим оперативный мониторинг гроз важен для своевременного выпуска штормовых оповещений и предупреждений об ухудшении погодных условий. Территория России, в том числе Европейский регион, охвачен наземным мониторингом гроз лишь частично, поэтому наблюдение за грозами по спутниковым данным геостационарных и высокоэллиптических КА с большим охватом территории и высокой периодичностью является актуальной задачей.
Работы проводилась с целью валидации и сравнения работоспособности трех методик спутникового диагноза зон гроз (с использованием данных КА «Арктика-М» и КА «Meteosat-9») по данным наземных наблюдений на метеорологических станциях и измерений грозопеленгационной системы в Европейском регионе за период 2024‒2026 гг. Работа является логическим продолжением предыдущих работ авторов (Волкова, 2020, 2025).
В ФГБУ «НИЦ «Планета» разработана методика обнаружения зон гроз по спутниковым данным о радиационной температуре в различных спектральных каналах, реализованная в нескольких автоматизированных программных комплексах (АПК) (Волкова, 2020). Она основана на выделении по косвенным признакам мощной конвекции и позволяет классифицировать зоны по вероятности возникновения грозы и её предполагаемой интенсивности. В настоящей работе проведено сравнение трёх вариантов методики детектирования зон гроз по данным прибора МСУ-ГС с КА серии «Арктика-М» с использованием данных численного прогноза погоды (ЧПП) модели NCEP GFS (АПК «ARKTIKAncep») и радиометра SEVIRI с КА Meteosat-9 с использованием данных ЧПП моделей Exeter и NCEP GFS (АПК «SEVIRIexeter» и «SEVIRIncep») с наземными данными метеорологических наблюдений и измерений объединенной грозопеленгационной системы (ГПС) ФГБУ «НИЦ «Планета» и ФГБУ «ВГИ» (Аджиев и др., 2023), в т. ч. попарное сравнение методик и наземных наблюдений. Оценка качества осуществлялась для трех классов зон гроз («без гроз», «любая гроза», «умеренная/сильная гроза») на основе архива за теплые периоды 2024-2026 гг. как визуально (анализ спутниковых карт зон гроз с нанесёнными на них данными ГПС и метеостанций), так и путём расчета некоторых статистик точности (вероятность правильного детектирования (POD), вероятность правильного распознавания (POO), точность классификации (HR) и др.). В качестве эталонных данных использовались наблюдения на метеорологических станциях в основные синоптические сроки (наблюдения за погодой в срок наблюдения, в последний час и между сроками) и данные ГПС, накопленные за 15 мин.
По результатам валидации спутниковых зон гроз по данным наземных метеостанций в среднем для выборки POD и POO составляют 50 % и 30 % для «ARKTIKAncep»,79 % и 14 % для «SEVIRIncep», 30 % для «SEVIRIexeter». Таким образом, методика «ARKTIKAncep» показала, в целом, наиболее высокие результаты детектировании зон гроз как в сравнении с метеонаблюдениями, так и ГПС (достаточно высокие значения POD и РОО), при этом точность методики практически не меняется для разных лет выборки. Методика «SEVIRIncep» переоценивает как размеры и количество грозовых облаков, так и интенсивность гроз (при самых высоких из трёх методик значениях POD значения РОО достаточно низкие). Методика «SEVIRIexeter» оказалась наименее пригодной для мониторинга зон гроз из-за потерь потенциально грозовых облаков и облаков со слабыми грозами, а также занижения интенсивности гроз. Точность классификации HR для всех трёх спутниковых методик при сравнении с данными метеонаблюдений «в срок» превышает 96 %, тогда как при использовании наблюдений «между сроками» менее 91 %.
Сравнение спутникового диагноза зон гроз с данными ГПС показало более высокое соответствие, чем с наземными метеорологическими наблюдениями. Для класса «любая гроза» в среднем для выборки POD составляет 65 % для методики «ARKTIKAncep», 79 % для «SEVIRIncep», 36 % для «SEVIRIexeter». Точность одновременного подтверждения грозы тремя видами мониторинга гроз (спутниковые, ГПС и метеостанции) заметно ниже, чем при попарном сравнении. Также была проведена валидация регистрации гроз ГПС данными наблюдений на метеостанциях за тёплые периоды 2021‒2026 гг., среднегодовые значения POD составляют 66 78 %.
Для повышения полноты мониторинга грозовой активности над Европейской территорией России целесообразно комплексировать спутниковую классификацию зон гроз (по данным МСУ-ГС КА серии «Арктика-М») с данными ГПС. Такое сочетание данных позволяет использовать преимущества обеих систем: широкий охват и пространственное распределение облачности с зонами гроз различной вероятности от спутникового мониторинга с фактическими координатами молний по измерениям ГПС.
Работа выполнена в рамках темы 2.7 Плана НИТР Росгидромета «Развитие методов и технологий подготовки спутниковой продукции по параметрам атмосферы и земной поверхности и системы сбора данных c наблюдательной сети Росгидромета на базе Государственной территориально-распределенной системы космического мониторинга (ГСКМ) в составе Европейского, Сибирского и Дальневосточного центров НИЦ «Планета» с использованием действующих и перспективных космических аппаратов наблюдения Земли на полярных, геостационарных и высокоэллиптических орбитах».