Методика прогнозирования туманов смешанного типа по данным микроволнового зондирования с метеорологических космических аппаратов

Современную метеорологическую науку и её практические приложения невозможно представить без использования спутниковой информации. Широкое применение получили методы космической метеорологии и при метеорологическом обеспечении государственной авиации. Однако, несмотря на широкий перечень регулярной тематической продукции специализированных центров обработки метеорологической спутниковой информации, специфика деятельности ведомственной авиации и авиационных метеорологических подразделений вызывает потребность в разработке методов детализации характеристик метеорологических условий полётов с использованием спутниковых данных.
Одним из практических приложений спутниковой информации является получение исходных данных для прогнозирования туманов по районам базирования и применения авиации.
Актуальность темы исследования: туманы - одна из основных причин нарушения регулярности полётов и безопасности авиационной деятельности. Для их прогноза необходимы достоверные исходные данные.
Различные типы туманов имеют особенности формирования и отличаются по перечню потребных исходных данных. Практические подходы к прогнозированию туманов и научные исследования механизмов их образования, как правило, направлены на прогноз туманов конкретного типа. В тоже время, в естественной среде в той или иной степени при формировании тумана проявляются одновременно различные влияющие факторы. Наиболее распространённым примером являются радиационно-адвективные туманы. Этим обусловлена необходимость дальнейшего совершенствования подходов к прогнозу таких туманов полифакторного генезиса.
В условиях нарушения регулярного обмена данными метеорологических наблюдений на первый план решения этой задачи выходит спутниковый мониторинг.
Цель работы – совершенствование методов прогноза туманов смешанного типа путём получения достоверных исходных данных с метеорологических космических аппаратов.
На предшествующих этапах были исследованы возможности прогнозирования по спутниковым данным радиационных и адвективных туманов [1, 2]. С учётом полученных результатов, была разработана методика прогнозирования туманов при комплексном воздействии радиационного выхолаживания и адвекции температуры и влажности.
В традиционных подходах к прогнозу радиационных туманов используется сравнение ожидаемого ночного понижения температуры воздуха у поверхности земли, исходя из фактических и складывающихся влияющих факторов, с температурой, достижение которой приводит к образованию туманов (температурой туманообразования).
Прогностические алгоритмы адвективных туманов основаны на сопоставлении характеристик температуры и влажности приземного слоя воздуха в пункте прогноза и в исходном районе траектории переноса на заданный период времени.
На основе изложенных классических воззрений предложен подход к прогнозу туманов смешанного типа по спутниковым данным микроволнового диапазона.
Реализация данного подхода осуществляется по следующему алгоритму.
1. Формируется архивная выборка, включающая случаи с туманами и густыми дымками в ночные и утренние часы при благоприятных синоптических условиях: тёплые сектора циклонов, малоградиентные барические поля, центральная часть и периферийные области антициклонов. Рассмотрению подлежат случаи с различными параметрами облачности и ветра (с ограничениями по скорости), с различным знаком адвекции температуры (с ограничениями по адвекции холода) и влажности. Таким образом учитывались влияния, как способствующие, так и препятствующие образованию туманов.
2. Определяются значения температур, при которых образовывался туман. Были построены регрессионные уравнения для определения температуры туманообразования по исходным данным, имеющимся у прогнозиста ко времени разработки прогноза. Исходные данные определялись по спутниковым данным, за момент времени, ближайший к заходу Солнца.
3. Снимаются значения температуры и абсолютной влажности у поверхности земли в пункте (районе) прогноза и в исходном районе. Определяются адвективные изменения.
Исходный район определялся по спутниковым данным с использованием авторских методик [3, 4].
Преимущество микроволнового зондирования заключается в доступности определения профиля температуры и влажности при наличии облачного покрова, что особенно актуально при прогнозе адвективных составляющих.
4. Рассчитывается изменение значений температуры и влажности между соседними сроками (два интервала) с момента начала ночного выхолаживания. На основе полученных данных разработаны регрессионные модели для расчета ночного изменения значений исследуемых параметров.
Особенностью методики является расчет изменений за счёт выхолаживания не в пункте прогноза, а в перемещающемся в интересующий район воздухе.
5. Разрабатываются на основе полученных данных дискриминантные функции для альтернативного прогноза тумана.
Для проверки адекватности разработанной методики была проведена сравнительная проверка разработанной методики на независимом материале по стандартным критериям успешности с результатами расчётов, проведённых по данным с карт погоды (традиционный подход).
Критерии успешности прогноза туманов смешанного типа по исходным данным, полученным на основе интерпретации спутниковых данных, по общей оправдываемости, оправдываемости на наличие и отсутствие явления, критериям надёжности и точности не уступают прогнозам, при разработке которых использовались традиционные источники данных. При этом существенно увеличилась оправдываемость на наличие явления, что наиболее важно исходя из значимости ошибки пропуска опасного явления.
Главное преимущество представленной методики заключается в том, что её можно использовать при полном отсутствии данных наземных метеорологических наблюдений.
По результатам проведённого исследования можно сделать вывод о возможности и целесообразности использования данных дистанционного зондирования Земли со специализированных космических аппаратов для получения априорной информации при прогнозировании туманов, сформировавшихся под воздействием комплекса факторов адвективного переноса и радиационного выхолаживания.