Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
фронту окклюзии (рис. 4.4), представляет собой плотную (яркую) облачную полосу шириной 105 около 300 км. Обычно она имеет форму спирали, напоминающую внешним видом гигантскую запятую, вершина которой находится в центре циклонической циркуляции на уровне облачности. Рис. 4.4. Фронт окклюзии (ОкФ) Для облачной спирали характерна резко очерченная внут- ренняя (тыловая) граница, за ней наблюдается безоблачная или малооблачная полоса, причем на некотором расстоянии от нее могут быть видны облака кучевообразных форм в виде гряд, конвективных ячеек или скопления облаков, не имеющих чет- кой структуры. В отличие от внутренней границы облачной по- лосы фронта окклюзии, внешняя (передняя) граница более рас- плывчатая, часто изорванная. Облачная полоса в этом случае состоит из отдельных валов облаков, которые чередуются с про- светами, причем те и другие вытягиваются вдоль направления основной облачной полосы. Линия фронта окклюзии у поверхности Земли расположена в пределах облачной полосы. Если облачная полоса имеет рез- кую внутреннюю границу, то фронт окклюзии находится в ты- ловой части облачной спирали; если же внутренняя граница яв- ляется более аморфной, фронт окклюзии у поверхности Земли смещается к центральной части облачной полосы. Облачная система окклюзии часто переходит в облачную систему холод- ного фронта без заметного раздвоения на облачность холодного и теплого фронтов. Иногда положение точки окклюзии можно 106 определить по небольшому выступу с правой стороны облачной полосы. Этот выступ представляет собой остатки облачности теплого фронта. Исследование облачных полос фронтов окклю- зии показывает, что на синоптической карте облачной спирали этого фронта соответствует передняя часть циклона. Со време- нем фронт окклюзии может трансформироваться в холодный, теплый или стационарный фронт. В этом случае облачная поло- са начинает приобретать характерные признаки и конфигура- цию соответствующих облачных систем. Существует определенное соответствие между изображе- нием поля облачности и характером синоптических процес- сов. На снимках оно проявляется достаточно четко: циклонам в разных стадиях развития, атмосферным фронтам разного типа, антициклонам, тыловым частям циклонов и другим барическим образованиям соответствуют облачные поля определенной структуры, характеризующей атмосферный процесс. Каждому из атмосферных возмущений синоптического масштаба (циклоны и антициклоны, ложбины и гребни, струй- ные течения и фронтальные разделы) соответствует облачное поле вполне определенной структуры, но варьирующей в зави- симости от конкретных термодинамических условий. Именно эти вариации характера облачного поля дают представление о деталях синоптических процессов. В основу анализа снимков облачности положены два тези- са. Первый тезис: облачность не появляется беспричинно, она возникает при благоприятной для этого синоптической обста- новке. Поэтому присутствие облаков над какими-либо участка- ми земной поверхности не следует рассматривать как случайное малозначащее явление. Второй тезис: тенденция развития си- ноптического процесса обнаруживается в поле облачности раньше, чем ее признаки появляются в полях метеоэлементов. Поэтому изменение облачного покрова свидетельствует об эво- люции полей метеоэлементов. На снимках удается обнаружить характерную облачность теплой адвекции или возникающего циклона раньше, чем их признаки проявляются на синопти-ческой карте или картах ба- рической топографии. С помощью снимков с искусственных спутников Земли определяется ее структура, размеры и другие характеристики. Подобный анализ облачных образований дела- ет прогноз более точным. 107 Проведение синоптического анализа на основе космических снимков заключается в следующем: по фронтальным облачным полосам восстанавливается положение при-земных атмосферных фронтов и устанавливает- ся тип фронта, его активность, скорость перемещения (быстро или медленно перемещается фронт); определяются положение центров циклонической цирку- ляции (вершины волновых возмущений, центры основных и ча- стных циклонов) и стадии развития циклонов; проводятся изобары с учетом установленных на первом и втором этапах анализа типов фронтов, скорости их перемеще- ния, стадии развития циклонических возмущений и структуры поля внутримассовой облачности; после восстановления синоптической ситуации составля- ется прогноз эволюции и перемещения облачных образований и связанных с ними синоптических объектов. Использование спутниковых данных для прогнозирова- ния метеорологических условий. Космические снимки облач- ности используются как для анализа синоптического положения, так и для прогноза облачности и зон осадков. Анализ облачности по снимкам проводится одновременно с анализом метеорологиче- ских данных на синоптических и барических картах. Прогноз количества осадков является одной из наиболее сложных задач при соответствии прогноза погоды. Снимки об- лачного покрова широко используются как дополнительная, а над районами, малоосвещенными данными наблюдений, как ос- новная информация для оценки синоптической обстановки и возможных условий погоды. Типы облачности, различаемые на спутниковых снимках, не полностью соответствуют тем формам облаков, которые наблю- дают метеорологи с Земли. Различия в масштабах обзора вносят различия и в определение облачных форм. На снимках метеоро- логических спутников в силу недостаточной разрешающей спо- собности аппаратуры видны не отдельные облака, а их скопле- ния, поэтому в название вида облачности по спутниковому сним- ку входит более обобщенное понятие. Например, слоистая облач- ность включает в себя все формы слоистообразных облаков. Вместе с тем идентичность в определении по спутниковым снимкам и по наблюдениям с Земли тех форм облаков, из кото- 108 рых выпадают осадки, достаточно велика, и это дает основание использовать снимки облачного покрова для анализа и прогноза зон осадков. Осадки выпадают в тех местах, где на снимках видна облачность кучево-дождевых и слоистых форм, а также облачность, которая представляет собой сочетание кучево- дождевых облаков со слоистыми. При этом, если из облаков та- кого вида выпадает дождь, то обязательно присутствуют пери- стые облака. Снег может выпадать при их отсутствии. Вероятность выпадения осадков из облаков перечисленных видов определяется линейными размерами отдельных облаков, различимых на снимке, и их количеством, т. е. степенью закры- тия облаками земной поверхности. Повторяемость выпадения дождя возрастает по мере увеличения размеров и общего коли- чества облачности. Вопрос о возможности обнаружения зон, где выпадает большое количество осадков, представляет практический инте- рес. Дожди, когда количество осадков за 12 ч превышает 10 мм, явление важное, а иногда и опасное. Определение положения зон таких осадков – одна из основных задач синоптика. Реше- нию этой задачи могут помочь снимки облачного покрова, по- лученные с метеорологического спутника. В большинстве случаев осадки бывают связаны с тремя ос- новными облачными системами: облачными вихрями, полосами и облачными массивами, которые имеют нерегулярную форму. Для летних осадков характерна еще одна облачная система, ко- торая представляет собой скопление изолированных куче- вообразных облаков. Практически из всех облачных систем, ко- торые имеют форму вихрей и полос, выпадают дожди. Определение верхней границы облаков. Для определения высоты верхней границы облаков используют сведения о темпе- ратуре верхней границы. Эта температура определяется по дан- ным измерений уходящего излучения в окне прозрачности атмо- сферы. Высота верхней границы облаков по данным спутниковых наблюдений определяется с точностью до 1 км. Восстановление характеристик облачного покрова осуществляется по спутнико- вым данным в видимой и инфракрасной областях спектра. Для обеспечения высокого качества измерений облачного покрова осуществляются взаимные калибровки аппаратуры раз- ных спутников при их одновременной эксплуатации, а также данные наземных метеорологических станций. 109 Исследование вертикальных профилей атмосферы. К важным достижениям космического дистанционного зонди- рования относится оперативное определение вертикальных профилей атмосферы (температура, влажность и др.). Для ис- следования поля вертикальных профилей атмосферы на спут- никах серии NOAA установлена аппаратура TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder). Радиометр TOVS представляет собой комплекс из трех независимых систем, данные которых могут быть использованы для восстановления вертикальных профилей температуры, влажности воздуха, поля ветра, кон- центрации озона и других параметров. Результаты спутниковых исследований вертикальных профилей атмосферы представляют значительный интерес для метеорологии и авиации. Данная информация необходима при построении численных моделей погоды, контроля многолет- них глобальных температурных изменений, при изучении взаимосвязи климата с параметрами атмосферы, уточнении численных моделей атмосферы. Кроме того, эта информация может быть использована для определения структуры высот- ных ветров (геострофических ветров), которая в свою очередь является основой штормопредупреждения и прогнозирования опасных приповерхностных ветров. Также важно дистанцион- ное определение температуры и влажности в приземном слое и на различных высотах над поверхностью с точки зрения мо- ниторинга лесных пожаров. Альтернативным методом получения вертикальных про- филей атмосферы является аэрологическое зондирование с помощью радиозондов – миниатюрных метеостанций, подни- маемых баллонами в воздух и снабженных радиопередатчика- ми. Данные о передвижении радиозонда помогают определить скорость и направление ветра. задача дополнения данных аэ- рологического зондирования спутниковыми данными доста- точно актуальна. Также представляет интерес сравнение спут- никовых данных и данных аэрологического зондирования. Решение такого рода задач – необходимая часть дистанцион- ных исследований, которые нуждаются в постоянной проверке их достоверности, точности, надежности. 110 4.3. Применение данных дистанционного зондирования в океанологии Космические методы позволяют перейти от наблюдений в отдельных точках морей и океанов (обеспечиваемых буйковыми или судовыми методами) к глобальному охвату. При этом реги- стрируются в основном косвенные показатели, и необходимо изучение их связи с исследуемыми явлениями. Съемка поверхности океана в тепловом ИК-диапазоне только открыла возможность изучения глобального распределе- ния температур и позволила визуализировать течения, динамику океанических вод, океанические фронты, вихри, приливы, вол- ны цунами, апвеллинги. Выявлена динамическая структура океана, прежде представлявшегося инертной водной массой. Измерения уровня океана с помощью спутниковой радиоальти- метрии способствуют определению топографии поверхности с точностью 2–3 см. Анализ топографии поверхности позволил составить карты рельефа дна Мирового океана. Спутниковые скаттерометры фиксируют волнение и дают возможность со- ставлять глобальные карты приповерхностных ветров. С помо- щью многоканальных спектрометров видимого диапазона со- ставляют карты цветового индекса, коррелирующего с концен- трацией хлорофилла фитопланктона, что важно для изучения биопродуктивности океана. Со спутников ведут комплексные исследования мелководного шельфа, осуществляют мониторинг морских льдов, наблюдение за загрязнением поверхности. Уровень моря. Спутниковая радиоальтиметрия дала воз- можность получения глобальной десятидневной картины топо- графии поверхности океана с точностью до 2 см. Это позволяет определять отклонения уровня водной поверхности от геоида, исследовать мезомасштабную и крупномасштабную циркуляции океанов и морей, обнаруживать разрушительные волны цунами задолго до их приближения к берегу, следить за приливами в зонах континентальных шельфов, штормовыми нагонами и де- формациями уровня, связанными с западными пограничными течениями и их меандрами. Радиолокатор альтиметрического спутника измеряет время прохождения радиосигнала от спутника до поверхности океана и обратно. На основе полученных значений и точных данных об орбите вычисляют высоту поверхности океана как разность ме- 111 жду высотой орбиты и высотой спутника над поверхностью океана (рис. 4.5). Сегодня спутниковые альтиметрические изме- рения высоты морской поверхности при точности 2–3 см дают пространственное вдольтрековое разрешение 5–7 км с перио- дичностью 3–35 суток. Рис. 4.5. Схема работы альтиметра TOPEX/Poseidon [Интернет-семинары …, 2013] Мониторинг уровня океанов, морей, крупных внутренних водоемов, высоты ветровых волн в различное время осуществ- ляется с помощью альтиметров, установленных на спутниках TOPEX/Poseidon (1992–2006), Jason-1 (2001–2013) и др. Эти системы являются совместным проектом НАСА и Националь- ного центра космических исследований Франции. В июне 2008 г. по этой программе на орбиту был запущен очередной спутник, Jason-2, главная цель которого – поддержание непре- рывности мониторинга уровня Мирового океана, начатого спут- никами TOPEX/Poseidon и Jason-1. На 2015 г. планируется за- пуск спутника Jason-3. Альтиметрические спутники имеют не- 112 обычное наклонение их орбит (66°), которое позволяет осуще- ствлять съемку 95 % свободной, не покрытой льдами поверхно- сти Мирового океана. Кроме перечисленных выше спутников, также существен- ный вклад в изучение топографии поверхности океана внесли спутники Seasat (1978), GEOSAT (1985–1988), ERS-1 (1991–1996), ERS-2 (1995–2011). У спутников Seasat, ERS-1 и ERS-2 допол- нительно имелся инструментарий для измерения параметров ветра, волнения и т. д., а GEOSAT – преимущественно альти- метрический спутник. Рельеф дна. Подводный рельеф из космоса можно наблю- дать и фиксировать на снимках в видимом диапазоне в редких случаях: непременные условия – высокая прозрачность воды и штилевая погода. Водная толща ослабляет яркость, контрастность и четкость наблюдаемых подводных объектов: интенсивность проникающего в воду солнечного излучения падает, а спектраль- ный состав изменяется; инфракрасное излучение полностью по- глощается поверхностными слоями воды. В прозрачных водах, когда практически отсутствуют взвеси и фитопланктон, красные лучи проникают на глубину до 10 м, желтые – на глубину 20 м и только сине-голубые лучи достигают глубины 50 м, где интен- сивность света уменьшается в 100 раз. На больших глубинах дно солнечным светом практически не освещается. Таким образом, просматриваемая зона ограничивается небольшими глубинами – до 20 м в водах средней прозрачности (например, в Черном, Кас- пийском морях) и до 40 м в прозрачных водах (например, в Ка- рибском море). Поэтому космические снимки обеспечивают изу- чение рельефа дна лишь в зоне мелководного шельфа. На космических снимках в видимом диапазоне хорошо ото- бражается строение дна в мелководной зоне, отчетливо выделя- ются отмели и банки, лагуны внутри атоллов; видны формы донного рельефа: вдольбереговые валы, бары, гряды, приливные дельты, русла палеорек, эрозионные ложбины, карстовые во- ронки, коралловые рифы и др. Для такого изучения оптимальна многозональная съемка. Поскольку лучи разных спектральных диапазонов способны проникать в водную толщу на разную глубину, серия зональных снимков обеспечивает разноглубин- ные срезы дна и водной толщи, что открывает перспективы ис- пользования многозональных снимков для батиметрического и тематического картографирования мелководного шельфа. 113 Хорошие возможности для изучения и батиметрического картографирования мелководий в ряде случаев дает радиолока- ционная съемка (рис. 4.6). Рис. 4.6. Эстуарий р. Эльбы во время отлива на радиолокационном изображении спутника «Алмаз»: хорошо видна древовидная структура сточных желобов и каналов [Интернет-семинары …, 2013] В конце 60-х гг. первые наблюдения подводной топографии в мелководных морях с помощью радиолокатора бокового обзо- ра (РЛСБО) с самолета были проведены в Северном море. Во время полета океанографического спутника Seasat в 1978 г. бы- ла впервые показана возможность регистрации элементов под- водного рельефа с помощью радиолокатора SAR и получены радиолокационные изображения подводных песчаных банок. Поверхностные проявления, связанные с подводной топографи- ей, наблюдались также на радиолокационных снимках, полу- ченных спутниками «Космос-1870», ERS-1 и «Алмаз». Прове- денные исследования показали, что космический радиолокатор дает дополнительную возможность обстоятельного и детального исследования донного рельефа мелководных участков шельфа. Механизм проявления подводной топографии на радиолокаци- онных изображениях связан с обтеканием приливным течением форм донного рельефа (например, песчаных банок); вариации течения при обтекании банок модулируют короткие ветровые волны на морской поверхности. Подводный рельеф на радиолокационных снимках наблю- дается именно в приливных морях и необходимым условием его наблюдения является сильное приливное течение и ветровое волнение на поверхности. Космический радиолокатор дает уни- кальную возможность исследования донного рельефа мелковод- 114 ных участков шельфа с глубинами 5–40 м. Другими средствами дистанционного зондирования такую информацию в условиях повышенной мутности приливных вод получить практически невозможно. В приливно-отливной зоне шельфа во время отли- ва на снимках выделяются основные морфоструктуры и особен- ности геолого-геоморфологического строения дна, что позволя- ет оценить интенсивность прибрежных процессов. Косвенно информацию о подводном рельефе можно полу- чить, исследуя эффекты рефракции длинных волн в прибрежной зоне и над отдельными формами подводного рельефа, а также изучая внутренние волны и их поверхностные проявления в шельфовой зоне, особенности генерации, распространения и диссипации которых часто связаны с крупномасштабными фор- мами подводного рельефа. Данные об уровне моря и топографии поверхности океана используются для восстановления картины рельефа дна океана: уже первые опыты радиопрофилирования с орбитальной стан- ции Skylab (1973) показали связь топографии водной поверхно- сти с рельефом морского дна. Радиолокационная система спут- ника Seasat вместе с радиовысотомером подтвердила предполо- жение о существовании сложного рельефа поверхности океана, обусловленного как неравномерностью распределения масс внутри земного шара, так и неровностями рельефа морского дна. Над возвышением дна высотой 3,2 км поверхность подни- мается примерно на 1 м. По альтиметрическим данным со спут- ников Seasat, ERS, обеспечивающим определение топографии поверхности с точностью 5–10 см, по картам рельефа морской поверхности восстановлены крупнейшие черты донного рельефа и составлена карта рельефа дна Мирового океана (рис. 4.7). |