 |
1.2 Использование спутниковой метеорологической информация
|
|
|
|
Метеорологические наблюдения со спутников открыли широкие перспективы для службы погоды и исследования атмосферы.
Метеорологические спутники становились не только важнейшим инструментом изучения атмосферы, но и новым незаменимым средством для получения информации, необходимой для оперативной службы прогнозов погоды.
Для составления прогнозов погоды на длительный срок необходимо иметь информацию о фактическом состоянии метеорологических параметров на территории всего земного шара и об истории синоптических процессов в атмосфере [1].
Метеорологические данные, необходимые для оперативной службы погоды, должны отвечать определённым требованиям: регулярности, срокам и точности наблюдений, достаточной плотности сети наземных станций, а также оперативности использования результатов наблюдений.
Метеорологическое обеспечение международной аэронавигации осуществляется метеорологическими полномочными органами, назначенными государствами.
Согласно документу 8896 Международной организации гражданской авиации ICAO [3], спутниковую метеорологическую информацию, осуществляют:
1) Консультативные центры по тропическим циклонам (TCAC) – представляют собой метеорологические центры, назначенные в соответствии с региональным аэронавигационным соглашением по рекомендации всемирной метеорологической организации. Они следят за развитием тропических циклонов в районе своей ответственности, используя данные спутников, находящихся на геостационарных и полярных орбитах, и другие источники метеорологической информации (например, численные модели метеопрогнозов).
Центры TCAC предоставляют органу метеорологического слежения (MWO), международным базам данных (OPMET), созданным в соответствии с региональным аэронавигационным соглашением, спутниковой системе рассылки Авиационной Фиксированной службы (AFS), онлайн сервисам и, при необходимости, другим центрам TCAC консультативную информацию относительно местоположения центра тропического циклона, его прогнозируемых направления и скорости перемещения, давления в центре и максимального приземного ветра вблизи центра циклона.
|
|
|
Данная консультативная информация предназначена для использования MWO для выпуска информации SIGMET по тропическим циклонам, которая должна содержать и ориентировочный прогноз. Доступ авиационных пользователей к указанной информации также обеспечивается через спутниковую систему рассылки данных в рамках AFS и онлайн-сервисы [3].
2) Консультативный центр по вулканическому пеплу (VAAC) представляют собой метеорологические центры, назначенные в соответствии с региональным аэронавигационным соглашением по рекомендации Всемирной метеорологической организации. Они следят за соответствующими по авиационной метеорологии данными спутников в целях определения наличия вулканического пепла в атмосфере.
В дальнейшем VAAC используют численные модели рассеяния вулканического пепла с тем, чтобы спрогнозировать перемещение облака пепла.
Центры VAAC поддерживают контакты с вулканологическими агентствами государств в зонах своей ответственности в целях своевременного получения квалифицированной информации об особой вулканической деятельности, предшествующей извержению, а также об извержениях вулканов, затрагивающих безопасность международной аэронавигации [3].
В результате, центры VAAC предоставляют консультативную информацию относительно горизонтальной и вертикальной мощности и прогнозируемого перемещения вулканического пепла в атмосфере после вулканических извержений центру зональных прогнозов. Данная консультативная информация предназначена для использования MWO при выпуске информации SIGMET по облакам вулканического пепла. Доступ авиационных пользователей к указанной информации также обеспечивается через спутниковые системы рассылки в рамках AFS и онлайн-сервисы.
|
|
|
Наблюдения за условиями погоды осуществляются посредством приборов и визуальной оценки; результаты этих наблюдений используются для посадки, взлета, навигации на маршруте и определения параметров полета, а также как основа для составления прогнозов. Данные наблюдений, используемые в основном для обеспечения полетов воздушных судов, именуются «оперативная метеорологическая информация (ОРМЕТ)», а данные наблюдений, используемые в основном для составления прогнозов, считаются «основными метеорологическими данными».
Данные метеорологических спутников – в дополнение к информации о типе, количестве и верхней границе облаков данные метеорологических спутников включают в себя также информацию о вертикальном распределении температуры и влажности и о ветре в верхних слоях атмосферы, обеспечиваемую наблюдениями за движением облаков, и все шире наблюдения со спутников используются для обнаружения вулканического пепла [2].
Информация, получаемая с помощью спутников, является особо важной в тех районах, где наземные метеорологические наблюдения проводятся редко или невозможны. Эта информация принимается наземным радиооборудованием непосредственно с геостационарных спутников или спутников, находящихся на полярной орбите.
К недостаткам спутниковой метеорологической информации можно отнести то, что интерпретация изображений, полученных с помощью спутников или метеолокаторов, требует экспертных знаний, которыми можно воспользоваться в ходе инструктажа. Более того, такие снимки связаны с фиксированным временем и не могут использоваться в качестве прогноза. По этой причине эти снимки не следует включать в полетную документацию [3].
Согласно Приказа Министерства транспорта Российской Федерации от 3 марта 2014 г. № 60 федеральных авиационных правил «Предоставление метеорологической информации для обеспечения полетов воздушных судов» – метеорологическая информация, представления экипажам воздушных судов включает данные, предоставленные искусственными спутниками Земли [4].
|
|
|
Передача текущей метеорологической информации WEFAX осуществляется со спутников постоянно. Она необходимая для привязки ко времени и географической привязки фотоизображений, а также для дешифровки снимков, то есть выявления особенностей облаков и их связи с синоптическими процессами.
Чтобы помочь метеорологам производить корректную интерпретацию спутниковой информации используется метод улучшения изображений с помощью цвета. Цвет помогает метеорологу легко и быстро увидеть особенности, которые представляют особый интерес.
Спутниковые системы широко используются для обмена метеорологической информацией, в частности, для получения данных из Всемирного центра глобальных прогнозов.
Спутниковая метеорологическая информация интернациональна по своему характеру. Например, в Азербайджане, Армении, Молдавии, Эстонии, Болгарии, России и Туркмении для получения продукции Всемирного центра зональных прогнозов, расположенного в Лондоне, используются спутниковые системы SADІ; в Беларуси, Литве, Латвии, Украине – системы REІ и FAX-E. Ныне используемые центра дистанционного зондирования имеют возможность принимать и обрабатывать информацию от американских спутников серии NOAA [3].
Источником метеорологической информации при наблюдении Земли из космоса являются пространственные, временные и угловые вариации интенсивности электромагнитных волн, отраженных или излученных системой Земля – атмосфера в различных участках спектра. Регистрация интенсивности электромагнитных волн в соответствующих участках спектра является основой для получения метеорологических данных.
Информация, которая регистрируется метеорологическими спутниками, может быть условно разделена на две группы.
К первой группе данных относят изображения облачности и подстилающей поверхности, получаемые спутниковой аппаратурой в видимом и инфракрасном диапазонах волн. Такую аппаратуру называют обзорной. К ней относят телевизионные и инфракрасные системы спутника. Эти системы производят съемку объектов Земли и ее атмосферы как на дневной, так и на ночной (только инфракрасные системы) стороне Земли.
|
|
|
Ко второй группе относят измерения либо абсолютной величины принимаемых излучений системы Земля – атмосфера, либо их контрастов на осматриваемой поверхности. Съемка производится с помощью аппаратуры, носящей название измерительной [5].
Измерительная актинометрическая или радиационная аппаратура обеспечивает получение ряда количественных характеристик радиационного баланса системы Земля – атмосфера, а также характеристик для определения температуры подстилающей поверхности суши и океана. Спектральные измерения позволяют определить вертикальные профили температуры и влажности воздуха.
Широкое применение получила также аппаратура, которая позволяет решать комплексную задачу, т. е сочетает в себе свойства измерительной и обзорной. Она используется для съемки объектов в инфракрасном участке спектра и получения данных для определения температуры отснятой подстилающей поверхности.
Обработанные спутниковые данные можно использовать как дополнительную информацию к данным комплексной метеорологической радиолокационной станции [6]. Кроме того, данные, поступающие от геостационарных спутников и спутников на полярной орбите, используются консультативными центрами по вулканическому пеплу для обнаружения облаков вулканического пепла и слежения за ними.
К спутникам, предназначенным для получения метеорологической информации, предъявляются высокие требования. Спутник должен быть постоянно ориентирован по отношению к земной поверхности. Трехосная ориентация – необходимое условие, позволяющее выдерживать заданный режим наблюдений. Объективы приборов должны быть все время направлены на Землю.
Для поддержания постоянной ориентировки и стабилизации спутника в определенном положении требуются специальные устройства непрерывного действия. Не менее важным является требование сохранения постоянных температуры и влажности внутри спутника,
Не менее важны стабильное энергоснабжение всех устройств спутника и соответствующая емкость, обеспечивающие длительную нормальную работу всех систем. Учитывая большой объем спутниковой информации, на борту спутника необходимо иметь запоминающие устройства и радиотехнические системы, обеспечивающие прием команд с Земли и передачу на комплекс всей полученной информации [2].
|
|
|
Таким образом, основные требования к специальной метеорологической аппаратуре могут быть сведены к обеспечению необходимого, а также малого веса и габаритов, высокой надежности и потребления небольшого количества энергии. Под первичной обработкой спутниковой информации обычно понимают совокупность операций, в результате которых на основе принятых со спутника радиосигналов получается метеорологическая информация. Особенности первичной обработки спутниковых измерений обусловлены специфичностью получения и пространственного распределения этих данных. Измерения со спутника производятся непрерывно по орбите в пределах полосы обзора аппаратуры. Таким образом, поле измерений при почти неизменной протяженности поперек орбиты сильно вытянуто вдоль направления движения спутника.
Периодичность и асинхронность получения спутниковых данных, специальная система первичной обработки приводят к некоторой обособленности этого вида информации среди остальных метеонаблюдений. В то же время использование указанной информации для уточнения анализа погоды практически может проводиться путем сопоставления с картами полей метеоэлементов, получаемых с помощью наземных и других наблюдений. Сопоставление возможно при наличии спутниковых данных сетки географических координат с контурами береговых линий и рек.
Практическая ценность спутниковой информации во многом зависит от качества первичной обработки и анализа. Совершенствование методики обработки процесс. По этой причине не следует считать, что рассматриваемые здесь методы обработки универсальны и несомненно, что с течением времени эти методы и приемы станут еще более совершенными, более строгими и более точными [5].
Общее требование, которое предъявляется к спутниковым наблюдениям – надежное обеспечение службы погоды и ее оперативных подразделений регулярной и качественной информацией, необходимой для анализа и прогноза погоды. Все требования к спутниковым данным могут быть условно разделены на три группы:
1) требования к величие разрешающей способности соответствующих областей;
2) требования к точности измерений;
3) требования к периодичности наблюдений.
Анализ достигнутой разрешающей способности, точности и частоты измерений свидетельствует о необходимости существенного совершенствования действующей на спутниках обзорной и измерительной аппаратуры. Вопросы периодичности наблюдений со спутников практически решаются путем создания метеорологических космических систем, состоящих из нескольких спутников [1].
За последние 40 лет существенно возросли количество, качество и надежность обзора с помощью спутников. Начиная с 1966 г. Землю регулярно фотографируют по крайней мере один раз в сутки. Фотоснимки используют в повседневной работе, а также помещают в архивы, из которых они могут быть извлечены для исследовательских целей. Метеорологическая информация, получаемая со спутников, неуклонно приобретает все более важное значение. В настоящее время она широко используется метеорологами и специалистами по окружающей среде всего мира в повседневной практике и считается почти обязательной для проведения анализов и краткосрочных прогнозов.
Метеорологическая информация со всех частей света поступает в Национальную службу контроля окружающей среды с помощью спутников, расположенную в Вашингтоне, перерабатывается в материалы широкой номенклатуры и распределяется по всему миру.
Спутниковая информация оказалась полезной в различных сферах исследований. Существуют обширные районы Земли, из которых метеорологическая информация, полученная обычными средствами, поступает очень редко. Это территории океанов Северного и Южного полушарий, пустынь и полярных областей. Спутниковая информация заполняет эти пробелы, выявляя крупномасштабные особенности из образований облаков. К таким особенностям относятся штормовые системы, фронты, наиболее значительные междуволновые впадины и гребни, струйные течения, густой туман, слоистые облака, ледовая обстановка, снежный покров и отчасти направление и скорость наиболее сильных ветров [5].
Кроме того спутниковая информация успешно используется для слежения за ураганами, тайфунами и тропическими штормами. Береговые и островные станции при отсутствии смежных источников метеорологической информации обычного типа могут в максимальной степени использовать информацию, поступающую от системы автоматического пункта приема информации, а также информацию, обработанную и записанную с помощью копировальных схем.
Начиная с 1966 г. с помощью спутников «Тирос» осуществляется ежесуточный обзор Земли, и за это время не упущен ни один тропический шторм. Обычно бури опознаются во время развития, часто на расстояниях, превышающих нормальный радиус действия разведывательных самолетов. В распоряжении большинства учреждений, прогнозирующих тропические бури, имеется информация прямого считывания, поступающая от системы автоматического пункта приема информации в инфракрасном диапазоне, и обработанная информация с записи в видимом и инфракрасном диапазонах. Все тропические районы мира полностью контролируются с помощью спутниковой информации, поступающей в Национальную службу контроля окружающей среды.
Изображения, получаемые со спутников, позволяют установить масштабы и характер ледяных полей в Арктике и антарктических морях, на Великих озерах с недостижимой прежде частотой географического обзора.
Зондирование температуры атмосферы в мировом масштабе с помощью спутников позволяет проводить более полные и точные анализы, используемые при прогнозах погоды, поскольку таким зондированием охватываются океаны и отдаленные районы, не подвергаемые зондированию обычными приборами. Непрерывное зондирование помогает измерять температурные градиенты атмосферы с целью изучения атмосферных явлений. Отдельные операции зондирования облегчают истолкование изображений, полученных со спутников, обеспечивая корреляционные данные в отдельных географических точках.
Метеорологические спутники «Тирос»/«ЭССА»/«ИТОС»/«НОАА» на полярных орбитах составили основное звено программы метеоспутников США. В настоящее время в эксплуатации находятся спутники серии «Тирос-N» и «НОАА-6», которые являются ядром системы глобального сбора метеорологических данных со спутников. Они удовлетворяют потребности США, став надежной орбитальной системой, своевременно и регулярно передающей обзорную информацию. Развитие этой системы было подчинено достижению целей программы с наибольшей экономической эффективностью, в результате чего постепенно и эффективно улучшалось обслуживание с использованием существующих приемных станций всего мира. Эксплуатационная система третьего поколения «Тирос-N» обеспечит дальнейшее совершенствование обзора, а также обработки и распространения информации, получаемой с полярных орбит, в соответствии с долгосрочными целями Национальной эксплуатационной системы. Перспективный спутник «Тирос-N» улучшит систему за счет сбора дополнительных метеоданных; кроме того, он сможет выполнять задачи операций поиска и спасения.
Геостационарные метеорологические спутники станут более совершенными благодаря оснащению последних моделей спутников «ГОЭС» приборами для зондирования атмосферы. Ожидается, что информация о температурах и тепловых градиентах в реальном масштабе времени, полученная благодаря такому зондированию, повысит вероятность предсказания ожидаемых районов гроз и шквалов [7].
В итоге в настоящее время спутник стал практически признанным инструментом метеорологов в большинстве стран мира. Карты погоды, которые вечером появляются на наших телевизионных экранах, со всей очевидностью свидетельствуют о ценности наблюдений со спутников в обеспечение метеорологических систем.
|
|
|
