Теоретически обледенение, т. е осаждение льда на поверхность, может происходить в любом облаке при Та<0°C, т. к. практически в любом облаке при Та>-40°С присутствует вода в жидкой фазе (Мазин, Хргиан, 1989). Однако очевидно, что при очень низких температурах и при малой водности облачного слоя обледенения наблюдаться не будет, т. к. поверхность летательного объекта (если он не воздушный шар) при движении разогревается от трения о воздух. О сколько-нибудь значимом обледенении мелких летательных объектов можно говорить в слое Та=250-273 К и Wmax>0,15 г/м3 (в КПМ это обледенение называется слабым, а его вероятность составляет около 60 %). Об умеренном обледенении, или обледенении, имеющем значение для крупных летательных объектов (например, вертолётов), можно говорить, если в слое Та=260-270 К существуют значения Wmax>0,5 г/м3 (вероятность умеренного обледенения в этом слое составляет более 70 %, слабого – не менее 90 %). Для сильного обледенения, вызывающего отложение льда на неподвижных частях даже быстро движущихся самолётов, в слое Ta=263-268 К должна быть Wmax>1 г/м3 (вероятность сильного обледенения в этом слое составляет не менее 70 %, умеренного – более 90 %, слабого – 100 %).
Визуальный анализ больших фрагментов классифицированных спутниковых изображений (интенсивность обледенения и высоты ВГ и НГ) и сопоставление их с синоптической ситуацией показывает хорошее соответствие.
Суммы осадков
Суточные (УIсут), месячные (УIмес) и годовые суммы (УIгод) осадков – это количество осадков, выпавшее соответственно за сутки, месяц и год.
Для получения оценок УIсут в КПМ по серии спутниковых изображений в течение суток для каждого пиксела определяется средняя за сутки интенсивность осадков (Iср. сут.). При этом суммируются все спутниковые наблюдения за Imax (в т. ч. ситуации без осадков (Imax=0 мм/ч)) в течение суток и полученная сумма делится на количество спутниковых наблюдений в течение суток. Т. к. оценки Imax выполнены по градациям, то для расчёта Iср. сут. используются средние для градаций значения Imax. Далее значения УIсут рассчитываются по формуле: УIсут=Iср. сут.∙аа. Для коэффициента аа получена эмпирическая формула, зависящая от номера календарного дня (Волкова, 2014). Месячные суммы осадков получаются простым суммированием значений УIсут за месяц, а годовые – за год.
Проведённые автором исследования показывают, что чем больше период времени, для которого оцениваются суммы осадков по спутниковым данным, тем лучше они согласуются с наземными наблюдениями. Так, спутниковые оценки УIсут имеют больше ошибок, чем спутниковые оценки УIмес, а УIгод лучше, чем УIмес, по сравнению с аналогичными наземными наблюдениями. И чем больше территория осреднения, тем «точнее» спутниковый анализ: спутниковые данные абсолютно непригодны для оценок сумм осадков для конкретного пиксела с заданными координатами, хотя вполне удовлетворительно отражают ситуацию по площади региона в его окрестностях.
Для УIсут в среднем за год среднее отклонение спутниковых оценок от наземных измерений dev=0 мм (для отдельных месяцев и лет суммарно по всем метеостанциям до ±1,5 мм), а среднее квадратичное отклонение СКО=4,3 мм (в тёплый период года 5,1 мм, в холодный – 2,9 мм). Значения СКО минимальны в холодный период года (в среднем за месяц по всем метеостанциям менее 4 мм) и растут в тёплый период (для отдельных месяцев до 8 мм в среднем по всем метеостанциям и до 15 мм для отдельных метеостанций в среднем за месяц). Однако для некоторых метеостанций и отдельных дней летом значения |dev| могут превышать 50 мм. Большие ошибки в тёплый период года связаны с большей интенсивностью осадков в это время, а также с их большой локальностью (из отдельных кучево-дождевых облаков) и малой продолжительностью (проблема адекватного сопоставления спутниковых и наземных оценок). В холодный период года абсолютные ошибки оценок УIсут меньше, чем летом, т. к. зоны осадков имеют большую площадь, а также большую однородность и продолжительность выпадения осадков в пределах зоны осадков и, в целом, меньшую интенсивность. Спутниковые оценки УIсут по сравнению с наземными измерениями оказываются более сглаженными: минимальные значения больше, а максимальные – меньше.
Для УIмес значения dev достигают ±47 мм (в среднем за несколько лет -1,8 мм), а СКО ─ до 85 мм для отдельных месяцев (в среднем за несколько лет 22,5 мм). Для отдельных месяцев и метеостанций значения dev и СКО могут быть значительно выше. Спутниковые оценки УIмес оказываются более сглаженными по сравнению с наземными наблюдениями – минимальные значения УIмес выше, а максимальные ниже.
Анализ спутниковых оценок УIгод и сопоставление их с наземными измерениями показывает, что значения dev обычно не превышает 16 % измеренной величины (в среднем 9,6 %), а значения СКО – не более 22,5 % (в среднем 18,2 %).
Расхождение в оценках месячных сумм осадков для отдельных метеостанций часто достигает 50 % от фоновых значений (Gruber, Levizzani, 2008). Действительно, значения сумм осадков на соседних метеостанциях могут различаться в 1,5-2 раза, сильно отличаясь от «фона» (спутниковых оценок) как в большую, так и в меньшую сторону. Поэтому получаемые автором спутниковые оценки сумм осадков (УIсут, УIмес и УIгод) можно считать, в целом, удовлетворительными для мониторинга режима увлажнения рассматриваемой территории. При визуальном анализе полей значений УIсут, УIмес и УIгод для большого региона (например, ЕТР+Европа) в целом хорошо видна общая тенденция увлажнения территории (преобладающие максимальные и минимальные значения сумм осадков, местоположение выпадения их максимальных и минимальных количеств). Результаты спутниковых оценок получаются тем лучшее и точнее (по сравнению с наземными наблюдениями), чем больше промежуток времени для суммирования и площадь территории для осреднения. Спутниковые оценки сумм осадков совершенно непригодны для автоматического попиксельного сопоставления с данными наземных наблюдений на метеостанциях из-за пространственного сдвига спутниковых измерений относительно реальных (тем больше. чем больше hВГО и viz), а также из-за разных пространственных масштабов спутниковых (площадных) и наземных (точечных) наблюдений и др. причин.
Заключение
Проведённая валидация результатов спутниковой классификации результатами наземных наблюдений на метеостанциях и сопоставление с климатическими оценками и аналогичной информацией, полученной автором с помощью КПМ по данным AVHRR/NOAA (Волкова, Успенский, 2015; Волкова, 2013), показала, что КПМ позволяет с достаточной высокой точностью для каждого пиксела (c исходным разрешением спутникового изображения облачности) в круглосуточном режиме определять параметры облачного покрова и детектировать осадки и ОЯП для региона «ЕТР+Европа». Полученные результаты хорошо согласуются с данными наземных наблюдений, климатическими оценками, аналогичными расчётами по информации AVHRR/NOAA и зарубежными аналогами. В целом, результаты классификации КПМ удовлетворяют требованиям ВМО и GCOS (см. табл. 3) и могут использоваться в качестве дополнения наземным метеонаблюдениям для мониторинга облачного покрова и его параметров как в оперативном режиме, так и для климатических исследований. КПМ детектирует большинство параметров облачности, осадков и ОЯП с точностью ±1-2 класса/градации при использовании данных численного анализа. Грубых ошибок (когда ошибочно детектируются диаметрально противоположные классы/градации параметра) выявлено не было.
Таблица 3
Точность определения параметров облачного покрова, осадков и ОЯП по данным SEVIRI/Meteosat-10
параметр облачности | оценка точности | требования к точности | зарубежные методики*** | КПМ |
КОО | dev, % | ±10-15** | ±3 (до 30) | ±5-15 |
dev, окт. | ±1** | - | ±1 | |
СКО, % | 20-45** | 14-17 | - | |
HВГО | dev, м | ±500-800** | ±500-1500 | ±500-2000 |
СКО, м | 1500** | 750-3000 | - | |
dH | dev, м | ±100-1000* | не определяется | ±500-2000 |
рHВГО | dev, гПа | ±45-170** | ±40-180 | ±100 |
СКО, гПа | 70-160** | 110 | - | |
ННГО | dev | ±1 градация* | не определяется | ±1 градация |
HR, % | 75-90* | 85 (80-92) | ||
faza | dev | ±1 класс* | - | ±1 класс |
HR, % | 75-90* | 0-90 | 80 | |
водность | dev | ±1 градация* | LWC | ±1-2 градации |
HR, % | 75-90* | 70-90 | ||
водозапас | dev | ±1 градация* | LWP, IWP | ±1-2 градации |
HR, % | 75-90* | 70-90 | ||
зоны осадков | POD, % | 65-75* | 85-92 | 92 (90-95) |
FAR, % | 15-35* | 25-47 | 15 (10-20) | |
тип осадков (3 класса) | POD, % | 60-80* | не определяется | 15-91 |
град | POD, % | 65-75* | не определяется | 5-63 |
гроза | POD, % | не определяется | 5-42 | |
COD | dev | ±1 градация* | - | ±1-2 градации |
СОТ | dev | ±10 % (ВМО) или ±1 градация* | ±5-300 % | |
Reff | dev | ±1 градация* | - | |
УIсут | dev, мм | 0,5-10** | - | |
УIмес | dev, мм | 10-25 % от УI* | - | |
УIгод | dev, мм | - |
Примечание. * - критерии, предложенные автором; ** - требования ВМО и GCOS к информации по данным SEVIRI/Meteosat; *** - получено в рамках проектов EUMETSAT SAF NWC и SAF СМ по данным SEVIRI/Meteosat.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
