Определение параметров облачного покрова, осадков и опасных явлений погоды по данным радиометра SEVIRI с геостационарного метеоспутника Meteosat-10 для Европы и Европейской территории России (Методические рекомендации по использованию спутниковых данных) (стр. 4 )

Работоспособность КПМ по детектированию типу облачности несколько падает с увеличением viz, т. к. спутниковая аппаратура фиксирует тепловое излучение не от ВГО, а от боковой части облака, из-за чего облако кажется оптически более плотным и облака ошибочно причисляются к классу с более высокими значениями COD и Wmax: например, «Ci, Cs» превращаются в «Ac, As+Ci», «As» и «Ac» − в «Cu, Ns, Cb+As», «Ac, As+Ci» − в «Cs+As+Ns» и т. д.

В горах могут возникать ошибки детектирования из-за сложностей соотнесения hВГО и href, поэтому при неизменной мощности и водности облака может ошибочно меняться тип облачности за счёт изменения его ярусности.

В целом, исследования автора показывают, что пикселы, ошибочно классифицированные КПМ как облачные, обычно причисляются к классам облачности с малой оптической плотностью и водностью, с небольшой вертикальной мощностью, расположенной на нижних и средних уровнях в атмосфере – например, к «Ac», «St», «As» или реже «Cu, Sc». Эта облачность практически всегда без осадков (очень редко осадки с Imax≤0,5 мм/ч (морось или слабый снег)) и без ОЯП.

Температура и высота ВГО

Верхняя граница облака (для данного облака или облачного слоя) – это тот наивысший уровень в атмосфере, на котором воздух ещё содержит заметное глазу количество облачных элементов (Хромов, Мамонтова, 1974).

Регистрируемая спутниковой аппаратурой радиационная температура Т108 обычно не соответствует реальным значениям ТВГО, т. к. даже у оптически плотной облачности собственное излучение вершины облака крайне мало из-за малой концентрации облачных частиц в ней. Поэтому регистрируемое длинноволновое излучение (ДВИ) в действительности является излучением нижележащих облачных слоев с более высокой концентрацией и большими размерами облачных частиц (для облачности с большой оптической плотностью и большой вертикальной мощностью) или даже в значительной своей части представляет собой излучение подстилающей поверхности (для тонких полупрозрачных облаков или частично заполненных облачностью пикселов). Поэтому спутниковые оценки hВГО, полученные напрямую по значениям измеренной радиационной температуры, оказываются в той или иной степени заниженными по сравнению с реальными.

Главными поглотителями теплового излучения в атмосфере являются водяной пар и механические примеси, которые сосредоточены преимущественно в нижних слоях атмосферы и их концентрация резко убывают с высотой. Удельное содержание водяного пара в атмосфере умеренных широт даже в летнее время относительно невелико. Влияние других видов поглотителей ДВИ в атмосфере в несколько раз меньше, чем влияние водяного пара. В КПМ при восстановлении значений hВГО проводится коррекция измеренных значений Т108 независимо от типа облачности с помощью эмпирического уравнения, которое косвенно учитывает микрофизические свойства ВГО и толщину слоя перистообразной и/или высоко-слоистой облачности. Далее по барометрической формуле для политропной атмосферы рассчитывается hВГО над уровнем моря сначала в гПа (phВГО), а затем в метрах (hВГО).

В табл. 2 проведено сопоставление спутниковых оценок hВГО, полученных КПМ по данным SEVIRI/Meteosat-10 для разных классов облачности, с аналогичными климатическими оценками для аналогичных классов облачности ВМО (Ясногородская, 1978).

Таблица 2

Сопоставление оценок hВГО по спутниковым и климатическим данным

климатические (ВМО)	спутниковые (КПМ по SEVIRI/Meteosat-10 для ЕТР)
класс облачности	диапазон hВГО (км)	класс облачности	средняя hВГО (км)	диапазон hВГО (км)
Ns	2-7	Ns, Cb	4,5	2,2-10,3
St	<2	St	0,9	0,1-3,1
Sc	<2	Cu, Sc	2,8	0,5-6,8
Cu	2-5
Cb	3-15 (и выше)	Cb calv.	6,2	4,0-13,4
Cb cap.	9,8	5,8-13,0
Cb inc.	11,2	6,9-13,9
Cb+Ci	7,9	5,4-13,1
Ac	2-7	Ac	2,4	1,0-7,1
As	2-7	As	4,0	1,6-7,2
Cu, Ns, Cb+As	4,8
Ci, Cs, Cc	5-8 (до 18)	Ci, Cs	7,5	5,3-15,3
Ac, As+Ci	7,4	5,3-18,1
Cs+As+Ns	7,4	5,2-15,9

Анализ табл. 2 показывает, что значения hВГО (как средние, так и минимальные и максимальные) для всех классов облачности (по результатам классификации КПМ) оказываются в хорошем согласии с климатологией облачности (Мазин, Хргиан, 1989; Ясногородская, 1978).

Наиболее типичные ошибки при расчёте hВГО – это «опускание» облачности на краях облачного массива и «просвечивание» мощной кучевой облачности сквозь Ci и As. В результате, на фоне широкого полога из As и/или Ci могут появляться «выпячивания», т. е. островки с заметно более высокими значениями hВГО, чем у окружения. А также образование «понижений» тонких Ci или As, когда «просвечивает», наоборот, облачность нижнего или среднего яруса, а Ci или As как бы исчезают. Величина ошибки оценки hВГО зависит также и от оптической плотности облака: чем оптически менее плотно облако, тем сложнее определить его верхнюю границу, а следовательно, и её высоту (в т. ч. из-за эффекта «просвечивания» нижележащей облачности и подстилающей поверхности). В целом, точность оценок hВГО КПМ практически не зависит от времени суток и высоты положения солнца, но на неё влияет время удаления спутникового наблюдения от срока, для которого получены поля дополнительной информации (т. к. необходимо учитывать суточный ход атмосферного давления и температуры воздуха, а также изменение их значений при смене воздушных масс при похождении атмосферного фронта). Ошибки возможны при наличии температурных инверсий (приземных или высотных) или очень маленьких вертикальных температурных градиентах, а также в горах (href≥500 м) и над небольшими водоёмами.

Исследования автора показывают, что ошибки определения hВГО КПМ по данным SEVIRI/Meteosat в большинстве случаев не превосходят 10-15 % от полученного значения, т. е. обычно |dev|≤0,5 км для низкой облачности и большого вертикального развития, |dev|≤1 км для облачности среднего яруса и многослойной и |dev|≤1,5 км для облачности верхнего яруса. Величина dev зависит от величины СОТ (в меньшей степени) и от точности (в т. ч. пространственного и временноґго разрешения) дополнительной информации о Таур. моря, Tamax и pур. моря. Ошибки определения значений рhВГО по данным SEVIRI/Meteosat в большинстве случаев не превосходят 1 градацию, т. е. 50-100 гПа, и вполне удовлетворяют требованиям ВМО и GCOS (см. табл. 3).

Оценки hВГО, рhВГО и ТВГО получаются средними для пиксела, поэтому на практике в его пределах возможны как более высокие, так и низкие значения hВГО, рhВГО и ТВГО.

Фазовое состояние воды в облачных частицах в слое вблизи ВГО

Фазовое состояние воды – это твёрдое (лёд), жидкое (вода) и газообразное (водяной пар) состояния, отличающиеся по характеру молекулярного теплового движения, взаимные переходы между которыми сопровождаются скачкообразными изменениями физических свойств воды (Хромов, Мамонтова, 1974). У разных классов облачности в зависимости от времени года, hВГО, ТВГО и др. параметров может меняться фазовое состояния воды в облачных частицах, в т. ч. в слое вблизи ВГО, т. е. соотношение облачных частиц в капельно-жидкой или кристаллической форме (Мазин, Хргиан, 1989; Ясногородская, 1978). Фазовое состояние облака может быть различным в разных точках облака и меняться со временем. Облако может состоять из ледяных частиц, из жидких капель или быть смешанным. Капли могут встречаться в переохлаждённом виде до -40°С, а кристаллы и при положительных ТВГО. Наиболее активные облака – смешанные, наименее – кристаллические (Мазин, Хргиан, 1989; Ясногородская, 1978).

Для некоторых типов облаков, особенно слоистообразных форм или небольшой вертикальной мощности (например, St, Ci, As, а также Ac, Sc и мелкие Cu), понятие «фазовое состояние воды в слое вблизи ВГО» может распространяться на весь слой облака. Для остальных облаков в подавляющем большинстве случаев внутри облака доля облачных частиц с водой в жидкой фазе повышается с приближением к поверхности земли. Так, в летнее время фронтальная многослойная облачность и кучево-дождевые облака большого вертикального развития вблизи ВГО имеют преимущественно ледяные облачные частицы, в то время как в нижней части они жидко-капельные. Зимой ледяные частицы всегда (для региона ЕТР+Европа), хотя бы в небольших количествах, присутствуют в любом облаке (за исключением некоторых случаев глубокой температурной инверсии с положительными температурами).

КПМ выделяет 4 класса облачности в зависимости от фазового состояния воды в облачных частицах в верхней части облачного слоя вблизи ВГО: «вода в жидкой фазе» или «жидко-капельная ВГО», «вода в твёрдой фазе» или «кристаллическая ВГО», «смешанная ВГО, жидкая фаза преобладает» и «смешанная ВГО, твёрдая фаза преобладает». В зависимости от типа облачности понятие «слой облака вблизи ВГО» может составлять от нескольких метров до нескольких десятков метров (обычно не более 0,1 км). Так как на практике переход от одного класса фазового состояния воды к другому происходит постепенно, а кроме того, в пределах пиксела могут присутствовать облака с разными условиями на ВГО (края облачного массива, облачные просветы, неоднородности внутри облачного слоя и др.), то существует вероятность того, что как «жидко-капельные», так и «кристаллические» на ВГО облака в пределах пиксела могут содержать небольшое количество облачных частиц с водой в другой фазе. В случаях со «смешанными» классами, в которых преобладает жидкая или кристаллическая фаза, в КПМ принимается, что облака вблизи ВГО более чем на 50 % (максимально до 100 %) состоят из облачных частиц, содержащих воду в преобладающем фазовом состоянии.