Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Развитие методов определения параметров облачного покрова и идентификации зон осадков по данным измерений полярно-орбитального ИСЗ

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Волкова, Елена Викторовна, Москва

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ЦЕНТР РОССИИ

УДК 551.576,2:551.507.362.2 На правах рукописи

Волкова Елена Викторовна

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА И ИДЕНТИФИКАЦИИ ЗОН ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ ПОЛЯРНО-ОРБИТАЛЬНОГО ИСЗ

11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук А. Б. Успенский

Москва -1999

Содержание

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.,.. . ..... . ..... . ............. .. ............ . .. ......... ............ .. . .. . ........... . .. .. ....4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОБЛАЧНОСТИ И ИНДИКАЦИИ ЗОН ОСАДКОВ ПО ТВ* И ИМЗОБРА-ЖЕНИЯМ С ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ И ПОЛЯРНО-ОРБИТАЛЬНЫХ МИСЗ......9

1.1. Визуальные методы определения характеристик осадков по ТВ- и ИК-снимкам облачности с МИСЗ.......................................................11

1.2. Автоматические методы анализа характеристик осадков по ТВ- и ИК-снимкам с МИСЗ............................................................................12

1.2.1. Индикалдая зон осада«» в тросиках.............................................14

1.2.1.1. Моноспектральные (одноканальные) методы..........................14

1.2.1.2. Биспеюральные методы....................................................18

1,2-. Исследование «изолироваяашх ливней»„,„,,„„-.... ,,-.,,, ,„>„,„„20 1.2.1.4. Комбинирование ТВ- и ИК-информации об осадках с результатами СВЧ-измерений............................................................25

1.2.2. Распознавание осадков во внетропических широтах.. . .. ... ...... ... ... . . .26

1.2.2.1. Биспектральные методы....................................................26

1.2.2.2. Оценки характеристик осадков из внетропических циклонов......30

1.2.2.3. Использование информации с полярно-орбитальных МИСЗ.......31

1.3. Практическое использование сведений об осадках, получаемых по

ТВ- и ИК-даяным с МИСЗ................................................................36

1.4. Выводы....................................................................................37

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ДАННЫХ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ РАЗРАБОТКЕ

ШТОДЩ КЛАССИФИКАЦИИ СНИМКОВ С МИСЗ................................40

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ БАЛЛА ОБЛАЧНОСТИ ПО ИЗОБРАЖЕНИЯМ ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА В ВИДИМОМ И ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ СПЕКТРА С ПОЛЯРНО-ОРБИТАЛЬНЫХ ИСЗ... «„... „,А§

3.1. Пороговый метод детектирования облачности...................................47

3.2. Кластерный метод обнаружения облачных образований.......................64

3 .3 . Сопоставление точности пороговой и кластерной методик детектирования облачности...........................................................................69

3.4. Использование методик для климатических исследований....................77

3.5. Выводы....................................................................................80

ГЛАВА 4. ОБНАРУЖЕНИЕ ЗОН ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ С МИСЗ Ж)АА.......81

4.1. Подготовка данных синоптических наблюдений для валидации метода» «нутшисовой индшшщш зон «садаов. „5„,.. ,„„,,„,„

4.2. Сопоставление точности контрольных синоптических и радиолокационных наблюдений за осадками.......................................................84

4.3. Пороговая методика индика1щи зон осадков.,, ,,,,. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . . .,,,,86

4.4. Кластерная методика индикации зон осадков......................................90

4.5. Сопоставление работы пороговой и кластерной методик при попик-сельном анализе спутниковых изображений..........................................95

4.6. Выводы....................................................................................Ш5

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ й ДРУГ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ВЫПАДАЮЩИХ ОСАДКОВ ПО ДАННЫМ С МИСЗ NOAA........................106

5.1. Определение характеристик осадков по небольшим фрагментам

снимков ъ МИСЗ...........................................................................106

5.2. Индикация зон осадков на больших фрагментах изображений с МИСЗ.....112

5.3. Выводы.......................................................................,.............120

ЗАКЛЮЧЕНШ,,.,.,.,,.............................................................................Л 25

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................128

Введение

Облачность и связанные с нею осадки существенно влияют на многие сферы человеческой жизнедеятельности. Сведения об осадках используются в сельском хозяйстве, строительстве, авиации, гидроэнергетике и др. Количественные данные об облачности и осадках необходимы для усвоения в численных прогностических моделях и моделях климата, а также для валидашш результатов численного моделирования. Вследствие недостаточной плотности и неравномерного пространственного распределения наземной сети наблюдений за осадками, в том числе практического отсутствия данных для акватории океанов, в настоящее время приоритетной задачей является создание спутниковых методов обнаружения осадков и определения их характеристик.

В наши дни наиболее успешно осадки дешифрируются по изображениям облачности в видимом (ТВ) и инфракрасном (ИК) диапазонах спектра с геостационарных метеорологических искусственных спутников Земли (МЙСЗ) в приэкваториальных районах, где вероятность выпадения и интенсивность осадков находятся в прямой зависимости от вертикальных и горизонтальных размеров облака, которые легко оценить по данным измерений альбедо и температуры верхней границы облачности (ВГО). В умеренных широтах такая устойчивая связь характерна лишь для летних осадков, связанных с конвективной облачностью.

Попытки ряда зарубежных исследователей адаптировать отдельные из существующих методик идентификации зон осадков в тропиках к условиям теплого периода года в умеренных широтах дали обнадеживающие результаты [36, 50, 88, 111}. Основным недостатком подобных методик является их «локальный» характер, т.е. сильная зависимость качества распознавания осадков от расстояния до региона, для которого они были разработаны. При переносе схем идентификации на соседние территории обычно приходится использовать дополнительную наземную информацию об осадках для уточнения и пересчета отдельных параметров этих схем. Несмотря на это, в ряде стран внетропических широт схемы автоматического распознавания осадков и оценок их характеристик по ТВ- и ИК-данным с геостационарных и полярно-орбитальных МИСЗ успешно используются для индикации и прогнозирования осадков, а также в климатических исследованиях [77-82,90,91,120,121].

Вплоть до настоящего времени подобные работы практически отсутствовали для территории России. Предложенные 15-20 лет назад в интересах спутниковой климатологии методики идентификации осадков в большинстве своем основаны на визуальном анализе снимков облачности [6-12, 20-22. 25, 26], и успешность их применения существенно зависит от квалификации метеоролога. Получаемые при этом

сведения об осадках не удовлетворяют требованиям, предъявляемым оперативными моделями численного прогноза погоды.

Целью данной работы является разработка полностью автоматизированной схемы интерпретации ТВ- и ПК-изображений с полярно-орбитального МИСЗ серии МОАА для полунения оперативной информации об облачности и осадках в теплое время года для Европейской территории России. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) подготовить архив синхронных спутниковых, синоптических и радиолокационных данных для Центрального региона Европейской территории России за теплые периоды нескольких лет, включающий в себя данные радиометра АУНКИ МИСЗ ИОЛА, данные метеорологического радара (Крылатское, г.Москва), а также результаты синоптических наблюдений (в том числе за общей облачностью и погодой в срок и между сроками наблюдения);

2} проанализировать имеющийся положительный опыт использования ТВ- и ИК-измерений с разных типов МИСЗ для восстановления полей облачности и осадков в тропических и умеренных широтах;

3) разработать методик)' автоматической классификации данных измерений радиометра АУНЯИ с МИСЗ Ж)АА с целью выделения облачности и зон осадков (в том числе разной интенсивности) в светлое время суток в теплое время года;

4) разработать программные средства, позволяющие проводить классификацию снимков облачности в оперативном режиме;

5) оценить точность детектирования облачности и определения ее количества, а также точность детектирования зон осадков, определения вероятности их выпадения и интенсивности.

Научная новизна.

1. Впервые разработана полностью автоматизированная схема получения данных о количестве облачного покрова, а также о зонах осадков, вероятности их выпадения и интенсивности в светлое время суток в теплый период года для Центрального региона ЕТР на основе анализа цифровой информации радиометра АУИШ МИСЗ НОАА.

2. Созданы программные средства для оперативных наблюдений за облачностью и осадками с целью последующего их усвоения в моделях численного прогноза погоды Гидрометцентра России.

3. Оценена точность детектирования облачности и осадков, в том числе осадков разной интенсивности.

Практическая ценность. Результат диссертационной работы - схемы автоматической классификации цифровой информации радиометра АУНЕК МИСЗ

ТЧОАА, основанные на ПЭВМ-реализации пороговой и кластерной методик, позволяющие получать сведения об общем количестве облачности, наличии осадков и

а

их интенсивности для небольших участков, например, размером -10x10 км , обшрных территорий в полосе обзора спутника. Преимущество дистанционной индикации облачности и осадков, по сравнению с наземными наблюдениями, заключается: 1) в пространственной непрершвности данных (вместо дискретных синоптических наблюдений) для территории в несколько раз превышающей зону действия МРЛ); 2) возможности задавать требуемые местоположение и размеры интересующих участков территории, для которых рассчитываются данные об- облачности и осадках (для синоптических наблюдений местоположение станции и площадь осреднения -величины строго фиксированные).

Результаты югассифшсации могут использоваться как дополнение и замена данных синоптических и радиолокационных наблюдений в региональных и мезомасштабных схемах численного анализа и прогноза погоды, а также для целей краткосрочного прогноза осадков и состояния облачного покрова в метеорологических службах при аэропортах. Важная область применения - климатические исследования облачного покрова и осадков.

Предлагаемые к практическому использованию схемы интерпретации данных измерений радиометра АУНЕК МИСЗ МОАА являются адаптивными, т.е. предусмотрена возможность уточнения и изменения значении параметров в алгоритмах при смене спутника, изменении границ территории и т.п. С этой целью схема снабжена дополнительно пакетом программ для формирования и накопления архивов синхронных спутниковых и наземных данных (синоптических и радиолокационных), а также для уточнения значений порогов и других параметров алгоритмов классификации, исследования их межгодовой изменчивости.

Апробация работы, Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в трех опубликованных статьях [3-5], регулярно докладывались и обсуждались на Ученом Совете и на научных семинарах НИЦ «Планета», Международном Симпозиуме по атмосферной радиации стран СНГ (С.Петербург, 1999).

Структура и краткое содержание работы« Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 137 страницах. В диссертации имеется 12 таблиц и 37 рисунков. Список литературы содержит 142 наименования, в том числе 114 на иностранных языках.

В первой главе диссертации подробно рассмотрено современное состояние проблемы косвенного обнаружения осадков и оценок их характеристик для разных географических регионов по ТВ- и ИК-изображениям с геостационарных и с полярно-

орбитальных МЙСЗ.

На основе представленных в главе материалов сделан вывод об актуальности и

практической значимости создания автоматизированной методики идентификации зон осадков по спутниковым данным (подобных измерениям радиометра АУНИЛ МИСЗ ЬЮАА) в умеренных широтах отдельно для теплого и холодного периодов года.

Вторая глава посвящена подробном}' описанию спутниковых, синоптических и радиолокационных данных, использованных при разработке и испытании схемы классификации. Работоспособность схемы оценивалась вначале на материале синхронных архивов спутниковых-синоптических и спутниковых-радиолокационных данных для небольших (размером -10x10 км2) фрагментов снимков с полярно-орбитального МИСЗ, а затем для больших (размером в несколько сотен километров) фрагментов снимков при визуальном контроле результатов классификации с помощью данных наблюдений МРЛ.

Схема автоматической классификации данных АУНКИ МИСЗ МОАА включает несколько этапов (процедур). Описание отдельных этапов и оценка эффективности применения каждого из них даны в главах 3-5. При практической реализации этапов анализируются и сравниваются два различных подхода - пороговый и кластерный.

В третьей главе в качестве первого этапа классификации рассмотрена проблема детектирования облачности. Задача отделения облачных пикселов снимка от безоблачных может быть достаточно эффективно решена как пороговым, так и кластерным методом. Следует учитывать, что кластерный метод несколько завышает размеры облачных образований при небольших значениях количества общей облачности (до трех-шта октов); при более высокой степени сплоченности облачных элементов, напротив, пороговый метод в ряде случаев дает несколько завышенные оценки реальных размеров облачных массивов. Среднее квадратическое отклонение спутниковых оценок количества облачности от наземных (данные синоптических наблюдений) для обоих методов составляет 1,5-3,5 окта (наибольшие значения СКО отмечены для СЬ=3-5 октов), среднее отклонение, как правило, лежит в пределах ±1окта. Наибольшие ошибки при оценке количества облачности имеют место для значений СС=2-6 окта, что вызвано трудностью достоверной классификации пикселов, частично заполненных облачностью, а также погрешностью сопоставления спутниковых и наземных наблюдений за облачностью. В главе приведены среднемесячные оценки суммарного количества общей облачности (отдельные месяцы теплого периода 1998 г.) пороговым и кластерным методами.

В четвертой главе рассмотрена проблема индикации зон осадков, т.е. разделение дождящих и недождящих облачных пикселов по данным радиометра АУНКИ МИСЗ

ЫОАА. Дано описание порогового и кластерного алгоритмов. Исследования показали, что вероятность распознавания осадков обоими методами (пороговым и кластерным)

составляет более 70 %.

Пятая глава посвящена решению задачи оценки интенсивности выпадающих осадков. Согласно полученным результатам возможно разделять выпадающие осадки на два подкласса: «слабые осадки» (с интенсивностью 0,1-3,0 мм/ч) и «сильные осадки» (с интенсивностью более 3 мм/ч). Кластерный метод в ряде случаев может завышать реальные размеры зон осадков высокой интенсивности за счет причисления к ним холодной плотной перистообразной облачности.

Схема позволяет дополнительно выделять в пределах зоны осадков высокой интенсивности зоны «опасных осадков», т.е. зоны с высокой вероятностью выпадения очень сильных ливней, града, гроз. Деление класса «осадки» на подклассы в зависимости от типа (морось, дождь, ливень и т.д.) или характера (осадки из N8, из СЬ и т.д.) выпадающих осадков нецелесообразно из-за крайне низкой точности получаемых результатов (вероятность детектирования каждого подкласса - менее 50 %),

В Заключении подведены итоги и сформулированы основные результаты работы.

Глава 1. Современное состояние проблемы детектирования облачности и индикации зон осадков по ТВ- и ИК-изображениям с геостационарных и полярно-орбитальных МИСЗ

Облачный покров является важным фактором, формирующим погоду и климат Земли. Он представляет собой мощный регулятор радиационного режима атмосферы и подстилающей поверхности. Другим важным погодо- и климатообразующим фактором являются связанные с облачным покровом осадки. Благодаря затратам тепла на испарение и конденсацию (скрытый теплообмен), осадки могут оказывать заметное влияние на структуру теплового баланса. Кроме того, осадки способны изменить альбедо поверхности Земли, внося в ряде случаев существенные изменения в структуру радиационного баланса. Осадки также являются важным компонентом в структуре водного баланса территории: их избыток может приводить к катастрофическим наводнениям, в то время как недостаток влаги вызывает не менее пагубные для человеческой жизнедеятельности засухи. Интенсивность осадков может служить индикатором скрытой теплоты конденсации в облаке, что дает возможность судить о внутренней динамике конвективных систем отдельного облака и облачных скоплений [17].

Таким образом, сведения об осадках (их пространственное и временн'ое распределение, интенсивность, продолжительность выпадения и др.) необходимы для многих сфер человеческой жизнедеятельности: сельского и водного хозяйства, гидроэлектроэнергетики, авиации и т.д. Не менее важна информация об осадках, выпадающих над океанами. Результаты исследов�