Спутниковые наблюдения Земли и дистанционные измерения, усваиваемые в моделях прогноза погоды



Скачать 328.31 Kb.
Дата26.04.2016
Размер328.31 Kb.



Спутниковые наблюдения Земли и дистанционные измерения, усваиваемые в моделях прогноза погоды

Асмус В.В., Милехин О.Е., Успенский А.Б.



ГУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета»

123242, Москва, Большой Предтеченский пер., д.7. Тел.: (499) 795-21-37

E-mail: uspensky@planet.iitp.ru

Аннотация

Выполнен обзор современного состояния и перспектив развития отечественных и зарубежных спутниковых наблюдательных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Рассмотрено состояние наземного сегмента Российской системы ДЗЗ- наземного комплекса приема, обработки и распространения спутниковой информации (НКПОР Росгидромета), предназначенного для получения и распространения выходных спутниковых информационных продуктов в интересах оперативной гидрометеорологии, мониторинга окружающей среды. Обсуждаются вопросы подключения НКПОР к системе EARS.

Рассмотрены примеры ассимиляции и использования данных ДЗЗ в моделях прогноза погоды ведущих зарубежных прогностических центров.


1.Введение .Потребности общества в информации о состоянии окружающей среды

Информационное обеспечение современного общества данными о состоянии и тенденциях изменения характеристик окружающей среды имеет крайне важное значение. Традиционным способом решения задачи наблюдения за процессами, протекающими на поверхности и в атмосфере Земли, является организация соответствующей наземной сети пунктов и постов наблюдения. В России есть такая сеть, входящая в систему Росгидромета и распространяющаяся, в том числе, на районы Арктики и Антарктики. Однако этот метод сбора информации о состоянии окружающей среды требует больших человеческих и материальных ресурсов, работы людей в труднодоступных районах, в том числе, с суровыми климатическими условиями.

В то же время, развитие передовых космических технологий позволяет осуществлять сбор большинства необходимых данных о природе более эффективно и с меньшими затратами, более надёжно и регулярно, получать значения характеристик и параметров окружающей среды с большей точностью.

Весь круг решаемых космическими системами (КС) задач может быть условно разбит на две больших группы: 1) задачи, при решении которых невозможно обойтись без спутниковых данных; 2) задачи, при решении которых спутниковые данные играют вспомогательную роль, либо их использование предпочтительно по каким-либо причинам (например, они дешевле).

К первой группе задач относятся глобальный мониторинг поверхности и атмосферы Земли, измерение потоков заряженных частиц и электромагнитных полей в околоземном космическом пространстве, дистанционное зондирование труднодоступных районов, и т.д.

Ряд задач второй группы представлен обширным перечнем проблем локального и регионального масштабов, имеющих значение для конкретных отраслей хозяйственной деятельности. Практическое значение привлечения здесь спутниковой информации связано с существенной экономией трудозатрат, материальных, финансовых и временных ресурсов.

Таким образом, развитие работ в области изучения, мониторинга и прогнозирования состояния Земли как планеты, ее климата, опасных стихийных явлений, катастроф и чрезвычайных ситуаций, влияния человеческой деятельности на состояние окружающей среды и гидрометеорологические процессы требует расширения использования космических методов и средств наблюдений.

Данные систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) интенсивно используются в рамках множества тематических проектов и программ, имеющих как национальный, так и международный характер. Опыт использования космических данных указывает на высокую эффективность применения данных ДЗЗ.

Результатом гидрометеорологического обеспечения и контроля чрезвычайных ситуаций является снабжение широкого круга потребителей прогнозами о состоянии окружающей среды различной заблаговременности и выявление последствий различных опасных природных явлений естественного и антропогенного происхождения. Экономический результат применения космической информации достигается за счет более оперативных и обоснованных хозяйственных решений и мероприятий и проявляется в приросте производства продукции, уменьшении или полном предотвращении ущерба от различных явлений естественного и антропогенного характера, снижении стоимости производства, сокращении длительности производственных процессов, экономии хозяйственных ресурсов и т.д. Управленческие решения в области продовольственной политики, развития инфраструктуры городов, распоряжения водными, лесными и др. ресурсами в значительной мере зависят от результатов мониторинга состояния окружающей среды. Получение глобальных оперативных данных о состоянии экосистемы Земли возможно только с помощью измерительных средств космического базирования, поскольку наземная наблюдательная сеть охватывает не более 30% территории Земли. Уже сейчас экономическая эффективность космического дистанционного зондирования весьма высока, например, по некоторым данным при использовании спутниковой информации в гидрометеорологии сумма экономии затрат и предотвращенного ущерба превосходит затраты на ее получение в 10-15 раз.

По мере развития спутниковых наблюдательных систем становится ясно, что космическая деятельность и соответствующие технологии будут играть в XXI веке все более важную роль в экономическом и социальном развитии человечества, включая получение информации об окружающей среде.

Основными направлениями использования космической информации являются:

- оперативное гидрометобеспечение,

- мониторинг глобальных изменений климата и научные исследования,

- мониторинг чрезвычайных ситуаций и их последствий,

- экологический мониторинг,

- изучение Земли в хозяйственных целях.

Ниже приведен перечень основных укрупненных глобальных задач гидрометеорологии (находящихся в сфере ответственности Росгидромета), для решения которых необходимо привлечение космической информации:

мониторинг погодообразующих факторов и прогнозы погоды различной заблаговременности;

мониторинг ледовых образований в северных и антарктических морях, крупных озерах и водохранилищах для обеспечения эффективного и безопасного плавания судов;

мониторинг снежного покрова, контроль снеготаяния, условий перезимовки растений;

контроль лесных, тундровых и степных пожаров;

контроль разливов рек и водохранилищ;

температура поверхности суши и океана;

морские течения, ветры и волнение;

влажность почвы;

оценка состояния сельскохозяйственных культур;

мониторинг и прогнозы гелиогеофизической обстановки в околоземном космическом проcтранстве.

Обсуждение современного состояния и перспектив развития КС ДЗЗ на международном уровне позволило сформулировать перечень основных направлений мониторинга Земли, где использование данных ДЗЗ должно обеспечить наибольшие социальные и экономические выгоды, а именно:

1) улучшение гидрометобеспечения (информации о погоде), повышение достоверности прогноза и предупреждений;

2) уменьшение потерь (человеческие жизни, собственность) от стихийных гидрометеорологических явлений (СГЯ) и чрезвычайных ситуаций (ЧС) естественного и техногенного происхождения;

3) изучение, оценка, предсказание и уменьшение последствий климатических изменений;

4) поддержка устойчивого развития сельского и лесного хозяйства, борьба с эрозией земель, опустыниванием;

5) изучение влияния природных факторов на существование и здоровье человека;

6) улучшение управления и сохранение земных, прибрежных и морских экосистем.

7) улучшение управления водными ресурсами (с помощью более достоверного описания водного цикла);

8) улучшение управления энергетическими ресурсами;

9) мониторинг и сохранение биоразнообразия (с использованием экологических прогнозов).

Первые три направления из приведенного перечня относятся непосредственно к сфере деятельности Росгидромета, в решении остальных проблем Росгидромет участвует путем предоставления информации о фактическом и прогнозируемом состоянии окружающей природной среды. Ниже рассмотрены вопросы использования данных ДЗЗ для информационного обеспечения Росгидромета при решении задач первого направления (в частности, для повышения достоверности прогнозов погоды)



2.Современное состояние и перспективы развития оперативных КС ДЗЗ гидрометеорологического назначения

Отечественная метеорологическая космическая система (МКС) входит составной частью в глобальную космическую подсистему наблюдений гидрометеорологического назначения, которая сложилась на основе национальных космических систем при координирующей роли ВМО и является двухъярусной: -спутники основных спутниковых операторов США, Европейского сообщества, Японии, Индии, КНР на геостационарной орбите (GOES-E, GOES-W, METEOSAT, MSG,MTSAT, INSAT, FY-2) ;- система оперативных американских ИСЗ серии NOAA и европейский ИСЗ серии EPS/MetOp на средневысотных приполярных солнечно-синхронных орбитах (орбитальная группировка NOAA включает как минимум 2 спутника – утренний и послеполуденный).

Основная полезная нагрузка ИСЗ серии NOAA: многоспектральный сканер видимого и ИК диапазонов спектра (радиометр AVHRR); аппаратура ATOVS атмосферного зондирования в составе ИК модуля HIRS/2, МКВ модулей AMSU-A,-B; бортовая радиотехническая система сбора данных с платформ типа ARGOS. Информация с ИСЗ серии NOAA поступает непрерывно по радиолинии 1.7 ГГц (режим HRPT) и 137 МГц (режим АРТ). Выходные продукты для информационного обеспечения задач оперативной метеорологии и гидрологии включают многоспектральные изображения облачности и подстилающей поверхности, данные температурно-влажностного зондирования атмосферы (ТВЗА), данные о температуре поверхности океана (ТПО) и параметрах облачного покрова регионального и глобального покрытия. Передача цифровой и аналоговой спутниковой информации обеспечивается путем:

- использования приемных станций, работающих в диапазоне 137 МГц (режим АРТ) и 1,7 ГГц (режим HRPT), причем для российских пользователей доступна информация только регионального покрытия в зоне радиовидимости приемных станций, а глобальная информация недоступна;

- распространения выходных продуктов при координации ВМО через глобальную систему телесвязи (ГСТ);

- использования глобальной компьютерной сети Интернет (сжатые изображения ТВ и ИК диапазонов спектра).

Из состава целевой аппаратуры КА MetOp № 1 (запущен в октябре 2006 г.) для целей оперативной гидрометеорологии использовуется информация следующих бортовых приборов:

- многоканальный радиометр AVHRR/3;

- ИК-зондировщик HIRS/4;

- МВ-зондировщики AMSU-A, MHS;

- усовершенствованный ИК-зондировщик IASI высокого спектрального разрешения;

- усовершенствованный скаттерометр ASCAT;

- озонный зондировщик GOME-2 УФ/ВИД диапазона спектра;

- радиозатменный атмосферный зондировщик GRAS.

За один сеанс связи с КА (режим AHRPT) объем данных составляет примерно 2.7 Гбит (данные регионального покрытия).

Перечислим основные выходные информационные продукты, получаемые по данным указанной целевой аппаратуры:

цифровые карты температуры верхней границы облаков и подстилающей поверхности, снежного и ледового покрова, оценки параметров облачности и осадков, данные мониторинга гидрометеорологических явлений (включая опасные), наблюдения антропогенных изменений природной среды и др. (AVHRR/3, IASI);

оценки газового состава атмосферы и концентрации озона (GOME-2, IASI);

оценки влагосодержания атмосферы, картирование снежного покрова, ледовой обстановки на морях и океанах, детектирование зон осадков (AVHRR/3, AMSU-A, MHS);

вертикальные профили температуры и влажности, концентрации озона в атмосфере (ATOVS , IASI);

данные атмосферного зондирования по результатам радиозатменных наблюдений (GRAS);

данные о волнении на морях и океанах, оценки скорости приводного ветра (ASCAT).

Основная полезная нагрузка оперативных геостационарных ИСЗ типа МETEOSAT, GOES:

- сканеры видимого и ИК диапазона спектра, позволяющие получать каждые 0,5 часов изображения диска Земли;

- атмосферный зондировщик VAS для получения данных ТВЗА регионального покрытия (на американских спутниках GOES-E, GOES-W);

- аппаратура SEM для мониторинга околоземного космического пространства и получения гелиогеофизической информации;

- радиотехническая система для сбора и ретрансляции данных ПСД.

Доступ к аналоговой и цифровой информации геостационарных ИСЗ обеспечивается путем:

- использования приемных станций типа SDUS (аналоговая информация формата WEFAX) и типа PDUS (цифровая информация ИСЗ МETEOSAT в формате HRIT и LRIT) в зоне радиовидимости соответствующих ИСЗ;

- распространения через глобальную сеть телесвязи – данные о ветре и ТПО в виде сводок SATOB;

использования глобальной компьютерной сети Интернет (сжатые изображения ТВ и ИК диапазонов спектра).

Геостационарные метеоспутники серии MSG

В настоящее время EUMETSAT эксплуатирует два геостационарных метеорологических спутника второго поколения MSG (METEOSAT-8, METEOSAT-9). Существующий сейчас КА METEOSAT-7 планируется переместить в точку стояния 64ов.д. По сравнению с КА первого поколения, спутники MSG имеют существенно большую информативность за счет установки бортовой измерительной аппаратуры-сканера/имаджера SEVIRI (12 каналов видимого и ИК диапазонов спектра). Данные с этого (и c последующих) геостационарных КА передаются в международных форматах HRIT и LRIT с использованием созданной по инициативе EUMETSAT системы ретрансляции EUMETcast (через геостационарный спутник-ретранслятор). EUMETSAT использует и рекомендует для использования в других странах приемную станцию VCS (один комплект станции передан в ГУ "НИЦ "Планета", г. Москва),с помощью которой принимаются следующие виды данных:

- изображения всего видимого диска Земли в 12-ти спектральных каналах видимого и ИК диапазонов спектра для наблюдения динамики облачности, построения карт температуры облаков и подстилающей поверхности с пространственным разрешением около 3 км, оценок параметров облачности и аэрозоля, общего влагосодержания атмосферы и общего содержания озона, а также для детектирования зон осадков, получения данных для сверхкраткосрочного прогноза погоды и др.;

- данные о радиационном балансе (РБ) системы Земля-атмосфера.

До настоящего времени в России эксплуатировалась МКС в составе КА серии «МЕТЕОР» («МЕТЕОР-2», «МЕТЕОР-3») на приполярных круговых орбитах высотой 1000 и 1250 км соответственно и наклонением ~82.5°, КА «МЕТЕОР-3М»N1 на солнечно-синхронной орбите (запущен в 2001г.) и КА «ЭЛЕКТРО»/ГОМС на геостационарной орбите с точкой стояния 76° в.д. Кроме того, в период с 1986 по 1994 гг. на солнечно-синхронные орбиты высотой 650 км запускались КА океанографического назначения серии «ОКЕАН-01» с радиолокатором бокового обзора и микроволновым радиометром на борту. В настоящее время все указанные КА выработали свой ресурс и выведены из эксплуатации.

В соответствии с Федеральной космической программой России на 2006-2015гг. предполагается в 2008 г. начать восстановление орбитальной группировки КА гидрометеорологического назначения «Метеор-М» (низкоорбитальные КА) и «ЭЛЕКТРО -Л» (геостационарные КА). Создаваемые отечественные КА предполагается оснастить измерительной аппаратурой, аналогичной аппаратуре ИСЗ NOAA, MetOp и MSG. Кроме того, в состав целевой аппаратуры КА «Метеор-М»N1 будет включен радиолокатор БРЛК для целей всепогодной ледовой разведки.

Орбитальная группировка Российской МКС должна состоять из трех полярно-орбитальных КА на средневысотных солнечно - синхронных орбитах (ССО) (серии «МЕТЕОР-М») и двух КА на геостационарной орбите (серии «ЭЛЕКТРО-Л»). Точка стояния одного КА - 760 в.д., точка стояния другого КА будет определена дополнительно. Два КА серии «МЕТЕОР-М» являются спутниками метеорологического назначения (высота орбиты 830 км, наклонение ~98.8°), причем один КА должен находиться на утренней солнечно-синхронной орбите со временем пересечения экватора 9-11 часов, второй КА - на послеполуденной ССО со временем пересечения экватора 15-17 часов. Третий КА – океанографического назначения на приполярной ССО, высота 650-700 км, время пересечения экватора 10-12 часов.

Ниже приведены краткие сведения о целевой аппаратуре КА серий «МЕТЕОР-М»,«ЭЛЕКТРО-Л» а также об объемах передаваемой информации и выходной продукции.

Планируемый к запуску в конце 2008 г. КА нового поколения " МЕТЕОР-М" N 1 (первый спутник серии «МЕТЕОР-М») оснащается целевой аппаратурой высокой информативности; объем информации, поступающей с этого КА за один сеанс связи (с одной орбиты), приблизительно равен 150 Гбит.

Из всего состава целевой аппаратуры КА " МЕТЕОР-М" № 1 в интересах оперативной гидрометеорологии будет использоваться информация следующих приборов:

-радиолокатор БРЛК;

- многоканальный сканер видимого и ИК диапазона МСУ-МР;

- микроволновой зондировщик атмосферы МТВЗА.

Перечень выходной информационной продукции (регионального и глобального покрытия), которую предполагается получать по данным измерений указанной выше целевой аппаратуры, включает:

- цифровые карты температуры подстилающей поверхности, температуры и высоты верхней границы облачности (МСУ-МР);

- оценки параметров облачности и осадков (МСУ-МР, МТВЗА);

- данные мониторинга СГЯ (штормы, град, сильные осадки, наводнения, пожары) (МСУ-МР, МТВЗА);

- карты и параметры растительного, снежного и ледового покровов (МСУ-МР, БРЛК, МТВЗА);

- картирование ледовой обстановки на морях и океанах (МСУ-МР, БРЛК, МТВЗА);

- вертикальные профили температуры и влажности, оценки общего влагосодержания атмосферы (МТВЗА);

- данные о приводном ветре (МТВЗА).

Следует отметить, что точностные характеристики результатов температурно-влажностного зондирования атмосферы (ТВЗА) будут существенно улучшены (точность/вертикальное разрешение в тропосфере могут приблизиться к 1К/1км) после запуска в 2010 г. КА "МЕТЕОР-М" N 2 с усовершенствованным ИК-зондировщиком ИКФС-2 на борту. Указанная аппаратура высокого спектрального разрешения должна по своим характеристикам приближаться к ИК-зондировщику IASI, что позволит, наряду с данными ТВЗА, получать оценки общего содержания ряда малых газовых компонент, восстанавливать общее содержание озона.

Основным назначением океанографического КА "МЕТЕОР-М" N 3 является оперативное получение информации о состоянии морской поверхности, ледовых и ветровых условиях, опасных атмосферных процессах на акваториях морей и океанов в любое время дня и ночи и независимо от наличия или отсутствия облачного покрова.

Учитывая отсутствие специальной сети метеорологических измерений на морях и океанах, такая информация оказывается крайне необходимой для анализа состояния морской поверхности и при разработке прогнозов метеорологических и экологических условий на акваториях. С помощью такого специализированного КА можно решать следующие задачи:

а) Картирование ледовой обстановки с целью определения границ и площади ледовых полей их возраста (толщины), сплоченности и формы, а также наличия во льдах трещин и разводий, которые учитываются при планировании проводки судов. Для этого используются радиолокаторы с синтезированием апертуры (SAR), скаттерометры, радиометры микроволнового и инфракрасного диапазона, сканеры видимого диапазона.

б) Картирование ветровой обстановки с целью определения значений вектора средней и модуля максимальной скорости приводного ветра в разных районах акваторий, а также для оценки высоты волн на морской поверхности. Используются скаттерометры, радиолокаторы с синтезированием апертуры, радиометры микроволнового диапазона.

в). Картирование температуры водной поверхности (ТПО) с целью определения значений ТПО и ее градиентов в разных районах акваторий морей и океанов. Используются многоспектральные сканеры ИК диапазона.

г) Картирование зон осадков и содержания влаги в атмосфере над водной поверхностью с целью определения интенсивности осадков, интегрального содержания водяного пара и водозапаса облаков (или полного содержания влаги) в районах с разными атмосферными процессами. Используются сканирующие радиометры микроволнового диапазона и специализированные радиолокаторы осадков типа прибора PR американского КА TRMM.

д) Картирование высоты морской поверхности с целью определения топографии (высоты уровня) поверхности морей и океанов, зависящей от динамики приливных гравитационных воздействий и ветровых сгонно-нагонных явлений. Используются радиолокационные высотомеры (альтиметры).

е) Картирование загрязненности поверхности морей с целью определения площади разлива нефтяных пятен и других антропогенных загрязнений, положения их границ и возможных источников загрязнения. Используются радиолокаторы и многоспектральные сканеры видимого и ИК диапазона.

ж) Картирование цветности верхнего слоя морской воды с целью определения районов концентрации фитопланктона, растворенных и взвешенных веществ в приповерхностном слое океана. Указанная информация используется для прогнозирования акваторий, перспективных для промышленного рыболовства. Используются многоспектральные сканеры цветности малого и высокого пространственного разрешения видимого диапазона спектра.

Предполагаемый состав бортовой аппаратуры российского океанографического КА включает приборы,упомянутые в пп. а)-ж).

В табл. 1 приведен ориентировочный график запуска полярно-орбитальных КА в период до 2015 года (по данным CGMS).

Табл.1

Наименование КА/Опера-тор

Дата запуска

Форматы передачи данных

Примечание

МЕТОР-1/EUMETSAT

2006

LRPT, AHRPT




МЕТОР-2/EUMETSAT

2011

LRPT, AHRPT




МЕТОР-3/EUMETSAT

2015

LRPT, AHRPT




NPP/NOAA

2009

HRD

Полный аналог AHRPT

NPOESS-1/NOAA

2011

HRD и LRD

Полный аналог AHRPT и LRPT

NPOESS-2/NOAA

2013

HRD и LRD

Полный аналог AHRPT и LRPT

NOAA/N’/NOAA

2008

LAC

Аналог AHRPT

FY-3C/ КНР (NRSCC)

2008

AHRPT




FY-3C/ КНР (NRSCC)

2010

AHRPT




FY-3C/ КНР (NRSCC)

2012

AHRPT




МЕТЕОР-М №1

/Росгидромет



2008

LRPT и HRPT




МЕТЕОР-М №2

/ Росгидромет



2010

LRPT и HRPT




МЕТЕОР-М №3

/ Росгидромет



2012

LRPT и HRPT




Запуск отечественного геостационарного метеоспутника «ЭЛЕКТРО-Л»N1 запланирован на 2009 г. В состав целевой аппаратуры этого КА включен 10 канальный радиометр-имаджер МСУ-ГС с характеристиками, близкими к характеристикам аппаратуры SEVIRI. В отличие от аппаратуры SEVIRI, прибор МСУ-ГС не имеет канала HRV (High Resolution Visible) или канала высокого пространственного разрешения (1 км) в видимом диапазоне спектра и ИК канала 13.4 мкм. Измерения в канале HRV предназначены для использования в сверх-краткосрочном прогнозе погоды; данные в канале 13.4 мкм используются для анализа воздушных масс, расчета индексов неустойчивости, а также для лучшего распознавания ледяных облаков (Сi) и уточнения оценки высоты верхней границы облаков (нижнего яруса). Отметим, что наличие канала HRV не является серьезным преимуществом SEVIRI, поскольку МСУ-ГС имеет 3 канала видимого диапазона спектра с пространственным разрешением  1 км. Второе важное отличие МСУ-ГС от SEVIRI состоит в том, что полный цикл измерений SEVIRI осуществляется каждые 15 мин. (для МГС-ГС полный цикл – 1 раз в 30 мин.).

Список информационных продуктов близок к списку выходной информационной продукции КА “Meteosat-8” (за исключением данных о РБ) и включает:

полутоновые и цветосинтезированные изображения видимого диска Земли в различных спектральных диапазонах с нанесенной географической сеткой и контурами береговых линий;

картографические изображения облачности и подстилающей поверхности в различных диапазонах спектра,;

изображения видимого диска Земли для различных диапазонов спектра в международных форматах HRIT/LRIT;

параметры и характеристики облачного покрова (высота верхней границы облачности, температура верхней границы облачности, балльность, тип облачности, фазовый состав и др.);

данные о тропических циклонах;

данные о динамике облачных образований и анимационные изображения облачности;

данные о зонах и интенсивности осадков, детектирование туманов;

данные о ветре (скорость, направление) на различных уровнях атмосферы (в том числе, по информации в каналах поглощения водяного пара);

данные о температуре поверхности океанов в виде локальных и глобальных карт и данные о температуре поверхности суши (для отдельных регионов);

данные об общем содержании водяного пара в атмосфере;

данные об общем содержании атмосферного озона;

данные распознавания природных объектов (тип, состояние), индекс вегетации, зоны пожаров и пыльных бурь.

В дальнейшем должно быть обеспечено функционирование и поддержание данного состава группировки метеоспутников путем постоянного ее восполнения спутниками указанных серий «МЕТЕОР-М» и «ЭЛЕКТРО-Л».

Гидрометеорологическое обеспечение хозяйственной деятельности в Арктическом регионе только этой группировкой не будет налажено в должной степени. Арктический регион недоступен для наблюдения со спутников на геостационарной орбите, а низкоорбитальные метеорологические спутники не обеспечивают наблюдение высокоширотных районов с требуемой переодичностью. Для полноценного решения задач гидрометеорологии и мониторинга по региону Арктики Роскосмос и Росгидромет совместно предлагают создание космической системы «Арктика» в составе двух метеорологических спутников на высокоэллиптических орбитах типа «Молния» и двух радиолокационных спутников на низких полярных орбитах. Создание многцелевой космической системы «Арктика» отвечает основам долгосрочной государственной политике РФ в Арктике и получило одобрение Правительства РФ. Этот проект также получил поддержку ВМО, как проект обладающий наивысшим приоритетом в области ДЗЗ. К сказанному следует добавить,что в последние годы в Метеослужбах и Космических Агентствах ряда зарубежных стран (США, Канада, Финляндия) заметно вырос интерес к разработке концепции спутниковых наблюдательных систем гидрометеорологического назначения на базе одного или нескольких КА на высокоэллиптических орбитах (перигей – около 600 км, апогей – около 40000 км, наклонение – 63.4о, период обращения – 718 мин ≈ 12 ч). Указанные орбиты за рубежом получили название орбиты типа «Молния» с учетом большого опыта СССР по запуску на эти орбиты связных спутников «Молния».

Основная цель создания таких систем – регулярное обеспечение спутниковыми данными о векторах ветра (т.н. «полярных» ветрах) в атмосфере над областями высоких широт (севернее 60ос.ш.) и полярной шапкой. Требуется в оперативном режиме получать данные об атмосферных движениях, дополняющие данные в широтном поясе 55о по измерениям с геостационарных (высокоорбитальных) метеоспутников и данные о ветре по измерениям аппаратуры MODIS с полярно-орбитальных (на приполярных орбитах) спутников ДЗЗ (для областей севернее 65-70о с.ш.). Усвоение данных о «полярных» ветрах в различных схемах численного прогноза погоды (ЧПП) позволяет заметно повысить точность результатов ЧПП, причем не только для областей высоких широт, и это послужило основной мотивацией для развертывания исследований по созданию спутниковой системы мониторинга областей высоких широт.

В состав целевой аппаратуры метеорологических КА «Арктика» предполагается включить 10 канальный радиометр-имаджер с характеристиками, близкими к характеристикам аппаратуры МСУ-ГС «ЭЛЕКТРО-Л».

3. Наземный сегмент Российской метеорологической космической системы

Быстрое развитие космического сегмента систем дистанционного зондирования – увеличение числа космических аппаратов и совершенствование аппаратуры ДЗЗ (улучшение спектрального, пространственного разрешения и др.), вызывает необходимость создания адекватных наземных комплексов приема, обработки и распространения спутниковой информации (НКПОР). Основные задачи НКПОР: прием данных с КА; проведение предварительной обработки; проведение тематической (целевой) обработки; доставка информационных продуктов потребителю;архивация и каталогизация данных.

Архитектура НКПОР должна позволять работать с КА различного назначения (метеорологические, природно-ресурсные, океанографические и др.). Наземный комплекс приема, обработки, регистрации и распространения информации отечественной МКС (НКПОР Росгидромета) создан в конце 70-х годов прошлого столетия, как государственный комплекс для проведения летных испытаний оперативных спутников наблюдения Земли. С помощью него были проведены летные испытания и штатная эксплуатация всех метеорологических, океанографических и природно-ресурсных отечественных спутников с обеспечением спутниковой информацией соответствующих министерств и ведомств. Основу НКПОР Росгидромета составляет система трех крупных центров федерального значения, расположенных в Московском регионе (Обнинск – Москва - Долгопрудный), в Западно-Сибирском (Новосибирск) и Дальневосточном (Хабаровск) регионах. Выбор этих трех центров был обусловлен необходимостью оптимального (минимально достаточного) покрытия зонами радиовидимости (рис.1) всей территории страны.

Рис.1
В НКПОР Росгидромета входит также сеть из более 60 автономных (малых) пунктов приема спутниковых данных, которые обеспечивают прием КИ низкого пространственного разрешения.

Прогресс в области развития глобальных компьютерных сетей позволяет решать вопрос обеспечения потребителей без создания дополнительных специализированных приемных центров. Поэтому в мире относительно мало крупных НКПОР, число их практически не растет, и обслуживают они, как правило, несколько стран. Координация развития таких центров, согласование требований к выходной информации, архивам и каталогам, обеспечение совместимости по форматам данных и пр. проводятся на международном уровне в рамках ВМО и CGMS (Координационная Группа по Метеорологическим Спутникам).

НКПОР Росгидромета входит в мировую систему крупных центров. Он создавался с учетом соответствующих международных стандартов в этой области, и одной из его задач является выполнение обязательств России по международному обмену спутниковой информацией.

По инициативе ВМО в течение длительного времени проводились анализ и систематизация направлений и задач, решаемых с использованием данных дистанционного зондирования Земли, а также требований к параметрам спутниковых данных, привлекаемых для решения задач гидрометобеспечения. В результате сформулирован и ежегодно уточняется сводный перечень требований ВМО к космической информации применительно к следующим основным областям использования спутниковых данных в интересах гидрометеорологии:

- оперативная гидрометеорология,

- гидрология и агрометеорология,

- мониторинг климата, окружающей среды и глобальных изменений.

Целью оперативной гидрометеорологии является непрерывное наблюдение и прогноз состояния атмосферы, морских и пресных вод. Для решения этой задачи космическая система должна обеспечивать: -глобальное оперативное зондирование трехмерных полей ветра, температуры и влажности атмосферы для снабжения данными численных моделей прогноза с периодичностью 3-6 ч; -получение глобальных изображений облачности по всему земному шару, данных о снежном и ледовом покровах, состоянии подстилающей поверхности; - сбор данных с наземных и морских платформ; -снабжение упомянутыми выше типами глобальной информации основных прогностических центров.

Указанные выше требования к гидрометинформации представляют собой базу данных, которая должна обновляться в соответствии с уточнением требований пользователей и ходом реализации планов космических агентств стран - спутниковых операторов. При формировании содержания базы данных определен перечень геофизических параметров и видов информации, которые предполагается получать по спутниковым наблюдениям. Он включает 103 наименования, которые относятся к 9 группам: температурное и влажностное зондирование атмосферы; ветровое зондирование; облака и осадки; атмосферная энергетика; озон и другие малые газовые составляющие (МГС) атмосферы; поверхность океана; снежный и ледовый покров; земная поверхность; земля (топография, геоид, литосфера).

Согласно принятой ВМО классификации, параметры и виды космической информации, входящие в перечисленные группы, разделены по областям использования и программам:

А - оперативная метеорология;

В - мониторинг климата и изменений окружающей среды;

С - гидрология, морская метеорология, агрометеорология.

В областях А, С выделены специализированные приложения:

А1) Сверхкраткосрочный прогноз погоды (наукастинг), включая СГЯ;

А2) Глобальный численный прогноз погоды (ЧПП);

А3) Региональный ЧПП;

А4) Синоптическая метеорология, анализ и прогноз погоды в глобальном, региональном и локальном аспектах;

А5) Авиационная метеорология, анализ и прогноз условий для полетов авиации.

Требования ВМО включают следующие позиции: горизонтальное разрешение; разрешение по вертикали (для профилей); точность - в терминах СКО (среднеквадратическая ошибка); наблюдательный цикл или частота (периодичность) получения глобальной информации (интервал времени между двумя сроками глобального покрытия); время доставки информации, т.е. временной интервал между спутниковым наблюдением и представлением выходного продукта пользователю; атмосферные слои для вертикальных распределений атмосферных параметров (нижняя тропосфера 1000 - 500 ГПа; верхняя тропосфера 500 - 100 ГПа; нижняя стратосфера 100 - 10 ГПа; верхняя стратосфера  10 ГПа).

Наиболее жесткие требования в смысле разрешения, частоты получения и времени доставки выдвигаются технологиями наукастинга (А1). Более благоприятная ситуация для областей (А2-А5)- требования по разрешению, погрешностям, времени доставки выходных продуктов могут быть, в основном, удовлетворены с помощью измерений аппаратуры ИСЗ NOAA, EPS/METOP, GOES, MSG. Удовлетворение требований по частоте получения глобальной информации зависит от количества низкоорбитальных спутников в группировке. Обеспечение глобального покрытия дважды в сутки требует одновременного функционирования не менее 2-х полярно-орбитальных КА на орбите. Поступление информации 4 раза в сутки (к основным синоптическим срокам) станет возможным при условии создания интегрированной глобальной системы с включением в нее российского орбитального компонента (КА серий «ЭЛЕКТРО-Л», «МЕТЕОР-М» ).

Рассмотрим теперь развитие международной системы оперативного доступа к данным зарубежных полярно-орбитальных метеорологических ИСЗ. В настоящее время Росгидромет имеет оперативный доступ к данным ИСЗ серии NOAA регионального покрытия (в зоне радиовидимости приемных станций HRPT). Такой же доступ к данным регионального покрытия предусмотрен и для информации КА “MetOp” № 1. Относительно оперативного доступа к глобальным данным (данным, получаемым для каждой полной орбиты) необходимо заключение соглашений с NOAA-NESDIS, Евметсат, а также организация каналов связи.

Новые возможности оперативного доступа к данным спутников NOAA, принимаемых на сети приемных станций HRPT, расположенных в различных удаленных друг от друга пунктах Сев. полушария, появились с конца 2002 г., когда по инициативе Евметсат была развернута система EARS (Eumetsat ATOVS Retransmission Service) или «Служба Евметсат по сбору и распространению данных ATOVS». Данные ATOVS (HIRS+AMSU-A,-B) предназначены для использования в схемах регионального или глобального краткосрочного ЧПП. Основная задача EARS – максимально сократить время поступления оперативных спутниковых данных в прогностические центры. При обычном способе приема глобальных (повитковых) данных ATOVS разность во времени между моментом измерений и их поступлением в прогностические центры составляет 110-120 мин. С помощью EARS данные ATOVS становятся доступны пользователям не позже чем через 30 мин. после момента измерений. Это безусловно повышает эффективность усвоения спутниковых данных, хотя сами данные ATOVS при современном состоянии EARS – не глобальные.

Следующий очевидный шаг развития EARS – расширение сети приемных станций HRPT (подключение станций в России, на Азиатском континенте, в Центральной и Сев. Америке) с тем, чтобы обеспечить оперативное покрытие данными ATOVS всего Сев. полушария. В перспективе планируется распространить Систему EARS на Южную Америку, Австралию. С учетом успешного функционирования EARS в период 2003-2005 гг по рекомендациям ВМО (CBS ХIII, февраль 2005; ET-EGOS и ET-SAT, декабрь 2005 г) решено существенно расширить функции EARS, а именно, включить в состав собираемых и распространяемых спутниковых данных (наряду с ATOVS) данные аппаратуры AVHRR, ASCAT (входят в состав полезной нагрузки КА MetOp N 1). Перечисленные данные, принимаемые на сети станций (которая должна в соответствии с существующими планами расширяться) передаются оперативно в Евметсат (г. Дармштадт, ФРГ), откуда немедленно ретранслируются удаленным пользователям с помощью системы EUMETСast. Модернизированная таким образом система получила по рекомендации ВМО наименование «Усовершенствованная Служба Евметсат по сбору и распространению спутниковых данных» или “Eumetsat Advanced Retransmission Service”, сохранив ту же аббревиатуру EARS.

Росгидромет в 2003 г. формально присоединился к системе EARS, однако, к сожалению, до 2007г. никаких практических шагов сделано не было. В 2008 г. осуществлены закупка сертифицированной приемной HRPT станции (для НКПОР в г. Москва) и установка лицензионных программных пакетов, обеспечивающих предварительную обработку данных ATOVS, AVHRR и подготовку их к передаче в Евметсат.



4. Развитие работ по ассимиляции и использованию данных ДЗЗ в моделях прогноза погоды

Развитие методов ДЗЗ стало воистину революционным шагом в метеорологии. Метеоспутники дали возможность получения глобальной гидрометеоинформации (ГМИ), в том числе в районах, не охваченных сетью метеостанций и над акваторией Мирового Океана. В апреле 1960 г. в США был запущен первый в мире космический аппарат гидрометеорологического назначения TIROS-1, позволивший получить изображения облачности глобального покрытия, а с середины 60-х годов метеорологические спутники начали запускать в СССР.

За прошедшие годы имел место значительный прогресс в создании информационной аппаратуры метеоспутников. Вместо телевизионной аппаратуры первых КА на метеоспутники и спутники ДЗЗ стали устанавливаться многоспектральные сканеры видимого и ИК диапазона, обеспечивающие получение данных об облачном покрове, карт температуры подстилающей поверхности и др., ИК и СВЧ зондировщики для определения вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы и другие виды аппаратуры, в том числе, радиофизическая аппаратура активного зондирования - радиолокаторы, скаттерометры и радарные альтиметры.

В настоящее время оперативная группировка метеорологических ИСЗ мирового сообщества включает низкоорбитальные спутники и спутники на геостационарной орбите, описанные выше. Они обеспечивают регулярное поступление разнообразной информационной продукции, используемой для прогноза погоды и предупреждения опасных природных явлений. Приведем несколько примеров использования спутниковой ГМИ,характерных для периода последних 15-20 лет.

1. Видимые и инфракрасные изображения поверхности Земли и атмосферы используются для получения данных о векторах ветра, которые усваиваются моделями ЧПП.

2. Вертикальные профили температуры и влажности в атмосфере, получаемые по данным атмосферных ИК и СВЧ зондировщиков, усваиваются в схемах ЧПП.

3. Спутниковые оценки вертикального распределения концентрации озона в атмосфере дополняют данные озоно-зондов и также усваиваются в современных схемах ЧПП.

4. Карты температуры поверхности океана по спутниковым данным используются при составлении сезонных прогнозов, особенно в тропических зонах, а также для оценки климатических трендов.

5. Данные о ветре над океанической поверхностью (скорость и направление приводного ветра) используются при решении многих задач метеорологии, включая определение центров ураганов, изучение процессов, связанных с межсезонными изменениями климата (типа явления Эль-Ниньо). До недавнего времени единственным источником указанных данных были судовые наблюдения. С момента запуска первого спутникового скаттерометра (в середине восьмидесятых годов ХХ века) большой объем данных о параметрах ветра над океанами получается оперативно и усваивается в моделях ЧПП.

Усвоение спутниковых данных в схемах численного прогноза погоды позволяет существенно повысить его достоверность. Ввиду этого количество спутниковых данных, ассимилируемое в различных прогностических схемах, непрерывно возрастает. В качестве примера на рис.2 приведены графики динамики вероятности успешного прогноза погоды на 3-х, 5-ти и 7-ми дневный срок в период с 1980 по 2003 год по данным Европейского Центра Среднесрочных Прогнозов Погоды (см. CEOS Handbook,2005). Видно существенное повышение точности прогноза по мере увеличения объема усваиваемых спутниковых данных, особенно в Южном полушарии, где плотность наземной наблюдательной сети весьма низкая. По данным Гидрометцентра России, широкое применение спутниковой ГМИ позволило получать прогнозы на пятидневный срок с той же достоверностью, что и трехдневные прогнозы, выполненные по традиционной технологии без привлечения спутниковой информации.





Рис.2

В ведущих прогностических центрах мира (ЕЦСПП; NCEP; UKMO-Exeter; JCSDA – Объединенный Центр NOAA, НАСА и МО США по ассимиляции спутниковых данных; BMRC – Австралия; MSC – Канада; JMA – Япония; NRL – США; Toulouse/Meteo-France) в последние годы активно ведутся работы (на оперативной и экспериментальной основе) по ассимиляции различных видов спутниковой информации в глобальных и региональных схемах ЧПП. При этом в различных центрах, в зависимости от степени развития системы ассимиляции, усваиваются различные по составу и объему наборы спутниковых данных. Современной тенденцией развития систем ассимиляции можно, по-видимому, считать то, что усвоению подвергаются:

- результаты измерений уходящего ИК и МВ излучения системы «атмосфера-подстилающая поверхность» с помощью ИК- и МВ-зондировщиков, ИК- и МВ-имаджеров (радиационные и яркостные температуры, измеренные в отдельных каналах);

- выходные информационные продукты ДЗЗ, а именно, оценки векторов ветра (АМV или Atmospheric Motion Vectors), оценки приводного ветра по данным скаттерометров), данные о ТПО, параметрах облачности (количество, высота ВГО, фазовый состав), зонах осадков и их интенсивности, оценки вертикального распределения (или общего содержания) озона, результаты ТВЗА. При этом вместо усвоения глобальных данных ТВЗА по данным ATOVS, распространяемых через ГСТ в виде сводок SATEM (схема 1D-Var) в современных схемах анализа переходят на усвоение самих данных ATOVS (схема 3D-Var). Другие информационные продукты, как то, оценки параметров облачности, оценки приводного ветра часто используются в схемах ЧПП как дополнительные ограничения.

Большое внимание уделяется подготовке к усвоению данных перспективных ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения (IASI/MetOp, CrIS/NPP-NPOESS), для чего уже более 5-х лет проводятся эксперименты по ассимиляции данных AIRS/EOS-Aqua. NOAA-NESDIS распространяет данные AIRS – измерения в 324 отобранных каналах (всего с помощью AIRS измеряется уходящее ИК излучение в 2378 каналах). Как правило, в различных центрах усваиваются данные в 50-100 каналах (не искаженные облачностью или скорректированные таким образом, чтобы уменьшить искажающее влияние облачности); при этом отмечается небольшой положительный вклад в качество прогнозов.

К наиболее продвинутым можно отнести системы ассимиляции в ЕЦСПП и Метеослужбе Великобритании. В частности, ЕЦСПП проработаны процедуры усвоения следующих видов спутниковой информации в глобальной схеме ЧПП:

- АМV – данные о векторах ветра по информации геостационарных ИСЗ;

- АМV над полярными шапками по данным MODIS/Terra, Aqua;

- SCATT –данные о приводном ветре;

- измерения ИК-, МВ-зондировщиков HIRS, AIRS, AMSUА, AMSUВ, MHS;

- измерения МВ-имаджера SSM/I;

- ИК-данные GEO CSRs (Geostationary Clear Sky Radiances) или радиации, приведенные к условиям безоблачной атмосферы, по информации геостационарных ИСЗ.

В 2006 г. Евметсат поддержал исследования EЦСПП по оценке относительного вклада различных спутниковых наблюдательных систем в глобальные схемы ЧПП. Рассмотрено 9 сценариев:

- базовый (без спутниковой информации);

- референсный (базовый + AMV);

- добавление различных видов спутниковых данных, а именно, AMV/MODIS, НIRS, AIRS, AMSUA+AMSUB SSMI, SCATT, CSRs (сценарии 3-9).

В качестве контрольных переменных в прогностической схеме использованы:

а) геопотенциальная высота 500 гПа;

в) относительная влажность q при 850, 500, 200 гПа;

с) вектор ветра при р = 1000, 200 гПа.

Для переменной а) наибольший положительный вклад дают данные AMSU-A, AIRS, а также AMV/MODIS (над полярными шапками). Для q при р = 850 гПа – наибольший вклад от SSM/I; для q при р = 200 гПа – данные CSRs по информации геостационарных МИСЗ. Для вектора ветра при р = 1000 гПа – наибольший вклад дают измерения SCATT и AMSU-A; для ветра при р = 200 гПа – наибольший вклад от данных AMSU-A.

Необходимыми условиями проведения аналогичных исследований в Гидрометцентре РФ являются обеспечение регулярного доступа к оперативной спутниковой информации, а также наличие значительных вычислительных ресурсов. Выполнимость первого условия уже обсуждалось выше и связана, в первую очередь, с участием Росгидромета в системе EARS– для экспериментальной отработки процедур усвоения. Подключение к EARS и расширение самой системы EARS позволит начать эксперименты по усвоению данных ИК-, МВ-зондировщиков HIRS, AMSU-А в системах полусферного анализа. Необходимо также, учитывая описанные выше зарубежные исследования, начать методические работы по подготовке к усвоению данных ИК-зондировщиков высокого спектрального разрешения (IASI,AIRS/EOS Aqua, кроме того, в 2010 г. ожидается запуск ИК Фурье-спектрометра ИКФС-2 на борту КА "Метеор-М" N 2).

Важность усвоения и использования указанной информации отмечалась ВМО. Приведем требования к спутниковым зондировщикам, как необходимому компоненту спутниковой наблюдательной системы, согласованные на CBS-XIII:

1) Геостационарные МИСЗ должны быть оснащены ИК зондировщиками высокого спектрального разрешения для учащенного температурно-влажностного зондирования, а также для индикации трассеров с целью определения векторов ветра.

2) Своевременность поступления спутниковых данных очень важна для повышения эффективности их усвоения. Поэтому система EARS должна быть расширена, с тем, чтобы наряду с данными ATOVS, передавать данные AVHRR и ASCAT. Данные ATOVS доступны теперь с временным запаздыванием меньше 30 мин. ВМО совместно с CGMS планирует развитие системы ADM (Advanced Dissemination Methods) или Улучшенных Методов Распространения данных, а также Интегрированную Службу Распространения Глобальных данных – IGDDS (Integrated Global Data Dissemination Service).

3) Использование радиозатменных зондирований. Возможности спутниковой группировки с аппаратурой радиозатменного зондирования должны быть полностью использованы в оперативной работе. При этом желательно разделение обязанностей (на международном уровне) по созданию сети наземных центров соответствующего назначения.

4) Температурные профили по данным лимбовых зондировщиков (в верхней стратосфере) должны быть доступны в оперативном режиме для прогностических центров.

Второе важное условие развертывания интенсивных работ по ассимиляции спутниковых данных – наличие значительных вычислительных ресурсов (суперкомпьютер). Потребность в вычислительных ресурсах объясняется тем, что:

а) многократно возросли объемы спутниковой информации;

б) для усвоения спутниковых данных требуется проведение трудоемкой предобработки и анализа спутниковой информации.

К примеру, для усвоения данных ИК- и МВ-зондировщиков требуется:

1. Быстрое и высокоточное численное моделирование спутниковых измерений в спектральных диапазонах (каналах), отобранных для усвоения, расчет матрицы вариационных производных (якобианов); причем, указанные расчеты должны вычисляться для большой совокупности атмосферных моделей (глобальное и региональное покрытие).

2. Детектирование облачности в поле зрения прибора, выделение измерений, не искаженных или мало искаженных облачностью.

3. Коррекция измерений, искаженных облачностью (ИК-диапазон спектра), выполнение процедур “cloud clearing” или моделирование «псевдоизмерений» при отсутствии облачности в пункте измерения.

4. Коррекция систематических смещений (“bias correction”) в измерениях на основе эмпирических статистик, классифицированным по широтным зонам, временным периодам.

Трудоемкость перечисленных процедур многократно (более чем на порядок) возрастает при переходе от усвоения измерений современных ИК-зондировщиков (HIRS, не более 10 каналов) к усвоению данных более информативных ИК-зондировщиков типа IASI, ИКФС-2 ), когда нужно усваивать данные в 100-200 каналах. В этой связи определенный методический интерес представляет «возвращение» к старой (существующей в Гидрометцентре РФ) схеме усвоения результатов ТВЗА типа 1D-Var, что позволит скомпрессировать информацию ИК-зондировщиков и вывести процедуры 1-4 за рамки схемы усвоения. При этом, однако, производитель данных ТВЗА должен обеспечить не только указанные данные, но и оценки пространственной структуры ковариаций ошибок.

ЛИТЕРАТУРА

Асмус В.В., Дядюченко В.Н., Загребаев В.А. и др. Наземный комплекс приема, обработки, архивации и распространения спутниковой информации. /В сб. Труды НИЦ «Планета», вып.1(46), 2005, с. 3-21.

Справочник потребителя спутниковой информации. //Под редакцией В.В.Асмуса и О.Е.Милехина. 2005. С-Петербург, Гидрометеоиздат, 114 стр.



CEOS Handbook.ESA.2005.



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал