ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 6. С. 9-27

Циркуляция скрытого тепла в атмосфере Земли: анализ 15 лет радиотепловых спутниковых измерений

Д.М. Ермаков 1, 2 , Е.А. Шарков 2 , А.П. Чернушич 1 
1 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал, Фрязино, Московская обл., Россия
2 Институт космических исследований РАН, Москва
Одобрена к печати: 08.12.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-6-9-27
С помощью развитого ранее подхода спутникового радиотепловидения проанализированы данные спутниковых радиотепловых измерений Земли в непрерывном интервале наблюдений с 2003 по 2017 г. Построено около 22 000 пар синхронных полей интегрального влагосодержания атмосферы и скоростей адвекции водяного пара в нижней тропосфере глобального покрытия с шагом шесть часов на регулярной сетке с дискретностью 0,25°. Полученное динамическое описание атмосферы дало возможность исследовать характеристики атмосферной циркуляции в терминах потоков скрытого тепла на климатически значимых масштабах. Вычисленные характеристические параметры циркуляции в основном находятся в хорошем качественном и количественном согласии с известными данными. Чётко выявлена зональная структура циркуляции, получены типичные значения широтных распределений скоростей адвекции, положения и сезонные миграции границ ячеек Хедли, среднее положение термического экватора над Мировым океаном, средний положительный перенос скрытого тепла из южного полушария в северное, суточные и годичные осцилляции меридиональных и зональных потоков скрытого тепла и т. д. Отмечено, что ряд проблемных аспектов анализа требует улучшения пространственно-временной детальности исходных рядов данных. Такая детальность принципиально достижима в рамках мультисенсорного спутникового радиотепловидения. Завершается техническая работа по обеспечению свободного доступа к расчётным полям адвекции через геопортал спутникового радиотепловидения.
Ключевые слова: атмосферная циркуляция, адвекция скрытого тепла, климат, большие массивы данных, спутниковое радиотепловидение
Полный текст

Список литературы:

  1. Башаринов А. Е., Гурвич А. С., Егоров С. Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974. 188 с.
  2. Блинова Е. Н. Общая циркуляция атмосферы и гидродинамический долгосрочный прогноз погоды // Труды ГМЦ. 1967. Вып. 15 С. 3–26.
  3. Дымников В. П., Лыкосов В. Н., Володин Е. М., Галин В. Я., Глазунов А. В., Грицун А. С., Дианский Н. А., Толстых М. А., Чавро А. И. Моделирование климата и его изменений // Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования. М.: Наука, 2005. Т. 2. С. 36–173.
  4. Ермаков Д. М. Климатология атмосферных рек: возможности спутникового радиотепловидения // 7-е Всерос. Армандовские чтения: Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн. Муром: МИ ВлГУ, 2017. С. 207–215. [Электронный ресурс] http://www.mivlgu.ru/conf/armand2017/rmdzs-2017/pdf/S2_19.pdf (30.10.2017).
  5. Ермаков Д. М., Раев М. Д., Чернушич А. П., Шарков Е. А. (2013а) Проблемы построения радиотепловых полей достаточной однородности при высоком пространственном разрешении по спутниковым измерениям // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 1. С. 24–33.
  6. Ермаков Д. М., Раев М. Д., Чернушич А. П., Шарков Е. А. (2013б) Алгоритм построения глобальных радиотепловых полей системы океан-атмосфера высокой пространственно-временной дискретизации по спутниковым микроволновым измерениям // Исследование Земли из космоса. 2013. № 4. С. 72–82.
  7. Ермаков Д. М., Чернушич А. П. Развитие сетевых сервисов геопортала спутникового радиотепловидения // Электронные библиотеки. 2017. Т. 20. № 1. С. 50–76.
  8. Ермаков Д. М., Чернушич А. П., Шарков Е. А., Шрамков Я. Н. Возможности построения краткосрочных глобальных радиотепловых изображений системы океан-атмосфера на базе программной платформы Stream Handler // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 3. С. 9–16.
  9. Ермаков Д. М., Чернушич А. П., Шарков Е. А., Покровская И. В. Детализация фаз развития ТЦ Katrina по интерполированным глобальным полям водяного пара // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 2. С. 207–213.
  10. Ермаков Д. М., Чернушич А. П., Шарков Е. А. (2016а) Геопортал спутникового радиотепловидения: данные, сервисы, перспективы развития // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 3. С. 46–57.
  11. Ермаков Д. М., Шарков Е. А., Чернушич А. П. (2014а) Оценка тропосферных адвективных потоков скрытого тепла над океаном при анимационном анализе радиотепловых данных спутникового мониторинга // Исследование Земли из космоса. 2014. № 4. С. 32–38.
  12. Ермаков Д. М., Шарков Е. А., Чернушич А. П. (2014б) Роль тропосферных адвективных потоков скрытого тепла в интенсификации тропических циклонов // Исследование Земли из космоса. 2014. № 4. С. 3–15.
  13. Ермаков Д. М., Шарков Е. А., Чернушич А. П. (2014в) Возможности количественного описания мезомасштабных процессов в атмосфере на основе анимационного анализа // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 4. С. 153–162.
  14. Ермаков Д. М., Шарков Е. А., Чернушич А. П. Оценка точности интерполяционной схемы спутникового радиотепловидения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 2. С. 77–88.
  15. Ермаков Д. М., Шарков Е. А., Чернушич А. П. (2016б) Спутниковое радиотепловидение на синоптических и климатически значимых масштабах // Исследование Земли из космоса. 2016. № 5. С. 3–9.
  16. Ермаков Д. М., Шарков Е. А., Чернушич А. П. Анализ эволюции системы взаимодействующих тайфунов с помощью спутникового радиотепловидения // Исследование Земли из космоса. 2017. № 2. С. 77–87.
  17. Кутуза Б. Г., Данилычев М. В., Яковлев О. И. Спутниковый мониторинг Земли: Микроволновая радиометрия атмосферы и поверхности. М.: ЛЕНАНАД, 2016. 336 с.
  18. Лыкосов В. Н., Глазунов А. В., Кулямин Д. В., Мортиков Е. В., Степаненко В. М. Суперкомпьютерное моделирование в физике климатической системы. М.: Изд-во МГУ, 2012. 408 с.
  19. Радиофизические исследования атмосферы: Труды Всесоюзного симпозиума по радиофизическим исследованиям атмосферы / под ред. Зуева В. Е., Степаненко В. Д., Щукина Г. Г. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 296 с.
  20. Рузмайкин А. Климат как игра случая // Успехи физ. наук. 2014. Т. 184. С. 297–311.
  21. Стерлядкин В. В., Пашинов Е. В., Кузьмин А. В., Шарков Е. А. Дифференциальные радиотепловые методы восстановления профиля влажности атмосферы с борта космических аппаратов // Исследование Земли из космоса. 2017. № 2. С. 64–76.
  22. Халтинер Дж. М. Ф. Динамическая и физическая метеорология. М.: Иностранная лит., 1960. 436 с.
  23. Шарков Е. А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы. В 2 т. Т. 1. М.: ИКИ РАН, 2014. 544 с.
  24. Anandan P. A computational framework and an algorithm for the measurement of visual motion // Intern. J. Computer Vision. 1989. V. 2. No. 3. P. 283–310.
  25. Armand N. A., Polyakov V. M. Radio propagation and remote sensing of the environment. CRC Press, 2004. 448 p.
  26. Barron J. L., Fleet D. J., Beauchemin S. S. Performance of optical flow techniques // Intern. J. Computer Vision. 1994. V. 12. No. 1. P. 43–77.
  27. Blackwell W. J. A neural-network technique for the retrieval of atmospheric temperature and moisture profiles from high spectral resolution sounding data // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2005. V. 43. No. 11. P. 2535–2546.
  28. Climate change 2014: Synthesis report. IPCC, 2015. [Электронный ресурс]. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/syr/SYR_AR5_FINAL_full_ru.pdf (30.10.2017).
  29. Ermakov D. M., Sharkov E. A., Chernushich A. P. Satellite radiothermovision of atmospheric mesoscale processes: case study of tropical cyclones // The Intern. Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences — ISPRS Archives. 2015. V. 40. No. 7/W3. P. 179–186.
  30. Ermakov D. M., Sharkov E. A., Chernushich A. P. A multisensory algorithm of satellite radiothermovision // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. V. 52. No. 9. P. 1172–1180.
  31. Ermakov D. M., Sharkov E. A., Pokrovskaya I. V., Chernushich A. P. Revealing the energy sources of alternating intensity regimes of the evolving Alberto tropical cyclone using microwave satellite sensing data // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. V. 49. No. 9. P. 974–985.
  32. Horn B. K.P., Schunck B. G. Determining optical flow // Artificial Intelligence. 1981. V. 17. P. 185–203.
  33. Kramer H. J. Observation of the Earth and its environment: Survey of missions and sensors. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2002. 1567 p.
  34. Lie W. T., Tang W. Estimating moisture transport over oceans using space-based observations // J. Geophysical Research. 2005. V. 110. No. D10. D10101. DOI:10.1029/2004JD005300.
  35. Madden R. A., Julian P. R. Observations of the 40-50-day tropical oscillation // Monthly weather review. 1994. V. 122. No. 5. P. 814–837.
  36. Nerushev A. F., Kramchaninova E. K. Method for determining atmospheric motion characteristics using measurements on geostationary meteorological satellites // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2011. V. 47. No. 9. P. 1104–1113.
  37. Observing Systems Capability Analysis and Review Tool (OSCAR). WMO, 2011–2017. https://www.wmo-sat.info/oscar/ (30.10.2017).
  38. Palmén E., Newton C. W. Atmospheric circulation systems: Their structural and physical interpretation. N. Y.: Academic Press, 1969. 603 p.
  39. Robertson F. R., Bosilovich M. G., Roberts J. B., Reichle R. H., Adler R., Ricciardully L., Berg W., Huffman G. J. Consistency of estimated global water cycle variations over the satellite era // J. Climate. 2014. V. 27. No. 16. P. 6135–6154.
  40. Rodgers C. D. Inverse methods for atmospheric sounding: Theory and practice. World Scientific Publishing, 2000. 255 p.
  41. Velden C. S., Hayden C. M., Nieman S. J., Menzel W. P., Wanzong S., Goerss J. S. Upper-tropospheric winds derived from geostationary satellite water vapor observations // Bul. American Meteorological Society. 1997. V. 78. No. 2. P. 173–195.
  42. Wentz F. J., Hilburn K. A., Smith D. K. Remote Sensing Systems DMSP SSM/I, SSMIS daily environmental suite on 0.25 deg grid, Version 7, 8 / Remote Sensing Systems, Santa Rosa, CA, 2012. Available online at www.remss.com/missions/ssmi.
  43. Wentz F. J., Ricciardulli L., Gentemann C., Meissner T., Hilburn K. A., Scott J. Remote Sensing Systems Coriolis WindSat daily environmental suite on 0.25 deg grid, Version 7.0.1 / Remote Sensing Systems, Santa Rosa, CA, 2013. Available online at www.remss.com/missions/windsat.
  44. Wentz F. J., Meissner T., Gentemann C., Brewer M. (2014a) Remote Sensing Systems AQUA AMSR-E daily environmental suite on 0.25 deg grid, Version 7 / Remote Sensing Systems, Santa Rosa, CA, 2014. Available online at www.remss.com/missions/amsr.
  45. Wentz F. J., Meissner T., Gentemann C., Hilburn K. A., Scott J. (2014b) Remote Sensing Systems GCOM-W1 AMSR2 daily environmental suite on 0.25 deg grid, Version 7.2 / Remote Sensing Systems, Santa Rosa, CA, 2014. Available online at www.remss.com/missions/amsr.
  46. Wick G. A., Neiman P. J., Ralph F. M. Description and validation of an automated objective technique for identification and characterization of the integrated water vapor signature of atmospheric rivers // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2013. V. 51. No. 4. P. 2166–2176.
  47. Wimmers A. J., Velden C. S. Seamless advective blending of total precipitable water retrievals from polar orbiting satellites // J. Applied Meteorology and Climatology. 2011. V. 50. No. 5. P. 1024–1036.