Применение спутниковых СВЧ-радиометрических методов для анализа связи тропического циклогенеза с переносом водяного пара в Атлантике
- Авторы: Гранков А.Г.1, Новичихин Е.П.1, Шелобанова Н.К.1
-
Учреждения:
- Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал
- Выпуск: Том 60, № 1 (2024)
- Страницы: 73-80
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/658370
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002351524010073
- ID: 658370
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Иллюстрируются возможности использования данных СВЧ-радиометрических измерений со спутников EOS Aqua и GCOM-W1 для изучения влияния тропических волн в Атлантике на процессы зарождения урагана Lorenzo (2007) и штормов Mattew (2004), Colin (2016) в Мексиканском заливе путем мониторинга пространственно-временной изменчивости полей водяного пара в заливе. Приведены примеры использования спутниковых изображений полей влажности атмосферы, полученных со спутников DMSP, EOS Aqua, демонстрирующие процессы трансформации тропических волн в атлантические ураганы Bonnie (1998), Frances (2004), Ivan (2004).
Ключевые слова
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных направлений в исследованиях процессов зарождения тропических ураганов (ТУ) является мониторинг полей влажности атмосферы в районах циклогенеза на основе данных спутниковых измерений интенсивности собственного СВЧ-излучения – яркостной температуры системы океан–атмосфера в спектральной области резонансного поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы [Гранков и др., 2022; Шарков и др., 2012; Ermakov, 2021].
Данный подход использован нами ранее для изучения процессов циклогенеза в Мексиканском заливе путем анализа отклика общего влагосодержания атмосферы (ОВА) на эти процессы на основе данных измерений СВЧ-радиометров SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) и SSMIS (Special Sensor Microwave Imager/Sounder) спутников DMSP, радиометров AMSR-E и AMSR-2 (Advanced Microwave Scanning Radiometer) спутников EOS Aqua и GCOM.
Проведенный анализ пространственной изменчивости полей ОВА в периоды зарождения и развития ТУ Bret (1999 г.), Humberto (2007 г.), Lorenzo (2007 г.), Katia (2017 г.) выявил их дружные изменения не только в районах зарождения данных ураганов, но и в прилегающих к ним обширных областях Мексиканского залива [Гранков, 2021].
Такой результат можно объяснить влиянием тропических волн (иное название – африканские восточные волны [Thorncroft, Hodges, 2001]), формирующихся в тропической Атлантике в период с апреля–мая по октябрь–ноябрь, распространяющихся от западного побережья Африки к Карибскому морю и Мексиканскому заливу и несущих массы теплого воздуха на запад преобладающими восточными ветрами вдоль тропиков и субтропиков вблизи экватора. Иллюстрацией может служить приход в Мексиканский залив тропической волны во время зарождения ТУ Lorenzo в сентябре 2007 г. [Franklin, 2007] (рис. 1). Здесь представлены наблюдаемые радиометром AMSR-E спутника EOS Aqua вариации ОВА в фиксированных точках залива в период, предшествующий зарождению урагана 28 сентября.
Рис. 1. Динамика ОВА (Q) в период, предшествующий зарождению ТУ Lorenzo в Мексиканском заливе в узлах сетки с координатами долготы 85.5о з.д. (1), 91о з.д. (2), 95.75о з.д. (3) и широты 25о с.ш. (а), 24о с.ш. (б), 23о с.ш. (в), 22о с.ш. (г).
Рисунок демонстрирует сильный всплеск общего содержания водяного пара в атмосфере Q (на 25‒30 кг/м2), перемещающийся из восточной части акватории Мексиканского залива в западном направлении; что можно рассматривать как следствие приближения тропической волны со стороны Атлантики к заливу 21 сентября.
Более полное представление о влиянии тропических волн на процессы циклогенеза в Мексиканском заливе, а также в акватории тропической Атлантики может быть получено на основе данных анализа полей (изображений) ОВА со спутников DMSP, EOS Aqua, GCOM-W1, Метеор-М, обеспечивающих глобальную информацию об этом и других параметрах атмосферы и поверхности океана с пространственным разрешением 0.25o × 0.25o с суточной регулярностью.
Ниже оценим возможности использования спутниковых измерений для анализа влияния тропических волн на формирование полей влажности атмосферы в Мексиканском заливе в периоды зарождения различных тропических образований.
В рамках данной задачи рассмотрены не только тропические ураганы, но и тропические штормы, частота зарождения которых в несколько раз выше, благодаря чему может быть расширен объем полезной информации для анализа процессов циклогенеза в заливе.
РЕАКЦИЯ ПОЛЕЙ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ В МЕКСИКАНСКОМ ЗАЛИВЕ НА ПРИБЛИЖЕНИЕ ТРОПИЧЕСКИХ ВОЛН
Рассмотрим ряд примеров использования данных спутниковых измерений для анализа влияния тропических волн на поля ОВА в заливе в периоды зарождения местных ураганов и штормов.
Зарождение урагана Lorenzo, сентябрь 2007 г.
В соответствии с [Franklin, 2007] ТУ Lorenzo образовался из тропической волны, которая прошла через западное побережье Африки 11 сентября 2007 г., и сформировался первоначально в виде тропической депрессии в юго-западной части Мексиканского залива 25 сентября 2007 г. в точке 21.8о с. ш. 94.8о з. д., достигнув стадии урагана 28 сентября в точке 20.5о с. ш. 96.3о з. д.
С помощью данных измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua (архив NSIDC – National Snow & Ice Data Center) исследована пространственно-временная изменчивость ОВА в Мексиканском заливе в области 20.75о–28о с. ш. 97.75о–85.5о з. д. в период 22–27 сентября 2007 г., предшествующий зарождению ТУ Lorenzo, а результаты представлены на рис. 2. Данная область охватывает большую часть акватории Мексиканского залива; ее внешние границы выбраны таким образом, чтобы в поле зрения спутниковых радиометров не попадали береговые участки залива.
Риc. 2. Динамика изменения поля ОВА (Q) в выбранной области Мексиканского залива в период, предшествующий зарождению ТУ Lorenzo в сентябре 2007 г.: (а) – 22.09; (б) – 23.09; (в) – 24.09; (г) – 25.09; (д) – 26.09; (е) – 27.09. Время прихода тропической волны к Мексиканскому заливу 21 сентября. ТШ – начало стадии тропической депрессии; начало стадии тропического шторма; ТУ – начало стадии тропического урагана [Franklin, 2007].
Как видно из рис. 2, приход тропической волны в Мексиканский залив сопровождается появлением области с высоким содержанием водяного пара в атмосфере в его восточной части, перемещающейся на запад и дальнейшей ее локализацией в юго-западной части залива – зоне зарождения урагана Lorenzo.
Зарождение тропического шторма Matthew, октябрь 2004 г.
Тропический шторм Matthew образовался из тропической волны, которая прошла через западное побережье Африки 19 сентября 2004 г., и сформировался окончательно в юго-западной части Мексиканского залива 8 октября в точке 24.1о с. ш. 94.2о з. д. [Avila, 2004].
С помощью данных измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua (архив NSIDC) получены оценки пространственно-временной изменчивости ОВА в области 20.75о–28о с. ш. 97.75о–85.5о з. д. Мексиканского залива в период, предшествующий зарождению шторма Matthew 3–7 октября 2004 г. (рис. 3).
Рис. 3. Динамика поля ОВА (Q) в акватории Мексиканского залива в период, предшествующий зарождению тропического шторма Matthew в октябре 2004 г.: (а) – 03.10; (б) – 04.10; (в) – 05.10; (г) – 06.10; (д) – 07.10. Время прихода тропической волны к Мексиканскому заливу 3 октября. ТШ – начало стадии тропического шторма [Avila, 2004].
Из иллюстрации видно, что в результате прихода тропической волны в Мексиканском заливе образуется область с высоким содержанием водяного пара в атмосфере, которая последовательно перемещается в северо-западном направлении к району зарождения шторма.
Зарождение тропического шторма Colin, июнь 2016 г.
Происхождение тропического шторма Colin можно проследить до тропической волны, которая прошла у западного побережья Африки 27 мая 2016 г. и к 1 июня достигла Карибского моря [Pash, Penny, 2017]. Его окончательное формирование произошло 5 июня 2016 г. в южной области Мексиканского залива в точке 22.4о с. ш. 87.9о з. д.
Получены оценки пространственно-временной динамики ОВА Q в области 20.75о–28о с. ш. 97.75о–85.5о з. д. залива в период 1–6 июня 2016 г., предшествующий зарождению шторма Colin (рис. 4). Для этих целей использованы данные геопортала спутникового радиотепловидения (https://fireras.su/tpw/Fields.aspx) [Ермаков и др., 2013], полученные на основе измерений радиометра AMSR-2 спутника GCOM-W1.
Рис. 4. Динамика поля ОВА (Q) в акватории Мексиканского залива в период, предшествующий зарождения тропического шторма Colin в июне 2016 г.: (а) – 01.06; (б) – 02.06; (в) – 03.06; (г) – 04.06; (д) – 05.06: (е) – 06.06. ТШ – начало стадии тропического шторма [Pash, Penny, 2017].
Из иллюстрации видно, что при приближении тропической волны в Мексиканском заливе наблюдается аккумуляция атмосферного водяного пара в районе зарождения тропического шторма Colin.
Приведенные примеры спутникового мониторинга Мексиканского залива показывают, что в периоды, предшествующие зарождению урагана Lorenzo, штормов Matthew и Colin, под воздействием тропических волн происходила “накачка” атмосферы водяным паром, образовывались области с высокими значениями ОВА, перемещавшиеся в течение 5–6 сут в районы залива и ставшие очагами их образования. Данный эффект позволяет объяснить отмеченную в [Гранков, 2021] тесную связь пространственных характеристик полей ОВА с процессами зарождения ТУ Bret, Humberto, Lorenzo, Katia в Мексиканском заливе.
ПОЛЯ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ КАК ИНДИКАТОРЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ТРОПИЧЕСКИХ ВОЛН В АТЛАНТИЧЕСКИЕ УРАГАНЫ
Тропический ураган Ivan, сентябрь 2004 г.
По данным оптических и ИК-изображений, полученных с геостационарных спутников GOES-12 и MODIS, ТУ Ivan образовался из тропической волны, которая прошла через западное побережье Африки 31 августа 2004 г., и сформировался окончательно в тропической зоне Атлантики 5 сентября в точке 9.5о с. ш. 43.4о з. д. [Stewart, 2011]. Ураган соответствует 5-й категории интенсивности по шкале Саффира–Симпсона с максимальной скоростью ветра 270 км/ч.
На основе данных архива NSIDC исследована пространственно-временная изменчивость ОВА в области 0о–35о с. ш. 0о–100о з. д. Атлантики в период времени от начальной стадии распространения тропической волны (1) (южнее островов Кабо-Верде) до зарождения ТУ Ivan (3) и его максимального развития (6) в Карибском море (рис. 5).
Рис. 5. Трансформация тропической волны в ТУ Ivan, 2004 г.: 1 – 01.09. 2 – 03.09, 3 – 05.09, 4 – 07.09, 5 – 09.09, 6 – 11.09. Выделенные области характеризуются ОВА 60 кг/м2 и выше. Кружки отражают пространственное положение глаза урагана в полуденное время суток. По данным радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua.
Рисунок 5 демонстрирует существование области в Атлантике с высоким содержанием водяного пара в атмосфере (свыше 60 кг/м2) и ее пространственные эволюции, которые совпадают с траекторией перемещения тропической волны от западного побережья Африки к району зарождения ТУ Ivan и далее – с траекторией его распространения, описанной в [Stewart, 2011].
Тропический ураган Bonnie, август 1998 г.
Согласно данным оптических и инфракрасных съемок с геостационарного спутника GOES-8 ТУ Bonnie образовался из тропической волны, которая прошла через западное побережье Африки 14 августа 1998 г. и сформировался окончательно в тропической зоне Атлантики северо-восточнее о. Гаити 22 августа в точке 21.1о с. ш. 67.3о з. д. [Avila, 1998].
На основе данных измерений радиометров SSM/I спутников DMSP F11, F13, F14 (архив RSS ‒ Remote Sensing System) исследована пространственно-временная изменчивость ОВА в области 0о–35о с. ш. 10о–80о з. д. Атлантики (рис. 6).
Рис. 6. Эволюции поля ОВА (Q) в тропической зоне Атлантики по данным измерений радиометров SSM/I спутников F11, F13, F14 на восходящих (A) и нисходящих (D) витках в период, предшествующий зарождению ТУ Bonnie: (а) ‒ 15.08 (F14 D); (б) ‒ 17.08 (F14 A); (в) ‒ 19.08 (F11A); (г) ‒ 21.08 (F13 D) и в период его развития: (д) ‒ 23.08 (F14 D); (е) ‒ 25.08 (F13D). 1 – тропическая депрессия; 2 – тропический шторм; 3, 4 – тропический ураган (по данным [Avila, 1998]). Слепые области (вне видимости радиометров) выделены черным цветом.
Рисунок 6 иллюстрирует перемещение области с высоким влагосодержанием атмосферы в тропической Атлантике (60–70 кг/м2), пространственные эволюции которой совпадают с траекторией перемещения тропической волны от западного побережья Африки к району зарождения ТУ Bonnie и далее – с траекторией его распространения, описанной в [Avila, 1998].
Тропический ураган Frances, август–сентябрь 2004 г.
По данным оптических и ИК-изображений с геостационарных спутников GOES-12 и MODIS ураган Frances сформировался под воздействием мощной тропической волны, начавшей свое движение от западного побережья Африки 21 августа 2004 г. по направлению к Багамским островам, достигнув стадии урагана 26 августа в районе 13.3˚ с. ш. 45.8˚ з. д. Атлантики и набрав полную силу 2 сентября у берегов Гаити (скорость ветра 230 км/ч) [Beven II, 2014].
На основе данных измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua (архив NSIDC) получены оценки пространственно-временной изменчивости общего влагосодержания атмосферы и скорости приводного ветра в области 0о–35о с. ш. 20о–100о з. д. Атлантики в период в период времени от начальной стадии распространения тропической волны до зарождения ТУ Frances и его максимального развития.
Выявлена область, характеризующаяся высокими значениями общего влагосодержания атмосферы (60 кг/м2 и более) и скорости приводного ветра (более 25 м/с), перемещающаяся от западного побережья Африки к полуострову Флорида в период 27 августа – 3 сентября 2004 г. (рис. 7). Из иллюстрации следует, что траектория перемещения данной области в период 26–30 августа совпадают с траекторий перемещения тропической волны из Атлантики к району зарождения ТУ Frances, а далее – с траекторией его распространения, описанной в [Beven II, 2014].
Рис. 7. Эволюция полей влажности атмосферы (Q) и скорости приводного ветра (V) в Атлантике по данным радиометра AMSR-E в период, предшествующий зарождению ТУ Frances: (а) – 22.08; (б) – 24.08 и его развития: (в) – 26.08; (г) – 28.09; (д) – 30.09; (е) – 01.09; (ж) – 03.09. 1 – тропический шторм; 2, 3, 4, 5 – тропический ураган (по данным [Beven II, 2014]). Белые клинообразные области – слепые зоны радиометра AMSR-E.
ВЫВОДЫ
Приведенные результаты спутникового мониторинга Мексиканского залива показывают, что в периоды, предшествующие зарождению урагана Lorenzo, штормов Matthew и Colin, под воздействием тропических волн происходила “накачка” атмосферы водяным паром, образовывались области с высокими значениями ОВА, перемещавшиеся в течение 5–6 сут в районы залива, ставшие очагами возникновения данных тропических образований. Этот эффект объясняет отмеченную в [Гранков, 2021] тесную связь пространственных характеристик полей ОВА с процессами зарождения ТУ Bret, Humberto, Lorenzo, Katia в Мексиканском заливе.
На примерах историй возникновения и развития ТУ Ivan, Bonnie, Frances можно видеть, что данные спутниковых СВЧ-радиометрических измерений позволяют выделять зоны в тропической Атлантике с высоким содержанием водяного пара в атмосфере (60–70 кг/м2), траектории которых соответствуют определяемым по данным спутниковых оптических и инфракрасных съемок траекториям распространения тропических волн от западного побережья Африки к районам зарождения тропических ураганов. Результаты, показанные для ТУ Frances, свидетельствуют о том, что распространение тропической волны можно наблюдать не только в виде эволюций поля водяного пара атмосферы, но и поля скорости приводного ветра.
Во всех рассмотренных случаях траектории дальнейшего распространения областей с высокой локализацией водяного пара в атмосфере совпадают с приведенными в [Stewart, 2011; Avila, 1998; Beven II, 2014] траекториями развития ТУ Ivan, Bonnie, Frances (Best Track Positions), иллюстрирующими пространственно-временную динамику появления и перемещения зон минимального атмосферного давления и максимальной скорости ветра.
Полученные результаты указывают на важную роль трансатлантического переноса атмосферного водяного пара в процессах циклогенеза в Мексиканском заливе и Атлантике, а также на возможность использования его интегрального (общего) содержания в атмосфере в качестве индикатора траекторий распространения тропических волн.
Из рассмотренных примеров также следует, что спутниковый мониторинг атмосферного водяного пара позволяет прослеживать происхождение зарождающихся в Мексиканском заливе и тропической Атлантике ураганов и штормов до восточных африканских волн, что расширяет потенциальные возможности раннего прогнозирования их возникновения. При этом следует считать преждевременным использование общего влагосодержания атмосферы в качестве универсального и долговременного предиктора зарождения тропических ураганов и штормов, поскольку восточные африканские волны не во всех случаях приводят к их образованию; наблюдаются и альтернативы, когда финальным результатом их активности является возникновение лишь тропических депрессий.
Исследование выполнено в рамках государственного задания ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Об авторах
А. Г. Гранков
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал
Автор, ответственный за переписку.
Email: agrankov@inbox.ru
Россия, пл. акад. Введенского, 1, Московская обл., Фрязино, 141190
Е. П. Новичихин
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал
Email: agrankov@inbox.ru
Россия, пл. акад. Введенского, 1, Московская обл., Фрязино, 141190
Н. К. Шелобанова
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал
Email: agrankov@inbox.ru
Россия, пл. акад. Введенского, 1, Московская обл., Фрязино, 141190
Список литературы
- Гранков А.Г. О связи полей влажности атмосферы в Мексиканском заливе с процессами зарождения и развития ураганов // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 4. С. 495–506.
- Гранков А.Г., Мильшин А.А., Новичихин Е.П. Спутниковая СВЧ-радиометрия тепловых и динамических процессов на поверхности океана и в атмосфере. М.: Российская Академия наук, 2022. 240 с.
- Ермаков Д.М., Раев М.Д., Чернушич А.П., Шарков Е.А. Алгоритм построения глобальных радиотепловых полей системы океан–атмосфера вы сокой пространственно-временной дискре тизации по спутниковым микроволновым измерениям// Исслед. Земли из космоса. 2013. № 4. С. 72–82.
- Шарков Е.А., Шрамков Я.Н., Покровская И.В. Повышенное содержание водяного пара в атмосфере тропических широт как необходимое условие генезиса тропических циклонов // Исслед. Земли из космоса. 2012. № 2. С. 73–82.
- Avila L.A. Tropical Cyclone Report: Tropical Hurricane Bonnie 19–30 August 1998. Miami: National Hurricane Center 24 October 1998.
- Avila L.A. Tropical Cyclone Report: Tropical Storm Matthew 8–10 October 2004. Miami: National Hurricane Center 17 November 2004.
- Beven II J.L. Tropical Cyclone Report: Hurricane Frances, 25 August – 8 September 2004. Miami: National Hurricane Center (Updated 12 April 2005, 9 September and 6 November 2014).
- Ermakov D. Satellite radiothermovision of atmospheric processes: method and applications. Springer: Chaim, 2021. 199 p.
- Franklin J.L. Tropical Cyclone Report: Hurricane Lorenzo, 22–28 September 2007. Miami: National Hurricane Center, 18 October 2007.
- Pasch R.J., Penny A.B. Tropical Cyclone Report: Tropical Storm Colin 5–7 June 2016. Miami: National Hurricane Center, 17 January 2017.
- Stewart S.R. Tropical Cyclone Report: Tropical Hurricane Ivan 2–12 September 2004. Miami: National Hurricane Center 16 December 2004 (Updated 27 May 2005 and 11 August 2011).
- Thorncroft C., Hodges K. African easterly wave variability and its relationship to Atlantic tropical cyclone activity // J. Climate. 2001. V. 14. P. 1166–1179.
Дополнительные файлы
