XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Горные волны являются опасным видом атмосферных движений при эксплуатации воздушных судов. Особенно это относится к условиям недостаточной влажности, когда облачные полосы не формируются, и волны остаются невидимыми как для пилота, так и для радиолокатора [1]. Единственный доступный метод глобального мониторинга такого явления с подходящим пространственно-временным масштабом – спутниковые снимки.

Целью данной работы является исследование орографических волн по многоспектарльным спутниковым снимкам. Для количественного анализа структуры орографических волн двумерные данные редуцированы в одномерные профили поверхностной яркости - фотометрические разрезы [2]. Такие разрезы представляют собой сечение области, занимаемой волнами, вдоль какого-либо фиксированного направления.

Исходные данные

Исследование орографических волн было выполнено на основе снимков спутников Terra и Aqua, предназначенных для экологического мониторинга суши и воды. Спектрорадиометр MODIS, установленный на обоих спутниках, имеет 36 спектральных каналов с 12-битным радиометрическим разрешением – табл.1. Спектральный интервал съемки занимает диапазон от 0.41 до 14.0 мкм и включает видимый, ближний, средний и дальний ИК спектр [3].

Таблица 1. Основные технические характеристики спектрорадиометра MODIS [4]

Характеристики	Каналы
	1-2	3-7	8-19	20-25	26	27-36
Спектральный диапазон (мкм):	0.62-0.88	0.46-2.16	0.41-0.97	3.66-4.55	1.36-1.39	6.54-14.39
Пространственное разрешение в надире:	250 м	500 м	1000 м
Ширина полосы съемки	2300 км
Радиометрическое разрешение	12 бит на пиксел
Периодичность съемки	2 раза в день

Высотами максимумов весовых функций каналов водяного пара для средних широт являются 350 гПа и 500 гПа, соответствующие спектральным диапазонам 6.2 мкм и 7.3 мкм – рис. 1 [5]. Поскольку в канале 6.2 мкм водяной пар сильно поглощает излучение, а нижние теплые слои тропосферы являются более влажными, спутник получит сигналы только из верхних слоев атмосферы. В канале 7.2 мкм излучение поглощается слабее, поэтому излучение более низких уровней достигает спутника. Однако на снимках в данных каналах не видно поверхности земли.

Рис. 1 Распределение нормированных весовых функций спектральных каналов MODIS по высоте для средних широт [5]

Чувствительность канала указывает на его способность обнаруживать разницу во влажности на разных высотах. Для канала 6.2 мкм наибольшая чувствительность заключена в диапазоне 200 – 600 гПа, для канала 7.3 мкм от 400 до 740 гПа.

В работе исследованы орографические волны, возникающие на подветренной стороне горных систем Атлас и Пиренеи – рис.2.

Атласские горы служат барьером, отделяющим пустыню Сахара от средиземноморского бассейна. Ширина гор более тысячи км, длина более двух тысяч км, высота самой высокой точки 4165 м [6]. Пиренеи образуют естественный географический барьер, отделяющий Пиренейский полуостров на юге от остальной части континентальной Европы на севере. Горный массив простирается в длину с востока на запад на расстоянии 430 км от Средиземного моря до Бискайского залива. Средняя высота горных пиков более двух тысяч метров, наибольшая высота составляет 3404 м [7].

Рис. 2 Расположение горной системы Атлас и Пиренеи

Высота препятствия, а также скорость потока, ориентация горного хребта относительно потока, стратификация воздушной массы определяют характеристики подветренных волн. На рис. 3 представлены примеры снимков ИК каналов спектрорадиометра MODIS спутника Aqva за 10.04.2005 в 13:10 UTC севера Африки и Пиренейского полуострова.

 

(а)

(б)

(в)

(г)

Рис. 3 Пример снимка MODIS спутника Aqva за 10.04.2005 в 13:10 UTC в ИК каналах 4.0 мкм (а), 6.7 мкм (б), 7.3 мкм (в), 13.9 мкм (г)

В данной работе исследование выполнено на основе снимков MODIS спутника Aqva за 10.04.2005 в 13:10 UTC в пароводяных каналах (6.7 и 7.3 мкм) и спектральном видимом диапазоне – рис. 2 (б, в). На снимках были обнаружены орографические волны, формирующиеся за горной системой Атлас и Пиренеи.

Измерение длин волн

На снимке были заданы три сечения, проходящие через область орографических волн – рис. 4. По этим направлениям построены профили яркости в разных спектральных диапазонах – рис. 5,6, на основе которых был выполнен анализ длин волн и области их распространения.

Рис. 4 Сечения орографических волн в горах Атлас и Пиренеи за 10.04.2005 13:10 UTC, наблюдаемых в пароводяном канале 7,3 мкм

Орографические волны в видимом диапазоне наблюдаются слабо из-за недостаточной влажности, в то время как в пароводяных каналах хорошо прослеживаются как чередование белых и черных полос. В канале 6.7 мкм на спутниковом снимке присутствуют помехи, которые могут искажать значение длины волны.

На профиле яркости по сечению 1-2 наиболее четко прослеживается волновой процесс. При движении от точки 1 к точке 2 длина волны и амплитуда постепенно уменьшаются, что объясняется удалением от подветренной стороны гор Атлас, где вследствие нисходящих потоков возмущенный воздушный поток производил волновые колебания – горные волны.

По направлению 3-4 орографические волны в Пиренеях выстроены в длинные полосы, параллельные горной гряде с большими периодическими интервалами. Это хорошо прослеживается при движении от точки 3 к точке 4 – длина волны и амплитуда увеличиваются. Большие амплитуды волн в видимом спектре объясняются тем, что воздух более влажный, в результате чего орографические облака сформировались и прослеживаются в данном диапазоне.

Профиль яркости по сечению 5-6 характеризуется наименьшими колебаниями длин волн и амплитуды. На нём отображен переход воздушной массы через горы с развитием волнового процесса. В середине профиля есть небольшая впадина, вызванная слабо выраженным волновым процессом (возможно влияние некого географического препятствия на данном промежутке). В данном профиле длины волн в каналах 6.7 мкм и 7.3. мкм совпадают друг с другом.

а)

б)

в)

Рис. 5 Профили яркости орографических волн, построенные по трем сечениям, в пароводяном канале 7.3 мкм (а), в пароводяном канале 6.7 мкм (б) и в видимом диапазоне (в)

Сравнение динамики яркости по одному направлению, но в различных диапазонах спектра представлено на рис. 6.

а)

б)

в)

Рис. 6 Профили яркости в пароводяных каналах (7.3 и 6.7 мкм) и видимом диапазоне по сечениям 1-2 (а), 3-4 (б) и 5-6 (в)

Так как профили яркости построены перпендикулярно области распространения волн, то по координате Х с учетом пространственного разрешения спектрорадиометра MODIS в пароводяных каналах, составляющего 1 км, можно определить расстояние между пиками – длину волны – табл. 2. По координате Y отображена амплитуда волны.

Таблица 2. Длины орографических волн в различных спектральных каналах

Номер профиля	Длины волн λ в км
	6.7 мкм		7.3 мкм
	λmin	λmax	λmin	λmax
Профиль 1-2	3.03	10.07	3.03	21.02
Профиль 3-4	3.97	13.23	2.65	10.59
Профиль 5-6	2.07	10.34	2.07	10.34

Заключение

В горах Атлас волновые процессы распространяются на более значительные расстояния, занимая обширную территорию Африки. При этом из-за более сухого воздуха орографические облака зачастую являются «невидимыми» для спектрального видимого диапазона, представляя большую угрозу. В Пиренеях орографические волны прослеживаются более чётко вследствие более насыщенного влагой воздуха. Снимки в пароводяных каналах позволяют лучше исследовать область распространения волн и отследить начало их формирования в условиях недостаточной влажности.

Список литературы

Федосеева Н.В., Ефимова Ю.В., Куроплина В.И. Дешифрирование «невидимых» орографических волн по данным спутниковой съемки в каналах водяного пара// Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития российской федерации». СПб, 14-15 мая, 2019 г. С. 173-174.

Решетников, В. П. (2003). Поверхностная фотометрия галактик. Издательство Санкт-Петербургского университета. http://www.astronet.ru/db/msg/1166765

Remer L.A. The MODIS aerosol algorithm, products, and validation // J. Atmos.Sci. – 2005. – Vol.62. – P. 947–973.

Дальневосточный Центр Федерального Государственного Бюджетного Учреждения "Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета" – URL: https://www.dvrcpod.ru/Modis.php (дата обращения 27.12.2021).

EUMeTrain: Water Vapour CAL Module – URL: http://www.eumetrain.org/data/3/33/channels3.htm (датаобращения 27.12.2021).

Атлас (горы) [Электронный ресурс]: Википедия. Свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Атлас_(горы)#cite_ref-4 (дата обращения 27.12.2021).

Пиренеи [Электронный ресурс]: Википедия. Свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пиренеи (дата обращения 27.12.2021).

Код для цитирования: Скопировать