Регистрация / Вход
Прислать материал

Экстремальные явления в системе океан-атмосфера на основе синергетического анализа спутниковых измерений и моделирования

Номер контракта: 14.586.21.0017

Руководитель: Кудрявцев Владимир Николаевич

Должность: Профессор кафедры ЮНЕСКО РГГМУ

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
экстремальные явления, мультисенсорный анализ, спутниковые данные, методы восстановления параметров океана и атмосферы, активное и пассивное дистанционное зондирование, численное моделирование, ассимиляция данных спутниковых измерений, арктический геоинформационный спутниковый портал

Цель проекта:
Цель проета: - Разработка усовершенствованного подхода и методов мониторинга и прогнозирования экстремальных явлений в системе океан-атмосфера на основе интегрированного анализа всех имеющихся спутниковых и контактных измерений и результатов моделирования, и внедрение разработанных методов в геоинформационный спутниковый портал, предназначенный для анализа текущего состояния окружающей среды в Арктике и ее прогноза на основе данных измерений и моделирования. Задачи исследований: - разработка новых методов обработки и анализа оперативной мультисенсорной спутниковой информации, эффективных в условиях экстремальных явлений (штормовые ветра, облачный покров, ливневые осадки, высокие волны); - применение разработанных методов для получения усовершенствованных/новых спутниковых геофизических продуктов и извлечения максимума доступной информации из мультисенсорных измерений для исследования ключевых параметров системы океан-атмосфера при штормовых и ураганных ветрах; - развитие моделей динамики системы океан-атмосфера для экстремальных явлений (включая тропические и полярные циклоны), учитывающих аномальное поведение законов сопротивления и теплопередачи поверхности и обратное влияние верхнего слоя океана; - тестирование предложенных моделей на данных спутниковых и контактных измерений; - объединение и усвоение усовершенствованных спутниковых геофизических продуктов в оперативных и прогностических численных моделях динамики атмосферы и океана; - внедрение усовершенствованных/новых геофизических продуктов и результатов моделирования в уже имеющийся геоинформационный портал Лаборатории Спутниковой Океанографии (ЛСО) (http://arctic.solab.rshu.ru/) для создания системы мониторинга и прогнозирования эволюции экстремальных явлений в Арктике.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Усовершенствованные методы восстановления параметров атмосферы и океана по данным активных и пассивных спутниковых микроволновых инструментов (поля ветра, влагозапас атмосферы и водозапас облаков, интенсивность осадков, температура поверхности океана и поверхностные течения, приводное давление, поля дрейфа морского льда), обеспечивающие высокую точность в условиях штормовых и ураганных ветров. Точность восстановления параметров будет оцениваться на основании сопоставления с данными контактных измерений, а при формировании заключения о повышении точности будет использоваться сравнение с готовыми спутниковыми продуктами. Методы будут реализованы в виде программно- математического обеспечения.

2. Усовершенствованные модели динамики атмосферы и океана для условий экстремальных погодных явлений, тестированные на данных спутниковых и контактных измерений, включая модели: генерации аномально высоких волн; эволюции полярных и тропических циклонов, учитывающих прямые и обратные связи в системе океан-атмосфера; влияния тропических циклонов на динамику и вертикальную структуру верхнего слоя океана.

3.Реализация новых/усовершенствованных схем ассимиляции спутниковых продуктов (готовых и вновь создаваемых) в оперативных и прогностических моделях динамики атмосферы и океана. Модели динамики атмосферы и океана, использующие новые схемы ассимиляции спутниковых продуктов, будут реализованы в виде программно-математического обеспечения.

4.Специализированный геоинформационный спутниковый портал, предназначенный для анализа текущего состояния и динамики системы океан-атмосфера в Арктике, идентификации экстремальных явлений и прогноза их эволюции на основе использования результатов численного моделирования и усвоения спутниковых данных. Комплексная верификация созданных в рамках проекта методов и моделей будет проведена на основании использования данного портала для идентификации полярных циклонов, прогнозирования их эволюции и генерации волнения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проект основывается на использовании мультисенсорной информации, поступающей с недавних и действующих спутниковых платформ (таких как, DMSP, GCOM-W1, Metop-A и Metop-B, Aqua, Terra, NOAA, Suomi, TRMM, GPM, SMOS, Envisat, Sentinel-1) и доступной в мировых архивах спутниковых данных.

Для диагностики экстремальных явлений будут проанализированы данные оптических сканнеров Aqua и Terra MODIS, радиолокаторов синтезированной апертуры (РСА) ASAR Envisat, RADARSAT-2, Sentinel-1 (поля волн, ветра, течений), данные микроволновых радиометров SSM/I, AMSR-E, AMSR2 и WindSat и микроволновых скаттерометров Metop-A и Metop-B ASCAT (поля ветра, влагозапаса атмосферы, водозапаса облаков). Для диагностированных случаев будут собраны все имеющиеся данные контактных измерений для верификации разрабатываемых алгоритмов (измерения с буев (http://www.ndbc.noaa.gov/), нефтяных платформ (http:// eklima.met.no), самолетные измерения радиозондами и радиометрами SFMR (http://www.aoml.noaa.gov/hrd), измерения влагозапаса атмосферы радиозондами (http://weather.uwyo.edu/upperair) и системами GPS (http://www.suominet.ucar.edu), квази-контактные высокоточныеизмерения интенсивности осадков спутниковым радаром PR на платформе TRMM (http://mirador.gsfc.nasa.gov/).

Для разработки алгоритмов восстановления параметров океана и атмосферы (ветер, температура поверхности океана (ТПО), влагозапас атмосферы и возодапас облаков, интенсивность дождя) по пассивным микроволновым данным будет использован численный эксперимент по моделированию излучения системы океан-атмосфера в условиях штормовых ветров, облачности и осадков с настройкой нейронно-сетевых алгоритмов. Оригинальность алгоритмов заключается в использовании при моделировании принципиально новой зависимости излучения океана от скорости ветра в условиях ураганных ветров, полученной из анализа радиометрических измерений и данных по скоростям ветра, предоставляемых центрами исследования ураганов и тайфунов (http://agora.ex.nii.ac.jp/ и http://www.nhc.noaa.gov/). Численный эксперимент будет проведен для каналов измерений действующих радиометров (GCOM-W1 AMSR2, Метеор-М № 1 и № 2 МТВЗА-Гя ). Радиометр AMSR2 характеризуется наличием двух дополнительных каналов в C-диапазоне, дающих возможность оценивать интенсивность осадков одновременно со скоростью ветра. Подобные исследования не проводились ни одним научным коллективом в мире. Комбинация каналов C-диапазона с имеющимися у зарубежного партнера данными в L-диапазоне (SMOS, AQUARIUS, SMAP), обеспечат возможность верификации разрабатываемых методов.

Планируется также разработать методы восстановления геофизических параметров по измерениям российского радиометра МТВЗА-Гя в условиях без осадков, но при штормовых ветрах. Использование данных российского радиометра позволит в будущем свести к минимуму зависимость от зарубежных спутниковых данных. Все разрабатываемые методы являются новыми и подлежат правовой охране.

Полярные циклоны (ПЦ) эффективно идентифицируются в полях влагозапаса атмосферы, восстановленных по данным AMSR2. В рамках проекта планируется моделирование эволюции ПЦ с использованием спутниковых данных не только для описания начального состояния системы, но и для их ассимиляции. Восстановленные поля параметров (влагозапас атмосферы и водозапас облаков, ветер, ТПО, давление по данным скаттерометров) будут ассимилированы в модели динамики атмосферы WRF с реализацией вариационного подхода. WRF будет включать усовершенствованные параметризации поверхностных потоков для ураганных ветров, что дает основание ожидать существенного улучшения качества прогноза эволюции ПЦ. Новые параметризации и новая схема ассимиляции спутниковых данных будут являться объектами правовой охраны.

Прохождение тропических и ПЦ сопровождается генерацией аномально высоких волн. Основным механизмом их генерации является эффект захвата волн движущимся циклоном. Хотя это явление и известно из наблюдений, в настоящее время отсутствуют простые модели, которые могли бы в оперативном режиме предсказывать и описывать это опасное явление. Существующие численные модели не могут быть эффективно использованы из-за привлечения значительных вычислительных мощностей и длительности расчетов. Предлагаемая в проекте полу-эмпирическая модель генерации аномальных волн ураганами и ПЦ свободна от этих недостатков и, главное, может быть просто внедрена в качестве вычислительного модуля в численную атмосферную модель.

Предварительно модель будет тестирована на основе базы данных измерений волн в ураганах и ПЦ спутниковыми альтиметрами (Jason-1, Jason-2, CryoSat-2 and SARAL/AltiKa.) и РСА (ASAR ENVISAT, RADASAT-2, Sentinel-1), созданной в рамках проекта. После верификации и настройки, модель будет использована в качестве вычислительного модуля в исследовательских и прикладных задачах. Модель генерации волн ураганами и ПЦ будет являться объектом правовой охраны.

Использование достоверных значений ТПО в моделях динамики и прогноза ураганов и ПЦ, использующих усовершенствованные параметризации потоков тепла, влаги и количества движения для экстремальных явлений, представляется важным элементом данного проекта. Повышение точности определения ТПО по данным AMSR2 в штормовых условиях, планируемое в рамках данного проекта, позволит провести более обоснованное исследование поверхностных «следов» ураганов и тайфунов в полях ТПО. Появление следов в ТПО является следствием эрозии пикноклина за счет интенсивного перемешивания, вызванного аномальной интенсификацией волн. Появления следа в ТПО оказывает принципиально важное обратное воздействие на интенсивность циклона за счет уменьшения потоков энтальпии (тепла и влаги), являющихся источником энергии. Такого типа обратные связи известны для тропических циклонов, в то же время их важность для динамики ПЦ до конца не изучена и будет исследована в рамках настоящего проекта.

Генерация ПЦ происходит в окрестности границ ледового покрова при вторжениях холодных воздушных масс. Поэтому, знание границы льда является необходимым элементом при исследовании опасных явлений в системе океан-атмосфера. Мониторинг и прогноз ледового покрова также исключительно важен для обеспечения мореходства и безопасной практической деятельности в Арктике. В проекте планируется использовать готовые микроволновые продукты для картирования границ ледового покрова, например данные ICDC Data Center (http://icdc.zmaw.de/seaiceconcentration_asi_amsre; см так же http://arctic.solab.rshu.ru). В дополнение, совместно с французским партнером планируется разработать новый метод идентификации границ ледового покрова, его дрейф и деформацию на основе данных скаттерометра ASCAT на спутниках METOP-A,-B. Этот метод будет являться объектом правовой охраны.

Эти данные будут дополнены данными измерений РСА Sentinel-1, что позволит исследовать ледовый покров и поля ветра на мульти-масштабах, от глобального (в пределах всей Арктики) до масштабов порядка десятка-сотни метров.

Разработанные и верифицированные методы и модели планируется имплементировать в уже имеющийся геоинформационный портал (Syntool Arctic) для оценки состояния системы океан – атмосфера в Арктике, разработанный ЛСО (http://arctic.solab.rshu.ru). Портал состоит из спутниковой информации различного уровня. В рамках проекта предполагается дальнейшее развитие программно-математического обеспечения имеющегося портала с использованием опыта и оригинальных программных разработок зарубежного партнера. Syntool Arctic будет не только давать возможность идентифицировать экстремальные погодные явления для Арктического региона, но и позволит (за счет реализации разработанных методов и моделей динамики атмосферы и океана) давать прогноз их эволюции.

Модели динамики атмосферы и океана, верифицированные на архивных данных, будут использованы для расчета полей прогноза с использованием оперативных спутниковых данных, загружаемых Syntool Arctic. Прогнозируемые поля геофизических параметров будут отображаться в Syntool Arctic, что позволит использовать разработанную систему как инструмент для предотвращения катастроф и минимизации рисков для народно-хозяйственной деятельности в Арктическом регионе.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Усовершенствованные методы и алгоритмы восстановления параметров и модели динамики системы океан – атмосфера, реализованные в комплексе программ, могут быть использованы центрами архивации и хранения спутниковых данных и оперативными центрами прогнозов как в нашей стране, так и зарубежом. Высокая точность в условиях экстремальных погодных явлений будет являться безусловным конкуретным преимуществом вновь создаваемых спутниковых продуктов.

Высоко-технологичная серверная база иностранного партнера (http://cersat.ifremer.fr/), также, как и портал спутниковых данных ЛСО (http://satin.rshu.ru/) позволят размещение и обеспечение доступа к новым спутниковым продуктам для российских и зарубежных исследователей, занимающихся исследованиями экстремальных явлений. Улучшенное качество прогноза полей гидрометеорологических параметров позволит использовать разработанные модели динамики атмосферы и океана и схемы ассимиляции спутниковых данных центрами прогнозов для предсказания эволюции тропических, внетропических и полярных циклонов, что, в конечном счете, приведет к снижению рисков катастроф в морской и прибрежной зоне.

Весь разработанный комплекс методов и моделей может быть использован в системах раннего предупреждения появления штормовых ветров, аномально высоких волн национальными метео-службами и агентствами по предупреждению опасных явлений.

Арктический гео-информационный спутниковый портал, в котором разработанные методы, алгоритмы и модели будут внедрены для анализа текущего состояния системы океан – атмосфера, идентификации экстремальных явлений и прогноза их эволюции, сможет быть использован любыми службами обеспечения безопасности народно-хозяйственной деятельности в Арктике. Данный ресурс обеспечит также дальнейшее накопление комплексных знаний о северной полярной области Земли, необходимых для решения хозяйственных, оборонных, социальных задач и проблем фундаментальной науки в целом

Текущие результаты проекта:
Создана база данных альтиметрических, пассивных микроволновых измерений, радиолокационных измерений высокого разрешения (РСА изображений), и совместных контактных измерений для изучения генерации волн движущимися атмосферными аномалиями (тропические, внетропические и полярные циклоны).

Разработана модель генерации волн движущимися атмосферными аномалиями (тропические и полярные циклоны);

Модель сопоставлена с данными спутниковых альтиметрических измерений, и продемонстрировала свою достоверность;

Разработан метод восстановления поля приводного давления по данным спутниковых скаттерометров;

Разработан метод идентификации границ ледового покрова и восстановления поля дрейфа морского льда по данным cgenybrjds[ скаттерометрических измерений;

Результаты исследований представлены в работах:

Zabolotskikh E.V., N. Reul, B. Chapron, (2016). Geophysical model function for the AMSR2 C- band wind excess emissivity at high winds. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters (GRSL), (accepted)

Kudryavtsev V., P. Golubkin, and B. Chapron (2015). A simplified wave enhancement criterion for moving extreme events. J. Geopys. Res., (accepted)