Регистрация / Вход
Прислать материал

14.586.21.0017

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.586.21.0017
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Название доклада
Экстремальные явления в системе океан-атмосфера на основе синергетического анализа спутниковых измерений и моделирования
Докладчик
Кудрявцев Владимир Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель:
Разработка усовершенствованного подхода и методов мониторинга и прогнозирования экстремальных явлений в системе океан-атмосфера на основе интегрированного анализа спутниковых и контактных измерений и результатов моделирования. Внедрение разработанных методов в геоинформационный спутниковый портал, предназначенный для мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды в Арктике.

Основные задачи:
- разработка новых методов обработки и анализа мультисенсорной спутниковой информации, эффективных в экстремальных условиях;
- применение разработанных методов для получения усовершенствованных/новых спутниковых геофизических продуктов для исследования ключевых параметров системы океан-атмосфера при штормовых и ураганных ветрах;
- развитие моделей динамики системы океан-атмосфера для условий экстремальных явлений включая модели: генерации аномально высоких волн, эволюции полярных и тропических циклонов; влияния тропических циклонов на динамику верхнего слоя океана;
- тестирование моделей на данных спутниковых и контактных измерений;
- усвоение усовершенствованных спутниковых продуктов в численных моделях динамики атмосферы и океана;
- внедрение усовершенствованных/новых геофизических продуктов и результатов моделирования в геоинформационный портал Лаборатории спутниковой океанографии РГГМУ (http://siows.solab.rshu.ru/) для создания системы мониторинга окружающей среды в Арктике.
Актуальность и новизна исследования
Характеристики атмосферы и морской поверхности в условиях экстремальных погодных явлений изучены недостаточно, в частности, из-за редкой сети стандартных гидрометеорологических станций в открытом океане. Наблюдаются заметные расхождения в оценках состояния приводного слоя атмосферы, в зависимостях коэффициентов излучения и рассеяния электромагнитного излучения взволнованной морской поверхностью от скорости ветра, особенно при штормовых условиях. Экстремальные погодные явления (тропические, внетропические и полярные циклоны) сопровождаются штормовыми ветрами, высокими волнами, ливневыми осадками. Наличие сплошного облачного покрова затрудняет использование данных спектрорадиометров инфракрасного и видимого диапазонов электромагнитного спектра для получения количественной информации о параметрах океана и атмосферы и изучения этих явлений. Для спутникового микроволнового зондирования – активного и пассивного – облачный покров не является препятствием. В то же время, извлечение этой информации в условиях облачности, большого водозапаса, осадков и высоких скоростей ветра сопровождается большими ошибками.
Несмотря на обширный перечень свободно распространяемых продуктов обработки спутниковых данных, их точность в условиях экстремальных погодных явлений недостаточна для использования в моделях прогноза. Поэтому одним из направлений работ является усовершенствование методов анализа и обработки спутниковых данных для условий экстремальных погодных явлений.
Описание исследования

Проект основывается на использовании мультисенсорной информации, поступающей с действующих спутников (DMSP, GCOM-W1, Metop-A и Metop-B, Aqua, Terra, NOAA, Suomi, TRMM, GPM, SMOS, Sentinel-1) и доступной для анализа в мировых архивах спутниковых данных. Для диагностики экстремальных явлений будут проанализированы данные оптических сканнеров Aqua и Terra MODIS, радиолокаторов синтезированной апертуры RADARSAT-2, Sentinel-1, данные микроволновых радиометров SSM/I, AMSR-E, AMSR2 и WindSat и микроволновых скаттерометров Metop-A и Metop-B ASCAT. 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), квазиконтактные высокоточные измерения интенсивности осадков спутниковым радаром PR на платформе TRMM (http://mirador.gsfc.nasa.gov/)).

Разработка алгоритмов восстановления параметров океана и атмосферы по пассивным микроволновым данным основывается на численных экспериментах по модели излучения с настройкой нейронно-сетевых алгоритмов. Оригинальность алгоритмов заключается в использовании новой зависимости излучения океана от скорости ветра в условиях ураганных ветров. Численный эксперимент проведен для каналов измерений действующих радиометров (GCOM-W1 AMSR2, Метеор-М № 1 и № 2 МТВЗА-Гя). Комбинация каналов C-диапазона с данными в L-диапазоне (SMOS, AQUARIUS, SMAP), обеспечивает возможность верификации разрабатываемых методов.

Полярные циклоны эффективно идентифицируются в полях влагозапаса атмосферы, восстановленных по данным AMSR2. Восстановленные поля параметров (влагозапас атмосферы и водозапас облаков, ветер, температура поверхности океана, давление по данным скаттерометров) ассимилированы в модели динамики атмосферы WRF с реализацией вариационного подхода. WRF будет также включать усовершенствованные параметризации законов сопротивления для ураганных ветров, что должно улучшить качество моделирования полярных циклонов.

Прохождение тропических и полярных циклонов сопровождается генерацией аномально высоких волн. Основным механизмом их генерации является эффект захвата волн движущимся циклоном. Существующие численные модели требуют значительных вычислительных затрат. Предлагаемая в проекте полуэмпирическая модель генерации аномальных волн ураганами и полярными циклонами свободна от этих недостатков. Модель тестирована на данных измерений волн в ураганах.

Проводится исследование поверхностных «следов» ураганов и тайфунов в полях температуры поверхности океана. Появление следов в полях температуры поверхности океана является следствием эрозии пикноклина за счет интенсивного перемешивания, вызванного аномальной интенсификацией волн. Появления следа в полях температуры поверхности океана оказывает важное обратное воздействие на интенсивность циклона за счет уменьшения потоков энтальпии. Планируется проведение численных экспериментов по оценке влияние обратных связей на динамику тропических и полярных циклонов.

Генерация полярных циклонов происходит в окрестности границ ледового покрова при вторжениях холодных воздушных масс. В проекте используются готовые микроволновые продукты для картирования границ ледового покрова, например, данные ICDC Data Center (http://icdc.zmaw.de/seaiceconcentration_asi_amsre). В дополнение, разработан новый метод идентификации границ ледового покрова и определения его дрейфа на основе данных скаттерометра ASCAT на спутниках METOP-A,-B.

Разработанные и верифицированные методы и модели имплементируются в уже имеющийся геоинформационный портал. В рамках проекта проводится дальнейшее развитие программно-математического обеспечения портала с использованием опыта и оригинальных программных разработок зарубежного партнера.

Результаты исследования

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.

Практическая значимость исследования
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://siows.solab.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 геоинформационный 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.