ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ОБЛАКОВ ПО ДАННЫМ ПРИБОРА SEVIRI В ВИДИМОМ И БЛИЖНЕМ ИК ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Чукин В.В.¹, Нгуен Т.Т.²

¹ORCID: 0000-0002-8479-4631, Кандидат физико-математических наук, Российский государственный гидрометеорологический университет

²ORCID: 0000-0001-8307-9022, Аспирант, Российский государственный гидрометеорологический университет

Работа выполнена при поддержке гранта №1.684.2016/ДААД в рамках международного научно-образовательного сотрудничества по программе «Михаил Ломоносов».

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ОБЛАКОВ ПО ДАННЫМ ПРИБОРА SEVIRI В ВИДИМОМ И БЛИЖНЕМ ИК‑ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Аннотация

Рассмотрен метод определения фазового состояния смешанных тропосферных облаков по данным спутникового прибора SEVIRI спутника MSG. Приведено описание алгоритма определения оптической толщины облаков на длинах волн 0.6 и 1.6 мкм, водо- и льдозапаса облаков, фазового состояния облаков. Представлены результаты определения фазового состояния облаков в экваториальной и субтропической зоне. Получено обобщение проведенной обработки спутниковых данных и установлена незначительная временная изменчивость восстанавливаемых параметров облаков.

Ключевые слова: капли воды, кристаллы льда, ледяные ядра, облака, фазовое состояние, дистанционное зондирование.

Chukin V.V.¹, Nguyen T.T.²

¹ORCID: 0000-0002-8479-4631, PhD in Physics and Mathematics, Russian State Hydrometeorological University

²ORCID: 0000-0001-8307-9022, PhD Student, Russian State Hydrometeorological University

DETERMINATION OF PHASE STATE OF CLOUDS WITH THE HELP OF THE SEVIRI DEVICE IN THE VISIBLE AND NEAR INFRARED WAVELENGTH RANGE

Abstract

The method of determining the phase state mixed tropospheric clouds based on SEVIRI MSG satellite instrument is described. The description of the algorithm for determining the cloud optical thickness at wavelengths of 0.6 and 1.6 microns, liquid water path and ice water path, cloud phase state is presented. The results of determining the phase state of the clouds in the equatorial and subtropical zone are showed. A generalization of processed satellite data is done. Small temporal variability of retrived cloud parameters is found.

Keywords: droplets, ice crystals, ice nuclei, clouds, phase state, remote sensing.

Тропосферные облака при положительных температурах воздуха состоят из капель воды, образующихся на аэрозолях. В частях облаков, находящихся при отрицательных температурах, наблюдаются как капли воды, так и кристаллы льда, которые играют значительную роль в развитии облаков и формировании осадков. Определение соотношения капель воды и кристаллов льда позволяет оценить благоприятность условий выпадения осадков из облака и обледенения летательных аппаратов. Для целей оперативного мониторинга фазового состояния облаков наиболее целесообразно использовать спутниковые методы, обладающие высоким пространственным и временным разрешением. Суть рассматриваемого подхода заключается в измерении оптических параметров облаков в видимом и ближнем ИК‑диапазоне длин волн и расчета фазового состояния облаков.

1. Определение облачной оптической толщины

Для решения задачи определения оптической толщины облаков по данным 1 и 3 каналов прибора SEVIRI спутника METEOSAT-10 используется предварительно рассчитанные таблицы значений оптической толщины облаков с помощью модели дельта‑Эддингтона при фиксированных значениях альбедо однократного рассеяния (ω₁ = 0.999999 и ω₃ = 0.999) и параметра асимметрии индикатрисы рассеяния (g₁ = 0.85 и g₃ = 0.88). Поскольку настоящее исследование в основном направлено на определение фазового состояния облаков над морской поверхностью, то значение альбедо поверхности полагается равным нулю. Полученые вспомогательные таблицы зависимости оптической толщины облаков от зенитного угла Солнца (с шагом 0.1º) и альбедо облаков (с шагом 0.01) для длин волн 0.6 и 1.6 мкм, соответствующих середине спектрального диапазона 1 и 3о каналов спектрометра SEVIRI, использовались при решении обратной задачи. Фрагменты данных вспомогательных таблиц представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Оптическая толщина облаков при различных значениях зенитного угла Солнца и альбедо облаков на длине волны 0.6 мкм

Зенитный угол Солнца, град.	Альбедо облаков
	0.0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0
0	1.00	4.12	9.38	18.84	46.56	–
10	1.00	4.01	9.18	18.58	46.24	–
20	1.00	3.74	8.75	17.82	44.67	–
30	1.00	3.30	7.94	16.63	42.27	–
40	1.00	2.74	6.92	15.00	38.90	–
50	1.00	2.11	5.70	12.97	34.83	–
60	1.00	1.45	4.24	10.54	29.92	–
70	–	–	–	–	–	–

Таблица 2 – Оптическая толщина облаков при различных значениях зенитного угла Солнца и альбедо облаков на длине волны 1.6 мкм

Зенитный угол Солнца, град.	Альбедо облаков
	0.0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0
0	1.00	5.21	12.11	26.24	–	–
10	1.00	5.11	11.86	25.88	–	–
20	1.00	4.76	11.30	24.66	–	–
30	1.00	4.18	10.26	22.86	–	–
40	1.00	3.47	8.87	20.32	–	–
50	1.00	2.65	7.26	17.34	78.70	–
60	1.00	1.82	5.40	14.00	54.95	–
70	1.00	1.07	3.44	10.40	39.99	–

По результатам обработки спутниковых данных 1 и 3 каналов прибора SEVIRI получаются значения оптической толщины атмосферы (). Поскольку для длины волны 0.6 мкм (1 канал SEVIRI) поглощение радиации каплями воды и кристаллами льда очень мало и оптическая толщина облаков намного больше оптических толщин молекулярного и аэрозольного рассеяния можно записать:

.

На длине волны 1.6 мкм (3 канал SEVIRI) кристаллы льда уже существенно поглощают электромагнитное излучение и необходимо учитывать вклад кристаллов льда в общую оптическую толщину атмосферы. В этом случае, при условии, что аэрозольная оптическая толщина намного меньше оптической толщины атмосферы, оптическая толщина кристаллов льда определяется по формуле:

.

Отсюда получается выражение для определения оптической толщины жидко-капельной фракции:

.

Таким образом, предложенный алгоритм позволяет оценить оптическую толщину облаков, а также оптические толщины кристаллической и капельной фракций облаков.

2. Определение водо- и льдозапаса облаков

Оптическая толщина является важнейшим параметром для описания радиационных свойств облаков и зависит от коэффициента ослабления, который определяется микрофизическими параметрами облаков. Ранее нами получена параметризация зависимости оптической толщины облака от его водозапаса, которая имеет следующий вид [1, С.136]:

 .

Необходимо отметить, что для получения зависимости оптической толщины от водозапаса облаков путем расчета коэффициента ослабления на компьютере с двухъядерным процессором тактовой частотой 2.0 ГГц и оперативной памятью 2.0 ГБ требуется около двух часов. Однако, предложенная параметризация позволяет определить оптические свойства облаков по спутниковым данным со значительной экономией вычислительных ресурсов в режиме реального времени.

Для определения водозапаса облаков сначала рассчитывается оптическая толщина облаков по спутниковым данным с помощью описанного выше алгоритма, а затем решается обратная задача определения водозапаса облаков на основе рассмотренной параметризации.

Для определения льдозапаса облаков используется формула [2, С.23]:

.

3. Определение фазового состояния облаков

Фазовое состояние облаков представляет собой интегральную долю кристаллов льда IF в облаке и определяется по формуле:

.

Для выбранного региона (широта места: от -5º до 25º, долгота места: от -50º до 20º) на основе данных прибора SEVIRI проводились расчеты значений фазового состояния облаков в светлое время суток в период с 1 по 5 мая и с 14 по 17 ноября 2014 г. Результаты расчета пространственного распределения значений фазового состояния облаков представлены на рис. 1.

Рис. 1 – Пространственное распределение значений фазового состояния облаков в различное время: 01.05.2014 11:15 (а), 02.05.2014 11:00 (б), 03.05.2014 11:00 (в), 05.05.2014 11:00 (г), 14.11.2014 11:45 (а’), 15.11.2014 11:45 (б’), 16.11.2014 11:45 (в’) и 17.11.2014 11:45 (г’)

В табл. 3 представлены средние значения и среднеквадратические отклонения водо-, льдозапаса и фазового состояния облаков в различные моменты времени.

Таблица 3 – Результаты определения водо-, льдозапаса и фазового состояния облаков для района широт от -5º до 25º и долгот от -50º до 20º

Время, UTC	LWP, кг м-1	IWP, кг м-1	IF
01.05.2014 11:15	0.035+0.055	0.016+0.002	0.50+0.22
02.05.2014 11:00	0.038+0.057	0.015+0.002	0.49+0.22
03.05.2014 11:00	0.048+0.071	0.015+0.002	0.45+0.23
05.05.2014 11:00	0.047+0.070	0.015+0.002	0.45+0.23
14.11.2014 11:45	0.042+0.058	0.015+0.002	0.44+0.21
15.11.2014 11:45	0.051+0.069	0.015+0.002	0.41+0.23
16.11.2014 11:45	0.036+0.057	0.015+0.002	0.50+0.21
17.11.2014 11:45	0.054+0.080	0.015+0.002	0.43+0.25

Анализ данных таблицы 3 показывает незначительную временную изменчивость средних значений восстанавливаемых параметров облаков, что свидетельствует о стабильности работы предложенного алгоритма.

Выводы

Разработанный подход к обработке оперативных спутниковых данных, основанный на первичной обработке спутниковых данных прибора SEVIRI, детектировании облачных пикселей, определении оптической толщины облаков, льдозапаса и водозапаса облаков, позволяет получать информацию о фазовом состоянии облаков для целей оценки типа ледяных ядер, вероятности выпадения осадков и диагностики зон обледенения в облаках.

Особенно следует выделить практическую значимость предложенного подхода для анализа параметров ледяных ядер в облаках, приводящих к кристалиизации переохлажденных капель воды. Поскольку для оценки льдообразующей способности аэрозолей, выступающих в роли ледяных ядер, используется математическая модель, входными параметрами которой являются именно фазовое состояние облаков и температура на верхней границе облаков.

Список литературы / References

1. Диагностика ледяных ядер в облаках по данным прибора SEVIRI / В.В. Чукин, И.Н. Мельникова, Т.Т. Нгуен, В.Н. Никулин, А.Ф. Садыкова, А.М. Чукина // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2015. – Т.12. – №4. – С.133–142.
2. Walther A. ABI Algorithm Theoretical Basis Document for Daytime Cloud Optical and Microphysical Properties (DCOMP) / A. Walther, W. Straka, A.K. Heidinger. – NOAA NESDIS Center for Satellite Applications and Research, 2011. – 61 p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Diagnostika ledyanyh yader v oblakah po dannym pribora SEVIRI [Diagnosis of ice nuclei in the clouds by SEVIRI data] / V.V. Chukin, I.N.Melnikova, T.T. Nguyen, V.N. Nikulin, A.F. Sadykova, A.M. Chukina // Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovanya Zemli iz Kosmosa [Current Problems in Remote Sensing of the Eerth from Space]. – 2015. V.12, №4. P.133–142. [in Russian]
2. Walther A. ABI Algorithm Theoretical Basis Document for Daytime Cloud Optical and Microphysical Properties (DCOMP) / A. Walther, W. Straka, A.K. Heidinger. – NOAA NESDIS Center for Satellite Applications and Research, 2011. – 61 p.