Картография распределения полей серебристых облаков на фоне развития тропосферных процессов

Аннотация

Предлагается дальнейшее усовершенствование метода изучения влияния тропосферных процессов на формирование и эволюцию полей серебристых мезосферных облаков в области умеренных широт северного полушария Земли. В его основу положено построение и последующее изу чение синтетических карт, содержащих как результаты ежесуточных спутниковых обзоров глобального распределения полей мезосферных серебристых облаков, так и распределения и развития типичных процессов и явлений на уровне тропосферы.

Подробно представлен новый алгоритм обработки изображений и построения синтетических карт, нацеленный на повышение их информационной отдачи. Рассмотрены преимущества нового подхода на основе общего анализа спутниковых данных о глобальных полях серебристых облаков и метеокарт за сезоны 2016 и 2019 годов. Приведены примеры синтетических карт нового типа. В перспективе применение метода должно позволить уточнить характер влияния внутренних гравитационных волн, генериру емых в тропосфере на облакообразование, происходящее на высотах мезопау зы.

Введение

В течение достаточно длительного времени в Центре Астрофизических Исследований Северо-Казахстанского университета (ЦАИ СКУ) проводятся комплексные исследования серебристых облаков (как наблюдаемых с территории Северо-Казахстанской области, так и на основе анализа данных спутникового мониторинга), направленные на изучение возможной связи их возникновения с развитием процессов в подстилающем слое тропосферы.

В результате исследований, охватывающих временной интервал с 2007 по 2018 годы, показано наличие общей феноменологической связи появления полей серебристых облаков умеренных широт над Урало-Сибирским регионом с развитием таких крупномасштабных процессов как возникновение и движение циклонов и связанных с ними холодных фронтов, формированием окклюзий и грозовых очагов [1- 3]. На основании полученных выводов разработан и успешно применяется на практике метод локального прогнозирования появления MCO в контролируемой наземными наблюдениями области на основе прогностических (1-3 суточных) метеорологических карт.

Однако, при общей успешности такого подхода в нём имеются элементы субъективности. Она проявляется в том, что выводы о связи тропосферных и мезосферных явлений базируются на опытности исследователя и их проблематично представить в документальном виде явных численных показателей.

Методы исследования

Для устранения этого недостатка в ЦАИ СКУ был предложен метод построения и анализа синтетических карт, соединяющих на едином изображении как данные спутникового мониторинга полей серебристых облаков, так и картографических метеорологических прогнозов. Рассмотрим его сущность.

Одной из основ метода являются ежесуточные изображения полей MCO на фоне карты земной поверхности с центром в точке северного полюса, которые имеются в свободном доступе на сайте спутниковой миссии AIM (The Aeronomy of Ice in the Mesosphere) [4]. На них отражены координатная сетка и очертания крупнейших географических элементов (Рис. 1).

Кроме изображений, полученных спутником AIM, использовались синоптические метеорологические карты, на которых представлено распределение барических полей и развитие масштабных метеорологических явлений: циклонов, фронтов, окклюзий, грозовых очагов. Пример такой карты, представленной Северо- Казахстанским отделением Казгидромета, приведён на Рисунке 2.

Рисунок 2 Карта прогноза развития метеорологических процессов на 12 июня 2019 года

На основе совмещения этих двух типов карт, создавались так называемые синтетические карты. В процессе создания таких карт критерием качества являлось точное совмещение, лучше даже совпадение их географических координатных сеток и очертаний важнейших географических элементов земной поверхности.

Рабочий процесс включал ряд стадий. Так изображения глобальных полей MCO для повышения контраста переводились в монохромные (черно-белые). Синоптические карты, в свою очередь, трансформировались в негативный вид. При этом они подвергались изменению плотности изображения отображающего слоя до полупрозрачного состояния с сохранением информации, координатной сетки, побережья материков, островов, русел рек и озёр.

Результаты исследования

Пример такой синтетической карты, построенной по технологии прошлых лет приведён на рисунке 3. На масштабном изображении ситуации датируемой ночью с 5 на 6 июня 2015 года видно хорошее совпадение в расположении низкоширотных структур глобального поля MCO и системы активных образований, порождённых ярко выраженным циклоном [2]. А именно облачное поле над севером Центральной Сибири расположено близ центра циклона и связанной с ним системы фронтов. Южнее локальное поле облачности расположено в тылу холодного фронта в районе Норильска.

Обработка совокупности таких карт в принципе позволяет статистически изучить характер и особенности проявления тропосферно-мезосферных связей [2]. Однако, как было показано в ходе дальнейших исследований, определённые ограничения метода были обусловлены выбором цветовой гаммы карт.

Рисунок 3 Синтетическая карта взаимного расположения поля серебристых облаков (белое аморфное пространство в центре) и метеорологических элементов [2]

А именно слабовыраженные по яркости наиболее низкоширотные части облачного поля с трудом различались на чёрном фоне. Сущность коррекции цветовой гаммы продемонстрирован на Рисунке 4 на примере карты, построенной на ту же дату, по новой методике [3].

Рисунок 4 Карта на ту же дату, построенная по новой методике [3]

В данном случае метеокарта, как и в оригинале, оставалась белой, а изображение поля серебристых облаков инвертировалось в негативное. Благодаря более высокому контрасту картины, низкоширотные детали поля серебристых облаков стали прослеживаться до более низких широт.

Как мы отметили выше, определённую сложность представляло наложение двух типов карт. И это несмотря на кажущуюся простоту одновременного совмещения координатных сеток и материковых границ. Значительно снизить трудоёмкость построения синтетических карт позволила простая идея предварительной подготовки их компонентов. Сущность подготовки заключалась в том, что как на карте облачного поля, так и на метеокарте выделялся цветом круг широты 60° и меридиан, соответствующей долготе 90° (Рис. 5).

Рисунок 5 Подготовленные к совмещению: слева негативное изображение поля серебристых облаков; справа метеорологической карты на соответствующую дату

В дальнейшем в программе обработки изображений, выделенные круги и меридианы вручную совмещались с высокой точностью. При этом автоматически достигалась высокая степень совмещения географических элементов изображений. Таким образом, получался продукт позволяющий объективно выявлять влияние развития тропосферных процессов на генезис и эволюцию полей серебристых облаков (Рис. 6).

Рисунок 6 Завершающий этап построения синтетической карты на 11 июня 2016 года

Заключение

Анализ комплекса таких карт за один, а лучше за несколько сезонов видимости MCO позволит получить максимально точные выводы о характере и причинах влияния крупномасштабных тропосферных процессов на явления, протекающие на высотах мезосферы. При этом желателен переход от качественного к количественному анализу, то есть производству линейных измерений взаимного расположения исследуемых феноменов.

 

Литература:

  1. Солодовник А. А. Журавлёв П. JI / Методика и первые результаты картографического анализа связи генезиса серебристых облаков с метеорологией тропосферы/ Сборник материалов XII Между'народной научно-практической конференции «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований», Новосибирск. 2014, - С. 17-22
  2. Солодовник А.А., Шакимова Г.Б. / Генезис серебристых облаков как маркер тропосферно- мезосферных связей/ Материалы международной научно-практической конференции «Козыбаевские чтения - 2017 Казахстан и современные вызовы времени» Петропавловск. 2017, Т.2, с. 166-170.
  3. Solodovnik A. A.. Leontyev P. I. and Dalin P. Studies of the influence of tropospheric factors on the formation of noctilucent clouds by a cartographic method. - Journal of Atmospheric and Solar- Terrestrial Physics. V. 200 (2020). 105224.
Год: 2020
Категория: Биология