Дистанционное зондирование и моделирование структуры облачности и дымовых шлейфов

Известно, что облачносты и осадки являются основными элементами погоды. С процессами облако- и осадкообразования связаны такие особо опасные явления, как ливни, град, шквалы. В современных задачах информационно-космического мониторинга облака и облачные кластеры являются, скорее, помехой, экранируя или размывая изображения наземных объектов и препятствуя достоверному воспроизведению деталей земной поверхности. В предлагаемом подходе информация об облачности будет исполызоватыся для восстановления параметров атмосферного пограничного слоя, что приведет к увеличению в целом отдачи и эффективности системы космического зондирования. Опыт таких разработок имеется: спутниковые фотографии облачности представляют собой своеобразную синоптическую карту региона и поэтому исполызуются синоптиками при составлении краткосрочных прогнозов погоды и сверхкраткосрочных прогнозов опасных явлений. В работах [1-4] исследуется механизм образования квазиупорядо-ченных облачных ансамблей, а их связы с полями ветра, температуры и влажности в атмосфере деталыно не рассматриваются.

Целы данной работы - исполызование данных дистанционного зондирования и результатов численного моде- лирования для объяснения структур облачности и эволюции дымовых шлейфов от лесных пожаров.

Математическое моделирование облачных кластеров. Остановимся на наиболее часто употребляемом методе моделирования мезомасштабных атмосферных явлений -Large Eddy Simulation (LES).

Основное назначение LES - воспроизведение мезомас-штабной турбулентности, возникающей при разрешении различных видов вертикальной неустойчивости атмосферы. Это конвективная неустойчивость либо неустойчивость, связанная с вертикальным сдвигом скорости и направления ветра. В случае моделирования конвективной турбулентности LES должна грубо описать внутреннюю структуру конвективных ячеек, крупных термиков и конвективных облаков, являющихся основными элементами конвективной турбулентности и одновременно воспроизвести достаточно большое (статистически значимое) число конвективных ячеек. LES поход позволяет определить спектр облаков и термиков, их средние размеры, влагосо-держание и другие статистические характеристики.

Отличительная особенность LES - независимость граничных условий от горизонтальных координат. Для этих целей подстилающая поверхность (суша или вода) задается плоской с однородными ландшафтом и температу рой. Выше расположен слой толщиной в несколько метров, в котором потоки тепла, влаги, примесей и момента количества движения не меняются по высоте. Над слоем постоянных потоков расположен конвективный слой, толщина которого меняется от нескольких сот метров до нескольких километров в зависимости от интенсивности конвекции. Над конвективным слоем расположена свободная атмосфера.

Математическая постановка в рамках LES, по которой проводились расчеты, изложена в [5; 6]. Проведено две серии численных экспериментов:

• -    первая относится к внутримассовой конвекции. В ней индикатором скорости и направления ветра служит дымовой шлейф от лесных пожаров;

• -    вторая серия соответствует циклональным условиям. Скорость и направление ветра восстанавливается при обработке спутниковых снимков по методике, изложенной в данной статье.

Проведем сравнение результатов расчетов представленных схематически с данными космических снимков облачности. Они относятся к первой серии численных экспериментов (рис. 1; 2).

Толстые линии на врезке (рис. 1, а) [5] - это области восходящих движений, соответствующие облакам, тон-

а

Рис. 1. Сравнение теории с данными при маленькой скорости ветра (0 <  U <  5 м/сек) : а - хаотическое расположение облаков; б - облачные «соты»

б

а

б

Рис. 2. Сравнение теории с данными при большой скорости ветра (U >  5 м/сек) : а - облачные «дорожки»; б - облачные «валы»

кие линии - нисходящие движения, соответствующие межоблачному пространству О скорости и направлении ветра можно судить по дымовому шлейфу от лесных пожаров, видимых в центре спутниковых фотографий. Чем шире и короче шлейф, тем слабее ветер. Размеры и высоту облаков можно оценить по изображениям их теней, отчетливо видимым на спутниковом снимке (рис. 1, а). Слабому ветру и слабой конвекции соответствует ансамбль с хаотическим расположением облаков (рис. 1, а). Это так называемые облака хорошей погоды (Cum hum, Cum med), наблюдаемые летом в утренние часы, когда нет сильного ветра. По мере нагрева подстилающей поверхности интенсивность конвекции нарастает, увеличивается количество и размеры термиков и облаков. Иногда в середине дня или в его второй половине облака образуют упорядоченные структуры, имеющие форму сот (рис. 1,6).

Если облачный ансамбль начинает формироваться в условиях ветреной погоды, то облака группируются в направлении вектора скорости. Облачные дорожки - наиболее часто наблюдаемая форма строения конвективных кластеров. О большой скорости ветра можно судить по узкому и длинному дымовому шлейфу от лесных пожаров. Видно, что с изменением направления ветра меняется и направление облачных дорожек (рис. 2, а).

Из сопоставления результатов моделирования с данными спутникового зондирования видно, что интенсивной конвекции соответствует наиболее мощная облачность, так называемые облачные валы (облака, расположены поперек вектора скорости, рис. 2, 6).

Таким образом, в случае внутримассовой облачности по спутниковым снимкам облачности можно восстановить качественную картину поля ветра и влаги. При этом наблюдаются следующие закономерности:

• -    слабому ветру и слабой конвекции соответствует ансамбль с хаотическим расположением облаков;

• -    слабому ветру и интенсивной конвекции соответствует ансамбль с расположением облаков в виде сот;

• -    сильному ветру и слабой конвекции соответствуют конвективные дорожки;

• -    сильному ветру и интенсивной конвекции соответствуют облачные валы.

Упрощенная модель, посвященная объяснению образования квазиупорядоченных структур, изложена в работах [7; 8]. При сравнении результатов расчетов с реальными данными в случае циклонической циркуляции воздуха нами использовалась программа приема изображений облачности с космических аппаратов NOAA в формате APT с последующей тематической обработкой. Этот программный продукт позволяет восстанавливать фактические и прогностические значения некоторых метеорологических параметров по радиояркостным характеристикам облачного покрова. К этим параметрам относятся температура и высота верхней границы облачности, скорость и направление ветра на разных изобарических высотах, количество осадков, а также вид облачности и возможные метеорологические явления, связанные с этой облачностью. Определяется их максимальная интенсивность. Метод восстановления поля ветра проводится для облачных кластеров, имеющих вихревую структуру Проведем сопоставление результатов расчетов [5] со снимками, полученными при обработке вышеизложенной геоинформационной системы. Изображение облачности формата АРТ для циклональных условий представлено на рис. 3. Горизонтальный масштаб на этом спутниковом снимке намного больше, чем изображено на рис. 1,2. Из-за этого скопления, которые соответствуют «хаотическому» расположению облаков и облачным «дорожкам» (рис. 3), не идентифицируются. Эллипсами очерчены места, в которых облачность структурирована: в 1-ом эллипсе просматриваются «валы», во 2-ом -«соты». Наиболее мощные валы сопутствуют прохождению атмосферных фронтов. Направление и скорость ветра (рис. 3) соответствуют высоте 700 мб. В циклональных условиях имеет место более сложная картина по сравне-

Рис. 3. Облачные структуры при циклональных условиях: 1 - облачные «валы»; 2 - облачные «соты»; 3 - линия шквала

нию с внутримассовой облачностью. Многоярусность облачности затрудняет анализ и выявление взаимосвязи структур облачности и метеополей.

Анализ большого количества снимков для циклональной облачности показывает, что облачные кластеры имеют многоярусную структуру, особенно в случаях прохождения фронтов. При этом на различных ярусах могут присутствовать одинаковые структуры разных масштабов либо разные структуры. Все это сильно затрудняет анализ и выявление взаимосвязи структур облачности и метеополей.

Таким образом, представлена методологическая схема разработки информационно-аналитического программного комплекса, предназначенного для использования космической информации в задаче диагноза метеорологических параметров в нижней и средней тропосфере. Приведены иллюстрации фактических и расчетных полей облачности и показана возможность решения задачи для ряда типичных атмосферно-облачных ситуаций.

Моделирование распространения дымовых шлейфов от лесных пожаров. Для оценки территории, охваченной дымовым аэрозолем, разработана крупномасштабная модель переноса трассера с использованием обратных траекторий [9; 10]. В расчетах использовались данные Реанализа (ECMWF) Европейского Центра Среднесрочных Прогнозов Погоды с 10по 20 августа 2002 г., когда горение леса на территории Республики Саха было самым сильным [11]. С помощью обратных траекторий восстанавливалась концентрация дымового аэрозоля на территории Якутии и Заполярья.

Для расчета траекторий привлекаются данные о ветре и температуре на 23 изобарических поверхностях с шагом по времени 6 часов. В численных экспериментах обратные траектории вычислялись с шагом по времени 1 ч., поэтому данные о ветре и температуре были линейно проинтерполированы для 1-го ч. на 6-ти нижних уровнях.

Восстановление концентрации проводилось для региона 70° - 172,5° в. д. и 63,5° - 80° с. ш. в узлах сетки 2,5 х 2,5 градуса. Зона пожара была задана как прямоугольный площадной источник с границами с 121° - 131°в. д. и с 61°-64° с. ш.

Приведем результаты численных экспериментов по восстановление концентрации на высоте 850 мбар для 120 ч и на высоте 600 мбар для этого же времени (рис. 4).

Модель дальнего переноса дает возможность оценить районы, в которых дымовой аэрозоль от Якутских пожаров может оказывать влияние на процессы облако- и осадкообразования, на изменения прозрачности атмосферы, а осевший аэрозоль в районах Арктики может влиять на альбедо снежного и ледяного покрова.

Влияние массовых пожаров на циклональную циркуляцию. Представим снимок космического зондирования, относящегося к массовым лесным пожарам в Якутии в 2002 г. (рис. 5).

Рис. 5. Якутские пожары 2002 г.

На снимке видно, что непосредственно над зоной пожаров облачность отсутствует. Это косвенно подтверждает, что крупнодисперсный аэрозоль подавляет процессы облако- и осадкообразования. Кроме того, под влиянием инсоляции и тепла, выделяемого при пиролизе, происходит перестройка циркуляций воздушных масс над зоной пожара и в ее окрестностях. Циклон огибает территорию пожаров. Анализ большого количества спутниковых снимков массовых лесных пожаров показывает, что данная ситуация весьма характерна для циклонических условий.

а                                                        б

Рис. 4. Распространение примеси на высоте: а - 850 мбар для 120 ч; б - 600 мбар для того же времени

Представим метеорологическую трактовку данной ситуации. Под влиянием крупнодисперсного дымового аэрозоля мощность облаков на обширных территориях уменьшается, а процессы осадкообразования выше изотермы - 12 °C прекращаются [12]. В результате верхняя часть тропосферы, расположенная над этой изотермой, охлаждается и температура ее становится ниже, чем у окружающего облачного пространства, где воздействие аэрозоля не происходило. Холодные и более тяжелые массы воздуха опускаются, подавляя конвекцию в слое, расположенном ниже данной изотермы. Вследствие этого уменьшается интенсивность процессов осадкообразования в жидкокапельной части облаков, что приводит к дальнейшему охлаждению облачного слоя и усилению нисходящего потока. Этот процесс продолжается до тех пор, пока облачный слой над зоной задымления не исчезнет.

В условиях ясной погоды возникает перемешанный слой. Все тепло и дымовой аэрозоль, выделяемые при пожарах, теперь не проникают выше этого слоя. Если этот процесс происходит на больших территориях, то возникает циркуляция, при которой холодный воздух опускается в верхней и нижней части тропосферы и растекается в перемешанном слое. Под действием силы Кориолиса возникает типичная антициклональная циркуляция, при которой ветер в этой области меняет свое направление, что подтверждает анализ снимков космического зондирования над зоной наиболее мощных массовых пожаров. Ледяные частицы, образовавшиеся в результате кристаллизации в большом количестве облаков, формируют перистые ледяные облака, которые расположены (рис. 5) с подветреной стороны от лесных пожаров.

Похожий механизм реализуется при искусственных воздействиях на дождевые и градовые облака. Различие заключается в том, что роль кристаллизующего фактора играет не крупнодисперсные дымовые частицы, а специальный реагент.

Таким образом, основным выводом данного исследования, базирующегося на численных расчетах и их метеорологической трактовке, а также на сравнении результатов моделирования с данными наблюдений является то, что в зоне лесных массовых пожаров может меняться тип циркуляции воздушных масс с циклонической на антициклональную. В результате возникает механизм положительной обратной связи, приводящей к усилению и длительности массовых пожаров в условиях Сибирских регионов.