Роль глобального тропического циклогенеза в процессе полярного переноса в атмосфере Земли по данным микроволнового спутникового зондирования

Актуальность.

Человечество с давнего времени внимательно рассматривает процессы связанные с климатом нашей планеты. В то время взгляды на климатологию существенно отличались от современных представлений, так как с развитием науки и техники значительно меняются представления о климатической системе. В настоящее время появляются новые возможности для получения данных наблюдений, а также для теоретического и экспериментального изучения физических процессов, влияющих на климат нашей планеты.

Климатическая система Земли формируется в результате нелинейных взаимодействий взаимосвязанных компонентов. К ним относится атмосфера, гидросфера, криосфера, литосфера и биосфера. Природные среды получают энергию от Солнца в виде оптического излучения. Энергия оптических квантов превращается затем в механическую энергию движущихся масс, в потоки явной и скрытой теплоты, в химическую, электрическую и другие формы энергии. Хотя потоки входящего и уходящего излучений достаточно точно сбалансированы, природные среды отнюдь не стремятся к состоянию статического равновесия. Более того, процессы самоорганизации в земной климатической системе уводят ее все дальше и дальше от равновесия. В этом заключается специфика открытых систем, к которым принадлежит и Земля: процессы самоорганизации в таких системах приводят к образованию новых структур, тогда как стремление к равновесию предполагает разрушение структур.

Перенос тепла и влаги из получающих наибольшую долю солнечной энергии приэкваториальных областей по направлению к полюсам — полярный перенос — является важным элементом климатической системы планеты. Вместе с парниковым эффектом он создает благоприятные условия для жизни. При этом важным механизмом, осуществляющим полярный перенос, является эволюция интенсивных вихревых возмущений, при поддержке которых происходит формирование своеобразных каналов перекачки энергии, в первую очередь, в виде компактных областей скрытой теплоты водяного пара.

Этот эффект был обнаружен благодаря методам микроволнового спутникового зондирования, которые очень быстро развиваются в настоящее время. Несомненным плюсом этих методов являются: оперативность сбора информации, охват больших и зачастую труднодоступных районов, постоянное совершенствование техники, повышение ее чувствительности и расширение используемых частотных диапазонов.

Одними из важнейших объектов исследования методами дистанционного зондирования являются Мировой океан и атмосфера. Важность океанических процессов и их поверхностных проявлений для понимания ряда вопросов, с одной стороны, и фрагментарная обеспеченность контактными измерениями — с другой, сделали дистанционные методы незаменимыми при изучения климатических процессов. Большое значение при этом имеет радиотепловая локация морской поверхности, так как уходящее собственное излучение несет информацию о таких параметрах как температура и соленость поверхностного слоя воды, характеристиках морского волнения, которые непосредственно связаны со скоростью и направлением приповерхностного ветра. Также благодаря наличию линий поглощения кислорода и водяного пара в сантиметровом и миллиметровом диапазоне микроволновое спутниковое зондирование с успехом используется для изучения атмосферы.

За последние годы в области дистанционного зондирования Земли формируется своеобразное направление, цель которого заключается в детальном исследовании геофизических параметров окружающей среды по отношению к различным временным фазам эволюции природных катастроф. И, в первую очередь, это относится к атмосферным катастрофам, таким как тропические циклоны, воздействия которых приводят к значительным материальным ущербам. Однако попытки дистанционного исследования тайфунов сталкиваются с рядом трудностей и, в первую очередь, с отсутствием общепризнанной физической модели этого сложного геофизического явления и, соответственно, необходимых геофизических параметров, подлежащих измерению. Несмотря на значительные усилия исследователей по наблюдению и регистрации оптических и инфракрасных — изображений тропических вихревых возмущений в различных фазах, общепринятых дистанционных критериев «близости» геофизической среды к генерации индивидуального тропического возмущения и к кризисному моменту его перехода в развитую форму пока не существует.

Принципиально новым шагом в изучении дистанционных критериев генезиса тропических циклонов следует считать результаты комплексных многочастотных оптических, инфракрасных и микроволновых спутниковых исследований эволюции оптического образа тропических возмущений в поле интегрального водяного пара, при анализе которых обнаружен фундаментальный вклад малоинерционного источника энергии, за счёт которого происходит формирование зрелых форм тайфунов и перенос водяного пара глобальной циркуляцией и джетовыми потоками для поддержания функционирования развитых форм ураганов. Для полновесного экспериментального доказательства этого положения требуется исследование эволюции множественного циклогенеза в быстро изменяющемся поле водяного пара. Сложность проблемы заключается в том, что необходимо провести синхронный анализ дистанционной спутниковой информации двух стохастических процессов, обладающих принципиально различными пространственно-временными масштабными и структурными характеристиками. Первый процесс — тропический циклогенез — рассматривается как стохастический набор случайных событий (объектов), а именно, стохастический генезис тропических циклонов [БЬагкоу, 2000]- второй — как пространственное глобальное поле интегрального водяного пара со значительной пространственно-временной — изменчивостью [Шарков и др., 2010]. Соединение двух указанных баз данных, произведенное на минимальном временном интервале (в данном случае, на суточном временном пикселе), и использование их для исследования гидротермодинамических свойств системы океан — атмосфера является важнейшей составляющей при изучении климатических процессов. Все перечисленные выше факторы и определяют актуальность данной работы.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является исследование количественных характеристик влияния глобального тропического циклогенеза на процесс полярного переноса в атмосфере Земли с использованием данных микроволнового спутникового зондирования и выявление моментальных количественных характеристик содержания скрытой энергии в характерных зонах повышенной концентрации водяного пара. Все перечисленное, а также анализ исследований Е. А. Шаркова, развитием идей которого является настоящая диссертационная работа, определили её основные задачи:

• разработка и создание специализированного программно-алгоритмического обеспечения для сопоставления двух различных стохастических пространственно-временных процессов: эволюции полей водяного пара и глобального тропического циклогенеза, а также представления результатов в виде анимационных последовательностей;

• проведение тематической обработки космических изображений для обнаружения малоинерционного источника энергии генезиса тропического циклогенеза;

• проведение специализированной обработки космических изображений для исследования пространственно-временных свойств и физических особенностей полей глобального водяного пара, а также для проверки возможности существования критического количества водяного пара, необходимого для образования тропического циклона;

• проведение тематической обработки космических изображений для исследования количественных показателей полярного переноса (величину скрытой энергии материнского поля, фронтальных зон и тропических циклонов) и динамических особенностей полей водяного пара за семилетний период;

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты обработки данных дистанционного зондирования подтверждают взаимосвязь полей водяного пара и тропического циклогенеза. Эта взаимосвязь выражается в существовании критического параметра циклогенеза.

2. Разработанная методика обработки спутниковых данных позволяет выявлять особенности полей водяного пара, и, с точностью до пиксела, предоставлять количественные данные о содержании скрытой энергии в зоне тропической конвергенции, шести фронтальных зонах, выделенных по их географическому расположению, и областях циклонов. Расчеты выполнены за семилетний период.

3. Анализ поведения внутретропической зоны конвергенции (ВЗК) водяного пара, шести фронтальных зон и тропического циклогенеза, как в индивидуальном, так и в глобальном масштабах.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем:

1. Создано специализированное программное обеспечение для выявления особенностей двух стохастических процессов: глобального поля водяного пара со значительной вариабельностью и глобального тропического циклогенеза, как набора случайных событий.

2. Предложена методика для экспериментального выявления зависимости областей повышенного интегрального водяного пара и генезиса тропических циклонов, связанная с обнаруженными значительными временными вариациями этих полей и выбросами скрытой теплоты в высокие широты.

3. Предложена и применена в ходе комплексных экспериментов методика выделения и распознавания зон в глобальном поле водяного пара, основанная на модификации алгоритма сегментации изображений «взращивания из семян».

4. Предложен оригинальный параметр тропического циклогенеза, и его критическое значение интегрального содержания водяного пара.

5. Предложены количественные оценки скрытой энергии центральной зоны водяного пара и шести фронтальных зон в атмосфере Земли.

6. Предложены количественные оценки влияния глобального тропического циклогенеза на процесс полярного переноса в атмосфере планеты Земля за семилетний период.

Достоверность.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием методов и подходов, апробированных в научной литературе и зарекомендовавших себя как надёжные, а достоверность новых предлагаемых методов обеспечивается их сравнение с результатами работы других методов, а также сравнением с наземными данными.

Научная и практическая ценность работы.

Диссертация выполнялась в рамках научной темы ИКИ РАН «КЛИМАТ». Изучение изменчивости климатических параметров и природные катастрофы различных масштабов: развитие и анализ физических механизмов, разработка современных методов обработки данных космического мониторинга климатических и экологических процессов" (государственная регистрация 01.20.03 3 440). Автор принимал участие в выполнении работ в рамках проекта: грант РФФИ № 09−05−1 019-а (государственная регистрация № 1 201 163 571). Предложенный в диссертации подход к анализу данных, полученных с помощью спутниковых радиометров серии БвМ/!, может быть применен для дополнения и развития существующих алгоритмов обработки данных дистанционного зондирования. Полученные данные позволят изучить более детальное взаимодействие между полем водяного пара и процессами глобального тропического циклогенеза. Также, эти данные могуть быть использованы для проверки существующих моделей циклогенеза, в которых делаются различные предположения об основных источниках энергии и процессах зарождения и функционирования тропических циклонов. Разработанный комплекс программ, может быть использован для анализа состояния зоны тропической конвергенции и влияния фронтальных зон на вынос энергии из этой зоны, а также изучения роли глобального тропического циклогенеза. Применение разработанного программно — алгоритмического обеспечения позволит производить исследования изменчивости климата полярных регионов при проведении экспериментальных исследований в будущем, а методики и алгоритмы в настоящее время уже могут быть применины и для других областей знаний.

Личный вклад автора.

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автору принадлежат:

1. Разработка программного обеспечения (ЕУА-02) для проведения исследовательских задач.

2. Анимационные ролики, показывающие взаимосвязь глобального тропического циклогенеза и изменений водяного пара.

3. Воссоздание полей водяного пара, основыванное на решении обратной задачи на период с 1999 — 2006 года по полям радиояркостной температуры, полученных с помощью приборов серии SSM/I и хранящихся в базе данных GLOBAL — FIELD’S.

4. Приведение файловой базы данных GLOBAL — ТС к ее реляционному аналогу и создание механизма обмена и объединения информации с глобальными полями водяного пара.

5. Проведение исследований по изучению взаимодействия интенсивных вихревых возмущений с атмосферой экваториальной зоны и зоны средних широт на различных этапах эволюции атмосферных катастроф.

6. Назработка методики, выполняющей идентификацию и выделение зон в поле водяного параполучение и обработка количественной информации о запасе скрытой энергии в «материнском» поле и фронтальных полях за семилетний период с частотой дискретизации данных раз в сутки/.

7. Проведение количественной оценки влияния глобального тропического циклогенеза на процесс полярного переноса за семилетний период с частотой дискретизации данных раз в суткиразработка методики вейвлет — анализа для идентификации изменчивости потоков внутри поля водяного пара и ее физическая интерпретация.

Апробация результатов.

Результаты, вошедшие в диссертацию, получены автором в период с 2009 по 2011 г. Они докладывались на следующих отечественных и зарубежных конференциях: VII Конференция молодых ученных «Фундаментальные и прикладные космические исследования (Москва, 2010) — Восьмая Всероссийская Открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2010) — Девятая Всероссийская Открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2011) — 34th International Symposium on Remote Sensing of Environment (Sydney, 2011)-Conference on Stochastic Models and their Applications dedicted to the 80th birthday of Matyas Arato (Debrecen, 2011). Результаты работы, изложенные в диссертации, обсуждались и докладывались на научных семинарах ИКИ РАН.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 13 работах: из них 7 статей в рецензируемых журналах из рекомендуемого перечня ВАК- 6 докладов на отечественных и международных конференциях.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и библиографии. В ней содержится 218 страниц, в том числе 73 рисунков и 4 таблиц. Библиография включает 87 наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Диссертантом разработано и создано хранилище данных EVA для проведения исследований взаимодействия двух различных стохастических процессов: высокочастного (в плане вариаций, глобального поля водяного пара) с глобальным тропическим циклогенезом. Архитектура EVA позволяет исследовать данные процессы как в глобальном, так и в локальном масштабе, и с различными вариантами представления данных. Также ее архитектура позволяет быстрое обновление информации, содержащейся в ней, и сравнительно легкую интеграцию новых модулей. Используя EVA представляется возможным проведение широкого спектр научных исследований.

2. Диссертантом проведена серия экспериментов по исследованию радиотеплового излучения водной поверхности и используя методику, основанную на решении обратной задачи, восстановить глобальное поле водяного пара на весь земной шар за период с 1999;2006 года.

3. Диссертантом разработан и реализован алгоритм сегментации изображений, позволивший произвести выделен&trade-0 требуемых областей в глобальном поле водяного пара, а также зон воздействия локального циклогенеза, что позволяет произвести расчет содержания скрытой энергий в данных областях.

4. Выполнен сравнительный анализ экспериментальных данных, получаемых с различных приборов и с различной степенью осреднения результаты которого свидетельствуют о возможности использования разработанной методики и созданного программного комплекса. В частности, используемые в данной работе, данные из базы GLOBAL — FIELD, с отклонением в 8% совпали с данными, полученными с помощью приборов серии AMSR — Е.

5. Разработана методика исследования вариабельности материнского поля водяного пара с помощью вейвлет-преобразования, основанная на обработке одномерных рядов в каждой точке глобального водяного пара.

6. Диссертантом проведены детальные исследования геометрии материнского поля водяного пара и концентрации содержащегося в ней водяного пара. На основе полученного анализа получен новый параметр, необходимый для зарождения и генезиса тропических циклонов.

7. Проведены исследования энергозапаса материнского поля водяного пара, шести фронтальных зон, индивидуального циклогенеза и глобального циклогенеза. На основе полученных данных произведен первичный анализ энергообмена между материнским полем водяного пара, фронтальными зонами и глобальным тропическим циклогенезом. Выявлены новые особенности функционирования фронтальных зон, а именно, периодичность процесса и практически полное ежегодное совпадение количества переносимой ими энергии в зону умеренных широт в течение периода 1999;2006.

8. Диссертантом получены и проанализированы данные по величинам скрытой энергии, переносимой тропическим циклоном. И получены первичные результаты, показывающие вклад глобального тропического циклогенеза в процесс полярного переноса, и его влияние на перенос энергии между зонами материнского поля и фронтальными зонами, а также на географические зоны, в которых слабое влияние фронтальных переносов. Также получены некоторые новые особенности постоянного, сложного взаимодействия в атмосфере, которые необходимо учитывать при исследованиях процесса обмена теплом и влагой.

9. Создана принципиально новая база данных, которая позволяет проводить оценку взаимодействия климатических систем учитывая их энергозапас и влияние этих систем на процесс полярного переноса в атмосфере.

В заключение автор выражает глубокую признательность Е. А. Шаркову за постановку задачи и помощь в проведении экспериментов, а также за многочисленные обсуждения работы и ряд полезных замечаний, сделанных в ходе ее выполнения, а также за постоянное внимание к его работе и чуткое научное руководство. Автор выражает благодарность И. В. Покровской за оказание помощи при интерпретации результатов и «здравую» критику его работы, Л. Б. Вининой — Дарт за советы по подготовке диссертационной работы и моральную поддержку, а также всем сотрудникам отдела № 55 «Отдел исследований Земли из космоса» ИКИ РАН за поддержку в течение всего периода работы над диссертацией.

Заключение

.