Диагностика ледяных ядер в облаках по данным прибора SEVIRI

Российский государственный гидрометеорологический университет
Лаборатория метеотехнологий
http://meteolab.ru
Диагностика ледяных ядер в облаках по
данным прибора SEVIRI
Чукин В.В, Мельникова И.Н.,
Нгуен Т.Т., Никулин В.Н.,
Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
Москва, Институт космических исследований РАН
19 ноября 2015 г.
План доклада
●
Введение
●
Распознавание облаков по данным прибора SEVIRI
●
Алгоритм определения фазового состояния облаков
●
●
Алгоритм определения параметров ледяных ядер по
спутниковым данным
Результаты апробации алгоритмов определения
фазового состояния облаков и параметров ледяных
ядер в облаках
●
Результаты лабораторных исследований ледяных ядер
●
Заключение
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
2 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Цель и актуальность
Целью
работы
является
разработка
алгоритмов
определения
оптической толщины облаков, оценки их фазового состояния и
параметров ледяных ядер в облаках по данным прибора SEVIRI.
Актуальность
работы
определяется
отсутствием
оперативной
информации о параметрах ледяных ядер, что является ограничивающим
фактором для точного прогнозирования развития облаков и выпадения
осадков.
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
3 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Роль ледяных частиц в облаке
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
4 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Распознавание облаков по данным
прибора SEVIRI
Шесть критериев, позволяющих распознавать облака на фоне различных
типов подстилающей поверхности:
1) альбедо поверхности на длине волны 0,6 мкм (A006);
2) отношение альбедо на длине волны 0,8 мкм к альбедо на длине волны 0,6
мкм (R0806);
3) альбедо поверхности на длине волны 1,6 мкм (A016);
4) разность яркостных температур на длинах волн 3,9 и 10,8 мкм с учетом
зенитного
угла Солнца (D0410);
5) яркостная температура на длине волны 10,8 мкм (T108);
6) разность яркостных температур на длинах волн 10,8 и 12,0 мкм (D1012).
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
5 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Параметры решающих правил
распознавания облаков
Правило
Диапазон
значений
Повторяемость, %
Весовой
коэффициент
А006
0,4 ... 0,6
9,3
0,610
А016
0,25 … 0,55
16,7
R0806
1,02 … 1,10
13,8
0,123
D0410
2…7
10,9
0,129
T108
<287
32,7
0,049
D1012
-0,5 … 0,7
16,6
0,090
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
6 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Гистограммы распределения повторяемости значений
параметров для различных типов подстилающей
поверхности:
1 - облака над водной поверхностью; 2 - облака над сушей;
3 - растительность; 4 - пустыня; 5 - снег; 6 - лед; 7 - вода
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
7 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Пример распознавания облачных пикселей:
а - альбедо поверхности в 1 канале; б — облачная маска
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
8 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Алгоритм определения фазового состояния облаков
Водозапасс (LWP) и льдозапас (IWP) облака определяются из
уравнений:
LWP
τ w=
−3
−3
0,53
2,7⋅10 +3,5⋅10 LWP
Фазовое состояние облака определяется как
F=IWP/TWP
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М..
9 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Распределение фазового состояния облаков (F) по
земному шару
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
10 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Алгоритм определения параметров
ледяных ядер по спутниковым данным
Для
расчета
фазового
состояния
облака
используются
его
оптические свойства и температура на верхней границе облака (ТТ):
TT
∫ f (T , α s )dT
F(T T , TWP , α s)=
T0
T T −T B
Зависимость доли кристаллов льда от
температуры
∞
1
f (T , α s)= ∫ P (T , r a , α s)n(r a)dr a
Nw r
c
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
11 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Зависимость вероятности замерзания капли от температуры и
размера субстрата в капле:
2 T0
−4 π r a
P(T ,r a , α s )=1−exp (
∫ J dT )
dT T het
dτ
Уравнения для скорости гетерогенного ядрообразования (Jhet):
  
− G max − Gact
J het=J 0 exp
exp
kT
kT
2
s
πα m
Δ G max =
ρ
2 /3
w
2 /3
w
T0
Lwi ln
T
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
12 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Зависимость удельной линейной энергии (пДж/м) от
температуры воздуха
на верхней границе облаков и фазового состояния облаков при
TWP=0,1 кг/м 2
F
TT, 0C
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0
1
1
1
1
1
-10
12
11
11
10
9
-20
16
16
15
15
13
-30
19
18
17
17
16
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
13 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Результаты апробации алгоритмов определения фазового
состояния облаков и параметров ледяных ядер в облаках
Повторяемость значений фазового состояния облаков (а) и удельной линейной
энергии образования кристаллов льда в облаке (б)
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
14 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Результаты лабораторных исследований ледяных ядер
Экспериментальная установка LINC для исследования ледяных ядер
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
15 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Результаты лабораторных исследований ледяных ядер
Гистограммы распределения значений удельной линейной энергии образования
кристаллов льда на поверхности частиц каолинита (а) и кварца (б)
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
16 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Заключение
Представленные в работе алгоритмы позволяют осуществлять
дистанционную диагностику параметров ледяных ядер в облаках по
данным прибора SEVIRI, что позволяет заблаговременно получать
информацию о возможности развития процессов осадкообразования
в облаках. Получаемая информация о фазовом состоянии облаков
может быть использована для мониторинга зон обледенения
летательных аппаратов.
Работа выполнена при поддержке
космических исследований РАН.
стипендии
Института
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
17 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"
Спасибо за внимание!
Российский государственный гидрометеорологический университет
Лаборатория метеохнологий
chukin@meteolab.ru
Чукин В.В, Мельникова И.Н., Нгуен Т.Т., Никулин В.Н., Садыкова А.Ф., Чукина А.М.
18 / 18
XIII Всероссийская Открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"