Кречетова_Беликова_Нечепуренко_доклад

ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ ИНДЕКСОВ НЕСТАБИЛЬНОСТИ,
ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ПО ДАННЫМ MODIS
И ДАННЫМ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ
Кречетова С.Ю.1, Беликова М.Ю.1, Нечепуренко О.Е.2
1
Горно-Алтайский государственный университет, KrechetovaS@yandex.ru
2
Томский государственный университет
Для прогнозирования опасных метеорологических явлений, связанных с
конвекцией,
используются
как
данные
непосредственных
метеорологических
измерений (температуры, влажности, скорости ветра и т. д.), так и интегральные
показатели состояния атмосферы, к которым, в частности, относятся индексы
нестабильности
(stability
indices,
instability
indices).
Индексы,
традиционно
рассчитываются на основе данных радиозондирования. Наиболее часто используемыми
являются индекс LIFT (различие температуры окружающей среды и частицы,
поднимающейся с уровня 500 м до уровня 500 гПа), индекс TOTL (комплексная
характеристика статической стабильности и влажности в слое 850–500 гПа) и индекс
KIND (комплексная характеристика статической стабильности и влажности в слое 850–
700 гПа) [1].
Кроме данных радиозондирования, указанные выше индексы нестабильности
также рассчитываются по данным температурных и влажностных профилей,
восстанавливаемых спектрорадиометром MODIS/Terra, и входят состав продукта
MOD_07 [2]. Данные этого продукта имеют достаточно высокое пространственное
разрешение (5×5 км) и применяются для решения задач исследования атмосферы, в
частности, для оценки степени развития конвекции и предсказания вероятности
развития опасных мезомасштабных конвективных явлений (ливни, град, грозы,
шквалы, смерчи) [3-5]. Таким образом, использование данных MODIS может решить
проблему восстановления параметров атмосферы на территориях, не покрытых сетью
станций радиозондирования [3-7].
Параметры атмосферы, получаемые с помощью спутниковых измерений,
восстанавливаются с помощью приближенных методов [7]. При этом, температура
частицы воздуха и точка росы не могут быть измерены спутниковыми приборами и
оцениваются по величине погрешности температуры (T850-T500) и концентрации
относительной влажности D850 на нижнем уровне тропосферы [2]. Следовательно,
оценка точности индексов неустойчивости, получаемых по измерениям MODIS,
является актуальной. Следует отметить, что информация о валидации индексов
нестабильности атмосферы LIFT, TOTL и KIND, восстанавливаемых по данным
MODIS, в научной литературе представлена недостаточно полно.
Основной задачей исследования является определение степени соответствия
значений индексов неустойчивости LIFT, TOTL и KIND, восстанавливаемых по данным
радиозондирования и по данным спектрорадиометра MODIS/Terra.
Материалом для исследования послужили данные аэрологической станции Ключи
(синоптический индекс 32389; сайт RAOB http://meteo.infospace.ru), находящейся на
острове Беринга (Камчатка). В качестве спутниковых данных параметров атмосферы
использовались данные продукта MOD07_L2, доступные на сайте reverb.echo.nasa.gov.
Станция Ключи была выбрана в связи с тем, что разница во времени проведения
радиозондирования и пролетом космической платформы Terra над ней не превышает
одного часа.
Были построены пары рядов значений индексов неустойчивости TOTL и KIND за
период с 2010 по 2012 годы и значений индекса LIFT за период с 2010 по 2011 гг.
Особенностью данных продукта MOD07_L2 является не восстанавливаемость
параметров атмосферы при наличии плотной облачности в точке измерения (пиксель 5
x 5 км) [2]. Результаты радиозондирования, для которых данные продукта MOD07_L2
не были восстановлены, были исключены из рядов данных исследования. Индексы
TOTL и KIND сравнивались для 145 случаев, индекс LIFT – для 99 случаев.
Сравнительный анализ значений аэрологического и спутникового мониторинга
характеристик атмосферы проводился на основе расчетов рангового коэффициента
корреляции Пирсона, критерия Фишера и t-критерия Стьюдента. Совокупность
используемых
статистических
критериев
позволяет
оценить
однородность
рассматриваемых выборок и степень соответствия их значений.
В
результате
статистического
анализа
было
выявлено,
что
для
всех
рассматриваемых индексов наиболее согласованными и однородными являются
данные, полученные по спутниковому и радиологическому зондированию в 12 часов
ВСВ: разница между средними значениями и дисперсией статистически не значима (см.
таблицу 1).
Для измерений, проводимых в 00 часов ВСВ, для всех индексов различия между
средними величинами оказались статистически значимыми. При этом по данным
MODIS средние значения индексов выше, чем индексы, получаемые по данным
радиозондирования. Для индекса TOTAL статистически значима и разница в дисперсии.
Выявленные различия могут быть обусловлены тем, что при проведении
радиозондирования зонд под воздействием ветра может относить на расстояние до
200 км от точки его старта. Данные MODIS восстанавливаются для локального участка
над аэрологической станцией в квадрате со стороной 5 км.
Таблица 1. Статистические характеристики
индексов устойчивости атмосферы,
рассчитанные по данным радиозондов (Р) и
MOD07_L2 (М)
Стати
LIFT
TOTL
KIND
стически
е
харак
теристи
R
M
R
M
00
00
12
12
ВС
ВС
ВС
ВС
В
В
В
В
10
7,55
R
M
R
M
R
M
R
00
12
12
00
00
12
ВС
ВС
ВС
ВС
ВС
ВС
В
В
В
В
В
В
44,17
39,86
38,6
4,88
11,5
8,45
00
В
С
В
M
12
ВСВ
ки
Средн
ее
11,5
7
11,52
37,9
5,48
tкрите
рий
Стьюд
-3,76
0,48
3,87
-0,82
3,01
-1,6
(р<0,01)
(p=0,18)
(р<0,01)
(р=0,20)
(р=0,002)
(р=0,10)
ента
Средн
ее
квадр
атическо
8,68
5,08
8,57
4,23
6,85
4,84
7,23
4,18
14,04
12,67
14,34
13,37
е
откло
нение
Крите
рий
0,85
0,86
0,5
0,77
0,87
1,61
Фишер
(р=0,20)
(p=0,19)
(р=0,01)
(р=0,18)
(р=0,32)
(р=0,06)
0,8
0,7
0,4
0,4
0,8
0,8
а
Коэфф
и-
(р<0,05)
(р<0,05)
(р>0,05)
(р>0,05)
(р<0,05)
(р<0,05)
циент
корре
ляции
Для измерений в 00 и 12 часов ВСВ получены высокие и статистически значимые
коэффициенты корреляции для индексов LIFT и KIND (r=0,8). Корреляция между
значениями индекса TOTAL, восстанавливаемыми по спутниковым измерениям и по
радиозондированию, является статистически не значимой.
Таким образом, для станции Ключи лучше всего согласуются измерения индексов
неустойчивости по данным MODIS и по данным радиозондирования в ночное время
суток – в 24 часа по местному времени. Индексы, полученные на основе измерений
спектрорадиометра MODIS, в 12 часов по местному времени являются завышенными
по
сравнению
с
аналогичными
индексами,
получаемыми
по
данным
радиозондирования. Для индекса TOTAL корреляция между данными MODIS и
радиозондирования статистически не значима. Полученные результаты следует
учитывать при восстановлении параметров неустойчивости атмосферы на территориях,
не покрытых сетью аэрологических станций.
Авторы
выражают
искреннюю
благодарность
кафедре
радиофизики
и
теоретической физики АлтГУ: заведующему кафедрой, руководителю программы
повышения квалификации «Дистанционное зондирование Земли из космоса: значение
данных для науки, образования и народного хозяйства», профессору А. А. Лагутину за
методическую помощь и консультации по технологиям ДДЗ, а также сотрудникам
И. А Шмакову и Н. В. Волкову за консультации по работе с ГИС GRASS.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-05-98024.
Список литературы
1. Convective season enviromental parameters and indices [Электронный ресурс]:
официальный сайт National Weather Service Weather Forecat
Office. URL:
http://www.crh.noaa.gov/lmk/soo/docu/indices.php
2. Seemann S. W., Borbas E. E., Li J., Menzel W. P., Gumley L. E. MODIS atmospheric
profile retrieval algorithm theoretical basis document [Электронный ресурс]. URL:
http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/MOD07_L2/atbd.html.
3. Chrysoulakis H.M., Domenikiotis C., Dalezios H. Towards monitoring of regional
atmospheric instability through MODIS/AQUA images. [Электронный ресурс].
URL: http://www.iacm.forth.gr/docs/pubs/4/MODIS_GIS2003.pdf.
4. Lui G.R., Chaung Y.C., Kuo T.H., Chen Y.I. Prediction of the Summer Convection with
MODIS and NOAA Satellite Data. [Электронный ресурс]. URL: http://www.A-a-rs.org/acrs/proceeding/ACRS2006/Papers/P-4_Q13.pdf
5. Sauli J. MODIS atmospheric profiles product in Filand – A feasibility study.
[Электронный
ресурс].
URL:
http://www.eumetsat.int/groups/cps/documents/document/pdf_conf_p46_s2_l2_joro_v
.pdf
6. Горбатенко
В.П.,
Кречетова
С.Ю.,
Беликова
М.Ю.,
Разумова
О.В.
Идентификация мезомасштабной конвекции и гроз по данным MODIS и
аэрологического зондирования // Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 365. С. 169–174.
7. Афонин С.В. Валидация спутниковых (MODIS) измерений метеопараметров
атмосферы для территории Сибири. // XVI Международный симпозиум с
элементами научной школы для молодежи "Оптика атмосферы и океана. Физика
атмосферы",
2009 г.,
Томск
http://symp.iao.ru/ru/aoo/16/progday/1
[Электронный
ресурс].
URL: