Геостационарная программа

Для метеорологических целей применяются два вида спутниковых орбит. До сих пор мы обсуждали приборы, установленные на спутниках на полярной солнечно-синхронной орбите, с которых глобальный обзор осуществляется через каждые 12 часа. Другая орбита (геостационарная орбита над экватором) позволяет осуществлять съемку в течение 24 часов и, таким образом, делает возможным непрерывное наблюдение за погодой. Полярные орбиты располагаются на высотах от 600 до 1600 км, в то время как высота геостационарных орбит составляет 38000 км.

6 декабря 1966 года, день, который принято называть звездным в спутниковой метеорологии, был запущен первый спутник специального назначения (ATS-1). Находившаяся на его борту вращающаяся сканирующая камера (Суоми Перент, 1968) была способна получать видимые изображения полного диска Земли и ее облачного покрова каждые 20 минут. Установка этой камеры на борту ATS-1 стало возможным благодаря исключительным усилиям Вернера Суоми и Гомера Ньювела, которые смогли включить ее в состав бортовой аппаратуры, когда спутник уже находился на стадии производства. Метеорологи были поражены, увидев первые глобальные анимации облаков и облачных систем. Согласно Джонсону (1982), «как Моррис предсказывал, изображения с геостационарных спутников могут быть использованы для наблюдения за перемещением облаков, по которому можно сделать вывод о ветрах на высоте облаков». Практически сразу же (Хьюберт и Уитни, 1971) начались исследования в области наблюдения за перемещением облаков и определения скорости и направления ветров с использованием серии последовательных снимков, и, как будет изложено в 5 разделе, до сих пор остаются областью интенсивных усилий. К началу 1970-х съемка со спутников

ATS использовалась в центрах оперативного прогноза погоды, причем первые анимации серий снимков начали использоваться весной 1972 года в Национальном центре прогнозов опасных штормов (NSSFC) (США).

Так же как и в случае с программой полярных спутников, исследования и разработки НАСА привели к программе оперативных геостационарных спутников. Спутники ATS были, главным образом, испытательным полигоном коммуникационных систем; тем не менее, их успех на метеорологической арене привел к разработке НАСА геосинхронного метеорологического спутника (SMS-1) - прототипа оперативных метеорологических спутников. SMS-1 и SMS-2 были запущены соответственно в мае 1974 года и в феврале 1975: данные спутники были размещены над экватором на долготах 75° з.д. и 135° з.д., которые на сегодняшний день остаются обычными долготами размещения восточного и западного геостационарных оперативных спутников для исследования окружающей среды (GOES) Соединенных Штатов Америки. Два опытных образца НАСА, SMS-1 и SMS-2, и последующий NOAA GOES выполняли три важные функции, которые и по сей день остаются центральными в программе геостационарных спутников:

(a) многоспектральная съемка радиометром VISSR (The Visible and Infrared Spin Scan Radiometer), которая обеспечивала регулярный обзор Земли и ее облачного покрова в видимом и инфракрасном каналах в окнах прозрачности атмосферы.

(b) погодная факсимильная связь (WEFAX), которая обеспечивала передачу спутниковых изображений низкого разрешения и общепринятых синоптических карт пользователям с дешевыми принимающими станциями.

(c) система сбора данных (DCS), позволяющая передавать данные через спутник от дистанционных платформ сбора метеоданных на центральное обрабатывающее оборудование.

В 1977 году Европейское космическое агентство запустило геостационарный спутник Метеосат, который обеспечивал съемку в видимом диапазоне с пространственным разрешением 2.5 км, в инфракрасном диапазоне с пространственным разрешением 5 км, а также в диапазоне полосы поглощения водяного пара с пространственным разрешением 5 км. Вид планеты Земля сильно отличался на новых снимках в канале водяного пара. На изображениях доминировали характерные детали облаков верхнего яруса и влажности в верхней тропосфере, являющиеся показателями циркуляции синоптического масштаба. В 1979 году, как часть программы исследования глобальных атмосферных процессов (GARP) для определения атмосферной циркуляции, использовались три спутника ГОЕС и один МЕТЕОСАТ. Это был первый международный эксперимент по совместному использованию спутников, организованный Комитетом по исследованию космического пространства и атмосферы (КОСПАР).

К 1980 году система ГОЭС была дополнена сканирующим радиометром с возможностью зондирования атмосферной температуры и влажности за счет добавления большего числа спектральных каналов; он получил название атмосферный зонд VISSR (VAS). Первый спутник ГОЕС, на борту которого был установлен VAS, ГОЕС-4 был запущен в сентябре 1980 года. Увеличение числа спектральных каналов было главным усовершенствованием возможностей спутника (Смит и др., 1981b); однако, съемка и зондирование не могли производиться в одно и то же время. Более того, вращающийся спутник, обозревающий Землю только на протяжении 5 процентов своего рабочего цикла, затруднял достижение отношения сигнал/шум, необходимого или для высокого качества зондирования или для высокого пространственного разрешения инфракрасных снимков Земли, что стало необходимым для удовлетворения возросших требований сообщества пользователей спутниковых данных. Определив данные ограничения, НОАА разработало следующее поколение геостационарных спутников, ГОЕС I-М (Мензель и Пурдом, 1994). Система ГОЕС I-М была введена в использование с запуском спутника ГОЕС-I 13-го апреля 1994 года, переименованного в ГОЕС-8 после достижения геостационарной орбиты. В мае 1995 г. последовал запуск ГОЕС-9.

Подобно съемке с полярно-орбитальных спутников, способствующей лучшему пониманию погодных явлений синоптического масштаба, съемка с геостационарных спутников помогала улучшить наше понимание мезомасштабных явлений. До появления геостационарных спутников мезомасштабные процессы были зоной с очень разреженными данными; метеорологи были вынуждены делать выводы о мезомасштабных явлениях на основе макромасштабных наблюдений. На сегодняшний день геостационарная спутниковая съемка представляет собой эквивалент сети станций с расстоянием между ними 1 километр для данных в видимом диапазоне, и 4 километра для данных в инфракрасном канале. Таким образом, выявляются особенности, которые нечасто обнаруживаются фиксированными наблюдательными пунктами. Облака и облачные системы на спутниковых снимках обеспечивают визуализацию мезомасштабных метеорологических процессов. Когда данные съемки представлены в виде анимации, тогда появляется возможность наблюдать перемещение, ориентацию и развитие важных мезомасштабных процессов, добавляя тем самым новое измерение мезомасштабному анализу. Более того, анимация позволяет проводить наблюдения конвективных процессов при пространственном и временном разрешениях, сопоставимых с масштабом механизмов, ответственных за возникновение глубоких и интенсивных конвективных штормов (Пурдом, 1993). Благодаря использованию съемки с геостационарных спутников (см. рис 1.4) ряд важных открытий стал существенным вкладом в мезомасштабную метеорологию, и, в свою очередь, в краткосрочное прогнозирование и предупреждение. Например:

(a) обычно, до формирования линии шквала, на спутниковых снимках можно обнаружить в приземной зоне конвергенции развитие организованной кучевой облачности (Пурдом, 1976). Возможность использования спутниковых изображений для определения областей формирования линии шквала оказывается полезной при определении их местоположения и ориентации, также как и при синхронизации наблюдений за опасными явлениями погоды;

(b) важность внешних границ нисходящих потоков грозы, часто идентифицируемыми дугообразными облачными грядами, при развитии и трансформации всех видов гроз (Пурдом, 1976).

(c) масштабы, продолжительность и высокий уровень организации мезомасштабных конвективных комплексов не рассматривались до их открытия при использовании инфракрасных спутниковых изображений (Мэддокс, 1980). Эти комплексы, ответственные за большинство летних осадков на Среднем Западе, стали с тех пор областью интенсивных исследований.

Определение местоположения, слежение и мониторинг ураганов и тропических штормов являются одним из наиболее успешных аспектов спутниковой программы (Рао и др., 1990), а технология использования спутниковых данных для оценки интенсивности ураганов (Дворак, 1972, 1984) применяется на ежедневной основе в Национальном центре по изучению ураганов. Согласно Роберту Шитсу (1990), возглавлявшему в то время Национальный центр по изучению ураганов: «согласно оценке автора и многих других, развитие технологии Дворака (1972, 1984) является величайшим достижением в поддержке оперативного прогнозирования тропических циклонов на сегодняшний день»;

(e) до программы полярных спутников о существование полярных циклонов (Твитчел и др., 1989) не было широко известно, а в настоящее время геостационарная спутниковая съемка используется для изучения формирования полярных депрессий у берегов Лабрадора (Расмусен и Пурдом, 1992);

(f) до эры геостационарных спутников мы не имели представления о влиянии утреннего, облачного покрова на последующее развитие послеполуденной конвекции (Вейсс и Пурдом, 1974; Пурдом и Гурка, 1974). Влияние данного явления было впоследствии смоделировано при помощи сложной мезомасштабной модели (Сигал и др., 1986);

(g) использование спутниковых изображений стало существенным вкладом в расширение наших возможностей по обнаружению туманов и прогнозированию характера их развития. До работы Гурка (1978), основанной на снимках геостационарных спутников, роль внутреннего перемешивания при прогнозировании диссипации тумана не была хорошо изучена.

В течение ряда лет съемка с полярно-орбитальных спутников с применением многоспектрального метода (Эйр, 1984) использовалась для обнаружения туманов, как днем, так и ночью. Использование данного метода также продолжилось для многоспектральной съемки с ГОЕС с целью обеспечения мониторинга образования тумана в ночное время;

(h) на инфракрасный канал ГОЕС 6.7 мкм сильное воздействие оказывает водяной пар верхнего уровня, поэтому этот канал часто называют каналом водяного пара. Возможность съемки в этом канале описывать течения верхнего уровня позволила метеорологам наблюдать атмосферные системы и их изменения во времени с невозможной до того момента перспективой. Как показали Велден, Велдон и Холмс (1991), данный канал может быть использован для широкого ряда синоптических и мезомасштабных приложений.

Преимущества непрерывного многоспектрального мониторинга атмосферной устойчивости и влажности хорошо продемонстрированы на примере от 8 Июля 1997 года. По данным ГОЕС LI DPI с двухчасовыми интервалами над Западными Равнинами (рисунок 1.5, вверху) наблюдалась сильная дестабилизация в послеполуденное время (17:46 до 21:46 UTC) в Канзасе и северной Оклахоме, вследствие того, что значения LI, равные от -8 до -12° С предполагают развитие конвективных облаков. Значения, полученные с радиозонда (рисунок 1.5, внизу), показывают в целом очень неустойчиво стратифицированную воздушную массу (LI = -5° С до -6° С) над территорией Небраски, Миссури, Оклахомы и северного Техаса, в то время как данные ГОЕС LI DPI указывают только на территорию Канзаса и северной Оклахомы. Серии наблюдений за опасными явлениями погоды Центра прогноза штормов (SPC) покрывали территорию Миссури и Арканзаса, а также восточного Колорадо (по мере того как мезомасштабный вихрь смещался в южном направлении через территорию Миссури в Арканзас). Тем не менее, к 21:46 UTC грозы сформировались также в западной части центрального Канзаса и продолжили свое движение через штат, сопровождаемые многочисленными сообщениями о граде. Хотя в SPC с достаточно высокой вероятностью предвидели грозовую активность в Арканзасе и восточном Колорадо, конвекция в центральном Канзасе на наблюдаемой территории не была обнаружена. Данные о существенной и локализованной нестабильности над Канзасом и северной Оклахомой, как отмечено в данных ГОЕС LI DPI, стали хорошим подтверждением развития сильных гроз в этом регионе.

Данные ГОЕС стали важной частью деятельности Национальной службы погоды вследствие прямого получения национальными центрами полных потоков цифровых данных ГОЕС, в то время как местные службы прогнозов погоды получают ограниченные наборы аналоговых изображений через службы наземной сети, известные как ГОЕС-ТАП. Предполагается, что все Национальные службы погоды будут получать полный комплект цифровых изображений, с реализацией в конце XX века программы под названием AWIPS (Advanced Weather Interactive Processing System, усовершенствованная интерактивная система обработки). Более того, количественные информационные продукты, такие как направление и скорость ветра, определяемые по перемещению облаков, термодинамическое зондирование, параметры устойчивости и количество осадков будут регулярно поступать с данными ГОЕС.

Съемка через небольшие промежутки времени является важной компонентой исследовательской программы ГОЕС с 1975 года. Исследования с использованием съемки SMS и ГОЕС включали получение серий изображений с интервалом 3 минуты для изучения развития сильных штормов (Фуджита, 1982; Шенк и Крейнс, 1975; Пурдом, 1982). В 1979 году в ходе проекта SESAME (Эксперимент по сильным штормам и мезомасштабным процессам) два спутника ГОЕС были синхронизированы для проведения съемки с 3 минутным интервалом для изучения развитие штормов. Подобно более ранним работам Бристора и Пичела (1974), Фуджита (1982) и Хаслер (1981), эти данные, с применением стереографических методик, были использованы для получения очень точного распределения высоты облаков. Другие интересные исследования с применением съемки ГОЕС через небольшие интервалы времени проводились при оценке интенсивности гроз (Адлер и Фенн, 1979; Шенк и Мошер, 1987) и при наблюдениях за перемещением облаков вблизи ураганов (Шенк, 1985; Шенк и др., 1987). Спустя годы, результаты, полученные исследовательским сообществом, стали внедряться в практику спутниковых операторов, и к середине 1980-х, получение снимков с пятиминутным интервалом стало регулярной частью спутниковой практики во время активизации сильных штормов. Сегодня, с введением в эксплуатацию спутника ГОЕС-8, съемка с одноминутным интервалом применяется для изучения ряда явлений, включая сильные штормы, ураганы и перемещения облаков (Пурдом, 1995). Возможно, основываясь на исследованиях, использующих эти и другие специальные наборы данных, Соединенные Штаты когда-нибудь перейдут к конфигурации из трех спутников: с восточным, западным и центральным спутником, причем центральный спутник, как представлялось уже десятилетия назад, будет играть роль штормового патруля.

1.4