Дождевые ячейки и зоны осадков

Процесс развития облаков очень часто приводит к тому, что при определенных условиях микроскопические капли влаги, удерживаемые в облаках, настолько укрупняются, что уже не могут удерживаться в воздухе и выпадают в виде осадков (дождя, снега или града). Обильные осадки выпадают из облаков, имеющих смешанную структуру (слоисто-дождевые, плотные высокослоистые и кучево-дождевые). Количество конденсирующейся влаги, а, следовательно, и обильность осадков, зависит от влагосодержания воздуха, а оно тем больше, чем выше его температура [3,4].

По происхождению и характеру выпадения атмосферные осадки подразделяются на ливневые, обложные и моросящие [3]. Ливневые осадки характеризуются внезапностью начала и конца, резкими колебаниями интенсивности и кратковременностью. Их продолжительность составляет от нескольких минут до 2-3 час. Они выпадают из кучево-дождевых облаков (рис. 1-2) в виде дождя, снега и града. Обложные осадки – это продолжительный дождь или снег умеренной интенсивности при пасмурной погоде, выпадающий из слоисто-дождевых, реже – из высокослоистых облаков, непрерывно или с короткими перерывами, одновременно на больших площадях. Моросящие осадки, или морось – это осадки, выпадающие из слоистых облаков в виде очень мелких капель, либо в виде снежных зерен-крупинок. Морось отличается от мелкого обложного дождя (или снега), тем, что образующие ее частицы влаги как бы плавают в воздухе.

Повторяемость того или иного вида осадков зависит от географического местоположения и времени года [3]. В тропиках в течение всего года преобладают ливневые осадки, обычно с грозами; в умеренных широтах осенью и зимой – обложные, весной и летом ливневые, также часто с грозами; в высоких широтах – в течение всего года – обложные. Морось в тропиках наблюдается редко и только в районах с муссонным климатом в сезон дождей. В умеренных широтах она имеет тоже небольшую повторяемость и чаще всего бывает осенью. Над полярными морями морось бывает более часто, причем преимущественно летом.

Интенсивность осадков, т.е. количество воды, выпадающей из облаков в единицу времени, находится в прямой зависимости от вертикальной мощности облаков, их строения, от степени развития восходящих движений воздуха и его влагосодержания [3, 5]. В тропиках, где интенсивность осадков наибольшая обычными являются ливни, при которых за 20-30 мин выпадает 100-200 л воды на 1 м², т.е. до 10 л/м²  в 1 мин. В умеренных широтах наиболее интенсивные осадки выпадают летом из кучево-дождевых облаков. При этом наибольшей интенсивности достигают очень короткие ливни (1-5 мин).

Наибольшее влагосодержание воздуха приходится на экваториальный пояс. Здесь выпадает и наибольшее количество осадков – 2000-3000 мм в год, а в некоторых прибрежных районах значительно больше (до 7000-9000 мм). В широтах тропической зоны и в субтропиках количество осадков существенно варьирует, причем они часто носят сезонный характер и выпадают только в летний период. Над океанами они редки и их выпадает сравнительно мало (300-500 мм в год в восточных акваториях, до 1000 мм в год в западных). От субтропиков до умеренных широт количество осадков, так же, как и облачность, несколько увеличивается и над океанами составляет 1000-1500 мм в год. От умеренных к высоким широтам количество осадков вновь убывает, хотя сохраняется значительная облачность и осадки выпадают часто. Это происходит из-за малого влагосодержания воздуха и, следовательно, малой водности облаков. Годовое количество осадков в полярных районах менее 300 мм.

Вполне очевидно, что на снимках из космоса оптического и ИК диапазонов затруднительно увидеть зоны осадков, и тем более измерить интенсивность их выпадения, так эти данные несут информацию, главным образом, о верхних частях облачных систем, которые скрывают то, что происходит под ними. На помощь пришли датчики – микроволновые (СВЧ) радиометры, регистрирующие пассивное микроволновое излучение миллиметрового и сантиметрового диапазонов, исходящие от морской поверхности. Оно, как оказалось, в определенных частотных диапазонах чувствительно к содержанию в воздухе капель жидкости [6,7,19]. В результате проблема была решена к середине 90-х гг. ХХ в., и современные датчики дистанционного зондирования позволяют увидеть невозможное – зоны осадков из космоса.

Локальные зоны интенсивных осадков могут быть обнаружены в данных космической радиолокации по тем отпечаткам, которые они оставляют на радиолокационных изображениях (РЛИ) морской поверхности (рис. 5-15), так или иначе влияя на ее шероховатость (усиливая или ослабляя, что в общем случае зависит от размера капель, скорости их падения, ветра и ряда др. факторов) [7]. Хотя общепринятым считается то, что атмосфера прозрачна для сантиметровых СВЧ-сигналов, в зонах интенсивных осадков радиолокационный сигнал может существенно видоизменяться (ослабляться). Это наглядно показала, например, практика применения судовых РЛС [9]. Уменьшение дальности радиолокационного обнаружения при осадках значительно, причем степень ослабления зависит от интенсивности осадков: чем больше их интенсивность, тем меньше дальность обнаружения. Наиболее сильное ослабление (поглощение) происходит в зонах выпадения дождя (особенно очень сильных ливней), меньше – от града и снега. Влияние осадков на дальность радиолокационного обнаружения также тем больше, чем меньше длина волны РЛС [9].

Очевидно, мощные кучево-дождевые облака (рис. 1-3, 4а, 4б) и дождь может и должен оказывать влияние на формирование сигнатур на РЛИ (рис. 5-15), по крайней мере, двумя способами [10, 20, 21]. Во-первых, за счет объемного рассеяния на каплях дождя, которое значительно уменьшает интенсивность рассеяния в районе, где выпадают осадки. Объемное рассеяние становится существенным для сантиметровых электромагнитных волн первой десятки – например, C- и Х-дипазонов (l=3 и 5 см) в условиях сильного дождя [10, 20, 21]. Во-вторых, капли дождя, сталкиваясь с поверхностью моря, могут, как подавлять капиллярно-гравитационные волны, ответственные за рассеяние РСА-сигнала, так и создавать дополнительную шероховатость (волны ряби, возникающие при падении капель; обычно при скорости ветра не большей 8-10 м/с) [14, 23, 25]. Относительный вклад каждого из механизмов, в свою очередь, также зависит от длины волны РСА, интенсивности осадков, скорости ветра и состояния поверхности моря, причем, это может, как увеличивать, так и уменьшать интенсивность обратного рассеяния в зоне осадков (рис. 16-17). Например, в С-диапазоне (l=5 см) выпадающий дождь может в некоторой степени увеличить шероховатость поверхности моря, а объемное рассеяние, наоборот, существенно уменьшить интенсивность обратного рассеяния в сторону антенны, что в результате приведет к ослаблению результирующего сигнала и образованию темных сигнатур на РЛИ. В L-диапазоне (l=23 см), более длинные волны значительно менее чувствительны к объемному рассеянию, однако эффект дождя на соизмеримые по длине волны вызовет их подавлению, что в итоге также приведет к образованию темного пятна в зоне дождя (рис. 14). Существенный вклад может дать поляризация сигнала (рис. 15). Кроме того, мощные кучево-дождевые облака (поглощение в них может достигать 3 дБ [7]) можно рассматривать как отдельные конвективные ячейки закрытого типа.

В связи с этим сигнатуры дождевых ячеек на РЛИ отличаются большим разнообразием. Изолированные дождевые ячейки (рис. 1, 2, 5а) проявляются на РЛИ в виде ярких зон округлой  или эллиптической (относительно симметричной) формы с характерным центром (рис. 7-10). Их типичный диаметр – 5-40 км, однако иногда достигают размеров 60-100 км и более; наблюдаются отдельно или создают группы (рис. 6). Вершины кучево-дождевых облаков могут достигать высот 13-14 км [16]. Центральные области дождевых ячеек или зоны осадков значительно отличаются от фона самой ячейки, а их цвет варьирует от темного до ярко-белого (рис. 6-8,10). К этому приводит взаимное влияние эффектов рассеяния от морской поверхности и в самом дождевом облаке. Если дождь относительно слабый, а объемное рассеяние невелико – на РЛИ темное пятно. Умеренный дождь, по-видимому, также создает темное пятно в центре. Однако, если дождь крайне интенсивный, то дополнительная шероховатость моря и значительное объемное рассеяния могут дать ярко-светлые сигнатуры (рис. 14). Скопления и полосы дождевых облаков (например, на границе атмосферного фронта) создают довольно разнообразные сигнатуры (рис. 11-13).

С другой стороны, ослабление микроволновых сигналов осадками происходит в основном за счет поглощения ими энергии электромагнитных волн и объемного рассеяния на частицах гидрометеоров [7,19]. Влияние атмосферы всегда приводит к уменьшению уровня рассеянных радиолокационных сигналов. Однако при интенсивных дождях зоны осадков сами становятся рассеивающей средой. Наиболее сильное ослабление происходит в зонах выпадения дождя (особенно сильных ливней), меньше – от града и снега. Современные мультичастотные СВЧ-радиометры и радары, такие как TMI (TRMM Microwave Imager) и Precipitation Radar (PR) на ИСЗ TRMM [24], SSM/I и SSM/IS (Special Sensor Microwave/Imager) на спутниках Метеорологической программы МО США – DMSP, AMSR-Е (Advanced Microwave Scanning Radiometer) на ИСЗ Aqua и др., используют различные комбинации миллиметровых и сантиметровых волн, что позволяет измерить влагосодержание облаков и интенсивность осадков, выпадающих над океаном (рис. 16-18). В настоящее время микроволновые данные стали ценным источником информации о зонах выпадения осадков над океанами и морями (подробнее см.:  http://www.nasa.gov/mission_pages/hurricanes/archives/).

Данные об интенсивности осадков над Мировым океаном, полученные методами дистанционного зондирования, в свободном доступе можно найти на сайте  http://www.remss.com

Рис. 1. Мощные кучево-дождевые облака (Cumulonimbus) над океаном (фото с самолетов и борта МКС); четко выделяются вершины облаков и их наковальни. © NASA-JSC

 

Рис. 2. Дождевая ячейка в экваториальной Атлантике (фото Д. Бабаева с борта НИС «Академик Иоффе», 2012).

 

Рис. 3. Дождевые ячейки (мезомасштабные конвективные структуры) на оптических снимках из космоса (рисунок из [16]).

 

Рис. 4а. Схема дождевой ячейки (рисунок из [16]).

 

Рис. 4б. Схема, иллюстрирующая процессы, приводящие к образованию сигнатур дождевых ячеек на радиолокационных изображениях морской поверхности (рисунок из [10]).

Рис. 5. Дождевая ячейка у атлантического побережья США, отобразившаяся на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (18.07.1992), и ее интерпретация: большой стрелкой показано направление перемещения; в центральной части ячейки интенсивность выпадения осадков, согласно независимым измерениям, составила 12 мм/ч (рисунок из [11]). © ESA

 

Рис. 6. Дождевые ячейки в Индийском океане (район Андаманских о-вов) на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (3.04.1996, 12:34 UTC): 1 – граница распространения шквала, 2 – область подавления ветровой ряби выпадающими осадками; светлые квазипараллельные полосы – поверхностные проявления интенсивных внутренних волн (рисунок из [10]). © ESA

 

Рис. 7. Серия дождевых ячеек в Таиландском заливе Южно-Китайского моря на радиолокационном изображении спутника ERS-1 (18.04.1994, 03:42 UTC); цифрами обозначены индивидуальные ячейки (рисунок из [10]). © ESA

 

Рис. 8. Фрагмент радиолокационного изображения спутника ERS-2 (5.02.1993), на котором отобразились дождевые ячейки и полосы дождя в Таиландском заливе Южно-Китайского моря. © ESA

 

Рис. 9. Фрагменты радиолокационных изображений спутника ERS-2 (5.02.1993 и 15.06.1994), на которых отобразились дождевые ячейки в Таиландском заливе Южно-Китайского моря; линейчатые пятна-слики – судовые разливы и пленочные загрязнения. © ESA

 

Рис. 10. Развивающиеся дождевые ячейки в северо-восточной части Черного моря на радиолокационном изображении спутника Envisat (3.09.2006, 19:21 UTC). © ESA

Рис. 11. Интенсивный дождь в северо-восточной части Черного моря на радиолокационном изображении спутника Envisat (15.07.2006, 07:35 UTC). Темные сликовые пятна, вытянутые по направлению к Новороссийской бухте, по-видимому, образованы линзами пресной водой из-за выпадения осадков. © ESA

Рис. 12. Отпечатки мощных кучево-дождевых облаков и полосы интенсивных осадков в Таиландском заливе Южно-Китайского моря на радиолокационном изображении спутника Envisat (9.06.2005, 04:04 UTC). © ESA

Рис. 13. Мощные кучево-дождевые облака и полосы интенсивных осадков в Таиландском заливе Южно-Китайского моря на радиолокационном изображении спутника Envisat (28.04.2005, 04:06 UTC). © ESA

Рис. 14. Крупная дождевая ячейка над Тихим океаном на радиолокационном изображении SIR-C и эффект зондирования на разных частотах: вверху – РЛИ, полученное в С-диапазоне (длина волны 5,3 см), внизу – в L-диапазоне (23 см). © NASA

 Рис. 15. Отображение дождевых ячеек на мультичастотных и мультиполяризационных радиолокационных изображениях SIR-C/X (северная часть Малаккского пролива; 17.04.1994, 18:47 UTC): L-диапазон (23 см), С-диапазон (5,3 см), Х-диапазон (3 см); VV – вертикальная поляризация, HH – горизонтальная поляризация, HV– перекрестная поляризация (излучение на горизонтальной, прием на вертикальной) (рисунок из [10]). © NASA

 

Рис. 16. Интенсивность выпадения осадков в мм/ч в урагане «Иван», измеренная СВЧ-радиометром TMI 14.09.2004 над Мексиканским заливом. © NASA

 

Рис. 17. Интенсивность выпадения осадков в мм/ч в урагане Hamish по данным СВЧ-радиометра TMI на ИСЗ TRMM (5.03.2009, северо-восточное побережье Австралии, Тиморское море). © NASA

 

Рис. 18. Скорость выпадения осадков (трехмерная картина) в урагане Irene и сопутствующих дождевых ячейках, полученная по данным радара-осадкомера (PR) на ИСЗ TRMM(24.08.2011); красный цвет соответствует скорости выпадения осадков 50 мм/ч, зеленый - 40 мм/ч, желтый - 20 мм/ч. © SSAI/NASA

 

 

 

 

 

Литература

$11.     Александров В.Ю. Оценка влияния гидрометеоров на характеристики радиолокационных изображений морских льдов // Исслед. Земли из космоса, 1987, № 2, с. 37-43.

$12.     Герман М.А. Космические методы исследования в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

$13.     Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

$14.     Мейсон Б.Д. Физика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.

$15.     Минина Л.С. Применение наблюдений метеорологических спутников за облачным покровом Земли при анализе карт погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1967.

$16.     Митник Л.М. Исследование облаков методом СВЧ-радиометрии. Обнинск, Изд-во ВНИИГМИ-МЦД, 1979.

$17.     Радиолокация поверхности Земли из космоса / Под ред. Л.М. Митника и С.В. Викторова. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

$18.     Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды / Под ред. И.П. Ветлова и Н.Ф. Вельтищева. Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

$19.     Стехновский Д.И., Зубков А.Е., Петровский Ю.С. Навигационная гидрометеорология. М: Транспорт, 1971.

$110.  Alpers W., Melsheimer C. Rainfall. Ch. 17. In: SAR Marine User’s Manual. NOAA, 2000 (www.sarusersmanual.com).

$111.  Atlas D. Footprints of storms on the sea. A view from spaceborne synthetic aperture radar // J. Geophys. Res., 1994, 99, p. 7961-7969.

$112.  Atlas D. Origin of storm footprints on the sea seen by synthetic aperture radar // Science, 1994, 266, p. 1364-1366.

$113.  Atlas D., Black G. The evolution of convective storms from their footprints on the sea as viewed by synthetic aperture radar from space // Bull. Am. Meteorol. Soc., 1994, 75, p. 1183-1190.

$114.  Bliven L., Sobieski P.W., Craeye C. Rain generated ring-waves: Measurements and modeling for remote sensing // Int. J. Remote Sens., 1997, 18, p. 221-228.

$115.  Clemente-Colón P., Manousos P.C., Pichel W.G., Friedman K. Observations of hurricane Bonnie in spaceborne synthetic aperture radar (SAR) and next generation Doppler weather radar (NEXRAD) / Proc. EOS/SPIE Symposium on Remote Sensing Conference on Satellite Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere IV, 20-22 September 1999, Florence, Italy. EUROPTO Series, 3867, p. 63-70.

$116.  Cloud Structures ( http://www.brockmann-consult.de/CloudStructures/contents.htm).

$117.  Ivanov A.Yu., Alpers W., Litovchenko K.Ts., He M.-X., Feng Q., Fang M., Yan X.-H. Atmospheric front over the East China Sea studied by multi-sensor satellite and in-situ data // J. Geophys. Res., 2004, 109(C12), doi:10.1029/2004JC002432.

$118.  Jackson C.R., Apel J.R. (Eds). Synthetic Aperture Radar Marine User’s Manual. National Oceanic and Atmospheric Administration, Center for Satellite Application and Research, NOAA/NESDIS, Washington, D.C., 2004.

$119.  Jameson A.R., Li F.K., Durden S.L., Haddad Z.S., Holt B., Fogarty T., Im E., Moore R.K. SIR-C/X-SAR observations of rain storms // Remote Sens. Environ., 1997, 59, p. 267-279.

$120.  Kasilingam D., Lin I.-I., Lim H., Khoo V., Alpers W., Lim T.K. Investigation of tropical cells with ERS SAR imagery and ground-based weather radar / Proc. 3rd ERS Symposium «On Space at the Service of our Environment», 17-21 March 1997, Florence, Italy. ESA SP-441, p. 1603-1608.

$121.  Melsheimer C., Alpers W., Gade M. Investigation of multifrequency/multipolarization radar signatures of rain cells over the ocean using SIR-C/X-SAR data // J. Geophys. Res., 1998, 103(C9), p. 18867-18884.

$122.  Melsheimer C., Alpers W., Gade M. Simultaneous observation of rain cells over the ocean by the synthetic aperture radar aboard the ERS satellites and by surface-based weather radars // J. Geophys. Res., 2001, 106(C3), p. 4665-4678.

$123.  Moore R.K., Yu Y.S., Fung A.K. et al. Preliminary study of rain effects on radar scattering from water surface a // IEEE J. Oceanic Eng., 1979, 4, N 1, p. 31-32.

$124.  Nystuen J.A. A note on the attenuation of surface gravity waves by rainfall // J. Geophys. Res., 1990, 95(C10), p. 18353-18355.

$125.  Simpson J., Kummerow C., Tao W.-K., Adler R.F. On the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) scattering from water surface a // Meteor. Atmos. Phys., 1996, 60, p. 19-36.

$126.  Tsimplis M. The effect of rain in calming the sea // J. Phys. Oceanogr., 1992, 22, p. 404-412.