Системы навигации для метеопрогноза

Введение.

Национальные метеорологические и гидрологические службы выпускают ежегодно десятки миллионов прогнозов погоды.  Огромный опыт вместе с надежным комплектом данных об оценке точности, означает, что во многих случаях неопределенность в прогнозах погоды хорошо известна, а во многих случаях хорошо объяснима. Так, например, улучшенное предсказание путей движения тропических циклонов позволило сберечь множество жизней во всех бассейнах, находящихся под угрозой этих циклонов. За последние несколько десятилетий благодаря улучшенным средствам наблюдений, возрастающему научному пониманию и более современным и сложным численным моделям, восприятие населением прогнозирования погоды постепенно сменилось от прогнозов, которые сообщество воспринимало таким образом, что они всегда неправильны, на идею о том, что прогнозы, предположительно, правильны. В самом деле, прогнозы на трое суток для приземного давления настолько же хороши, как прогнозы на сутки, которые выдавались 20 лет назад, что является величайшим научным достижением. Несмотря на эти успехи, в прогнозах еще остается некая неопределенность; и стопроцентный успех не будет достигнут никогда в жизни.  
        Изменение атмосферы, а отсюда и погоды, определяют динамические и физические процессы, протекающие в атмосфере, а также взаимодействия с примыкающей средой (например, поверхности суши, океана и льда). Научно обоснованные прогнозы погоды возможны лишь в случае, если процессы достаточно понятны, а текущее состояние атмосферы достаточно известно, для подготовки прогнозов будущих состояний. Прогнозы погоды подготавливаются с использованием в основном систематического подхода, включающегося наблюдения и усвоение данных, процесс понимания, предсказания и распространения, каждой из этих компонент используются достижения науки и техники.  
         За последние несколько десятилетий, благодаря значительным достижениям в науке, появились улучшенные и более эффективные методы для проведения наблюдений и своевременного сбора данных от большого ряда источников, включающих радиолокаторы и спутники. Использование данных этих наблюдений в научно обоснованных методах привело к значительному повышению качества прогнозов погоды, и в результате этого люди во всем мире стали полагаться на прогнозы погоды в качестве ценного вклада во многие процессы принятия решений.

Наиболее емкий сектор потребления специализированной гидрометинформации составляет авиация. Динамично развивается гидрометинформация морских отраслей, увеличиваются объемы обслуживания морских грузовых и пассажирских перевозок. Традиционно большим спросом пользуется гидрометинформация в аграрном секторе и дорожном хозяйстве. Предприятиям агропромышленного комплекса выдается специализированная информация, позволяющая выбрать оптимальные сроки посева и уборки сельскохозяйственных культур, структуру посевных площадей, а также провести ряд других мероприятий, способствующих повышению урожайности. Гидрометинформация, предоставляемая дорожным службам, обеспечивает оптимальное распределение сил и средств при эксплуатации дорог, способствует снижению аварийности. На основании полученной гидрометинформации, предприятия коммунального хозяйства обеспечивают бесперебойную работу городского транспорта, выбирают наиболее экономичный режим теплоснабжения зданий. Экспертные оценки показывают, что использование специализированной гидрометинформации при принятии хозяйственных решений позволяют снизить ущербы, связанные с погодными явлениями. Наибольшим спросом пользуются прогнозы погоды на 1-3 суток и первичная информация. Все более востребованной становится климатическая информация. Повышается интерес к информации о загрязнении природной среды и гидрологической информации.

Служба погоды.

Непрерывно происходящие изменения в состоянии погоды связаны в первую очередь с процессами общей циркуляции атмосферы. Смена дня и ночи вносит в погоду достаточно простые и регулярные изменения в виде суточного хода метеорологических элементов или в виде смены бризов и т. п. Но резкие и нерегулярные изменения, гораздо более характерные для погоды, являются  результатом смены воздушных масс, прохождения разделяющих их фронтов, перемещения и эволюции циклонов и антициклонов. В тропиках эти изменения значительно меньше, чем во внутритропических широтах, потому что условия атмосферной циркуляции там более устойчивы и циклоническая деятельность слабее. В связи с такой обусловленностью изменений погоды, в течение последнего столетия возникла так называемая служба погоды. В задачи ее входит своевременная информация населения, административных и хозяйственных организаций о существующих условиях погоды и предсказание условий погоды на будущее время.

Материальная база службы погоды состоит, во-первых, из сети синоптических станций, т. е. метеорологических станций, срочно передающих свои одновременные наблюдения в центры службы погоды. До 1920-х годов почти единственным средством связи при этом служил телеграф; в настоящее время основное значение для службы погоды имеет радиосвязь. С помощью радиосвязи  удалось распространить действие службы погоды фактически на весь Земной шар. Однако до сих пор многие районы охвачены ею еще неудовлетворительно, в особенности океанические районы южного полушария.

В подавляющем большинстве государств мира существуют центральные, а в больших странах также и областные учреждения службы погоды; чаще всего их называют бюро погоды. Небольшие учреждения такого рода существуют также при  аэропортах, в морских портах и т. д. Служба погоды России возглавляется Гидрометеорологическим центром России в Москве.

Современные метеорологические технологии, а также исследования и практические методы климатологии включают в свой арсенал обработку спутниковой информации (детекция протон-электронных околоземных облаков – т.н. «солнечного ветра», вызывающего явления «северного сияния» в полярных широтах; оптическое – от инфракрасного до ультрафиолетового, - и широкодиапазонное радиосканирование атмосферы и поверхности Земли), обработку информации от маловысотных (до границ стратосферы: 50-80 км) привязных и дрейфующих радиозондов, оптических и акустических аппаратов (на метеошарах и стратостатах), информации от специальных авиасредств (бортовая и наземная обработка) и одноразовых метеоракет, а также информации от наземных средств оптического, акустического и радионаблюдения.

Наземная сеть метеонаблюдений образована системой национальных и международных метеопостов, оборудованных, в том числе, специальными радиофизическими приборами наблюдения и средствами компьютерной обработки метеоданных. Основным источником информации о состоянии атмосферы, как и полвека назад, являются наземные (синоптические) метеостанции — их сейчас около 10 000 в мире, 8 500 на Северном полушарии; и станции аэрологические: 600 и 500, соответственно; имеется тенденция к уменьшению). Покрытие данными весьма неоднородно: территория Европы, Китая и Сев. Америки в наилучшем положении. 2/3 земной поверхности составляет океан. Здесь имеется лишь несколько островных станций и кораблей погоды. Обычные корабли часто измеряют и передают данные о температуре, давлении и ветре. Эта часть наблюдений называется конвенциональными.  
          Наибольший объем наблюдений и, соответственно, большая часть метеоданных и значительная часть долговременных климатических параметров относятся к оперативной характеристике состояния ближней атмосферы: температуре, давлению, влажности, градиенту смещения воздушных масс, наличию и динамике турбулентностей/вихрей и воздушных неоднородностей-«линз». Значительная часть радионаблюдений выполняется в ДВ-УКВ - диапазоне; эти наблюдения относятся к локальной оценке влажности в атмосфере, к состоянию облачности (по наличию «окон» в облачных слоях) и составу облаков (дождь-снег-град), к наблюдениям пылевых и вихревых (опасность торнадо) концентраций, к динамике смещения воздушных потоков на разных высотах (пеленгом радиозондов и наблюдением за дрейфом радио-контрастирующих веществ, специально распыляемых в атмосфере на заданных высотах) и т.д. Радиофизические принципы наблюдения перечисленных метеофеноменов основаны на разнице измеримых значений электрической (или магнитной) проницаемости среды, на изменении уровня калиброванных сигналов в направлении объекта – на эффектах прямого отражения, поглощения и вторичного отражения от ионосферы, на измерении собственной электрической активности (фон) метеорологических неоднородностей, фазовых сдвигов эталонных сигналов при отражении, на использовании допплеровского эффекта и т.п. Штатные наземные метеопосты по необходимости оборудованы радиосредствами, - в том числе мегаапертурными – с большой базой, специализированными антенными (антенно-фидерными) комплексами для изотропной и направленной детекции сигналов ДВ-УКВ - диапазонов. 

В рамках Всемирной службы погоды особое внимание уделяется организации наблюдений с метеорологических спутников. Данные со спутников NASA позволяют сделать метеорологические прогнозы более точными. Информация с них будет использоваться для составления трехсуточных прогнозов погоды на прибрежные зоны США с применением синоптических моделей и данных с метеостанций, расположенных в открытом море. Система выдает трехмерную модель состояния поверхности океана с параметрами температуры, солености и течений. При этом используются данные сенсора Quikscat со спутника NАSА SeaWinds; уровень океанских вод с учетом высоты волн; а также температура поверхностного слоя океана. В периоды  значительного облачного покрытия предусмотрено выполнение аэросъемки с применением различных сенсоров и носителей, которые имеются в распоряжении ВМС США. Полученные таким образом данные используются для создания пространственных синоптических моделей, которые будут применяться для оперативного составления метеосводок и их оперативной корректировки, а также для планирования наблюдений на морских и наземных метеостанциях.

Измеряя с помощью бортовой аппаратуры спутника параметры излучения тепла различных слоев атмосферы, можно получить богатый материал для изучения происходящих в ней процессов. Кроме того, спутник может служить хорошим средством для сбора информации с наземных метеорологических пунктов, разбросанных по всему земному шару. За время одного оборота вокруг Земли спутник собирает данные, которые в 100 раз превышают информацию, поступающую со всех метеорологических станций, и, кроме того, дает сведения о погоде на той части поверхности земного шара, которая является «белым пятном» для метеорологов. Качество этих данных в настоящее время уступает аэрологическим данным, однако прогресс в этом направлении имеется. Поскольку таких данных много, несколько близких наблюдений осредняются в одно. Покрытие спутниковыми данными более однородно. Между ошибками наблюдений с одного участка орбиты имеется сильная коррелляция. Эти наблюдени называются неконвенциональными. Они наиболее важны там, где нет аэрологических станций.  
           Обнаружение тайфунов и ураганов с помощью спутников стало обычным явлением. Так были обнаружены ураганы «Бэтси», «Эстер», тайфуны «Ненси», «Памела», которые наносят огромные убытки хозяйству. Например, ураган «Агнес», обрушившийся на восточную часть США 20—23 июня 1972 г., унес 118 жизней, а причиненный им материальный ущерб оценивается в три с лишним миллиарда долларов. Объем осадков, выпавших на сушу во время урагана, составил около 100 куб. км.

Космические гидрометеорологические системы.

Метеорологический спутник — искусственный спутник Земли, созданный для получения из космоса метеорологических данных о Земле, которые используются для прогноза погоды. Спутники этого типа несут на борту приборы, с помощью которых наблюдают в частности за температурой поверхности Земли и облачным, снеговым и ледовым покровом. Методы получения метеоинформации и способы её обработки с помощью метеоспутников изучает спутниковая метеорология.

Метеоспутники вместе со станциями приёма и обработки данных образуют метеорологическую космическую систему. В современной России эксплуатацией метеоспутников занимается организация ФГБУ «НИЦ „Планета“», страны Европы обслуживает организация EUMETSAT.

В настоящее время оперативная космическая метеорологическая система мирового сообщества (Европейский Союз, КНР, Россия, США, Япония) включает и будет включать спутники на геостационарной и на приполярных орбитах. Эти спутники используются при решении задач, связанных с прогнозированием погоды, а также для получения информации в интересах сельского и лесного хозяйства, климатологии, океанографии, мониторинга состояния окружающей среды, при изучении околоземного космического пространства, озонового слоя и содержания аэрозолей в атмосфере, при съемке снежного и ледового покрова Земли и др. Метеорологические спутники на геостационарной орбите Метеорологические спутники на геостационарной орбите образуют составную часть глобальной системы наблюдений в рамках программы ВМО. В настоящее время метеорологическими ИСЗ на геостационарной орбите обладают Европейская организация по метеорологическим спутникам EUMETSAT (система METEOSAT), США (система GOES), Япония (система MTSAT-1R). Россия планирует запустить геостационарный метеорологический спутник «Электро» в 2009 году. Структура и принципы построения подсистемы геостационарных метеорологических ИСЗ обеспечивают работу на орбитах с учетом следующих условий:

- число  спутников на геостационарной  орбите должно быть достаточным  для наблюдения и доведения  метеорологической информации в  пределах широтного пояса 600 с.ш. – 600 ю.ш.;

- сбор  метеорологической информации необходимо  осуществлять непрерывно;

- периодичность  выдачи потребителям обновленных  метеорологических данных не  должно превышать 0.5 ч.

Такие условия обеспечивает подсистема геостационарных ИСЗ из пяти спутников: двух американских (в западном полушарии), Европейского спутника, Российского (в перспективе) и Японского. Американская спутниковая система GOES размещается на участке геостационарной орбиты в точках 750 з.д. (восточный) и 1350 з.д. (западный). Эти спутники осуществляют непрерывное наблюдение территории США и Южной Америки, а также акватории прилегающих океанов.

Европейская спутниковая система METEOSAT Базируется на геостационарных космических аппаратах и предназначается для решения задач глобального метеорологического обеспечения потребителей в европейском, азиатском и африканском регионах. Создание и вывод на орбиту космических аппаратов серии «METEOSAT», а также управление, приѐм и распределение спутниковой метеорологической информации осуществляется европейским космическим агентством.

Современные космические аппараты определяют:

• детектирование облачности, слежение за облачностью, трассерами, динамика развития облачных систем,
• дискриминация снега и облачности,
• детектирование низкой облачности, туманов,
• оценка температуры поверхности океана, температуры поверхности суши, количества осажденной воды над океанами,
• наблюдения за водяным паром, оценка ветра, высоты полупрозрачной облачности.
• данные о тонких перистых облаках, интерпретация ледяных, водных облаков,
• мониторинг общего содержания озона,
• ветер в нижней стратосфере,
• оценка высоты прозрачных перистых облаков, температуры нижней тропосферы,
• контроля за осадками, влажностью почв и
• измерения растительного индекса. Результаты съѐмок могут использоваться для наблюдения за извержением вулканов,
• определение границ участков морской поверхности загрязненных нефтяными выбросами,
• инфракрасный зонд высокого разрешения HLRS/2 обеспечивает съемку земной поверхности,
• устройство стратосферного зондирования SSU – предназначено для определения профилей температуры в стратосфере и анализа излучения в верхних слоях атмосферы.