Диагноз и прогноз конвективной облачности и явлений погоды над территорией юго-восточной Африки по данным спутникового зондирования

На протяжении последних десятилетий выработаны и реализованы в практической деятельности надежные способы анализа и прогноза конвективной облачности и явлений погоды, в том числе базирующихся на современных высокоэффективных технологиях радиолокационного и спутникового зондирования атмосферы.
Однако современные методы мониторинга метеорологических условий, не всегда реализуемые вследствие отсутствия соответствующей материальной и технологической базы. Сказанное в полной мере относится к юго-восточной Африке. В частности, проблема дефицита исходных данных актуальна при метеорологическом обеспечении авиации Военно-воздушных сил республики Мозамбик. Практически реализуемые подходы, основанные на использовании данных регулярных наземных метеорологических и аэрологических наблюдений, для данного региона были рассмотрены в работе [1].
Целью представленного исследования было определено совершенствование методики мониторинга конвективных явлений погоды на основе использования аналоговой спутниковой информации доступной национальной ведомственной метеорологической службе.
В качестве исходных данных использовались получасовые наземные метеорологические наблюдения и синхронные им аналоговые снимки с геостационарных метеорологических космических аппаратов за 2018-2020 годы.
Обработка спутниковых снимков производилась с использованием стандартной программы - просмотрщика электронных изображений.
Предварительно проводилось контрастирование изображения. Далее отбирались снимки с текстурой и мезоструктурой, характерной для конвективной облачности. Выделялись отдельные фрагменты с отметками от конвективной облачности и обрабатывались штатными средствами обработки изображений.
На следующем этапе по данным наземных наблюдений в подоблачном географическом пространстве определялась степень развития конвекции по шести градациям.
Рассматривалась облачность в радиусе до 50 км от пунктов наземных наблюдений и временной разнесённостью не более 10 минут.
Для каждого фрагмента были определены значения яркости в безразмерных единицах. Определялись эти значения следующим образом: исходное значение принималось за «ноль», производилось уменьшение яркости до сливания отметки от облачности с фоном и появления характерной «гистограммы яркости» (пустой).
На завершающем этапе для каждой градации развития конвекции определялись критические значения яркости, при достижении которой диагносцируется именно эта градация. Определение критических значений производилось из условия 30% обеспеченности достижения данной градации, исходя из большей «цены» ошибки пропуска.
Существенные ошибки (более одной градации и занижение градации) в определении степени развития конвекции составляют 18,2%.
На следующем этапе исследования, исходя из анализа климатических особенностей отдельных территорий разрабатывались диагностические правила раздельно для субэкваториальной зоны (север страны – 1-й район) и тропического климата (юг рассматриваемого района – 2-й район). Были установлены значения критических яркостей.
Попадание результатов дешифрирования в наблюдаемую градацию (по контрольной выборке) наблюдалось для 1-го района в 74,7%, для 2-го района – 75,8%. Ошибки дешифрирования более, чем в одну градацию и с занижением градации составили 12,2% и 14,8% соответственно для первого и второго района.
С целью получения прогностической информации были разработаны прогностические уравнения для разработки сверхкраткосрочного прогноза конвективной деятельности на примере северной части (области субэкваториального климата) рассматриваемой территории.
На основе предшествующих (со сдвигом на один час) значений максимальной яркости и их динамики прогнозировалось значение ожидаемой яркости на один час вперед.
Поскольку развитие конвекции в условиях субтропического климата на территории Мозамбика имеет выраженный суточный ход, то уравнения разрабатывались раздельно для первой половины дня – на период развития конвекции, и для второй половины дня – для периода размывания конвективных облаков. Эмпирическим способом был определен пик развития конвекции в суточном ходе – 13-14 часов, который и был принят за границу между первой и второй половиной дня.
С использованием стандартной процедуры пошаговой линейной регрессии были получены уравнения для первой и второй половины дня. При проверке на независимом материале среднеквадратическая ошибка определения яркости составила 2,7% и 4,5%.
Далее прогноз градации развития конвекции проводился аналогично методике мониторинга (диагностики) развития конвекции, только по расчетным значениям яркости.
Критерии успешности прогностических уравнений, практически не уступают процедуре восстановления значений. Это связано с небольшой заблаговременностью прогноза (один час).
Таким образом, показана возможность не только восстановления, но и сверхкраткосрочного прогнозирования характеристик атмосферной конвекции по спутниковым данным.