Оперативный мониторинг характеристик облачного покрова, осадков и опасных явлений погоды по данным МСУ-ГС КА Электро-Л №4

Оперативная информация высокой периодичности с геостационарного российского космического аппарата (КА) Электро-Л №4 (точка стояния 165,8° в.д.) позволяет наблюдать за облачностью, осадками и опасными явлениями погоды над регионом субглобального масштаба с очень редкой наземной наблюдательной сетью, однако очень важным с точки зрения судоходства, рыболовства, авиаперелётов и др. КА Электро-Л №4 был запущен в феврале 2023 г. На его борту установлен прибор МСУ-ГС (многозональное сканирующее устройство – геостационарное), позволяющий проводить съёмку с периодичностью 15 мин в 10ти спектральных каналах с пространственным разрешением в надире ~4 км для инфракрасного диапазона (каналы 4-10, λ= 3,75, 6,2, 8,0, 8,7, 9,7, 10,7 и 11,9 мкм) и ~1 км для видимого диапазона (каналы 1-3, λ= 0,58, 0,73 и 0,85 мкм).
В ФГБУ ЕЦ «НИЦ «Планета» на основе автоматизированного программного комплекса (АПК) [1] был создан и подготовлен к внедрению в оперативную эксплуатацию АПК для круглосуточного мониторинга над акваторией Тихого океана, Австралией, российским Дальним Востоком и юго-восточной Азией макро- и микрофизических характеристик облачного покрова, зон осадков и опасных явлений погоды (ОЯП) по данным МСУ-ГС КА Электро-Л №4 (угол спутникового визирования не более 8°, т.е. территория с радиусом 71,5° вокруг точки стояния КА). В основе АПК лежит оригинальная авторская Комплексная пороговая методика (КПМ) дешифрирования и классифицирования по косвенным признакам макро- и микрофизических параметров облачности, зон осадков и ОЯП по данным измерений радиационной температуры в каналах 4-10 МСУ-ГС. Дополнительно используются прогностические поля (NCEP GFS, сетка 0,5°, 4 срока в сутки) о вертикальном распределении температуры воздуха в атмосфере и атмосферном давлении на уровне моря, цифровая модель рельефа (gtopo30), а также параметры облачности и осадков, полученные на предыдущих этапах классификации. Пороговые значения предикторов рассчитываются для каждого пиксела спутникового изображения как функции высоты места над уровнем моря, высоты солнца, приземной температуры воздуха и приведённой к уровню моря, угла спутникового визирования, географической широты и др. Они получены эмпирическим путём и учитывают климатические особенности облачности и метеоявлений для рассматриваемой территории, а также сезонность, зональность и суточный ход значений их характеристик.
Для каждого срока спутникового наблюдения дешифрируется: облачная маска, а затем облачность классифицируется по типам ВМО, максимальной водности и водозапаса облачного слоя, температуре верхней границы облаков (ВГО), высоте ВГО над уровнем моря, барической высоте ВГО, высоте нижней границы облачности над подстилающей поверхностью, фазовому состоянию воды в облачных частицах вблизи ВГО, толщине облачного слоя, оптическим плотности и толщине облачного слоя, эффективному радиусу облачных частиц, максимальной в пределах пиксела мгновенной и средней за 15 мин по площади пиксела интенсивности осадков, типу осадков у поверхности земли, зонам гроз, града, гололёдных явлений на поверхности земли и обледенения в облаках разной вероятности и интенсивности, высоте над уровнем моря верхней и нижней границ слоя значимого обледенения. Дополнительно строятся карты низкой облачности и её вероятности, стадий развития мощных кучево-дождевых облаков и фронтальной облачности с конвективными явлениями, а также сумм осадков, выпавших в среднем по пикселу между сроками спутниковых наблюдений. Также рассчитываются накопленные и средние за период времени (сутки, месяц и год) характеристики облачности, осадков и ОЯП. Кроме того, выполняется автоматическая валидация «срочных» и «климатических» выходных продуктов по облачности, осадкам и ОЯП (ежедневно и ежемесячно) путём сравнения с результатами наземных наблюдений на метеостанциях и климатическими оценками; по результатам валидации автоматически формируется заключение о качестве выходных продуктов в среднем по территории и за период времени (сутки или месяц).
Выходные продукты АПК по облачности, осадкам и ОЯП получаются в оперативном режиме для каждого срока спутникового наблюдения в виде числовых бинарных матриц (в точных значениях или кодах классов/градаций) и соответствующих им растровых карт: для полного круга обзора МСУ-ГС или его фрагмента с исходным разрешением или для любой картографической проекции, заданной регулярной сеткой (нормальная равнопромежуточная цилиндрическая, например, масштаб 1,5’ (0,025°)) или матрицей географических координат (например, косая азимутальная стереографическая, масштаб ~4 км). Время обработки одного срока спутникового наблюдения, включая предварительную подготовку, классификацию и запись в файлы, не превышает 0,5 мин.
Авторская валидация на материале архива синхронных спутниковых и наземных наблюдений на метеостанциях за январь-август 2024 г. показала удовлетворительное качество выходных информационных продуктов, которые оказались близкими по качеству аналогичным оценкам по данным SEVIRI/Meteosat и МСУ-ГС-ВЭ/Арктика-М. В соответствии с результатами валидации выходные продукты могут быть рекомендованы к оперативному использованию в качестве дополнения к наземным метеонаблюдениям для мониторинга облачного покрова и его параметров.