Технология потоковой оценки высоты верхней границы облачности по стереопарам различных космических аппаратов

Оперативное определение высоты верхней границы облачности (ВГО) является ключевой задачей современной метеорологии, важной для мониторинга атмосферных процессов и экстремальных ситуаций. Традиционные методы на основе температурных профилей в инфракрасных каналах показывают хорошую точность до высот 8–12 км, однако их эффективность значительно снижается на больших высотах из-за наличия температурной инверсии. Лидарные методы обеспечивают высокоточную оценку высоты облаков на всех уровнях, но ограничены невозможностью построения единовременных полей облачности из-за точечного характера измерений. В качестве альтернативы используются стереоскопические методы, основанные на одновременных снимках с разных космических аппаратов (КА), при этом главной сложностью является необходимость строгой временной синхронизации съёмок. Целью работы является разработка и верификация автоматического метода регулярного восстановления полей высот ВГО на основе стереоскопических данных с разных КА, реализованного для данных высокоэллиптического спутника «Арктика-М» (Асмус и др., 2021) и геостационарного спутника Himawari-8/9.
Метод восстановления высоты ВГО основан на стереопаре (Argyriou, Petrou, 2009; Hasler, 1981). Технология оценки высот реализована следующим образом: для всех поступающих данных автоматически формируются пары синхронных инфракрасных снимков, для каждой пары проводится предварительная обработка, поиск контрольных точек с помощью алгоритма SIFT (Lowe, 2004), их фильтрация, вычисление высот по отфильтрованным точкам и запись результатов в специализированную базу данных (Бриль и др., 2024). Для формирования пар «Арктика-Himawari» используются данные приборов МСУ-ГС/ВЭ («Арктика-М») и AHI (Himawari-8/9) в каналах 10,7 и 11,2 мкм соответственно. В силу особенностей съёмки приборов практически синхронные по времени пары составляют снимки в 15 (МСУ-ГС/ВЭ) и 20 (AHI) минут, а также в 45 (МСУ-ГС/ВЭ) и 50 (AHI) минут каждого часа. Предварительная обработка состоит в уравнивании пространственных разрешений снимков в силу их заметного различия (4 км – у МСУ-ГС/ВЭ и 2 км – у AHI). Фильтрация контрольных точек производится с использованием трёх критериев: расстояние между сопоставленными точками менее 0,5°, совпадение пар точек по направлению смещения, а также осуществляется фильтрация по порогу яркости. С использованием данной технологии на текущий момент рассчитано несколько миллионов значений высот облачности.
Для валидации полученных полей высот были реализованы автоматизированные процедуры сопоставления полученных высот с данными продукта CLTH, разработанного JMA (Mouri et al., 2016; Huo, 2020). Проанализированы массивы данных с ноября 2024 года по апрель 2025 года. Для стереопары «Арктика-Himawari» было сопоставлено около 220 тыс. точек. Коэффициент детерминации в этом случае с учётом предварительной фильтрации данных составил 0,83, что позволяет говорить о хорошей точности получаемых в результате работы технологии значений.
Проведённый анализ показал, что предложенный метод позволяет получать поля высот облачности с высокой частотой обновления и точностью, сопоставимой с CLTH. Принципиальным преимуществом разработанного подхода является переход от единичных точечных измерений к массовому систематическому мониторингу высоты облачности, что расширяет возможности оперативного мониторинга атмосферных явлений. Для дальнейшей валидации метода требуются дополнительные сравнения, в частности, с лидарными данными, такими как EarthCare.
За предоставленные данные спутников «Арктика-М» и Himawari-8/9 авторы выражают благодарность НИЦ «Планета».
Работа выполняется при поддержке Минобрнауки РФ (тема «Мониторинг», госрегистрация № 122042500031-8) с использованием возможностей Дальневосточного Центра НИЦ «Планета» и Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» (Лупян и др., 2019).