РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 2, c. 47–52
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ,
ПЛАНЕТ И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ И КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПОИСКА И СПАСАНИЯ
УДК 523.45-77
Многолетние вариации водяного пара
в Северной Атлантике по данным спутниковых
микроволновых измерений
А. Г.Гранков1,А.А.Мильшин2, Н.К.Шелобанова3,И.В.Черный4,Г.Г.Язерян5
1д. ф-м. н., 4д. т. н., 5к. т. н.
1,2,3Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН
4,5ОАО «Российские космические системы»
e-mail: amilshin@list.ru
Аннотация. На основе данных долговременных спутниковых СВЧ-радиометрических измерений получены оценки
межгодовых и внутригодовых вариаций среднемесячных значений общего содержания водяного пара в атмосфере
в Северной Атлантике с января 1988 г. ноябрь 2011 г. Выделены зоны, характеризующиеся наибольшей интенсивностью
тепло- и влагообмена между океаном и атмосферой — Гольфстримская, Ньюфаундлендская и НорвежскоГренландская.
Оценены долговременные тренды в изменении водяного пара в этих зонах. Отмечена особенность
поведения атмосферного водяного пара в 2010 г., когда наблюдались интенсивные нефтяные разливы в Мексиканском
заливе и сильнаялетняя засушливость на европейской территории России.
Ключевые слова: радиоизлучение, яркостная температура, система океан–атмосфера, потоки тепла, влаги и импульса,
спутниковые микроволновые данные, температура и влажность атмосферы, радиометры SSM/I и AMSR-E
Long-Term Variation of Total Vapor Over North Atlantic
Using a Satellite Microwave Data
A.G. Grankov1, A.A.Milshin, N.K.Shelobanova, I.V.Cherny2, G.G.Yazeryan3
1Ph. doctor, 2doctor of engineering science, 3сandidate of engineering science
Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: amilshin@list.ru
Abstract. On the basis of long-term satellite microwave radiometric measurements obtained estimates of inter-annual
and intra-annual variations of the monthly averages of total water vapor content in the atmosphere in the North
Atlantic between January 1988 and November 2011. The zones characterized by the most intensity heat and moisture
exchange between the ocean and the atmosphere — Gulf Stream, Newfoundland and Norwegian energy-active zones.
Estimated long-term trends in the change of water vapor in these areas. The peculiarity of the behavior of atmospheric
water vapor in 2010 when there was extensive oil spill in the Gulf of Mexico, this spring and summer drought
on strong European Russia.
Key words: radioemission, brightness temperature, ocean–atmosphere system, heat, latent and moment fluxes, satellite
microwave data, atmosphere temperature and humidity, radiometers SSM/I and AMSR-E
Стр.1
48
А.Г.ГРАНКОВ, А. А.МИЛЬШИН, Н. К.ШЕЛОБАНОВА, И.В.ЧЕРНЫЙ, Г. Г.ЯЗЕРЯН
Введение
Энергоактивные зоны Северной Атлантики
Норвежская, Ньюфаундлендская, Гольфстримская
и другие, находящиеся в русле Гольфстримского
и Северно-Атлантического течений, оказывают значительной
влияние на погодные условия и климатические
тенденции (тренды) на территории Европы
иевропейской частиРоссии [1, 2].Изучение
процессов крупномасштабного теплового и динамического
взаимодействияокеана и атмосферы представляет
интерес для анализа меридионального переноса
энергии в Северной Атлантике [3]. Тропическаячасть
Северной Атлантики являетсяобластью
зарожденияи формирования тропических циклонов
[4].
В настоящей работе анализируются межгодовые
и внутригодовые вариации климатически значимого
параметра системы океан–атмосфера — водяного
пара — на 10–20-летнем периоде [5, 6, 7].
Географической областью наших исследований
является Северная Атлантика с координатами
67N, 95W–0N, 0W. Дляобработки мы использовали
архивные данные многоканальных сканирующих
СВЧ-радиометров AMSR-E и SSM/I спутников
EOS-Aqua и DMSP, полученные в Remote
Sensing Systems (RSS). Исходными данными служили
файлы с суточным (восходящие и нисходящие
витки) глобальным распределением водяного
пара. Файлы содержат данные обработки измерений
радиометра AMSR-E за период с июня2002 г.
по октябрь 2011 г., а также радиометра SSM/I
за период с января по май 2002 г. и за ноябрь–
декабрь 2011 г. На основе глобальных данных были
получены оценки среднемесячных значений интегрального
влагосодержанияатмосферы Северной
Атлантики. Пространственное разрешение составляет
0,25◦ по широте и долготе. В докладе представлены
пространственно-временные распределения
водяного пара за десятилетний период. Выполнен
анализ особенностей межгодового распределенияводяного
пара. Для судовых станций (кораблей)
погоды M(MIKE —66N,0,5W), D(DELTA—
44N, 41W) и H (HOTEL — 38N, 71W), относящихсяк
Норвежской, Ньюфаундлендской и Гольфстримской
энергоактивной зоне (рис. 1), получены
оценки среднемесячных значений водяного пара
Рис. 1. Расположение судовых станций H (ГольфстримскаяЭАЗО),
D (Ньюфаундлендская ЭАЗО) и M (Норвежско-ГренландскаяЭАЗО)
относительно течения
Гольфстрим и Северо-Атлантического течения
за 24 г. В этот период входят данные, полученные
нами в более ранних работах [1] с 1988 по 1998 гг.
Анализ полей влажности
атмосферы в Северной Атлантике
по данным радиометра AMSR-E
На рис. 2 представлены оценки среднемесячных
значений общего содержанияводяного пара
в атмосфере в Северной Атлантике за 2009 (а),
2010 (б) и 2011 (в), играющего важную роль в тепловом
взаимодействии океана и атмосферы. Из
многочисленных данных за разные годы нами выделен
2010-й год, знаменательный разливами нефти
в Мексиканском заливе и аномально жарким
летом на европейской территории России. Мы наблюдаем
меридиональную и зональную закономерности
пространственного распределенияводяного
пара, границы которых варьируют от сезона к сезону.
Отмечаетсявысокая контрастность данного
параметра, меняющегося от 15 до 55 кг/м2 взависимости
от географической широты океана и сезона
года.
Дляколичественных оценок сезонных вариаций
водяного пара мы выполнили оценки среднего
значения, среднеквадратичного значения, минимального
и максимального значенияинтегрального
содержанияводяного пара по всей акватории Северной
Атлантики. Эти оценки за 2010 г. иллюстрирует
рис. 3. Общее содержание пара в Северной
Атлантике имеет выраженный сезонный ход
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.2
МНОГОЛЕТНИЕ ВАРИАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ
49
Рис. 2. Межгодовые и сезонные вариации водяного пара в атмосфере в энергоактивных областях
Северной Атлантики
с максимумом в августе (37,9 кг/м2) и минимумом
в зимний сезон (22,9–24,3 кг/м2). ДляСеверной
Атлантики характерны значительные измененияпара,
среднеквадратические значенияварьируют
от 11,8 до 15 кг/м2. Наибольшаяпространственнаяизменчивость
наблюдается в апреле, мае
и ноябре. Максимальные значения пара в течение
года практически не меняются и находятся в пределах
59,6–65,6 кг/м2.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.3
50
А.Г.ГРАНКОВ, А. А.МИЛЬШИН, Н. К.ШЕЛОБАНОВА, И.В.ЧЕРНЫЙ, Г. Г.ЯЗЕРЯН
Рис. 3. Оценка среднего значения, среднеквадратичного
значения, минимального и максимального значения интегрального
содержанияводяного пара по всей акватории
Северной Атлантики по данным радиометра AMSR-E
Распределение областей с минимальным содержанием
водяного пара носит сезонный характер,
минимум (1,2 кг/м2) отмечаетсяв январе,
а максимум (14,3 кг/м2)виюле.
Анализ влажности атмосферы
в Северной Атлантике по данным
радиометров SSM/I и AMSR-E
в локальных областях
Рассмотрим характер поведениясодержания
водяного пара в локальных областях. На рис. 4
представлены результаты обработки спутниковых
данных — среднемесячные значения общего влагосодержанияатмосферы
в областях M, D и H Северной
Атлантики в период с 1988 по 2012 гг. [1,7].
Из этой иллюстрации видно, что локальные вариации
водяного пара в эти годы имеют общую тенденцию,
но резко отличаютсяабсолютными значениями.
Диапазон значений пара в точке D находитсяв
пределах от 9,2 кг/м2 в июле 2010 г.
до 37,9 кг/м2 в июне 2011 г. Дляточки H соответственно
имеем: от 8,7 кг/м2 в июле 2010 г.
до 44,4 кг/м2 в августе 2009 г. и дляточки M:
от 5,7 кг/м2 в январе 1994 г. до 22,5 кг/м2 виюле
2003 г. Среднее значение содержание пара за наблюдаемый
период составило в точках D, H, M соответственно
21,1 кг/м2, 22,6 кг/м2 и 11,7 кг/м2.
Наибольшаяизменчивость пара за 24 г. отмечаетсяв
точке H — скв (среднеквадратическое значение)=
9,3 кг/м2, в D скв составляет 6,7 кг/м2
и в точке М скв= 3,9 кг/м2.
Рис. 4. Спутниковые СВЧ-радиометрические оценки
многолетних вариаций содержанияводяного пара в атмосфере
в областях M, D, H Северной Атлантики
Дляиз учения внутригодового хода содержанияводяного
пара мы использовали наши среднемесячные
данные за период с 2002 по 2011 гг., проведяосреднение
длякаждого месяца за этот период.
Результаты обработки представлены на рис. 5.
Наблюдаетсявыраженный внутригодовой ход пара.
Максимум кривых незначительно смещается,
отражаяфазовую задержку в распределении пара.
Данные в локальных областях хорошо коррелируют
с интегральными данными по всей Северной
Атлантике (рис. 3).
Рис. 5. Спутниковые СВЧ-радиометрические оценки
внутригодовых вариаций содержанияводяного пара
ватмосфере вобластях M,D,HСеверной Атлантики
в период 2002–2011 гг.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.4
МНОГОЛЕТНИЕ ВАРИАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ
В изучении температурного и влажностного
взаимодействияокеана и атмосферы важную роль
играет изменение содержанияводяного пара на годовых
масштабах. Длялокальных зон D, H, M за
период с 2002 по 2011 гг. мы получили ряд оценок
среднегодового содержанияводяного пара в атмосфере.
На
рис. 6 представлен график многолетного
хода среднегодового содержанияводяного пара
вточкахD,H,M.Оценкимноголетногоходасреднеквадратичных
изменеий, максимальных и минимальных
изменений приводятся на рис. 7 и 8. Интересным
моментом является снижение общего содержанияатмосферного
водяного пара в 2010 г.,
когда наблюдались интенсивные нефтяные разливы
в Мексиканском заливе и сильнаялетняязасушливость
на европейской территории России.
Этот факт можно объяснить уменьшением испаренияс
поверхности океана в Гольфстримской ЭАЗО
и снижением транспорта тепла в другие области,
находящиеся в русле течения Гольфстрим.
51
Рис. 7. Спутниковые СВЧ-радиометрические оценки скв
среднегодовых вариаций водяного пара в атмосфере
в областяхM, D, H Северной Атлантики в период 2002–
2011 гг.
Рис. 8. Спутниковые СВЧ-радиометрические оценки минимаксных
среднегодовых вариаций водяного пара в атмосфере
в областях M, D, H Северной Атлантики
в период 2002–2011 гг.
Рис. 6. Спутниковые СВЧ-радиометрические оценки вариаций
среднегодового содержанияводяного пара в атмосфере
в областях M,D,HСевернойАтлантикивпериод
2002–2011 гг.
В целом межгодовые изменениясреднегодовых
значений незначительны, за исключением 2010 г.,
и не превышают 2–3 кг/м2. Отклонение величины
скв (рис. 7) не превышает 1 кг/м2 за исключением
2010 г., когда величина скв составила 2 кг/м2.
Дляминимаксных оценок (рис. 8) мы наблюдаем
наибольшие отклоненияв 2010 г.
Заключение
В работе представлены результаты обработки
и анализа пространственно-временного распределенияинтегрального
влагосодержания атмосферы
Северной Атлантики на основании многолетних
спутниковых данных радиометров SSM/I
и AMSR-E. Приводятся оценки средних значений,
СКВ, максимальных и минимальных значений
как на глобальных масштабах (всяСеверная
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.5
52
А.Г.ГРАНКОВ, А. А.МИЛЬШИН, Н. К.ШЕЛОБАНОВА, И.В.ЧЕРНЫЙ, Г. Г.ЯЗЕРЯН
Атлантика), так и на локальных масштабах в областях
D, H, M. Выполнен анализ внутригодового
хода содержанияводяного пара за 2002–2011 гг.
и многолетнего хода за 1988–2011 гг.
Анализ выявил аномалию в распределении водяного
пара в 2010 г.
Авторы не включили в доклад материалы о вариациях
среднемесячных значений водяного пара
в Северной Атлантике по данным радиометра
МТВЗА-ГЯ спутника «Метеор-М» №1 за январь–
апрель 2009 г. [8], поскольку в настоящей работе
рассматриваютсяаспекты многолетних изменений
водяного пара.
Авторы выражают благодарность коллегам из
Remote Sensing System за предоставленные спутниковые
данные.
Список литературы
1. Гранков А. Г., Мильшин А.А. Взаимосвязь радиоизлучениясистемы
«океан–атмосфера» с тепловыми
и динамическими процессами на границе раздела.
М.: Наука, 2004. 168 с.
2. Armand N.A., Grankov A.G., Milshin A.A.,
Lappo S.S., and Gulev S.K.Use of the DataofSimultaneous
Satellite Microwave Radiometric and Shipborne
Measurements for the Study of Air-Sea Interaction
in the North Atlantic // Oceanology, 2004,
vol. 44, № 1. P. 44.
3. Гранков А. Г, Реснянский Ю.Д., Новичихин Е.П.,
Мильшин А.А. Моделирование отклика собственного
СВЧ-излучениясистемы «океан–атмосфера»
на горизонтальный перенос тепла в атмосферном
пограничном слое // Метеорологияи гидрология,
2014, №2, с. 33–44.
4. Grankov A.G., Marechek S.V., Milshin A.A.,
Novichikhin E.P., Golovachev S.P., Shelobanova
N.K., Shutko A.M. Elaboration of Technologies
for Diagnosis of Tropical Hurricanes Beginning
in Oceans with Remote Sensing Methods /
Chapterinmonograph «Advances inHurricane Research
— Modelling, Meteorology, Preparedness and
Impacts» http://dx.doi.org/10.5772/3399. Edited by
Kieran Hickey. InTech Publ. Hous. Dec. 5 2012.
198 p. (p. 23–41).
5. Гранков А. Г., Мильшин А.А., Солдатов В.Ю.,
Шелобанова Н.К. Архивы микроволновых, океанографических
и метеорологических данных в зонах
возникновениятропических ураганов // Проблемы
окружающей среды и природных ресурсов, 2012,
№5. . 107–124.
6. Гранков А. Г., Мильшин А.А.Анализ роливодяного
пара какхарактеристикитеплового взаимодействияокеана
и атмосферы // Современные проблемы
дистанционного зондированияЗемли из космоса,
2008, вып. 5, т. 1, с. 465–471.
7. Гранков А. Г., Мильшин А.А., Шелобанова Н.К.,
Черный И.В., Ямпольская Е.А. Межгодовые
и внутригодовые вариации водяного пара в Северной
Атлантике по данным спутниковых микроволновых
измерений // Тезисы докладов Двенадцатой
открытой Всероссийской конференции «Современные
проблемы дистанционного зондированияЗемли
из космоса». Москва. ИКИ РАН, 10–14 ноября
2014 г. C. 177.
8. Гранков А. Г., Мильшин А.А., Шелобанова Н.К.,
Черный И.В., Язерян Г. Г.Вариациисреднемесячных
значений водяного пара в Северной Атлантике
по данным радиометра МТВЗА-ГЯ на волне
1,26 см // Тезисы докладов. Двенадцатаяоткрытая
Всероссийскаяконференция «Современные проблемы
дистанционного зондированияЗемли из космоса».Москва.
ИКИ РАН, 10–14 ноября 2014 г. C. 20.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.6