Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабораторный практикум. В.Ф. Говердовский, А.В. Дикинис / Лабораторный практикум В. Ф. Говердовский, А. В. Дикинис

.pdf
Скачиваний:
145
Добавлен:
17.08.2018
Размер:
5.78 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

___________ Федеральное агентство по образованию___________

ГОСУД АРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ В Ы С Ш Е ГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГО С УД АРС ТВЕН Н Ы Й ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИ ВЕРС И ТЕТ

В.Ф. Говердовский, А.В. Дикинис

Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Й П Р А К Т И К У М

по д и с ц и п л и н е

«К О С М И Ч Е С К А Я М Е Т Е О Р О Л О Г И Я »

Часть I. «Спутниковая метеорология»

Р еком ендован о У чебно -м етодически м объединением в о б л а с т и ги д ром етеорологи и в к а ч е с т в е учебного пособия

для с т у д е н т о в вы сш их учебны х заведений , обучаю щ ихся по сп ец и альн ости

«М ете о р о л о ги я » направления п о д го то вки «Г и д р о м ете о р о л о ги я »

Р Г Г М Ы

Санкт-Петербург

2 0 0 9

УДК 551.507.362.2

БК 39.62:26.23.в6

Говердовский В.Ф., Дикинис А.В. Лабораторный практикум по дисцип­ лине «Космическая метеорология». Ч. I. Спутниковая метеорология. -

СПб.: изд. РГГМУ, 2009. - 227 с.

I S B N 9 7 8 - 5 - 8 6 8 1 3 - 2 3 2 - 2

Основное внимание уделено лабораторным работам и задачам спут­ никовой (космической) метеорологии, существенным образом исполь­ зующей методы астрономии, прикладной небесной механики (динамики космического полета) и общей метеорологии (физики атмосферы) для осуществления комплексных измерений прямой и рассеянной (отражен­ ной) солнечной радиации, собственного излучения земной поверхности, встречного излучения атмосферы и уходящей радиации, характеризую­ щих состояние подстилающей поверхности Земли, облачности и атмо­ сферы до больших высот.

В начале каждой лабораторной работы приводятся краткие сведения из теории; методические указания и рекомендации по выполнению работ, ответы и решения (наиболее трудных) задач позволяют использовать практикум для самостоятельного изучения дисциплины.

Лабораторный практикум предназначен для студентов гидрометео­ рологических специальностей высших учебных заведений.

Рецензент: В.В. Степанов, канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотр. ААНИИ.

ъЯ' У hJ'h/'

I S B N 9 7 8 - 5 - 8 6 8 1 3 - 2 3 2 - 2

©Говердовский В.Ф ., Дикинис А.В., 2009

©Российский государственный гидрометеорологический

—универси тет (РГГМУ), 2009

П РЕДИ СЛ ОВИ Е

Спутниковая (космическая) метеорология - научное направле­ ние,предметом изучения которого,с одной стороны,является влия­ ние природных условий на распространение и трансформацию лу­ чистой энергии Солнца в системе «Земля-атмосфера», а с другой - использование различных видов излучения для научного исследо­ вания состояния компонентов этой системы, естественных объектов и образований,погодо- и климатообразующих процессов.

Основным методом научного исследования спутниковой ме­ теорологии является дистанционное зондирование - «... наблюде­ ние и измерение энергетических и поляризационных характери­ стик собственного и отраженного излучения элементов суши, океана и атмосферы Земли в различных диапазонах электромаг­ нитных волн, способствующее описанию местонахождения,харак­ тера и временной изменчивости естественных природных пара­ метров и явлений, природных ресурсов Земли, окружающей сре­ ды, а также антропогенных объектов и образований» (документ ООН «А/АС105/С.1/Л.94»)

Метеорологические спутники Земли впервые позволили полу­ чить качественную новую информацию о физических процессах в системе «Земля-атмосфера», о радиационных и тепловых пото­ ках, пронизывающих географическую оболочку Земли, о механиз­ мах взаимодействия солнечной радиации с подстилающей земной поверхностью,Мировым океаном и атмосферой.

Практикум по спутниковой метеорологии подготовлен препо­ давателями Российского государственного гидрометеорологиче­ ского университета (РГГМУ), имеющими многолетний опыт пре­ подавания соответствующего курса студентам гидрометеорологи­ ческих и океанологических специальностей. Следуя принципу, согласно которому студенты для прочного усвоения изучаемой дисциплины и ее практических приложений обязаны понять сущ­ ность метода научных исследований Земли из космоса и условия его реализации, особенности источников информации и способов ее получения и при этом получить навык к самостоятельной спе­ цифической работе, авторы включили в практикум только те лабо­ раторные работы, которые реально выполнимы.

При составлении практикума был использован ряд аналогич­ ных изданий прошлых лет не только по космической метеороло­ гии, но и по важнейшим сопутствующим научным дисциплинам: частично привлечен в переработанном виде материал из задачни­ ков по астрономии, небесной механике, общей метеорологии, ди­ намической метеорологии и т. п. [2,4, 6, 7, 9].

Основное назначение данного практикума по спутниковой ме­ теорологии - осмысление и углубление теоретических знаний, изучение методических принципов и способов получения, обра­ ботки и интерпретации информации, получаемой с помощью ап­ паратуры метеорологических спутников Земли (МСЗ), а также приобретение навыка к практическому решению специфических задач спутниковой (космической)метеорологии.

Лабораторный практикум условно подразделяется на три са­ мостоятельные части, каждая из которых содержит по три взаимо­ связанные лабораторные работы, что соответствует главным раз­ делам космической метеорологии. Последовательность лаборатор­ ных работ следует программе дисциплины. Каждая лабораторная работа содержит краткое теоретическое обоснование, контрольные вопросы для самопроверки знаний, задания и задачи, перечень ма­ териалов и рекомендуемой литературы для работы, порядок ее вы­ полнения и методические указания.

Краткое теоретическое обоснование лабораторной работы со­ держит основные, самые необходимые сведения, поясняет сущ­ ность и (или)методологию ее выполнения. Чаще всего оно состав­ лено таким образом, что для практического применения получае­ мых сведений требуется дополнительное использование учебни­ ков, а это приучает студентов к самостоятельной углубленной проработке необходимой научной литературы. В целях более глу­ бокого и детального ознакомления с изучаемыми вопросами сту­ дентам рекомендуются задачи для самостоятельного решения, ко­ торые разнообразны по содержанию и степени трудности. Многие из них снабжены ответами, а наиболее сложные - решениями.

Одни задачи являются иллюстративными примерами к соот­ ветствующему теоретическому материалу лабораторных работ, другие же представляют самостоятельный (познавательный) инте­ рес. Авторы полагают, что основным итогом их решения должен

4

быть не только численный ответ, но и всесторонний анализ его физического смысла. Поэтому в практикуме помещены не только задачи, но и задания на построение и анализ различных графиков, номограмм,а также вопросы для обсуждения.

Выбор конкретных задач для решения осуществляется по ука­ занию преподавателя или под его контролем по усмотрению самих студентов. Во всяком случае, студент должен самостоятельно пред­ ставить себе ход выполнения (алгоритм) каждой из задач и,по край­ ней мере,некоторые из них решить полностью. Важнейшие констан­ ты и справочные сведения, которые могут потребоваться для реше­ ния задачи или ответа навопрос,приводятся в приложении 1.

В процессе выполнения лабораторных работ целесообразно распределить 'обучающихся студентов по группам (2-3 человека), чтобы они,решая одну и туже задачу, имели возможность обсуж­ дать и согласовывать свои действия, вырабатывать навыки пра­ вильного подхода к решению поставленной задачи, к отысканию необходимых оптимальных для этого алгоритмов, критически оценивать полученные результаты, сопоставляя их с реальными данными ранее проведенных натурных исследований и опублико­ ванных. Это позволяет быстро и своевременно обнаружить и ис­ править ошибки,допущенные в практических действиях.

О выполнении лабораторных работ студенты представляют индивидуальный (или групповой, бригадный) письменный отчет в произвольной (или рекомендуемой преподавателем) форме, при составлении которого студент(ы) должен уметь пользоваться сжа­ той (краткой) формой записей, четкой формулировкой выводов, грамотным графическим отображением результатов.

Каждая из лабораторных работ практикума предусматривает порядок ее выполнения, а также использование тех или иных по­ собий или материалов - моделей, графиков, диаграмм, справочни­ ков, календарей астрономических, математических и астрономиче­ ских таблиц, планшетов, номограмм, калькулятора или персональ­ ной электронной вычислительной машины.

Авторы будут благодарны за отзывы и замечания, высказан­ ные по поводу практикума лабораторных работ по спутниковой (космической)метеорологии.

5

ВВЕДЕНИЕ

Дистанционное зондирование как метод научного исследования спутниковой метеорологии формировалось во второй половине про­ шлого века дополнительно к традиционным гидрометеорологиче­ ским наблюдениям и измерениям уземной поверхности и в атмосфе­ ре.В широком смысле понятие «дистанционное зондирование» (англ. remote sensing - чувствующий на расстоянии) означает изучение не­ контактным способом состояния объектов, процессов и явлений без непосредственного соприкосновения с ними.

В настоящее время под дистанционным зондированием Земли из космоса понимают изучение либо планеты Земля (системы «Земля-атмосфера») в целом, либо составляющих компонентов ее географической оболочки (среды), либо отдельных естественных объектов, образований или природных явлений, путем селекции (лат, selecto - выбор, отбор),регистрации и анализа их собственно­ го или отраженного ими электромагнитного излучения с помощью определенных технических средств, устанавливаемых на аэро- и космических носителях.

Географической называют оболочку земного шара, состоя­ щую из атмосферы, земной коры (литосферы), гидросферы, почв, растительности и животного мира, которые в своем строении и развитии неразрывно связаны другс другом и взаимообусловлены, образуют единое целое, генетически связанное с земной поверхно­ стью и обладающее своими специфическими законами существо­ вания.

Вместо термина «географическая оболочка»,подчеркивая осо­ бый смысл понятия, часто используют его синонимы (rp. synonymos - одноименный): «географическая среда», «климатическая система», «система «Земля-атмосфера» и др.

Географическая среда - это окружающая Общество природа, являющаяся необходимым и постоянным условием жизни людей на Земле (иногда говорят проще - окружающая природная среда).

Под климатической системой понимают совокупность погодо- и кпиматообразующих компонентов: атмосферы,литосферы,гидро­ сферы, криосферы и биосферы, имеющих различные физические

6

свойства и находящихся в состоянии сложнейших взаимодействий другс другом,характеризуемых прямыми и обратными связями.

Система Земля-атмосфера - это термин (rp. terminus - предел, граница), чаще всего обозначающий вполне определенные погодо­ образующие взаимоотношения земной поверхности и атмосферы.

Все понятия и термины, разные по звуковой форме, но близ­ кие по значению, сущности, употребляются для различия тех или иных смысловых оттенков.

Дистанционное зондирование Земли из космоса позволяет по­ лучать сведения о состоянии земной поверхности (суши и моря), снежного и ледникового покрытия, облачности; следить за воз­ никновением и эволюцией барических образований и атмосфер­ ных фронтов; обнаруживать и исследовать аэрозоли и примеси различного происхождения, а также газовые компоненты в атмо­ сфере; изучать тепловой режим планеты в целом и отдельных ее регионов, радиационный баланс и многое другое. Состав аппара­ туры на спутниках может меняться, конкретные технические уст­ ройства (приборы) постоянно модифицируются, поэтому в про­ цессе обучения целесообразно принимать во внимание прежде всего физический принцип работы того или иного устройства и использовать обобщенное понятие «сенсор» (отангл. sensor - дат­ чик) для обозначения любого комплекса или прибора, регистри­ рующего излучение и сохраняющего неизменным основной прин­ цип работы (телевизионный, сканерный, радиолокационный, ла­ зерный и т. п.).

В гидрометеорологических исследованиях Земли из космоса анализируют не только дискретную информацию о природных объектах, процессах и явлениях, получаемую в результате регист­ рации электромагнитного излучения в отдельных точках орбиты спутника или по определенным трассам, но и широко используют визуализированную форму представления спутниковой информа­ ции - космические изображения.

Совокупность работ по получению изображения Земли в це­ лом или специальной визуализированной информации (снимков) об изучаемых компонентах ее географической оболочки с помо­ щью космических летательных аппаратов принято называть кос­ мической съемкой.

7

Получение дискретной информации и съемка считаются пас­ сивными, если при этом регистрируются естественные отражен­ ные или излучаемые радиационные потоки, -иактивными - в слу­ чае фиксации отражаемого объектами природной среды излучения (радиолокатора или лидара,нанример).

Орбиты метеорологических спутников должны обеспечивать детальность обзора земной поверхности в полосе заданной шири­ ны, определенное время существования МСЗ, оптимальные усло­ вия функционирования установленной на спутнике научной аппа­ ратуры. Наиболее удобными для изучения системы Земля-атмо­ сфера из космоса являются круговые или близкие к ним орбиты, которые к тому же чаще всего бывают солнечно-синхронными. При движении по таким орбитам обеспечиваются одинаковая пе­ риодичность обзора, наблюдения над определенными районами Земли в одно и то же время, а также упрощается обработка и ана­ лиз принимаемой спутниковой информации. Определение поло­ жения МСЗ в пространстве относительно Земли в заданные мо­ менты времени осуществляется астрономическими методами. При изучении движения небесных тел - как естественных, так и искус­ ственных - прежде всего необходимо принимать во внимание си­ лы взаимного притяжения тел в пространстве, а это задача класси­ ческой небесной механики, для решения которой используется за­ кон всемирного тяготения.

Регулярная смена времен года на Земле является следствием трех астрономических причин: годового обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости земной орбиты (совпа­ дающей с плоскостью эклиптики)и сохранение земной осью своего направления в пространстве на протяжении длительных промежут­ ков времени. Благодаря совместному действию этих причин проис­ ходит видимое годовое движение Солнца по эклиптике, наклонен­ ной к небесному экватору, и поэтому положение суточного пути Солнца над горизонтом различных мест земной поверхности изме­ няется с годичным периодом, а следовательно, с этим же периодом изменяются условия их освещения и обогревания Солнцем.

Под влиянием сложных процессов, происходящих в иссле­ дуемых естественных объектах, отраженное солнечное или собст­ венное тепловое излучение претерпевает преобразования и моду­

лируется. При этом меняется его спектральный состав, энергия и степень поляризации. Это излучение содержит информацию о ве­ щественной сущности (внутреннем содержании) объекта и его со­ стоянии, структуре поверхности и архитектонике (сочетании час­ тей в одном стройном целом, композиции). Однако по пути от ис­ следуемого объекта к приемнику излучение подвергается влиянию атмосферы и ее включений - аэрозолей и облаков, воздействию помех, искажается за счетпоступательного движения космическо­ го аппарата, неравномерного распределения освещенности по по­ лю снимка, аберрации объектива съемочной системы и т. п. Здесь уже невозможно обойтись без знания общей метеорологии, дина­ мической метеорологии, физики атмосферы и общей физики.

Выполняемое на борту космического носителя цифровое ко­ дирование видеосигналов, преобразование информации (сжатие, уплотнение, устранение избыточности и пр.) сопровождается оп­ ределенными, заранее ограниченными потерями информации. По­ этому процесс получения информации всегда предусматривает контроль условий съемки и дистанционного зондирования - про­ странственных координат искусственного спутника Земли (ИСЗ) в определенные моменты времени, источников электромагнитного излучения, географического местонахождения изучаемого объек­ та, влияния атмосферы, точности оценки параметров состояния естественных образований,процессов и т. д.

Практикум лабораторных работ по курсу «Спутниковая ме­ теорология» условно подразделяется на три самостоятельные, но вполне взаимосвязанные части: «Дистанционное зондирование Земли из космоса», «Источники гидрометеорологической инфор­ мации при дистанционном зондировании Земли из космоса» и «Прием и первичная обработка информации метеорологических спутников Земли».

Первая часть определяет важнейшие условия дистанционного зондирования Земли из космоса: вычисление положения спутника в космическом пространстве, особенности счета времени при изу­ чении Земли из космоса, а также расчет координат подспутнико­ вой точки и трассы ИСЗ на поверхности планеты.

Вторая часть посвящена характеристике основных источников информации при дистанционном зондировании Земли из космоса,

трансформации излучения в системе Земля-атмосфера и специфи­ ке использования спутниковой информации для оценки состояния естественных объектов и образований (облачности), погодообра­ зующих процессов и явлений, контроля (мониторинга) окружаю­ щей природной среды.

Третья часть практикума объединяет лабораторные работы, посвященные изучению организации слежения за МСЗ, особенно­ стей получения и первичной обработки данных спутниковых на­ блюдений на автономном пункте приема информации (АППИ).

10