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