Целью курса ”Космические методы исследования в метеорологии” является ознакомление студентов с общими представлениями и состоянием дистанционного способа получения информации.
Задачей курса ”Космические методы исследования в метеорологии” является теоретическое освоение и овладение некоторыми практическими методами интерпретации данных метеоспутников для использования в службе диагноза и прогноза погоды.
Место курса в профессиональной подготовке выпускника
Овладение современными методами обработки и использования спутниковой информации в Службе погоды и теоретических разработках по созданию современных физико-математических моделей для целей изучения Климатической системы Земли. Входит в блок обще профессиональных дисциплин.
Требования к уровню освоения курса сводятся к следующему.
Студент должен располагать знаниями в области:
Студент должен владеть практикой работы:
Студент должен знать:
Введение. Предмет и задачи космических методов исследования и их место среди метеорологических дисциплин. Социально-экономическая роль космических исследований для научно-технического прогресса. Основные этапы развития спутниковых метеорологических исследований. Международное сотрудничество в области освоения космического пространства. Организация международных центров для систематической обработки и анализа информации, поступающей с МСЗ.
1. Основы теории движения искусственного спутника Земли. Невозмущенное движение. Астрономические координаты. Вспомогательная небесная сфера, основные точки, линии и круги на ней. Закон всемирного тяготения. Траектория полета ИСЗ. Плоскость орбиты спутника. Элементы орбиты ИСЗ. Уравнение движения ИСЗ в плоскости орбиты. Скорость движения спутника по орбите. Период обращения спутника. Возмущенное движение ИСЗ. Понятие о возмущенной силе. Уравнения движения спутника с учетом возмущающих сил. Возмущения, вызываемые несферичностью Земли и сопротивлением атмосферы. Орбита и тепловой режим спутника. Возмущающее влияние планет, Солнца и светового давления. Время существования спутника. Типы орбит ИСЗ. Определение географических координат ИСЗ.
2. Метеорологическое зондирование атмосферы из космоса. Физические основы получения метеорологической информации из космоса. Общая характеристика методов дистанционного зондирования. Основные понятия теории излучения. Модели атмосферы. Типы подстилающих поверхностей. Радиационные процессы в атмосфере и на поверхности Земли. Основы методов дистанционного зондирования. Дистанционные измерения метеорологических величин. Определение температуры поверхности моря и верхней границы облачности. Определение вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы. Определение содержания водяного пара и жидкой воды в атмосфере. Определение ветра по снимкам облачности с геостационарных ИСЗ. Использование дистанционного температурного зондирования атмосферы в численном анализе метеорологических полей.
3. Метеорологические спутники Земли. Научная и служебная аппаратура метеорологических спутников Земли. Научная аппаратура, работающая в видимом диапазоне электромагнитных волн, инфракрасная аппаратура, микроволновая (СВЧ) аппаратура. Перспективы развития спутниковых измерений. Система управления движением. Радиотелеметрическая система. Сбор и регистрация спутниковой информации. Глобальная система метеорологических наблюдений. Российские метеорологические спутники. Метеорологическая космическая система (МКС) "Метеор". Геостанционарный метеорологический спутник. Спутники для изучения природных ресурсов "Метеор-Природа", и "Метеор-ресурс", океанографические спутники. Метеорологические спутники зарубежных стран. Научно-исследовательский спутник серии "Нимбус", спутник для исследования природных ресурсов "Лэндсат". Спутник для океанографических исследований "Сисат". Геостационарный спутник ГОЭС, "Метеосат".
4. Основные виды метеорологической информации, получаемой с МСЗ, Общая характеристика спутниковой метеорологической информации. Основные требования к метеорологической информации, получаемой с МСЗ. Космические снимки, получаемые в видимом, инфракрасном и микроволновом участках спектра. Радиационные, спектрометрические и микроволновые данные. Понятие о цифровом и аналоговом методах передачи информации с ИСЗ. Автоматизация обработки спутниковой информации. Временная и географическая привязка космических изображений. Математические основы географической привязки. Географическая привязка космических снимков, полученных в режиме непосредственной передачи информации. Планшет и диаграмма слежения. Расчет целеуказаний. Ошибки географической привязки снимков. Метеорологическое дешифрирование космических снимков облачности. Особенности получения изображений в различных участках спектра. Основы методики дешифрирования космических снимков. Основные дешифровочные признаки. Текстура, мезо- и макроструктура изображения. Дешифрирование снимков облачности. Основные типы и количество облачности. Распознавание на космических снимках облачности над снегом и льдом. Солнечный блик, литометеоры и гидрометеоры на космических снимках. Особенности совместного дешифрирования космических снимков, одновременно полученных в видимом и инфракрасном участках спектра. Дешифрирование снимков, полученных в микроволновом участке спектра. Дешифрирование объектов подстилающей поверхности, береговой линии, льдов. Фотокарты и карты нефанализа. Перспективы автоматизации дешифрирования изображений.
5. Использование данных наблюдений с МСЗ в синоптическом анализе и прогнозе. Использование космических снимков облачного покрова в анализе синоптического положения. Внутримассовая облачность. Облачные системы теплых и холодных воздушных масс. Облачность атмосферных фронтов. Облачность вторичных фронтов, предфронтальных и зафронтальных линий шквалов. Влияние орографии на фронтальные облачные системы. Облачность циклонических образований, фронтальных циклонов, орографических циклонов, местных циклонов, высотных барических ложбин. Облачность антициклонов и барических гребней, струйных течений. Использование космических снимков облачного покрова в прогнозе синоптического положения. Оценка эволюции облачного поля. Признаки формирования и эволюции облачной полосы атмосферного фронта; возникновения циклонов. Основные признаки эволюции циклонического образования. Признаки и оценка скорости перемещения циклонов. Оценка перестройки атмосферных процессов. Карты прогноза эволюции облачных образований. Особенности использования данных об облачности при синоптическом анализе в тропической зоне. Классификация облачных систем тропической зоны. Облачные системы внутритропической зоны конвергенции (ВЗК), пассатных (восточных) волн, тропических циклонов, муссонного происхождения. Анализ мезо-масштабных и локальных атмосферных процессов. Конвективные облачные системы на космических снимках. Конвективные ячейки и их связь с движением воздуха в атмосфере. Конвективные гряды облачности. Оценка скорости и направления ветра в тропосфере. Массивы и гряды кучево-дождевых облаков. Конвективные облачные вихри. Орографические облачные системы. Облачные системы, связанные с фёновыми эффектами. Влияние островов, горных хребтов и изолированных препятствий на формирование облачности. Облачные системы, связанные с неоднородностью температуры и шероховатостью подстилающей поверхности. Облачные системы вблизи береговой линии, связанные с эффектами трения. Влияние температурной неоднородности подстилающей поверхности на распределение облачности. Облачные системы, связанные с местными циркуляциями. Применение данных об облачности при оценке некоторых метеорологических параметров. Определение поля скорости ветра по распределению температуры, влажности и облачности. Перспективы использования спутниковой информации в службе погоды, в том числе использование спутниковой информации для анализа и прогноза осадков.
Темы лабораторных занятий
Лабораторные занятия призваны закрепить знания студентов по отдельным разделам курса "Космические методы исследования в метеорологии", привить им первые навыки самостоятельной работы со спутниковой информацией.
1. Распознавание приземных объектов на снимках МСЗ.
2. Географическая привязка снимков.
3. Составление целеуказаний для наблюдения за МСЗ в зоне радиовидимости наземной наблюдательной станции.
4. Нефанализ. Построение карт.
5. Распознавание облаков на снимках ТВ и ИК диапазона, анализ облачности.
6. Связь облаков с синоптическими объектами.
7. Определение характеристики (стадии развития) внетропических циклонов. Опознавание атмосферных фронтов.
8. Определение направления ветра и скорости струйных течений.
9. Анализ в тропической зоне. Тропические циклоны.
Темы семинарских занятий
1. Основы теории движения ИСЗ.
2. Анализ мезомасштабных и локальных атмосферных процессов.
Перечень контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы
1. Нефанализ: изучение текстуры подстилающей поверхности и облаков, а также мезоструктуры облачных скоплений.
2. Работа со спектрометрической информацией ИСЗ: статистическая обработка данных, использование пороговых яркостей для разделения облачных и безоблачных полей.
3. Восстановление температуры поверхности океана и верхней границы облаков для тропической зоны по измерениям ИСЗ в окнах прозрачности атмосферы.
Примерный перечень вопросов к экзамену и зачету
1. Возмущающие факторы, их влияние на полет ИСЗ, орбитальные и телеметрические данные, виды орбит.
2. Основные понятия движения ИСЗ, параметры орбиты.
3. Основные виды метеорологических ИСЗ России, США, Европы и других стран.
4. Задачи ИСЗ в общей программе исследования глобальных атмосферных процессов.
5. Телевизионная информация, особенности ее получения и первичная обработка, разрешение, полоса обзора.
6. Основные принципы получения и характеристики инфракрасных изображений.
7. Принципы дешифрирования облачного покрова, текстура и мезоструктура, формы и количество облаков.
8. Карты нефанализа, техника составления, различия в оценках количества и типов облаков по спутниковым и наземным данным.
9. Дешифрирование поверхности, связь яркости изображения с альбедо ландшафта, виды текстуры поверхности, их распознавания по снимкам в различных диапазонах спектра излучения.
10. Облачные системы мезомасштаба: ячейковая, полосная, вихревая, их связь с атмосферными процессами.
11. Облачные системы макромасштаба во внетропических широтах.
12. Облачные системы тропической зоны.
13. Прогностические признаки эволюции облачных систем атмосферных фронтов, вихрей на изображениях.
14. Влияние островов и рельефа на мезомасштабные облачные структуры.
15. Восстановление температуры поверхности по данным ИСЗ, прямой и косвенные методы.
16. Восстановление вертикального распределения температуры в атмосфере, затрудняющие факторы, способы обработки, точность.
17. Дистанционное зондирование в радиодиапазоне, уравнение СВЧ излучения, пассивная и активная радиолокация.
18. Получение сведений о метеопараметрах по измерениям ИСЗ в СВЧ (микроволновом) диапазоне.
19. Климатология облачного покрова Земли на основе спутниковой информации, влияние площади осреднения на точность получения информации.
20. Климатология радиационного баланса Земли, особенности актинометрической информации и её обработки на спутниках системы "Ресурс".
|
№№ п/п |
Наименование тем |
Всего часов |
Аудиторные занятия (час.) |
Самостоятельная работа |
||
|
в том числе |
||||||
|
лекции |
семинары |
лабораторные занятия |
||||
|
Введение. Основы теории движения. |
4 |
2 |
... |
2 |
... |
|
|
2 |
Метеорологическое зондирование атмосферы и поверхности из космоса |
6 |
2 |
... |
... |
4 |
|
3 |
Метеорологические спутники Земли |
4 |
2 |
... |
2 |
... |
|
4 |
Метеорологическое дешифрирование космических изображений |
4 |
2 |
... |
2 |
... |
|
5 |
Спектрометрическая информация |
6 |
2 |
... |
2 |
2 |
|
6 |
Термическое зондирование атмосферы и поверхности в ИК диапазоне |
6 |
4 |
... |
... |
2 |
|
7 |
Информация ИСЗ в микроволновом диапазоне. |
6 |
2 |
... |
... |
4 |
|
8 |
Методы пассивной и активной радиолокации. Ледовая разведка |
6 |
2 |
... |
4 |
... |
|
9 |
Нефанализ для большой территории |
6 |
2 |
...
|
4 |
... |
|
10 |
Виды текстуры облачных структур и типы облаков |
6 |
2 |
... |
2 |
2 |
|
11 |
Мезоструктура облачных скоплений |
6 |
2 |
... |
2 |
2 |
|
12 |
Макроструктура облаков |
6 |
2 |
... |
4 |
... |
|
13 |
Облачные системы антициклонов, мезомасштабные структуры различных воздушных масс |
8 |
4 |
... |
2 |
2 |
|
14 |
Применение данных ИСЗ об облачности для оценок метеопараметров |
4 |
2 |
...
|
2 |
... |
|
15 |
Облачные системы в тропиках |
8 |
2 |
... |
... |
6 |
|
16 |
Спутниковая климатология |
4 |
2 |
... |
2 |
... |
|
ИТОГО: |
90 |
36 |
... |
28 |
26 |
|
4. Формы итогового контроля
Экзамен в седьмом семестре.
5. Учебно - методическое обеспечение курса
1. Герман М.А. Космические методы исследования в метеорологии.- Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 351 с.
2. Говердовский В.Ф. Космическая метеорология с основами астрономии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1995.- 350 с.
3. Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды / Под ред. И.П.Ветлова, Н.Ф.Вельтищева. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 299 с.
4. Кондратьев К.Я. Спутниковая климатология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 261 с.
5. Использование изображений со спутников в анализе и прогнозе погоды. Техническая записка ВМО №124. - Изд-во ВМО, 1973. - 275 с.
Дополнительная
1. Синоптический анализ облачного покрова, получаемых с ИСЗ/ Под ред. Т.П.Поповой Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
2. Мезометеорология и краткосрочное прогнозирование: Пособие для самостоятельной работы студентов / Под ред. Н.Ф. Вельтищева, Изд-во ВМО, 1988.
3. Матвеев Л.Т. Глобальное поле облачности. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986
4. Н.А. Калинин, Н.И. Толмачева Практикум по космическим методам исследований в метеорологии. - Изд-во Пермского гос. ун-та, Пермь. - 2004.
5. Справочник потребителя спутниковой информации / под ред. В.В. Асмуса, О.Е. Милехина. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2002.- 108 с.