1.2. Спектральні канали основних метеорологічних супутників

Фізичні основи одержання зображень у видимій і інфрачервоній ділянках спектру

Об'єктами дослідження із супутників у видимій ділянці спектру є хмари та відкриті ділянки земної поверхні. Можливість виявлення хмарності на фоні підстильної поверхні базується на їхній різній здатності відбивати падаючу на них пряму і розсіяну радіацію, завдяки чому на знімках вони характеризуються різною яскравістю. Яскравість B поверхні об'єкта визначається інтенсивністю відбитого світлового потоку й залежить від його освітленості Е , коефіцієнта відбиття р і пов'язана з ним наступним співвідношенням:

B=1/p* p (1.1)

Відповідно до формули (1.1), яскравість B поверхні об'єктів з однаковими відбивними властивостями р зростає при збільшенні освітленості і слабшає при її зменшенні. Яскравість об'єктів з різними відбивними властивостями різна при одній і тій же освітленості.

Освітленість об'єктів залежить від висоти Сонця, прозорості атмосфери, нахилу поверхні, її шорсткості та інших факторів. Найважливішим фактором, що визначає освітленість горизонтальної поверхні, є висота Сонця. При безхмарному небі зі збільшенням висоти Сонця зростає освітленість горизонтальної поверхні прямою і розсіяною радіацією, причому першою значно більше, ніж другою.

Прозорість атмосфери визначається змістом у ній аерозолю (крапель води, кристалів льоду, пилу, димових часток). При зменшенні прозорості атмосфери, пов'язаної зі збільшенням змісту аерозолів, зменшується освітленість розсіяним світлом. Внаслідок помутніння атмосфери при низькому положенні Сонця відбуваються більші втрати в загальній освітленості горизонтальної поверхні, тому що, в цьому випадку сонячні промені проходять через більшу товщу атмосфери.

У хмарному покриві часто спостерігаються потужні купчасті й купчасто-дощові хмари, товщина яких досягає декількох кілометрів, а горизонтальні розміри 10-15 км і більше. Нерідко ці хмарні утворення, зближаючись, утворюють протяжні хмарні вали розміром у десятки і сотні кілометрів.

При відмінному від зеніту положенні Сонця звернені до нього похилі ділянки хмарного покриву й особливо бокові поверхні потужних купчастих і купчасто-дощових хмар на знімках у видимій ділянці спектру виглядають більш яскравими, ніж горизонтальні поверхні з такими ж відбивними властивостями.

Шорсткість верхнього краю суцільного хмарного покриву і відкритих ділянок земної поверхні приводить до створення великої кількості тіней. Кількість тіней тим більша, чим більша шорсткість поверхні і чим менше кут падіння сонячних променів у момент знімання інформації.

Здатність поверхні об'єкта відбивати падаючу на неї радіацію в метеорології прийнято характеризувати альбедо, або коефіцієнтом відбиття. Значення альбедо А різне для різних довжин хвиль падаючої радіації й визначається у відсотках зі співвідношення:

А=Е_отр/Е_пад*100,

де Е_отр – світловий потік, відбитий поверхнею в усіх напрямках;

Е_пад світловий потік, що падає на поверхню (освітленість).

Об'єкти земної поверхні звичайно не відбивають помітної кількості радіації із своїх внутрішніх областей у вигляді розсіяного світла. Світловий потік поглинається або відбивається від поверхні цих об'єктів.

Хмари являють собою скупчення великої кількості водяних часток і крижаних кристалів і у зв'язку із цим є об'єктами, що сильно розсіюють світло. Вони значно послаблюють радіацію, що проходить через них, і, на відміну від об'єктів підстильної поверхні, відбивають зі своїх внутрішніх областей проникаючу туди радіацію.

Результати спостережень і теоретичні дослідження показують, що відбивні властивості хмар тісно пов'язані з властивостями пропускання ними прямої й розсіяної сонячної радіації, а також від відбивною здатності підстильної поверхні, що перебуває під хмарами. Альбедо хмар, в основному, визначається їхньою вертикальною потужністю, водністю, фазовим станом і висотою Сонця. Середні значення альбедо хмар наведені в табл.1.1.

Таблиця 1.1.

Середнє значення альбедо різних хмар, виміряне по телевізійних зображеннях

[Використання зображень із супутників в аналізі й прогнозі погоди.

Технічна записка ВМО №124/Під ред. Р.К. Андерсена й Н.Ф.Вельтищева, - Л.: Гидрометеоиздат, 1974]

Форма хмар	А%
Купчасто-дощові(великі, потужні)	92
Купчасто-дощові (дрібні, вершини на висоті 6 км)	86
Перисто-шаруваті (потужні з нижче розташованою хмарністю й опадами)	74
Купчасті й шарувато-купчасті (значні над сушею)	69
Шарувато-купчасті	68
Шаруваті (потужні)	68
Масиви шарувато-купчастих (у середині суцільного хмарного покриву над океаном)	60
Форма хмар	А%
Шаруваті (тонкі)	42
Перисті над сушею	36
Форма хмар	А%
Перисто-шаруваті над сушею	32
Купчасті гарної погоди над сушею	29

З даних таблиці видно, що хмари верхнього ярусу перисті і перисто-шаруваті, незважаючи на значну в середньому вертикальну потужність (1.5-2.5 км), володіють малим альбедо. Ці хмари складаються із крижаних кристалів, відрізняються незначної водністю (0.002-0.003 г/м³) і тому майже прозорі для сонячної радіації.

Хмари середнього ярусу – купчасті і високо-шаруваті характеризуються, в порівнянні, із хмарами верхнього ярусу меншою вертикальною потужністю. Товщина високо-купчастих хмар становить приблизно 300 м, а високо-шаруватих – від 600 до 1000 м. Однак водність хмар середнього ярусу більше водності хмар верхнього ярусу (0.07-0.09 г/м³) через наявність водяних крапель. Альбедо хмар середнього ярусу значно більше, ніж хмар верхнього ярусу.

Хмари нижнього ярусу – купчасті, шаруваті й шарувато-дощові – характеризуються ще більшої водністю (0.14-0.22 г/м³). Вертикальна потужність шарувато-купчастих хмар у середньому близька до вертикальної потужності хмар середнього ярусу й коливається в межах 300-600 м. Потужність шарувато-дощових хмар може досягати 5-6 км і більше. У зв'язку із цим хмари нижнього ярусу характеризуються більшим діапазоном значень альбедо.

Хмарам вертикального розвитку, водність яких особливо велика (0.38-1.70 г/м³), а вертикальна потужність може досягати 4-12 км, відповідають більші значення альбедо. Виключення становлять купчасті хмари гарної погоди, що мають невеликі вертикальні і горизонтальні розміри (десятки і сотні метрів). Середні значення альбедо купчастих хмар, судячи з експериментальних даних, близькі до середнього значення альбедо шарувато-купчастих хмар.

У відповідності до середніх значень альбедо, за відбивною здатністю хмари можна розташувати в наступному порядку: кучево-дощові (Сb), купчасті (Сu), шарувато-купчасті (Sc), шаруваті (St), перисті (Si).

У табл. 1.2 наведені альбедо різних видів підстильної поверхні.

Відомо, що альбедо підстильної поверхні, залежить від її фізичних властивостей, вологості й ступеню шорсткості.

Альбедо зменшується із зростанням вологості й збільшенням шорсткості об'єктів. Поверхня ґрунтів і рослинний покрив світлого кольору (білий і світлий пісок, жовтого кольору жито й пшениця) мають більшу відбивну здатність, ніж поверхня ґрунтів і рослинний покрив темного кольору (чорнозем, хвойний ліс). Особливо сильно змінюється альбедо снігу. Якщо для щойно випавшого, сухого і чистого снігу альбедо коливається в межах 86-95, (то для забрудненого, сильно просоченого водою і пористого снігу воно зменшується до 30).

З порівняння альбедо хмар і підстильної поверхні видно, що розбіжність між ними коливається в широких межах. Якщо альбедо хмар нижнього ярусу в середньому перевищує альбедо підстильної поверхні на 50-60, (то відбивна здатність хмар верхнього ярусу відрізняється від відбивної здатності підстильної поверхні у середньому на 19-20) . Особливо мале розходження ( 2-8) між альбедо хмар верхнього ярусу і підстильної поверхні при більших кутах Сонця. У зв'язку із цим у виявленні по знімках у видимому діапазоні спектру хмар верхнього ярусу над окремими ділянками Землі (піщана пустеля, сніг) можуть виникати більші труднощі.

Таблиця 1.2

Альбедо різних видів підстильної поверхні

[Використання зображень із супутників в аналізі й прогнозі погоди.

Технічна записка ВМО №124/Під ред. Р.К. Андерсена й Н.Ф.Вельтищева, - Л.: Гидрометеоиздат, 1974]

Вид підстильної поверхні	А%
Водна поверхня	2-6
Чорнозем	11
Деревна рослинність	10-18
Хвойний ліс	12
Трав'яний покрив	18-20
Забруднений вологий сніг	20-30
Поверхня глинистої пустелі	29-31
Пісок білий	34-40
Лід (залежно від згуртованості і засніженості)	30-70
Щойно випавший сніг	80
Сніжна поверхня Антарктиди	83-84

У тому випадку, коли в хмарному покриві спостерігаються просвіти або розриви, загальне альбедо хмарного покриву зменшується. Якщо хмарний покрив складається із дрібних хмарних елементів, розділених невеликими просвітами, то при загальному зниженні яскравості просвіти на знімку у видимій ділянці спектра не виявляються.

Таким чином, по яскравості або тону зображення на знімках у спектральному діапазоні 0.4-0.76 мкм є можливість розпізнати особливості просторового розподілу хмарності над різними підстильними поверхнями.

Для одержання відомостей про хмарність над затіненою і освітленою частинами Землі використовується також інфрачервона (IR) апаратура, що є радіометричним пристроєм, що вимірює теплове випромінювання.

Підстильна поверхня Землі й хмарність випромінюють в IR області спектру як абсолютно чорне тіло (відповідно до формули Стефана-Больцмана I=sT⁴). У зв’язку з тим, що в тропосфері і нижній стратосфері температура зменшується з висотою, в більшості випадків хмарність випромінює при більш низьких температурах, чим підстильна поверхня, тому випромінювання від хмар звичайно буває набагато меншої інтенсивності, ніж від підстильної поверхні.

Установлена на метеорологічних ШСЗ IR апаратура дозволяє за різницею випромінювання відрізняти хмари від підстильної поверхні, або виділяти хмари різних ярусів.

При проходженні через атмосферу IR радіація частково поглинається нею. Основними поглиначами IR випромінювання в атмосфері є водяна пара (H₂O), вуглекислий газ (СО₂), озон (О₃) і аерозоль, причому переважне значення в поглинанні довгохвильової радіації належить водяній парі. Поглинання IR випромінювання водяною парою й газами носить селективний характер, тобто випромінювання на різній довжині хвилі поглинається в різному ступені.

У зв’язку з тим, що хмари (за винятком тонких Сi) непрозорі для IR випромінювання, радіометром вимірюється енергія, випромінювана поверхнею Землі в районах, вільних від хмар, або верхньою межею хмарного покриву. Інтенсивність радіації, що попадає на супутник, вимірюється з певної ділянки Землі і атмосфери, що перебуває в межах елементарного кута зору супутника. На виході радіометра випромінювання кожного елементу просторового дозволу відповідає певний сигнал, амплітуда якого пропорційна енергії в спектральній смузі радіометра. Ці сигнали перераховуються в значення еквівалентної температури для кожного елементу зображення.

Еквівалентна радіаційна температура - це температура абсолютно чорного тіла, що генерує те ж випромінювання, що й дана поверхня.

IR знімки формуються завдяки наявності контрастів між підстильною поверхнею і хмарами, тому їх іноді називають «тепловими». Звичайно на теплових (IR) знімках об'єкти, що мають більше високу температуру і отже, що випромінюють більшу кількість енергії, зображуються у вигляді більш яскравих областей, ніж об'єкти з меншою температурою. Хмари в більшості випадків мають більш низьку температуру, ніж підстильна поверхня, на таких знімках хмарність мала б більш темний тон зображення, чим підстильна поверхня. Для того, щоб наблизити зорове сприйняття інфрачервоних зображень до зображень у видимому діапазоні, на практиці використовуються інверсійні зображення, на яких більш холодна хмарність має світлий тон зображення, а тепла підстильна поверхня - темний тон зображення. Більш яскраві ділянки на таких знімках відповідають хмарам, що досягли найбільших висот і мають найбільш низьку температуру верхньої межі. Менш яскраві ділянки відповідають хмарам з більш високою температурою верхньої межі або тонким хмарам верхнього й середнього ярусів і хмарних масивів із просвітами, випромінювання від яких змішується з випромінюванням від земної поверхні. У холодну пору року при потужних приземних інверсіях, що виникають уночі внаслідок сильного вихолоджування, верхня межа шаруватої хмарності може мати більш високу температуру, ніж підстильна поверхня. У цьому випадку хмари на IR зображеннях виглядають темніше безхмарного простору, їх прийнято називати чорними шаруватими хмарами.

Поверхня суші на зображеннях зазвичай має темно-сірий тон, але внаслідок її температурної неоднорідності виражена різними півтонами. Так низинні ділянки місцевості за тоном зображення відрізняються від ділянок, розташованих вище над рівнем моря. Завдяки великому тепловому контрасту між сушею і водною поверхнею на знімках добре видно берегові лінії морів, контури озер і великих рік.

Спектральні канали супутника METEOSAT 8, 9 ( MSG-1, MSG-2)

Опис спектральних каналів супутника METEOSAT 8, 9 наведено у таб. 1.3.

Таблиця 1.3.

Спектральні канали супутника METEOSAT 8, 9

Канал	Спектральний інтервал у мкм	Можливе використання
VIS0.6	0.56 - 0.71	Розподіл хмарності, визначення альбедо (у денний час).
VIS0.8	0.74 - 0.88	Розподіл хмарності й різних типів земної поверхні, визначення альбедо (у денний час).
NIR1.6	1.50 - 1.78	Розподіл хмарності й визначення її фазового стану .
IR3.9	3.48 - 4.36	Розподіл хмарності й снігового покриву, визначення фазового стану хмарності.
WV6.2	5.35 - 7.15	Особливості розподілу водяної пари (ВП) для аналізу синоптичних процесів; вміст ВП у верхній тропосфері ВВТ (Вологість Верхньої Тропосфери)
WV7.3	6.85 - 7.85	Особливості розподілу водяної пари (ВП) для аналізу синоптичних процесів; вміст ВП у середній тропосфері ВСТ (Вологість Середньої Тропосфери)
IR8.7	8.30 – 9.1	Розподіл хмарності й визначення температури поверхні (денний, нічний час)
IR9.7	9.38 - 9.94	Розподіл озону в нижній стратосфері
IR10.8	9.80 - 11.80	Розподіл хмарності й визначення температури поверхні (денний, нічний час)
IR12.0	11.00 – 13.00	Розподіл хмарності й визначення температури поверхні (денний, нічний час)
IR13.4	12.40 – 14.40	Розподіл хмарності верхнього ярусу.
HRVIS	0.4 – 1.1	Розподіл хмарності й різних типів земної поверхні, визначення альбедо (у денний час).

VIS06 - Видимий: 0.56 - 0.71 мікрон

У цьому спектральному діапазоні супутник приймає сонячну радіацію відбиту від земної підстильної поверхні і хмарності. Це так звані канали прозорості, тобто радіація поглинається в тропосфері газами досить слабо; іншими словами в цьому каналі можна бачити земну підстильну поверхню, або верхню частину хмарності.

Різні відтінки сірого кольору на зображенні у видимому каналі представляють різні цифрові значення альбедо (таб. 1.4).

Таблиця 1.4.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі VIS06

Яскравий колір	Більші значення альбедо	Щільні хмари, земна поверхня (сніг)
Сірий колір	Низькі значення альбедо	Тонка напівпрозора хмарність
Темний колір	Відсутність відбиття	Водна поверхня й рослинність

VIS08 - Видимий: 0.74 - 0.88 мікрон

У цьому спектральному діапазоні супутник приймає сонячну радіацію відбиту від земної підстильної поверхні і хмарності. Це так звані канали прозорості, тобто, радіація поглинається в тропосфері газами незначно; іншими словами, в цьому каналі можна бачити земну підстильну поверхню, або верхню межу хмарності. Причому земна поверхня має значно більшу відбивну здатність, ніж у каналі VIS06

Різні відтінки сірого кольору на зображенні у видимому каналі представляють різні цифрові значення альбедо (табл. 1.5).

Таблиця 1.5.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі VIS08

Яскравий колір	Більші значення альбедо	Щільні хмари, земна поверхня (сніг)
Сірий колір	Низькі значення альбедо	Тонка напівпрозора хмарність, рослинність
Темний колір	Відсутність відбиття	Водна поверхня й і земна поверхня

NIR1.6 – Ближній інфрачервоний: 1.50 - 1.78 мікрон

У цьому спектральному діапазоні супутник приймає відбиту від земної підстильної поверхні і хмарності сонячну радіацію. Це канал, де поглинання льоду (снігу) набагато сильніше, ніж води, тому в цьому каналі можна відрізнити водну хмарність від кристалічної і від снігового покриву.

Різні відтінки сірого кольору на зображенні в цьому каналі представляють різні цифрові значення альбедо (табл. 1.6).

Таблиця 1.6.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі NIR1.6

Яскравий колір	Великі значення альбедо	Щільні водяні хмари, пустеля
Сірий колір	Низькі значення альбедо	Тонка напівпрозора хмарність, рослинність
Темний колір	Відсутність відбиття	Водна поверхня, сніжний покрив

NIR3.9 - Ближній інфрачервоний: 3.49 - 4.36 мікрон

У цьому спектральному діапазоні супутник приймає сонячну радіацію як відбиту від земної підстильної поверхні і хмарності, так і радіацію, що випромінюється земною поверхнею або хмарністю залежно від їхньої температури в денний час. А в нічний - тільки радіацію, що випромінюється земною поверхнею, або хмарністю.

Різні відтінки сірого кольору на зображенні в цьому каналі в денний час представляють різні цифрові значення альбедо і температури (табл. 1.7).

Таблиця 1.7.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі NIR3.9 удень

Яскравий колір	Низькі значення альбедо і температури	Сніг, кристалічні хмари
Сірий колір	Низькі значення альбедо і температури	Морська поверхня, водяні хмари над морською поверхнею
Темний колір	Високі значення альбедо і температури	Водяні хмари над земною поверхнею

Різні відтінки сірого кольору на зображенні в цьому каналі в нічний час представляють різні цифрові значення альбедо і температури (табл. 1.8).

Таблиця 1.8.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі NIR3.9 вночі

Яскравий колір	Низькі значення температури	Хмари верхнього ярусу, холодна поверхня
Сірий колір	Низькі значення температури	Хмари нижнього ярусу, морська поверхня
Темний колір	Високі значення температури	Тепла поверхня

WV6.2 - Водяна пара: 5.35-7.15 мікрон

Супутник приймає випромінювання від водяної пари, що перебуває у верхніх шарах тропосфери (приблизно від 600 hPa й до 300 hPa). Це відбувається внаслідок того, що випромінювання від сонця поглинається водяною парою в шарі вище 600 hPa й відповідно цей шар за законом Киргхофа починає випромінювати енергію.

Різні відтінки сірого кольору в WV каналі представляють різний вміст водяної пари в шарі вище 600 hPa (табл. 1.9).

Таблиця 1.9.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі WV6.2

Яскравий колір	Рідка вода	Хмари
Сірий колір	Водяна пара	Водяна пара різного вмісту
Темний колір	Низький вміст водяної пари	Суха верхня тропосфера

WV7.3 - Водяна пара: 6.85-7.85 мікрон

Супутник приймає випромінювання від водяної пари, що перебуває в середніх шарах тропосфери (приблизно від 800 hPa і до 400 hPa). Це відбувається внаслідок того, що випромінювання від сонця поглинається водяною парою в шарі вище 800 hPa і відповідно цей шар за законом Киргхофа починає випромінювати енергію.

Різні відтінки сірого кольору в WV каналі представляють різний вміст водяної пари в шарі вище 800 hPa (табл. 1.10).

Таблиця 1.10.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі WV7.3

Яскравий колір	Рідка вода	Хмари
Сірий колір	Водяна пара	Водяна пара різного вмісту
Темний колір	Низький вміст водяної пари	Суха верхня тропосфера

IR8.7- Інфрачервоний: 8.30 - 9.10 мікрон

Супутник приймає радіацію, що випромінюється земною поверхнею або хмарністю залежно від їхньої температури. IR8.7 канал також є каналом прозорості.

Різні відтінки сірого на зображенні в IR8.7 каналі показують різну температуру випромінюючої поверхні, що може бути або земною поверхнею, або верхньою межею хмарності (табл. 1.11). Як правило, на IR зображеннях більш високі значення температури мають темний відтінок і навпаки низькі - яскравий. Це зроблено для того, щоб ті самі об'єкти на IR і VIS зображеннях виглядали відповідним чином.

Таблиця 1.11.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі IR8.7

Яскравий колір	Низька температура	Холодна верхня частина хмари, хмари верхнього ярусу
Сірий колір	Середня температура	Хмари середнього ярусу
Темний колір	Висока температура	Земна і морська поверхні

IR9.7- Інфрачервоний: 9.38 - 9.94 мікрон

Супутник приймає радіацію, що випромінюється земною поверхнею або хмарністю, залежно від їхньої температури. IR9.7 канал також є каналом поглинання озону.

Різні відтінки сірого на зображенні в IR9.7 каналі показують різну температуру випромінюючої поверхні, що може бути або земною поверхнею, або верхньою межею хмарності (табл. 1.12).

Таблиця 1.12.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі IR9.7

Яскравий колір	Низька температура	Холодна верхня частина хмари, хмари верхнього ярусу
Сірий колір	Середня температура	Хмари середнього ярусу
Темний колір	Висока температура	Земна і морська поверхня

IR10.8 - Інфрачервоний: 9.8 - 11.8 мікрон

Супутник приймає радіацію, що випромінюється земною поверхнею або хмарністю, залежно від їхньої температури. IR10.8 канал також є каналом прозорості.

Різні відтінки сірого на зображенні в IR10.8 каналі показують різну температуру випромінюючої поверхні, що може бути або земною поверхнею, або верхньою межею хмарності (табл. 1.13).

Таблиця 1.13.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі IR10.8

Яскравий колір	Низька температура	Холодна верхня частина хмари, хмари верхнього ярусу
Сірий колір	Середня температура	Хмари середнього ярусу
Темний колір	Висока температура	Земна і морська поверхня

IR12.0 - Інфрачервоний: 11.0 - 13.0 мікрон

Супутник приймає радіацію, що випромінюється земною поверхнею або хмарністю залежно від їхньої температури. IR12.0 канал також є каналом прозорості.

Різні відтінки сірого на зображенні в IR12.0 каналі показують різну температуру випромінюючої поверхні, що може бути або земною поверхнею, або верхньою межею хмарності (табл.1.14).

Таблиця 1.14.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі IR12.0

Яскравий колір	Низька температура	Холодна верхня частина хмари, хмари верхнього ярусу
Сірий колір	Середня температура	Хмари середнього ярусу
Темний колір	Висока температура	Земна й морська поверхня

IR13.4 - Інфрачервоний: 12.4 - 14.4 мікрон

Супутник приймає радіацію, що випромінюється земною поверхнею або хмарністю залежно від їхньої температури. IR13.4 канал також є каналом поглинання СО₂.

Різні відтінки сірого на зображенні в IR13.4 каналі показують різну температуру випромінюючої поверхні, що може бути або земною поверхнею, або верхньою межею хмарності (табл. 1.15).

Таблиця 1.15.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі IR13.4

Яскравий колір	Низька температура	Холодна верхня частина хмари, хмари верхнього ярусу
Сірий колір	Середня температура	Хмари середнього ярусу
Темний колір	Висока температура	Земна і морська поверхня

Порівняння трьох каналів IR10.8, VIS0.6 та WV6.3: 19 жовтня 2007/12.00 UTC

На зображенні каналу IR10.8 (верхнє ліве зображення) в 12.00 UTC, що представлено на рис. 1.3, можуть бути виділені синоптичні об’єкти, що представлені у табл. 1.16.

Таблиця 1.16.

Синоптичні об’єкти на супутникових зображеннях від 19 жовтня 1998/12.00 UTC

A	Хмарна смуга холодного фронту від Північної Африки через Альпи до території України. Ця смуга характеризує холодний фронт із хвилею над Альпами
B	Хмарна смуга, величезний хмарний масив і хмарна спіраль над Атлантикою, що зображують холодний фронт, теплий фронт і оклюзію
C	Хмарна спіраль меншого розміру, що простягнулася від Швеції через Данію до Нідерландів, що представляє добре розвинену систему у вигляді коми
D	Великі площі осередкової хмарності з різним вертикальним розвитком, представляють холодне повітря, що рухається над теплою поверхнею

Результати порівняння деяких специфічних областей у трьох IR, VIS і WV каналах представлено у табл. 1.17.

Таблиця 1.17.

Результати порівняння деяких специфічних областей у трьох IR, VIS і WV каналах

A1	Східна частина фронтальної хмарної смуги А, що розташована над Україною IR10.8: особливості смуги - темно-сіра із вкрапленнями яскравих плям і волокон VIS0.6: особливості смуги - дуже яскрава, з певною текстурою й темними стрічковими утвореннями WV6.2: сіра смуга водяної пари з яскравою перехідною зоною в чорну стрічки з тильної сторони Висновок: Фронтальна хмарна смуга, в основному, з низькою хмарністю і з вкрапленнями хмарних осередків; волокниста хмарність спостерігається з антициклонічної сторони струминного плину.
A2	Область хвилі над північчю Італії - Швейцарії - заходом Австрії й півднем Німеччини IR10.8: антициклонічна кривизна хмарного утворення, дуже яскраве з рівною текстурою VIS0.6: антициклонічна кривизна, темно сіра особливо над Німеччиною, частково прозора WV6.2: хмарне утворення з антициклонічною кривизною, дуже яскраве; виразна тилова частина граничної області, чорна смуга в південній частині за хмарним утворенням Висновок: Хвиля – опуклість, утворена високою хмарною поверхнею; дуже сухе повітря, що підтримує утворення хвилі
A3	Два мезомасштабні осередки над західним Середземномор'ям (40.5п.ш./03с.д. и 41п.ш./06с.д.) IR10.8: овальної форми, дуже яскраві, гострі краї, скоріше волокнисті, спрямовані донизу VIS0.6: овальної форми, дуже яскраві, спрямовані донизу, сірі і волокнисті, спрямовані нагору WV6.3: овальної форми, дуже яскраві, частково із вкрапленнями сухого повітря, частково з вкрапленнями фронтальної хмарної смуги Висновок: Група мезомасштабної конвективної щільної хмарності у верхній частині і у нижній частині скупчення Сі хмарності; різна синоптична обстановка характерна для цих двох осередків
B1	Хмарний щит над Атлантикою IR10.8: хмарний щит, дуже яскравий, однорідний, яскраво виражений край передньої хмарності (до сходу від 60п.ш./30з.д.), волокниста структура на нижній границі (на захід Ірландії) VIS0.6: хмарний щит, сірого кольору, що стає прозорим у нижній його частині WV6.2: велика зона водяної пари; дуже яскрава, де хмарність сіра до півдня, південно-сходу; темного кольору район над Шотландією Висновки: Величезна зона вологого повітря у верхньому шарі; часткова хмарність у зоні теплого фронту, зона вологого повітря поширюється далеко на південь, що приводить до виникнення волокнистої хмарності; дуже сухе повітря на півночі, поширюється з півдня Ірландії в напрямку Північного моря
B2	Хмарна смуга над Атлантикою (36п.ш./35з.д. – 50п.ш./30з.д.) IR10.8: особливість смуги - яскрава, нерівна текстура з різними відтінками сірого, більш яскрава частина розташована в тиловій частині смуги VIS0.6: особливість смуги - яскрава в передній частині, нерівна структура сірого кольору з тилового краю хмари WV6.2: особливість смуги - нерівна текстура, яскраві зони подібні IR; сірого кольору в передній частині Висновки: Спостерігається багатошарова хмарність холодного фронту і висока вологість у верхніх шарах повітря; спостерігається збільшення висоти верхньої межі хмарності від передньої частини до тилової, аналогічно Aна моделі фронту
B3	Хмарна спіраль на захід від хмарного щита (близько 57п.ш./36з.д.) IR10.8: особливість смуги - яскрава, але менш, ніж основна хмарність на сході, нерівна текстура VIS0.6: особливість смуги - яскрава, нерівна текстура WV6.2: особливість смуги - яскрава, але менш, ніж основна хмарність на сході, нерівна текстура з яскраво вираженою спіральною конфігурацією на заході Висновки: Типова хмарна смуга холодного фронту оклюзії; хмарна спіраль розташована в центрі, добре розвинена; імовірність утворення окремої хмарності у вигляді коми
D1	Хмарні осередки на захід від хмарного утворення у вигляді коми і Норвезького узбережжя: IR10.8: осередки різного розміру, нерівномірно розподілені, яскраві VIS0.6: осередки, дуже яскраві WV6.2: більш яскраві осередки, вкраплені на більшій території, що мають сірий колір Висновки: Хмарні осередки, утворені в холодному повітрі з високим рівнем вологості у верхніх шарах атмосфери; додатковий підйом здійснюється завдяки тільки конвективним процесам
D2	Хмарні осередки на заході, північному-заході Шотландії і Північної Ірландії IR: хмарні осередки рівномірно розподілені (відкриті осередки), від сірого до темно-сірого, перехід до щільної структури на північному заході VIS: хмарні осередки рівномірно розподілені (відкриті осередки), яскраві, щільна хмарність на північному заході яскрава WV: не видно ніяких осередків; темно-сіра смуга Висновки: Типова хмарність, утворена в холодному повітрі; відсутність вологості у верхніх шарах
-	Додаткові WV властивості над північчю Іспанії - Пирінеями - Францією: IR: сірого кольору хмарність, ніздрюватої структури над земною і морською поверхнею, нерівномірно розподілена, орографічна хмарність у Піренеях VIS: хмарність білого кольору з ніздрюватою структурою над земною і морською поверхнею нерівномірно розподілена, невеликі осередки над Піренеями WV: дві чіткі смуги сірого і темно-сірого кольори, невелике утворення темного кольору, що розділяє дві смуги, надходження сухого повітря з тильної сторони над північчю Іспанії Висновки: Хмарність, що утворилася в холодному повітрі в нижніх шарах і у верхньому шарі атмосфери, спостерігається початкова стадія висотного циклона

19 жовтня 1998/12.00 UTC - Meteosat IR10.8	19 жовтня 1998/12.00 UTC - Meteosat VIS0.6
19 Жовтня 1998/12.00 UTC - Meteosat WV6.2

Рис. 1.3. Зображення з супутника Meteosat від 19 жовтня 1998 року

Спектральні канали супутника NOAA

Спектральні характеристики каналів супутника NOAA представлені у табл. 1.18.

Таблиця 1.18.

Спектральні характеристики каналів супутника NOAA

Номер каналу	Спектраль- ний діапазон, у мкм	Ім’я	Номер супутника	Можливе використання
1	0.58 - 0.68	VIS 1	12, 14, 15, 17, 18	Ідентифікація хмарності і визначення альбедо (у денний час)
2	0.725 - 1.1	VIS 2	12, 14, 15, 17, 18	Ідентифікація земної і морської поверхні, ідентифікація хмарності над морем (у денний час)
3A	1.158 - 1.164	NIR 1.6	12, 14, 15, 17, 18	Поділ хмарності, снігового покриву і льоду (у денний час)
3B	3.55 – 3.93	NIR 3.7	12, 14, 15, 17, 18	Ідентифікація хмарності (нічний час)
4	10.3 - 11.3	IR 4	12, 14, 15, 17, 18	Ідентифікація хмарності, визначення температури поверхні
5	11.5 - 12.5	IR 5	12, 14, 15, 17, 18	Ідентифікація хмарності, визначення температури поверхні

VIS 1 (Видимий 1) 0.58 - 0.68 мкм

Супутник одержує частину енергії сонячного спектру, що відбилася від підстильної поверхні, яка може бути земною, водною поверхнею або хмарністю. Це, так зване, вікно прозорості, у якому енергія на цих довжинах хвиль незначно поглинається газами в атмосфері, іншими словами, можливо через таку атмосферу бачити поверхню землі або верхню межу хмарності

Різні відтінки сірого в каналі VIS1 показують різні значення альбедо (табл. 1.19).

Таблиця 1.19.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі VIS1

Яскраві	Високі значення альбедо	Щільна хмарність, земна поверхня
Сірі	Низькі значення альбедо	Тонка напівпрозора хмарність
Темні	Відсутнє відбиття	Водна поверхня і рослинність

VIS 2 (Видимий 2) 0.725 - 1.1 мкм

Супутник одержує частину енергії сонячного спектру, що відбилася від підстильної поверхні, яка може бути земною, водною поверхнею або хмарністю. Це так зване вікно прозорості, у якому енергія на цих довжинах хвиль незначно поглинається газами в атмосфері, іншими словами, можливо через таку атмосферу бачити поверхню землі або верхню межу хмарності

Різні відтінки сірого в каналі VIS2 показують різні значення відбитої радіації (табл.1.20).

Таблиця 1.20.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі VIS2

Яскраві	Високі значення альбедо	Щільна хмарність, земна поверхня
Сірі	Низькі значення альбедо	Тонка напівпрозора, хмарність рослинність
Темні	Відсутнє відбиття	Водна поверхня

NIR 3 (Близький інфрачервоний 3) 3.55 - 3.93 мкм

Цей IR канал розташований у тій частині електромагнітного спектру, де відбита сонячна радіація відіграє значну роль у денний час. З однієї сторони, підстильна поверхня, що має високу температуру (зони пожеж, вулкани), на цих довжинах хвиль дають значний внесок у сигнал, сформований на супутнику. З іншої сторони, водяні краплі з розмірами, порівнянними з довжиною хвилі, що спостерігаються в туманах, наприклад, можуть давати сильний відбитий сигнал. У такий спосіб у каналі NIR 3.7 сигнал формується частково за рахунок термічної емісії і частково за рахунок відбитого сигналу. Все це вимагає обліку різних факторів при інтерпретації зображень у цьому каналі.

Різні відтінки сірого кольору в каналі NIR 3.7 представляють різні значення яскравісної температури (табл.1.21).

Таблиця 1.21.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі NIR3.7

Яскраві значення	Низькі значення температури	Верхня межа холодної хмарності
сірі значення	Проміжні значення температури	Середні і низькі хмари
темні значення	Високі значення температури і відбиваності	Земна, водна поверхні, туман

IR 4 (Інфрачервоний 4) 10.3 - 11.3 мкм

Розташований в атмосферному вікні ІЧ частини спектру, цей канал вимірює випромінену радіацію від оптично щільних поверхонь у системі земна поверхня-атмосфера. Так як ці поверхні не є абсолютно чорними тілами, то спостережувана яскравісна температура, буде відрізнятися від дійсної температури підстильної поверхні.

Різні відтінки сірого кольору в каналі IR 4 представляють різні значення яскравісної температури (табл. 1.22).

Таблиця 1.22.

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому зображенні у каналі IR4

Яскраві значення	Низька температура	Верхня межа холодної хмарності
сірі значення	Проміжні значення температури	Середні і низькі хмари
темні значення	Високі значення температури	Земна, водна поверхні

IR 5 (Інфрачервоний) 11.5 - 12.5 мкм

Розташований в атмосферному вікні ІЧ частини спектру, цей канал вимірює випромінену радіацію від оптично щільних поверхонь у системі земна поверхня-атмосфера. У зв’язку з тим, що ці поверхні не є абсолютно чорними тілами, то спостережувана яскравісна температура буде відрізнятися від дійсної температури підстильної поверхні.

Різні відтінки сірого кольору в каналі IR 5 представляють різні значення яскравісної температури (табл.1.23).

Таблиця 1.23

Відповідність яскравості зображення різним об’єктам на супутниковому знімку у каналі IR5

Яскраві значення	Низька температура	Верхня межа холодної хмарності
сірі значення	Проміжні значення температури	Середні і низькі хмари
темні значення	Високі значення температури	Земна, водна поверхні

На прикладі п’яти каналів AVHRR показана інтерпретація відповідних зображень. Орієнтовно на зображенні верхній лівий кут відповідає району Великобританії, верхній правий – району Балтійського моря, ніжній лівий – району північного сходу Іспанії, правий лівий – району Балкан. На рис.1 представлено видимий канал радіометра AVHRR (VIS1). Результати інтерпретації та висновки представлені у табл.24.

Рис.1.4. Зображення видимого каналу радіометру AVHRR від 19 жовтня 1998/07:20 UTC.

Таблиця 1.24.

Результати інтерпретації каналу VIS1 радіометра AVHRR від 19 жовтня 1998/07:20 UTC

VIS1

Однорідна, рівна хмарна смуга, що має антициклонічну кривизну, що може характеризувати розвиток хвилі. (Розмір зображення дуже малий щоб оцінити ширину хмарного поля). Яскраве і, в основному, однорідне поле хмарності простягнулося із заходу Франції через Швейцарію до Баварії. Північ Адріатики, Австрії й Угорщині покрито тонкою, напівпрозорою хмарністю. Від Франції до Баварії хмарність має чітку межу. На сході Баварії межа хмарності розмита і має волокнисту структуру. На півночі і заході від хмарної смуги зустрічаються окремі безхмарні ділянки, у цій зоні хмарність сірого кольору з вузькими тінями по західній стороні хмарних ділянок Русло ріки і долини може бути видно на зображенні. Можливо ранковий туман над рікою й долинами Хмари верхнього ярусу спостерігаються над Шотландією, вздовж Данії і над країнами Балтії. Над Шотландією і Північним морем спостерігаються Cu хмари. Хмарна смуга, що простягнулася від Нідерландів уздовж Північного моря до Норвегії берегів, стає ширшою. У хмарній смузі в західній його частині спостерігаються купчасті хмари. На північ від Данії спостерігається хмарна ділянка з однорідною текстурою. Над країнами Балтії спостерігається Сu хмарність. На північ Cu хмарність стає меншою і нижчою, і упорядковується в паралельні лінії. Над півднем Балтики спостерігається Cu хмарність нерівної форми із вкрапленнями осередків Cu. Висновки: Можливо хвиля – у вигляді смуги в нижній частині зображення. Над Північним морем типова хмарність у холодному повітрі з наявністю відкритих осередків. Хмарність, орієнтована з півдня на північ, складається з Cu хмар.

На рис. 1.5 представлено другий видимий канал радіометру AVHRR (VIS2). Результати інтерпретації та висновки представлені у табл. 1.25.

Рис.1.5. Зображення видимого каналу VIS2 радіометра AVHRR від 19 жовтня 1998/07:20 UTC.

Таблиця 1.25.

Результати інтерпретації каналу VIS2 радiометра AVHRR від 19 жовтня 1998/07:20 UTC

VIS2

Хвиля - у вигляді смуги почасти темніше, ніж у каналі VIS1. Хмарність на схід має таку ж яскравість як у каналі VIS1. Темні плями у верхньому куті не спостерігаються в каналі VIS1. Вони представляють невеликі безхмарні ділянки. Всі інші особливості великої хмарної смуги видно також як у каналі VIS 1. Русла ріки, що закрити тонким туманом, не видно на зображенні. Тіні від розірваної хмарності над Францією і Німеччиною видно краще. Немає ніяких відмінностей у північній частині супутникового зображення. Висновки: Можливо хвиля – у вигляді смуги в нижній частині зображення. Над Північним морем типова хмарність у холодному повітрі з наявністю відкритих осередків. Хмарність, орієнтована з півдня на північ, складається з Cu хмар.

На рис. 1.6 представлено третій канал NIR радіометру AVHRR. Результати його інтерпретації та висновки представлені у табл. 1.26.

Рис.1.6. Зображення інфрачервоного каналу NIR радіометра AVHRR від 19 жовтня 1998/07:20 UTC.

Необхідно пам'ятати, що південно-східна частина зображення висвітлюється сонцем набагато краще, ніж його північна частина. Яскраво білі хмарні смуги, що мають антициклональну кривизну, або хвилі, що простягнулися з південного заходу до Баварії, мають однорідну рівну текстуру. Над північним сходом Баварії хмарність розсіюється і має волокнисту структуру. Площі, покриті хмарністю білого кольору, представляють кристалічні хмари верхнього ярусу.

Таблиця 1.26.

Результати інтерпретації інфрачервоного каналу NIR радіометра AVHRR від 19 жовтня 1998/07:20 UTC

NIR3

Хмарна смуга незначних розмірів. Схід Баварії і західна частина Австрії покрита хмарністю. Над Угорщиною і східною Австрією спостерігаються окремі ділянки хмарності білого кольору, що переходить на півдні в темний з окремими вкрапленнями хмарності білого кольору. Низькі хмари над Францією і Німеччиною більш темного кольору, ніж підстильна поверхня, темно-сіра або майже чорна. Підстильна поверхня світло сірого кольору. Верхня частина Cu хмарності в правому верхньому куті має вигляд вкраплень білих плям у більш низьку хмарність. Біля узбережжя Франції в Англійському каналі можна спостерігати білі верхівки Cu хмар. Над Балтикою найбільш яскравого білого кольору хмарність спостерігається на північ від Польщі; над країнами Балтії хмарність дуже темного кольору. Висновки: Хмарна смуга білого кольору перекривається Сi хмарністю. У нижній частині зображення спостерігаються хмари нижнього ярусу. Верхівки Cu хмарності у верхній частині зображення мають білий колір, хмарність нижнього ярусу має більш темний колір.

На рис.1.7 представлено четвертий інфрачервоний канал IR радіометра AVHRR.

Рис. 1.7. Четвертий інфрачервоний канал IR радіометра AVHRR.

Велика хвилеподібна яскрава хмарна смуга, що має виразну волокнисту текстуру, простягнулася з півдня Франції до Баварії і на сході, здобуває більш темний колір і стає розірваною. Не спостерігається ніякої різниці між інтерпретацією каналів 4 і 5.