Bożena Łapeta
IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, Zakład Teledetekcji Satelitarnej
Monitorowanie zimowej konwekcji na obrazach satelitarnych jest trudne i opiera się głównie na analizie zdjęć w tzw. kanałach widzialnych. Chmury burzowe przyjmują na nich postać jasnoszarych lub białych obiektów z teksturą na górnej powierzchni. Niestety czas w którym dostępne są obrazy w kanałach widzialnych jest bardzo krótki – ograniczony w dużej mierze do pory dziennej. Zdjęcie satelitarne nie pozwala również jednoznacznie ocenić, czy dana komórka konwekcyjna jest burzą. To by oznaczało, że monitorowanie burz za pomocą satelitów nie ma zimą większego sensu. Na podstawie przykładów burz śnieżnych, które przetoczyły się przez Polskę w drugiej połowie stycznia 2022 roku pokażemy, że dane satelitarne mogą być pomocne przy analizie tych zjawisk, ale pod pewnymi warunkami.
Chmury konwekcyjne można stosunkowo łatwo rozpoznać na obrazach satelitarnych, ponieważ przyjmują one kolor biały (kanały widzialne) lub jasnoszary i biały (kanały podczerwone). W przypadku kanałów podczerwonych, które dostarczają informacji o temperaturze jasnościowej[i] obiektów, chmury konwekcyjne są tym lepiej widoczne, im wyższe i zimniejsze są ich wierzchołki. Niestety zimą, kiedy z reguły nie mamy do czynienia z głęboką konwekcją, a chmury konwekcyjne często nie są pionowo rozbudowane, bardzo trudno je odróżnić od innych chmur na obrazach w kanałach podczerwonych. Dodatkowym utrudnieniem jest gorsza rozdzielczość przestrzenna tych danych satelitarnych. Pozostają zatem, dostępne jedynie w dzień, obrazy w kanałach widzialnych.
W drugiej połowie stycznia 2022 roku zanotowaliśmy w Polsce klika dni z burzami śnieżnymi (14, 17 i 20.01). Poniżej pokazujemy, jak przebieg tych zjawisk wyglądał na obrazach satelitarnych. Z powodów opisanych powyżej, w analizie wykorzystane zostały głównie dane z kanałów widzialnych.
Analiza obrazów satelitarnych – 14 stycznia 2022
Obraz w kanale HRV METEOSAT/SEVIRI, 14.01.2022, godz. 08:00 UTC (A) i godz. 11:00 UTC (B). Na obrazach satelitarnych z godzin porannych widać, że większość obszaru Polski pokryta była chmurami warstwowymi niskiego i średniego piętra. Jedynie na północnym wschodzie widoczne były chmury konwekcyjne, które w ciągu dnia przemieszczały się w kierunku południowo-zachodnim.
Kompozycja barwna RGB True color, 14.01.2022 r., wygenerowana z danych: (A) Terra/MODIS, godz. 09:25 UTC; (B) NOAA-20/VIIRS, godz. 10:21 UTC; (C) S-NPP/VIIRS, godz. 11:12 UTC; (D) NOAA-20/VIIRS, godz. 12:00 UTC. Na obrazach z godzin przedpołudniowych widać wyrażną linię szkwałową uformowaną na przodzie pasma chmur konwekcyjnych. Dzięki dużo lepszej przestrzennej rozdzielczości tych danych (250 m dla Terra i Aqua oraz 375 m dla NOAA-20 i S-NPP), w porównaniu z danymi METEOSAT/SEVIRI (2 km dla kanału HRV i 5 km dla pozostałych), można również zaobserwować drobne struktury wierzchołków chmur konwekcyjnych.
Obraz w kanale HRV czujnika METEOSAT/SEVIRI, 14.01.2022 r., godz. 12:30 UTC, z nałożonymi wyładowaniami (kolorowe punkty). Pojedyncze wyładowania atmosferyczne występowały wzdłuż linii szkwałowej co widoczne jest na obrazach w kanale HRV czujnika METEOSAT/SEVIRI z 12:30 z nałożonymi danymi z systemu detekcji wyładowań PERUN.
Obrazy satelitarne METEOSAT/SEVIRI, 14.01.2022 r., godz. 12:30 UTC: (A) kanał HRV 0,7 µm; (B) kanał IR 10,8 µm. Na ostatnim obrazie w kanale HRV tego dnia, z godz. 13:45 UTC, w dalszym ciągu widoczna jest linia szkwałowa, która przemieściła się nad Mazowsze (lewa grafika). Dalszy monitoring konwekcji na obrazach satelitarnych tego dnia musiał odbywać z wykorzystaniem danych z kanałów podczerwonych. Niestety ze względu na gorszą rozdzielczość przestrzenną linia szkwałowa na obrazach w kanale w podczerwieni jest ledwie widoczna (prawa grafika), a odróżnienie chmur konwekcyjnych od chmur warstwowych było w większości przypadków niemożliwe.
Analiza obrazów satelitarnych – 17 stycznia 2022
Obraz w kanale IR 10,8 µm wzmocniony, METEOSAT/SEVIRI, 17.01.2022 r., godz. 04:15 UTC. System detekcji wyładowań PERUN zanotował pierwsze tego dnia wyładowania atmosferyczne o godz. 04:15 UTC nad Bałtykiem. Danych z kanałów widzialnych o tej porze nie było, a na obrazie w kanale IR 10,8 µm widoczne jest w tym rejonie pasmo zachmurzenia, które nie charakteryzuje się niczym szczególnym w przeciwieństwie do pasma chmur frontowych widocznych w środkowej Polsce z wierzchołkami o temperaturze sięgającej –55 st. Celsjusza.
Obraz w kanale IR 10,8 µm wzmocniony, METEOSAT/SEVIRI, 17.01.2022 r.: (A) godz. 05:45 UTC; (B) godz. 06:15 UTC. O godzinie 05:15 UTC pierwsze wyładowania zanotowano w woj. pomorskim, a w kolejnych godzinach łukowato wykrzywiona linia wyładowań przemieszczała się na południe. Na obrazach satelitarnych w podczerwieni widoczne jest szare pasmo chmur, których rodzaj (konwekcyjne, warstwowe) trudno określić.
Obraz METEOSAT/SEVIRI, 17.01.2022 r., godz. 08:30 UTC: (A) w kanale widzialnym HRV z nałożonymi wyładowaniami; (B) w kanale IR 10,8 µm wzmocniony. Po wschodzie Słońca na obrazach w kanałach widzialnych widoczna jest jaśniejsza struktura, przypominającą linię szkwałową (lewa grafika) i powiązane z nią pasmo wyładowań . Na obrazie w kanale IR, ze względu na gorszą rozdzielczość przestrzenną, linia ta jest niewidoczna (prawa grafika).
(A) Kompozycja RGB True color, Terra/MODIS, 17.01.2022 r., godz. 09:56 UTC; (B) obraz w kanale widzialnym HRV METEOSAT/SEVIRI z nałożonymi wyładowaniami, 17.01.2022 r., godz. 09:45 UTC. Na kompozycji barwnej RGB True color, o rozdzielczości przestrzennej 250 m, widoczna jest pofalowana struktura układająca się w linię wybrzuszoną w kierunku południowym (lewa grafika). Z linią tą powiązane są wyładowania atmosferyczne (prawa grafika).
(A) Kompozycja RGB True color, SNPP/VIIRS, 17.01.2022, godz. 11:56UTC; (B) obraz w kanale widzialnym HRV METEOSAT/SEVIRI z nałożonymi wyładowaniami, 17.01.2022, godz. 11:45 UTC. Na obrazach z 11:56 UTC struktura ta jest wyraźniejsza i znajduje się nad południową Polską. Natomiast na Polską Środkową i Północną widoczne są mniejsze chmury konwekcyjne układające się w linie. Szczególnie wyraźnie są one widoczne na obrazie SNPP/VIIRS o rozdzielczości 375 m (lewa grafika).
Kompozycja RGB Nigh overview, SNPP/VIIRS, 18.01.2022 r., godz. 00:09 UTC. Efektem przejścia frontu atmosferycznego widocznym na nocnych obrazach satelitarnych jest pokrywa śnieżna układająca się w linie zgodne z podmuchami wiatru. Dzięki wykorzystaniu w tej kompozycji danych z kanału DNB (Day Night Band), który pozwala na tworzenie obrazów w kanale widzialnym 0,7 µm w porze nocnej, możliwe było zobrazowanie pokrywy śnieżnej (kolor żółty). Na obrazie widoczne są też sztuczne światła miast oraz arterii komunikacyjnych. Chmury piętra średniego i wysokiego zaznaczono odpowiednio kolorem białym i biało-niebieskim.
Analiza obrazów satelitarnych – 20 stycznia 2022
Obraz w kanale widzialnym HRV METEOSAT/SEVIRI z nałożonymi wyładowaniami, 20.01.2022 r.: (A) godz. 07:15 UTC; (B) godz. 07:30 UTC. Podobnie jak w poprzednich sytuacjach, detekcja i monitorowanie chmur konwekcyjnych i związanych z nią burz 20 stycznia 2022 r. była możliwa tylko na obrazach w kanałach widzialnych. Na grafice przedstawiono pierwsze dwa zarejestrowane tego dnia obrazy w kanale widzialnym HRV METEOSAT/SEVIRI z nałożonymi wyładowaniami, na których widać burze na przodzie struktury chmur konwekcyjnych znajdującej nad w środkową i południowo-zachodnią Polską.
Kompozycja RGB Overview, 20.01.2022 r.: (A) NOAA-20/VIIRS, godz. 10:09 UTC; (B) Terra/MODIS, godz. 10:27 UTC; (C) Aqua/MODIS, godz. 10:42 UTC; (D) SNPP/VIIRS, godz. 10:59 UTC; (E) NOAA-20/VIIRS, godz. 11:48 UTC; (F) SNPP/VIIRS, godz. 12:24 UTC. Na obrazach z kolejnych przelotów satelitów okołobiegunowych widać wyraźnie łukowate pasmo chmur konwekcyjnych z linią szkwałową przemieszczające się z północnego zachodu na południowy wschód oraz znajdujące się za nim chmury i pasma chmur konwekcyjnych nad północną i środkową Polską. Jednak wyładowania atmosferyczne obserwowane były jedynie w obrębie linii szkwałowej.
(A) Obraz w kanale widzialnym HRV METEOSAT/SEVIRI z nałożonymi wyładowaniami, 20.01.2022 r., godz.10:45. (B) Kompozycja RGB True color z danych SNPP/VIIRS, 20.01.2022 r., godz. 10:59 UTC. System PERUN zarejestrował ostatnie tego dnia wyładowania atmosferyczne o godz. 10:45 wzdłuż czoła pasma chmur konwekcyjnych widocznych, zarówno na obrazie w kanale HRV jak na kompozycji RGB True color.
Przedstawiona analiza trzech przypadków burz śnieżnych występujących w obrębie linii szkwałowych pokazuje, że dane satelitarne mogą być przydatne do ich detekcji i monitorowania o ile dostępne są obrazy w kanałach widzialnych o dobrej rozdzielczości przestrzennej. Mogą to być obrazy w kanale HRV METEOSAT/SEVIRI dostępne co 5 lub 15 minut lub dane z satelitów okołobiegunowych dostępne rzadziej, ale z lepszą rozdzielczością przestrzenną. Dane z kanałów podczerwonych były w tych przypadkach mniej użyteczne.
[i] Ang. brightness temperature, czyli temperatura jaką miałoby ciało doskonale czarne, gdyby wyemitowało tyle promieniowania, ile zmierzył satelita. Ciała doskonale czarne nie istnieją w przyrodzie, ale są przydatne w obliczeniach dotyczących transferu promieniowania. Temperatura jasnościowa danego obiektu różni się od rzeczywistej, ale w przypadku kanału IR 10,8 mikrometra ta różnica nie jest duża.
Obrazy Meteosat/SEVIRI, copyright by EUMETSAT
Zdjęcie główne: Martin Sanchez | Unsplash
BOŻENA ŁAPETA. Doktor nauk technicznych, ekspertka w zakresie teledetekcji satelitarnej zatrudniona w Zakładzie Teledetekcji Satelitarnej. Specjalizuje się w interpretacji zdjęć satelitarnych oraz transferu promieniowania UV. Reprezentuje Polskę i IMGW-PIB w ciałach doradczych i eksperckich EUMETSAT. Zaangażowana w działalność szkoleniową w zakresie interpretacji zdjęć satelitarnych oraz ich wykorzystania w meteorologii, hydrologii i osłonie morskiej.
[…] które są wyraźnie wyższe od otoczenia, co doskonale prezentują zdjęcia satelitarne (https://obserwator.imgw.pl/burze-zimowe-widziane-z-kosmosu/). Odpowiedzi na pytanie czemu doszło do tak intensywnych burz należy szukać w diagramach układu […]
[…] Cumulonimbus clouds, which are higher than the environment, as the satellite images show perfectly (https://obserwator.imgw.pl/burze-zimowe-widziane-z-kosmosu/). The answer to the question of why such intense storms occurred should be sought in the diagrams […]
[…] które są wyraźnie wyższe od otoczenia, co doskonale prezentują zdjęcia satelitarne (https://obserwator.imgw.pl/burze-zimowe-widziane-z-kosmosu/). Odpowiedzi na pytanie czemu doszło do tak intensywnych burz należy szukać w diagramach układu […]
[…] Cumulonimbus clouds, which are higher than the environment, as the satellite images show perfectly (https://obserwator.imgw.pl/burze-zimowe-widziane-z-kosmosu/). The answer to the question of why such intense storms occurred should be sought in the diagrams […]