Физический алгоритм был выбран в качестве основного инструмента для решения обратной задачи определения контраста (градиента) водозапаса облаков «суша-море» из наземных спектрально-угловых микроволновых наблюдений. Давно известно, что физический алгоритм обладает рядом преимуществ по сравнению с регрессионным алгоритмом в плане точности и контроля качества получаемых результатов. Физический алгоритм основан на обращении уравнения переноса излучения. Настройка алгоритма была специально выполнена таким образом, чтобы обеспечить одинаковую чувствительность зенитных и вне-зенитных измерений к вертикальным профилям атмосферных параметров. Подробно проанализировано влияние высоты нижней границы облаков (НГО) на возможность обнаружения контраста водозапаса облаков между сушей и морем. Было показано, что для текущего положения радиометра и текущей геометрии наблюдений значения контраста «суша-море» для водозапаса облаков, полученные из микроволновых измерений, сильно занижены, поскольку они определяются только для облаков с нижней границей в диапазоне 1-4 км. Для корректировки значений следует использовать коэффициент масштабирования. Этот коэффициент масштабирования был оценен на основе облачной статистики. Оценка выявила сезонную зависимость масштабирующего коэффициента с максимумом осенью-зимой и минимумом весной-летом. Для летних месяцев коэффициент масштабирования находится в диапазоне от 4,5 до 7,5.

Контраст водозапаса облаков «суша-море» оценивался с использованием физического алгоритма, как более точного, для летних месяцев в период 2013-2021 гг. Летние месяцы были выбраны с целью сравнения результатов со спутниковыми измерениями, которые проводятся только в условиях солнечного освещения, то есть количество спутниковых данных максимально летом. Усреднение индивидуальных измерений проводилось за месячные периоды. Были использованы наблюдения в зенит и вне зенита при углах места 14,4 и 11,4 градуса. К результатам применялись строгие процедуры контроля качества, чтобы отфильтровать ложные данные.

В результате обработки микроволновых наблюдений были получены данные высокого качества за 25 месяцев. Только для одного месяца из двадцати пяти контраст водозапаса равен нулю. Для всех других случаев (24 из 25 месяцев) контраст водозапаса «суша-море» был положительным и в некоторых случаях был довольно высоким, приближаясь к значению 0,06-0,07 кг м-2. Этот результат в целом хорошо качественно и количественно согласуется со спутниковыми данными.

Входными данными для проведенных исследований являлись значения водозапаса только жидкокапельных облаков, полученные из космических наблюдений прибором SEVIRI в 2011-2017 гг в дневное время в северной части Европы. Размеры географического региона для исследования с центром в Санкт-Петербурге (Российская Федерация) составляли примерно 700 км x 700 км. Размер наземного пикселя прибора SEVIRI в центре выбранного домена составлял около 7 км. Временное разрешение измерений SEVIRI составляло 15 минут. Данные, выбранные для анализа, относятся только к жидкокапельным облакам, случаи ледяных облаков и облаков смешанной фазы были отфильтрованы. Данные, выбранные для анализа, включали также все случаи с безоблачным небом над сушей и водной поверхностью. Объектами исследования являлись водные объекты различных размеров: Финский залив, Рижский залив, Невская губа, озера Ладожское, Онежское, Чудское, Псковское, Ильмень, Сайма. Для этих водоемов был выбран набор географических точек измерения водозапаса над сушей у берега и над водной поверхностью, и были рассмотрены два случая: (1) «земной» и «морской» пиксели спутниковых измерений находятся далеко от береговой линии с большим расстоянием между ними (80 км), (2) «земной» и «морской» пиксели находятся рядом с береговой линией с небольшим расстоянием между ними (20 км).

Было обнаружено, что статистические распределения градиента водозапаса «суша-море» меняются от симметричных с ярко выраженным пиком при нулевом значении и наклонами гауссовой формы до сильно асимметричных без отрицательных значений.

Межгодовая изменчивость среднего сезонного градиента водозапаса «суша-море» значительно отличается для холодного и теплого сезонов. Градиент очень изменчив для холодного времени года, в то время как для теплого времени года во многих рассмотренных случаях он близок к постоянному значению. Для всех проанализированных лет градиент в теплое время года всегда положительный, в то время как в холодное время ситуация иная.

Наиболее важным результатом является обнаружение положительного тренда градиента водозапаса в период 2011-2017 гг. почти для всех рассматриваемых точек измерения.

Внутрисезонная изменчивость градиента водозапаса «суша-море» была проанализирована только для теплого сезона из-за отсутствия данных для холодного сезона. Было обнаружено, что над Балтийским морем в июне и июле преобладают большие и умеренные положительные градиенты водозапаса, тогда как в августе положительные и отрицательные градиенты намного меньше (по абсолютным значениям) и встречаются с одинаковой частотой.

Для анализа суточных особенностей градиента водозапаса мы рассматривали только теплое время года из-за непродолжительного периода солнечной освещенности в холодное время года. Выявленная принципиальная особенность заключается в следующем: градиент водозапаса при малых расстояниях от береговой линии имеет дневной ход в июне и июле и не зависит от времени и близок к нулю в августе. Общий суточный ход градиента водозапаса «суша-море» в июне и июле примерно одинаков для всех мест измерений: плавное увеличение значений утром до 11… 12 ч местного солнечного времени с последующим его уменьшением. Происхождение суточного цикла градиента водозапаса «суша-море» различно для июня-июля и августа. В июне-июле суточный цикл градиента контролируется преимущественно суточным циклом водозапаса облаков над сушей, поскольку водозапас облаков над водной поверхностью намного меньше с утра до вечера. В августе значения водозапаса облаков над сушей и водной поверхностью сопоставимы и имеют сходное суточное поведение, в результате градиент водозапаса все время близок к нулю.

Есть две особенности суточного цикла, которым пока нет объяснения. Первый - это очень резкое уменьшение значений градиента водозапаса, которое происходит незадолго до полудня почти во всех местах измерений. Другой особенностью является относительно резкий вторичный максимум значений градиента, который наблюдается примерно около 16 часов во многих местах. Наиболее яркими примерами этих особенностей являются июльские суточные циклы в Рижском и Финском заливах. Возможно, эти две особенности могут быть инструментальными артефактами, вызванными какими-то особенностями наблюдений и алгоритма определения водозапаса спутниковым прибором SEVIRI.

Полученные статистические характеристики градиента водозапаса «суша-море» были сопоставлены с результатами, полученными по данным реанализа ERA-Interim и Era5. Era-Interim дает заниженные градиенты водозапаса, если сравнивать с результатами SEVIRI, для различных водоемов в большинстве мест в теплое время года и демонстрирует отрицательные градиенты в холодное время года. Данные Era5 по градиентам водозапаса лучше качественно и количественно согласуются со спутниковыми данными, несмотря на то, что они систематически превышают экспериментальные данные в теплое время года.

Проведено сравнение оценок контраста водозапаса «суша-море», полученных путем применения масштабирующего коэффициента к наземным микроволновым измерениям радиометром HATPRO, с результатами спутниковых наблюдений с помощью прибора SEVIRI для летних месяцев. Были проанализированы среднемесячные значения контраста водозапаса «суша-море», усредненные за 8-летний (SEVIRI) и 9-летний (HATPRO) периоды наблюдений. Для июня и июля результаты спутниковых наблюдений составляют 0,041-0,043 кг м-2, а результаты, полученные с помощью наземных измерений, составляют 0,032-0,035 кг м-2, то есть спутниковые данные выше примерно на 0,008-0,009 кг м-2. В августе космические данные демонстрируют очень небольшой контраст между сушей и морем, в то время как наземные данные показывают контраст, который даже выше, чем тот, который был обнаружен в июне и июле. Таким образом, оценки контраста водозапаса «суша-море», полученные из наземных микроволновых измерений на наблюдательной площадке Санкт-Петербургского университета, очень хорошо согласуются со значениями контраста водозапаса «суша-море», полученными из многолетних космических измерений прибором SEVIRI в районе Невской губы (Финский залив) в июне и июле, а для августа так называемая «августовская аномалия», обнаруженная космическими наблюдениями в районе Финского залива, наземными измерениями не подтверждается.

Анализ вероятных физических механизмов, приводящих к различиям величин водозапаса облаков над сушей и водными поверхностями (Балтийское море, озера) в различные сезоны проводился на основе численного моделирования пространственно-временных распределений атмосферных параметров. Для этого была использована прогностическая погодно-климатическая модель ICON.

Из-за высокой вычислительной нагрузки моделирование ограничивалось всего несколькими запусками модели ICON. Были смоделированы два отдельных дня 25 июля 2015 г. и 12 августа 2016 г., начиная с 00 UTC до 00 UTC следующего дня, но для относительно большой области, включающей Финский залив и несколько озер. Основной целью было оценить, как ICON воспроизводит разницу в водозапасе облаков над сушей и водной поверхностью, и проанализировать характерные особенности атмосферных параметров над поверхностью воды и суши. Кроме того, была сделана попытка найти объяснение внутрисезонному изменению градиента водозапаса, а именно высокому градиенту водозапаса в июле и низкому градиенту водозапаса в августе над территорией Финского залива, который был обнаружен по наблюдениям спутникового прибора SEVIRI. Выбор дней для моделирования производился на основании анализа изображений облаков в Невской губе и прилегающей части Финского залива, полученных спутниковым прибором MODIS. Время пролета MODIS над этим регионом примерно 11:45 UTC (13:45 по местному солнечному времени).

Моделирование для 25.07.2015 ясно продемонстрировало градиент водозапаса облаков «суша-море» и указало на меньшую стабильность атмосферы над поверхностью суши. Моделирование этого дня хорошо согласуется с суточным циклом июля и июня, полученным из наблюдений SEVIRI: эволюция облаков над сушей и отсутствие облаков над водными объектами. Моделирование для случая 12.08.2016 также было успешным и продемонстрировало облачность над сушей и над водой.

Моделирование ICON указывает на контраст приповерхностной температуры между сушей и морем как на главную движущую силу различий в облачном покрове между сушей и морем, что приводит к различной стратификации пограничного слоя и, следовательно, к различиям значений водозапаса облаков над сушей и над морем.

Поисковые исследования, касающиеся постановки задачи определения горизонтальной неоднородности интегрального содержания водяного пара в атмосфере в области береговой линии водных объектов, были обусловлены необходимостью изучения градиентов для совокупности атмосферных параметров вблизи границ «суша-море», то есть комплексно, с целью более полного понимания физических процессов и оценки согласованности получаемых результатов.

Была предпринята попытка обнаружить неоднородности содержания водяного пара в области береговой линии Финского залива по микроволновым наблюдениям с помощью радиометра HATPRO при угловом сканировании в направлении водного объекта. Таким образом, рассматривалась задача, аналогичная задаче определения горизонтального градиента водозапаса облаков «суша-море». Численное моделирование переноса микроволнового излучения для выбранной геометрии наблюдений показало, что вклад горизонтальной неоднородности содержания водяного пара в измеренную яркостную температуру при больших зенитных углах может в 10–100 раз превышать величину случайной погрешности прибора. Таким образом, существует принципиальная возможность решения поставленной задачи.

С целью обнаружения горизонтальных неоднородностей содержания водяного пара в МКВ измерениях использовался алгоритм, основанный на сравнении измерений яркостной температуры на частоте 23.04 ГГц при зенитном угле 78.6° с расчетами яркостных температур в приближении горизонтально однородной атмосферы. Иными словами, на первоначальном этапе задача исследовалась в «пространстве измерений», а не в «пространстве определяемых параметров». Различия в значениях яркостной температуры трактовались как различия в интегральном влагосодержании. Анализ экспериментальных данных был проведен для периода с мая по октябрь для двух лет наблюдений: 2013 и 2014 гг. Результаты показали наличие сезонного хода разности между содержанием водяного пара над сушей и морем: в мае водяного пара больше над сушей, чем над морем; в июне, июле, августе и октябре ситуация обратная. Для сентября имеет место неопределенность.