Прошло полгода после запуска 28 февраля 2021 г. первого в мире высокоэллиптического гидрометеорологического спутника «Арктика-М». О первых итогах его работы рассказала директор Дальневосточного центра ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета»» Любовь Крамарева на конференции «Научный космос XXI века: вызовы, решения, прорывы», организованной ИКИ РАН.

В условиях Севера резко обостряется проблема прогноза погоды из-за недостатка метеорологической информации. Особенно остро эта проблема стоит для России, активно осваивающей свою арктическую зону. Ситуация осложняется и слабым развитием наземной метеорологической инфраструктуры на огромной территории нашей страны. К примеру, наземными доплеровскими метеорологическими локаторами покрывается только 10% территории России, причем в основном в европейской ее части, а Восточная Сибирь и Дальний Восток располагают только 4 локаторами и только в средних широтах, в то время как в КНР такое покрытие составляет 70%, в Австралии – более 80%, а в Южной Корее, Японии и Индии (!) – 100%.

Решить эту проблему можно лишь с использованием космических средств метеорологического наблюдения. Однако получить нужную информацию с помощью обычных геостационарных метеоспутников для высокоширотных, выше 60-й параллели, районов Земли физически невозможно. Зато это может сделать группировка из двух КА метеонаблюдения на высокоэллиптической орбите.

Первый из таких КА – «Арктика-М» №1 – был запущен 28 февраля 2021 г. Для него была выбрана наиболее рациональная орбита с высотой апогея 40 000 км, высотой перигея 1000 км, наклонением 63 градуса, периодом обращения 12 ч, из которых 6,5 часов занимает рабочий участок орбиты. С помощью «Арктики-М» впервые в мире с периодичностью 15 минут были получены изображения полярных и приполярных областей Северного полушария планеты. Выше можно видеть изображение, полученное с помощью многозонального сканирующего устройства гидрометеорологического обеспечения (МСУ-ГС) «Арктики-М» в сравнении с данными японского геостационарного метеоспутника Himawari-8.

Уникальная особенность «Арктики-М» состоит в том, что этот КА выполняет функции высокоширотного спутника связи. Он не только осуществляет получение многоспектральных снимков облачности и поверхности Земли, но и обеспечивает двустороннюю радиосвязь между станциями приема данных и гидрометеорологическими пунктами сети наземных платформ сбора данных Росгидромета в арктическом регионе, недоступном для связи через геостационарные спутники связи. В том числе «Арктика-М» позволяет связываться с автоматическими гидрометеостанциями и управлять ими дистанционно. При этом можно использовать антенны диаметром 0,9 м. На 3 сентября 2021 г. система сбора метеоданных включает 688 пунктов наблюдений, в том числе 140 станций в труднодоступных районах. «Арктика-М» позволит собирать с них порядка 1,9 млн сообщений в год.

Россия стала первой в мире страной, создавшей систему двусторонней связи на частотах, используемых для передачи метеорологических данных. Для сравнения, США, ЕС и Япония планируют создать подобные системы не ранее 2028 года.

Поначалу не все шло гладко. По словам Любови Крамаревой, когда начался прием инфракрасных изображений МСУ-ГС, в них наблюдались полосы разной интенсивности и амплитуды, накладывавшие ограничение на выполнение ряда задач, причем в каналах, являющихся основой для получения полезной информации. Однако специалисты НИЦ «Планета», ведущего обработку поступающих со спутника данных, в инициативном порядке разработали нейросетевой программный модуль, который на основе алгоритмов искусственного интеллекта позволил полностью устранить полосы на получаемых изображениях без искажения данных измерений (см. изображение выше). Структурная зависимость между каналами была восстановлена, благодаря чему удалось добиться того, что аппарат сегодня работает без каких-либо ограничений по использованию его данных.

Информация передается потребителям в виде удобных для использования информационных продуктов. Например, впервые в России, а по арктическому региону – впервые в мире, строятся вертикальные разрезы облачности и обледенения по воздушным трассам, которые необходимы экипажам самолетов для планирования полета (см. изображение выше). Впервые в мире строятся карты векторов ветра для Арктического региона с временным разрешением в 15 минут. Ведется автоматическое детектирование границ распространения льда на всем протяжении Северного морского пути. Определяются параметры ледового покрова, включая возраст, подвижность и степень разрушения льда. Составляются карты, в том числе и динамические, распознавания воздушных масс, интенсивности осадков, снежного и облачного покрова, температуры поверхности воды, влажности воздуха, содержания в нем озона и др.

«На наш взгляд, самое главное назначение метеорологических спутников в условиях масштабных климатических изменений – обнаружение опасных метеорологических явлений», – утверждает Любовь Крамарева.

В частности, одна из приоритетных задач оперативной арктической метеорологии – прогнозирование возникновения полярных мезомасштабных (то есть имеющих размеры от нескольких до 2000 км) циклонов, которые вызывают сильное волнение, ветер до 35 м/с, обледенение судов и сооружений, снежные заряды. При этом обычно ситуация развивается внезапно и очень быстро. В период с 22.03.2021 г. по 16.06.2021 г. было зафиксировано 92 случая возникновения полярных мезомасштабных циклонов (см. выше), а также впервые в мире с периодичностью 15-30 минут рассмотрена в динамике их эволюция.

Еще одна важная функция – детектирование очагов пожаров в квазинепрерывном режиме с периодичностью 15-30 минут. С помощью низкоорбитальных спутников ДЗЗ на полярной орбите это можно сделать хоть и с более высоким разрешением, но лишь 2 раза в стуки. А ведь в последнее время эта задача обретает все большее значение, поскольку в связи с изменением климата пожары распространяются все выше на север, а в Якутии они приобрели катастрофический характер. На снимке выше можно видеть ситуацию во время пика пожаров в Якутии 12 августа 2021 г. по данным «Арктики-М» в сравнении с информацией американского низкоорбитального спутника Suomi NPP.

В числе других примеров обнаружения по данным «Арктики-М» опасных метеорологией явлений – очаги взрывной конвекции (интенсивного процесса образования мощной кучево-дождевой облачности), которая сопровождается шквалистым ветром, аномальными ливнями и грозами. На изображении выше – образование взрывной конвекция над Москвой 27 июня.

На возможность опасных явлений указывают и так называемые облачные шапки. 23 августа 2021 г. в г. Нарьян-Мар, расположенном за Полярным кругом в 100 км от побережья Баренцева моря, случилось редкое для местного климата явление – «холодная» гроза при температуре +10 градусов с сильным ливнем и порывистым ветром. Еще пример: зона пониженного содержания озона над Канадой, наблюдавшаяся по данным спутника в течение 4 дней, стала предвестником аномальной жары в этом регионе и гибели десятков человек.

Предстоит еще немало работы по дальнейшему повышению качества и разнообразия информации, по развитию методов ее распространения с применением дистанционных технологий и интернета. К примеру, сейчас нейросетевой алгоритм позволяет идентифицировать опасное метеорологическое явление за 50 с, но пока в целом обработка данных после их сброса со спутника занимает около 14 минут. Будет развиваться и наземный комплекс приема, обработки и распространения данных. Сейчас работает центр приема и обработки в Обнинске. В перспективе к нему прибавятся центры в Новосибирске и Хабаровске.

Запуск «Арктики-М» №2 ожидается в 2023 году. После этого система обеспечит круглосуточный мониторинг полярных и приполярных районов России.