Mesoscale atmospheric convective vortices over the seas are one of the worst studied meteorological objects. Horizontal scales of the mesoscale vortices vary from one hundred to one thousand kilometers and life time duration – from several hours till 2-3 days. They can be responsible for unexpected and frequently not predicted weather deterioration that threatens to transport and fishery operation at the sea. These features in combination with the sparse meteorological observations hinder their revealing in pressure field on the surface analysis map. Thus remote sensing of the atmosphere-ocean system is indispensable for diagnosis and forecasting of the mesoscale vortices. Satellite infrared and visible images provide the detailed presentation on cloud system of mesoscale vortices and are the basis for tracing their evolution. Quantitative information on the atmospheric and oceanic parameters in the mesoscale vortex area can be obtained from passive and active microwave measurements.

The purpose of this work is investigation of structure and characteristics of mesoscale vortices over the Okhotsk and West Bering Seas by analysis of the Envisat ASAR images, the Aqua AMSR-E brightness temperatures Тbs and fields of the total atmospheric water vapor content V and total cloud liquid water content Q retrieved from Тbs.

Sensors, satellites and data Promising sources of regularly available remotely sensed data to the MCs study are the Aqua Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR-E), the QuikSCAT Seawinds scatterometer and Terra and Aqua MODIS spectroradiometer. All these sensors are characterized by a wide swath and possess improved spatial resolution and/or have additional spectral channels compare to such sensors as the SSM/I, AMSU, AVHRR, etc. One more active sensor, a wide swath Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) can contribute the high- resolution near-surface wind field.

Envisat ASAR

AMSR observation concept Advanced Microwave Scanning Radiometer AMSR is an 8- frequency total-power microwave radiometer with dual polarization (except two vertical channels in the 50-GHz band). AMSR has a conical scanning geometry. Incidence angle is 55 deg. Center frequency (GHz) AB Band width (MHz) Polarization Vertical (V) and Horizontal (H)VV, H IFOV (km x km) 40 x 7027x4614x2517x298 x146 x 10 3 x 63 x 6 Sampling interval (km x km) 10 x 105 x 55 x 5 Swath width (km ) Approximately 1600

Approach Probe MVs evolution and structure using: - Terra and Aqua MODIS visible/IR images, NOAA IR images (cloudiness) - Aqua AMSR-E brightness temperatures (water vapor content and cloud liquid water) - QuikSCAT SeaWinds and Envisat ASAR (surface wind) - Surface analysis, absolute topography and temperature field maps from JMA and KMA, absolute topography, temperature and SST reanalyses from NCEP-NCAR NOAA. Case studies: Okhotsk and West Bering Seas. Cold period 2006, 2007.

Intensification of air-sea interaction and formation of mesoscale rolls and cells during cold air outbreaks over the Northwest Pacific Aqua MODIS 20 Nov :15 Kamchatka Bering Sea Okhotsk Sea Мезомасштабный циклогенез над ДВ морями наиболее активен в осенне-зимний период.

Малоподвижная высотная ложбина или депрессия и термическая ложбина или замкнутый очаг холода с температурой воздуха на изобарической поверхности 500 мб от -40 до -45°С Almost stationary upper-air trough or depression and thermal trough. Air temperature at 500-hPa height is -(40 – 45)°C. Favorable conditions for mesoscale cyclogenesis

Бароклинность в пограничном слое атмосферы. Термическая асимметрия на картах АТ925 и АТ850 в северо-западной части Охотского моря. Low-level baroclinicity Favorable conditions for mesoscale cyclogenesis

Большие градиенты ТПО, обусловленные близостью ледяного покрова или холодного материка. Large SST gradients along the ice edge or cold land. Favorable conditions for mesoscale cyclogenesis

Поле приземного давления в районе формирования мезовихря характеризуется стационарной ложбиной или периферией гребня или ядра высокого давления. Surface analysis. Almost stationary trough or periphery of high-pressure area. Favorable conditions for mesoscale cyclogenesis

Areas of mesoscale cyclogenesis over the Okhotsk and West Bering Seas. На формирование мезовихрей существенное влияние оказывают и орографические факторы. Этим объясняются характерные районы их зарождения.

6-7 December Okhotsk Sea. Envisat ASAR 23:50 UTC 6 Dec KMA surface analysis, AT500, AT850 and NCEP-NCAR SST reanalysis 00 UTC 7 Dec Kamchatka Градиентная зона (АТ850) способствовала усилению северо-восточного ветра в зал. Шелихова.

Mesoscale vortex near western Kamchatka (size of MV 300 km, d of MV center 80 km) ASAR 23:50 6 Dec Kamchatka MODIS 02:00 7 Dec Kamchatka

Поле ветра, восстановленное по данным скаттерометра QuikSCAT за 19:05 Гр 6 и 8:06 Гр 7 декабря. Мезовихрь смещался к югу с осью ложбины, за 12 часов опустившись почти на 2° долготы. ASAR 23:50 6 Dec QuikSCAT winds on 6 Dec at 19:05 UTC (left) and on 7 December at 08:06 UTC (right) and Envisat ASAR image (center) on 7 December at 23:50 UTC. Kamchatka

Вариации яркости на изображении РСА с полным разрешением (фрагмент) демонстрируют неоднородность шероховатости в центральной маловетренной области вихря. Видна вихреобразная структура линии сдвига, а также вихревые цепочки, поперечные волны и мелкие конвективные ячейки в центральной области вихря в поле облачности и приводного ветра. Fragment of ASAR full resolution image showing variations of sea surface wind into the MV center MODIS 02:00 7 Dec Kamchatka

В зоне более слабых ветров между линией сдвига и побережьем Камчатки на изображении РСА c полным разрешением хорошо видны отпечатки мелких конвективных ячеек и гряд (фрагмент), которые на видимом изображении не просматриваются. Small-scale cellular convection between the shear wind zone and Kamchatka coast. Fragment of ASAR full resolution image MODIS 02:00 7 Dec Kamchatka

Поле яркостных температур на изображении Aqua AMSR-E. Области слабых градиентов ветра в центре вихря и к западу от камчатского побережья соответствует сухой воздух на микроволновом изображении, а участкам с наиболее высокой яркостной температурой – конвективная облачность и вариации яркости в поле приводного ветра на изображении РСА. Envisat ASAR 23:50 6 Dec Aqua AMSR-E 89 GHz H polarization Aqua MODIS 02:00 UTC Kamchatka

19 December Okhotsk Sea Cold air outbreak and mesovortex on Terra MODIS image taken on 02:15 UTC. Length of its cloud band 400 km. Dark rectangle marks the Boundaries of Envisat ASAR image taken at 00:13 UTC Мезовихрь на фоне холодного вторжения на видимом изображении. Длина его облачной полосы около 400 км.

Warm core and mesoscale convective features within the centre (d = km) ASAR 00:13 UTC NOAA-17 00:21 UTC AMSR-E 02:25 UTC Sikora T.D. and all. Synthetic aperture radar as a tool for investigating polar mesoscale cyclones. Weather and Forecasting, 2000, V. 15, Young G.S. and all. Use of synthetic aperture radar in finescale surface analysis of synoptic-scale front at sea. Weather and Forecasting, 2005, V. 20, Kamchatka

KMA surface analysis, upper-air maps and NCEP-NCAR SST reanalysis 12 UTC 11 Feb February 2007 Okhotsk Sea Envisat ASAR 11:40 UTC Okhotsk Sea Ice Ice

Мезовихрь в форме запятой у ледовой кромки в центральной части Охотского моря длиной по горизонтали примерно 380 км. Длина вихреобразных структур вдоль линии сдвига ветра в среднем составляет 35 км. 11 February Okhotsk Sea Envisat ASAR 11:40 UTC Aqua MODIS IR 16:55 UTC Aqua AMSR-E 16:55 UTC Comma cloud near the ice edge Ice Sakhalin Ice

Surface manifestation of dry convection in the sea surface roughness on ASAR image (left). Cloud cells are absent on visible image (right). Проявления сухой конвекции на изображении РСА, которые в поле облачности отсутствуют.

Water vapor content and cloud liquid water content from AMSR-E data

KMA surface analysis, AT500 and NCEP-NCAR SST reanalysis 00 UTC 29 Jan 2007 No indication of MV Okhotsk Sea 29 January 2007 ASAR 00:24 UTC Ice Ice

Envisat ASAR 00:24 UTC 29 Jan 2007 QuikSCAT wind 19:31 UTC 28 Jan 2007 ice Cyclonic circulation is evident on sea wind map

JMA AT500 and NCEP-NCAR AT925 and air temperature reanalysis. 00 UTC 28 January 2007 Red dots indicate the location of vortex centers 28 January 2007 Mesovortex formation

NOAA-17 01:39 UTC NOAA-17 11:24 UTC NOAA-18 17:28 UTC

Okhotsk Sea 29 January 2007 ASAR 00:24 UTC d 180 km Aqua AMSR-E 02:15 UTC Kamchatka Aqua MODIS 02:15 UTC Kamchatka

Aqua MODIS at 00:50 UTC, JMA surface analysis and NCEP-NCAR SST reanalysis on 15 Jan 2006 at 00 UTC Mature polar low at NW Bering Sea 15 January 2006 Kamchatka Полярный циклон в Беринговом море в максимальной стадии развития. На карте приземного анализа отсутствует. Спиральная структура облачной системы циклона с концентрическим безоблачным «глазом» в центре.

Convergence of sea surface winds and cyclonic circulation Мезомасштабная циклоническая циркуляция и конвергенция в поле приводного ветра, восстановленном по данным скаттерометра QuikSCAT. QuikSCAT for 18 UTC 14 Jan 2006 Aqua MODIS for 00:50 UTC 15 Jan Visible image. Kamchatka

Size of PL km Diameter of PL eye 15 km. Structure of polar low Aqua MODIS 00:55 UTC visible Aqua AMSR-E 00:55 UTC EYE Cloudiness field Kamchatka

Aqua MODIS 00:55 UTC Water vapor and cloud liquid water

JMA surface analysis, AT700 and NCEP-NCAR SST reanalysis 12 UTC 15 Jan 2006 Полярный циклон смещался на северо-восток со скоростью 15 км/час, приближаясь к суше и заполняясь. Envisat ASAR 10:21 UTC Filling polar low at NW Bering Sea 15 January 2006

Polar low evolution on ASAR, IR and TB(89H) images Aqua MODIS IR 14:25 UTC Envisat ASAR 10:21 UTC Aqua AMSR-E 14:25 UTC Облачная система, сохраняя спиральную структуру, приобрела форму овала, «глаз» в его центре стал менее выраженным. Область слабых ветров в центральной части расширилась по площади, вдоль ее внутренней границы появилась облачная полоса, состоящая из цепочки вихреобразных структур (2) длиной около 10 км. Крупные дождевые ячейки видны на всех трех изображениях, Мезовихрь стадии заполнения. Облачная система, сохраняя спиральную структуру, приобрела форму овала, «глаз» в его центре стал менее выраженным. Область слабых ветров в центральной части расширилась по площади, вдоль ее внутренней границы появилась облачная полоса, состоящая из цепочки вихреобразных структур (2) длиной около 10 км. Крупные дождевые ячейки видны на всех трех изображениях,

Water vapor and cloud liquid water Полное содержание водяного пара и капельной влаги в области мезоциклона по сравнению со стадией максимального развития уменьшилось на 1 и 0,3 кг/м 2 соответственно. Aqua MODIS IR image for 14:25 UTC

As a whole, satellite passive and active sensing at different ranges provided more complete and comprehensive information on evolution of mesoscale vortices that, in turn, has a special importance for analysis and forecasting as well as for validation of cloud-resolving numerical models. Данные спутниковых активных и пассивных измерений в совокупности обеспечивают четкое представление о зарождении, перемещении и эволюции мезовихрей, а также о скорости ветра и интенсивности осадков в зоне их влияния. Они представляют интерес как для анализа и прогноза МВ и связанных с ними опасных явлений, так и для проверки результатов численного моделирования.