Введение к работе
Актуальность темы исследования
Прибрежные и заприпайные полыньи (далее прибрежные) являются актуальным объектом океанологических исследований. На полыньи приходится около 50% теплообмена между океаном и атмосферой в Арктике зимой. Полыньи являются важным очагом ледообразования, формирования вод глубинных слоев морей, газообмена и повышенной биологической продуктивности. Мониторинг полыней Татарского пролива и Охотского моря необходим для обеспечения танкерных и грузовых перевозок.
Толщина льда в полынье и ее окрестностях является важнейшей характеристикой, используемой для расчета продукции льда, потоков тепла в атмосферу, потоков соли в океан и др.
Оценка толщины льда может выполняться на основе контактных, судовых, самолетных, а также спутниковых измерений. Из-за прекращения в России с 1991 г. ледовой разведки и сложности организации судовых и наледных наблюдений, спутники являются практически единственным источником получения регулярных данных о ледяном покрове и полыньях.
Данные дистанционного зондирования (ДДЗ) с современных спутников обладают широкой полосой обзора и пространственным разрешением от десятков метров до километров. Приборы, работающие в микроволновом диапазоне, включая радиометры и радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА), позволяют проводить измерения океана вне зависимости от времени суток и облачности.
Учитывая регулярность (2 раза в сутки), широкую полосу обзора (1450-1600 км) и более высокое по сравнению с предыдущим поколением радиометров пространственное разрешение, особую актуальность приобретают измерения радиометра AMSR-Е со спутника Aqua и радиометра AMSR со спутника ADEOS-II, которые измеряют яркостную температуру Тя уходящего излучения Земли на 6 частотах v= 6,9; 10,65; 18,7; 24,8; 36,5 и 89,0 ГГц на вертикальной (в) и горизонтальной (г) поляризациях.
Для восстановления геофизических параметров льда по многоканальным микроволновым измерениям разработаны специальные алгоритмы. Для восстановления сплоченности однолетнего и многолетнего льда в качестве стандартных
4 используются алгоритмы NASATeam2 (NT2) и Basic Bootstrap Algorithm (ВВА). В обоих алгоритмах используются поляризационные и градиентные соотношения между яркостными температурами вида:
PR(v)=IlMzlM (1)
GR(yvv2,p) = l*p)v> і/" (2)
_Тря{у2)-Тря{ух) 7»2) + ^>,) где Тя'г(у)- яркостная температура на частоте v,p - поляризация.
Применение алгоритмов NT2 и ВВА позволяет обнаруживать полыньи по косвенным признакам - по областям, в которых восстановленные значения сплоченности однолетних льдов заметно меньше, чем это следует из анализа изображений с разрешением 250 м - 1 км.
Для оценки сплоченности С, а также для оценки толщины льда d по микроволновым измерениям разработано несколько исследовательских алгоритмов. К ним, в частности, относится алгоритм, разработанный С. Мартином (S. Martin, 2003), в котором для оценки d используется поляризационное отношение на частоте у= 36,5 ГГц:
ад=г»/г» (3)
Проведенный нами анализ значений d, восстановленных по микроволновым измерениям над полыньями Охотского и Японского морей, показал, что использование этого алгоритма приводит к значительным погрешностям.
Существенным фактором, затрудняющим и ограничивающим применение разработанных алгоритмов, является низкое пространственное разрешение антенн спутниковых радиометров, что вызывает пространственное сглаживание. В результате сигнал от нескольких типов льда, находящихся в пределах элемента разрешения антенны, интегрируется. В стандартных алгоритмах используются яркостные температуры на частотах 18,7 и 36,5 ГГц. Пространственное разрешение на этих частотах составляет 16х27кми8х14 км, соответственно, что соизмеримо и больше размеров многих Польшей. Пространственное разрешение каналов радиометров AMSR и AMSR-E, принимающих излучение на частоте 89,0 ГГц, существенно более высокое - 3,5 х 6,5 км, одна-
5 ко, использование Тяв'г (89,0) для зондирования ледяного покрова и, в частности, полыней затруднено из-за заметного увеличения влияния атмосферы, и прежде всего облачности, по сравнению с более низкочастотными каналами.
Морской лед является крайне сложной природной средой, характеризуемой пространственной неоднородностью многих характеристик, что проявляется и в изменчивости его коэффициентов излучения в микроволновом диапазоне. Поэтому уменьшение погрешности в оценке параметров льда даже при наличии многоканальных микроволновых поляризационных измерений является сложной исследовательской задачей. Прогресс в решении этой задачи может быть достигнут, если зондирование льда выполняется путем комплексирования данных, полученных одновременно или с малой разницей во времени микроволновыми, инфракрасными (ИК) и видимыми радиометрами. Существенно более высокое разрешение, достигаемое в видимом и ИК-участках спектра, обеспечивает повышение точности калибровки и валидации микроволновых данных, а, следовательно, и уменьшение погрешностей восстановленных значений сплоченности и толщины льда. Высоким потенциалом при изучении льда обладают и данные спутниковых РСА.
Цель и задачи исследования
Основной целью работы является разработка алгоритма определения толщины льда в прибрежных полыньях дальневосточных морей по данным пассивного микроволнового зондирования.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
Проанализировать основные физические факторы, влияющие на индикацию полыней спутниковыми приборами дистанционного зондирования в различных диапазонах спектра.
Сформировать базу сопряженных спутниковых измерений в микроволновом, ИК и видимом диапазонах, геофизических полей, восстановленных на их основе, и гидрометеорологических измерений в районах полыней Охотского и Японского морей.
Проанализировать восстановление параметров ледяного покрова, в частности, в полыньях оперативными и исследовательскими алгоритмами, использующими данные пассивного микроволнового зондирования.
Выполнить численное моделирование переноса микроволнового излучения в системе лед/океан/атмосфера и на основе моделирования оценить коэффициенты излучения тонких (ниласовых) и молодых льдов на частотах спутниковых радиометров AMSR и AMSR-E.
Исследовать связь микроволновых коэффициентов излучения и спектрального альбедо льда.
Разработать усовершенствованный алгоритм оценки толщины ледяного покрова в полыньях по данным пассивного микроволнового зондирования.
Провести оценку погрешности разработанного алгоритма и ва-лидацию результатов на основе сопряженных спутниковых измерений в видимом, ИК и микроволновом диапазонах и ледокольных наблюдений.
Научная новизна
Подготовлена информационная база для комплексного изучения ледяного покрова и, в частности, полыней, включающая массив микроволновых яркостных температур со спутников ADEOS-II и Aqua, изображения в видимом и ИК-диапазонах со спутников Terra, Aqua и NOAA, синоптические карты и метеорологические наблюдения.
Разработана оригинальная методика восстановления микроволновых коэффициентов излучения ледяного покрова.
Уточнены коэффициенты излучения тонких и молодых льдов в микроволновом диапазоне, изучена их связь с альбедо поверхности, которые позволяют согласовать результаты модельных экспериментов со спутниковыми измерениями над полыньями Охотского и Японского морей.
На основе модельных расчетов получены зависимости толщины ледяного покрова d от поляризационных отношений Тя (у)/Тя (v) на частотах v = 36,5 и 89,0 ГГц при вариациях параметров атмосферы. Предложены критерий для идентификации капельной облачности и алгоритм оценки d по поляризационным отношениям, снижающий влияние облачности на погрешности восстановления толщины льда.
Научная и практическая значимость
Механизмы формирования микроволнового излучения тонких и молодых льдов до конца не изучены. Экспериментально
7 определенные коэффициенты излучения льда характеризуются значительным разбросом. Оценки коэффициентов излучения тонких и молодых льдов в микроволновом диапазоне и их взаимосвязь со спектральным альбедо, полученные в работе, могут быть использованы при моделировании переноса микроволнового излучения в системе океан/лед/атмосфера и поэтому имеют научную значимость. Такие расчеты важны для определения физических ограничений при разработке новых микроволновых алгоритмов восстановления параметров льда.
Предложенные в диссертации подходы к восстановлению коэффициентов излучения улучшают согласованность результатов моделирования и спутниковых наблюдений, что имеет практическую значимость.
Важность работы определяется сложностью организации судовых экспедиций и наледных измерений и отсутствием самолетной ледовой разведки в России. Алгоритмы оценки геофизических параметров льда и полыней по ДДЗ являются единственным постоянным источником сведений о полыньях. В свою очередь, они необходимы для решения задач физики атмосферы и океана, включая изучение и моделирование процессов в полыньях, определения межгодовой и сезонной изменчивости полыней, оценки связей между физическими и биологическими процессами.
В связи с освоением месторождений на шельфе Охотского моря и необходимостью круглогодичной навигации в Японском и Охотском морях, в том числе и в замерзающих частях этих морей, оценки толщины льда по разработанному алгоритму представляют практическую ценность.
Положения, выносимые на защиту
Совместный анализ спутниковых измерений в микроволновом, оптическом и ИК-диапазонах, обладающих пространственным разрешением от 20-25 км до 0,25-1,0 км, служит основой для разработки методики оценки микроволновых коэффициентов излучения льда в полыньях.
Новые значения коэффициентов излучения морского льда на частотах и поляризациях каналов радиометров AMSR-E (спутник Aqua) и AMSR (спутник ADEOS-II) существенно уточня-
8 ют полученные ранее и согласуются с результатами измерений яркостных температур.
Выявленная взаимосвязь микроволновых коэффициентов излучения и альбедо в диапазоне длин волн 620-670 нм определяет физические ограничения при разработке алгоритмов восстановления типов и сплоченности льда в полыньях.
Алгоритм, использующий поляризационные соотношения между яркостными температурами на частотах 36,5 и 89,0 ГГц, обеспечивает меньшую погрешность в определении толщины льда и местоположения полыней при более высоком пространственном разрешении по сравнению с известными и применим в условиях облачной атмосферы.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на следующих международных симпозиумах и конференциях: ESA Envisat & ERS Symposium (Зальцбург, Австрия, 2004 г.), International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE) (Санкт-Петербург, 2005 г.), International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice (Момбецу, Япония, 2005 г.), International Workshop on Remote Sensing of Marine Environment in the Northwest Pacific Region and Symposium on the Bio-invasion of Non-indigenous Species (Пусан, Корея, 2006 г.), международной конференции "Достижения в спутниковой океанографии: изучение и мониторинг окраинных морей Азии (к 50-летию запуска первого искусственного спутника Земли)" (Владивосток, 2007 г.), международном совещании по программе PEACE (Владивосток, 2008 г.), всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2004, 2007 и 2008 гг.), региональной конференции молодых ученых ТОЙ (Владивосток, 2006 г.), а также на семинарах в ТОЙ, в Международном центре по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена и в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (Санкт-Петербург, 2008 г.). Разработанное автором программное обеспечение используется в лаборатории спутниковой океанологии ТОЙ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе две статьи в рецензируемых изданиях, одна из которых
9 - в издании из списка, рекомендованного ВАК РФ. Список публикаций приводится на стр. 22.
Личный вклад автора
Автор работы принимал участие на всех этапах исследования, включая формулировку задачи и ее обоснование, разработку физико-математических моделей, обсуждение и анализ результатов численных экспериментов, разработку алгоритмов, оценку их эффективности и комплексный анализ результатов. Автор разработал компьютерные программы и алгоритмы, используемые в работе, и выполнил с их помощью обработку спутниковых данных.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем -111 с, в том числе 37 рисунков и 16 таблиц. Список литературы включает 184 наименования, из них 41 на русском языке.
