Лёд и Снег • 2013 • № 1 (727)
Морские, речные и озёрные льды
УДК 528.88
Методология спутниковой СВЧ-диагностики широтно-зональной и сезонной изменчивости мёрзлых почвогрунтов и морского льда
© 2013 г. В.В. Мелентьев12, И.В. Мателенок1
1Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения;
Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена, Санкт-Петербург
vv.melentyev@mail.ru
Статья принята к печати 21 ноября 2012 г.
Замерзание/оттаивание, многолетнемёрзлые грунты, радиояркостная температура, СВЧ-радиометрия,
сезонномёрзлые грунты.
Brightness temperatures, freeze/thaw, passive microwave radiometry, permafrost, seasonally frozen grounds.
Рассмотрены метод визуализации СВЧ-излучательных свойств многолетне- и сезонномёрзлых почвогрунтов и льда в пространственно-временных координатах, а также результаты его применения для исследования широтно-зональной, внутри- и межгодовой изменчивости различных объектов суши, морского и пресноводного льда. Планшеты (картосхемы) пространственно-временной изменчивости различных типов подстилающей поверхности Западно-Сибирского региона и акватории Карского моря исследуются на основе данных измерений радиояркостной температуры на частоте f = 6,9 ГГц СВЧ-радиометрического комплекса AMSR-E, установленного на борту ИСЗ «Aqua». Особенности распределения радиояркостной температуры по широте в разные периоды года соотнесены с границами физико-географических зон. Для тундровой зоны данные спутниковой СВЧ-информации сопоставлены с результатами контактных измерений на площадке геокриологического стационара Марре-Сале.
Введение
Известно, что компоненты природной среды Северной полярной области, в том числе многолетнемёрзлые грунты, морские льды и ледники суши, крайне чувствительны к современным глобальным климатическим изменениям [11]. Так, многолетнемёрзлые грунты, среднегодовая температура которых во многих регионах близка к точке таяния, даже при незначительном потеплении могут переходить в категорию сезонномёрзлых грунтов. При этом активные процессы преобразования природных комплексов, связанные с деградацией мёрзлых грунтов, оказываются опасными как для хозяйственной деятельности, так и для динамической стабильности геоэкосистем. Традиционные инструментальные методы контроля криосферы, основанные на контактных измерениях параметров мёрзлых сред, не позволяют судить об изменчивости её состояния на обширных территориях Северной полярной области. Оптимальными для создания системы оперативного мониторинга за многолетне- и сезонномёрзлыми грунтами, полярными льдами и ледниками суши, согласно развиваемой нами
идеологии, должны стать дистанционные муль-тиспектральные СВЧ-методы [3, 11]. Неблагоприятные для наблюдения в видимом диапазоне облачность и малая освещённость приполярных районов не препятствуют использованию методов дистанционного радиозондирования земных покровов — пассивной СВЧ-радиометрии и активной радиолокации.
Первые эксперименты по аэрокосмическому картированию земной поверхности в высоких широтах проводились с помощью датчиков видимого и ИК-диапазона [7]. Запущенный в СССР в 1968 г. первый в мире искусственный спутник «Космос-243» с многоканальным радиометрическим СВЧ-комплексом на борту открыл перспективу использования этого вида информации при исследовании излучательных свойств различных типов почвогрунтов в зоне распространения мно-голетнемёрзлых грунтов и за её пределами. По данным этой СВЧ-миссии сотрудниками Государственного научно-исследовательского центра изучения природных ресурсов (ГосНИЦИПР) была построена, по-видимому, первая в мире СВЧ-карта положения границ областей сплош-
ной и прерывистой мерзлоты [1]. Кроме того, была предложена методика оперативного подсчёта площади дрейфующего льда в Северном Ледовитом и Южном океанах [11]. Запуски измерительной СВЧ-аппаратуры с улучшенным пространственным и временным разрешением, проводившиеся в нашей стране и за рубежом в 1980—2000 гг., сопровождались наземными экспериментами в контролируемых условиях in situ, а также модельными теоретическими расчётами излучательной способности сред при отрицательных температурах, направленными на дальнейшее развитие технологий СВЧ-диагностики криосферы [3, 4, 14]. Значительно повысились точность определения сплочённости (concentration) льда в Арктическом бассейне и надёжность распознавания возрастных характеристик морского и пресноводного льда [11]. Однако существенная пестрота излучательных СВЧ-свойств подстилающих поверхностей суши так и не позволила вплоть до настоящего времени создать методики однозначного распознавания в те или иные временные промежутки годового цикла изменчивости отдельных характеристик многолетнемёрзлых пород. Крайне малочисленны и работы по климатологическому аспекту использования СВЧ-съёмки, ряды которой насчитывают уже более трёх десятилетий.
В течение двух последних лет как российские, так и зарубежные исследователи пытались решить эти проблемы. Так, например, в работах [13, 14] были предложены методики СВЧ-диагностики таяния грунтов и снежного покрова, использующие спектральный градиент показаний разночастотных каналов СВЧ-радиометров, которые позволили получить картину глобального распределения областей таяния и промерзания. Авторы [8, 9] положили в основу методик восстановления температуры почвогрун-тов в полярных и субполярных регионах поляризационные свойства подстилающих поверхностей в СВЧ-диапазоне. Однако, в целом, все имеющиеся на сегодняшний день методики восстановления характеристик почвогрунтов тундровой и бореаль-ной зон имеют региональные ограничения и позволяют выполнять лишь трендовые оценки состояния многолетнемёрзлых пород без учёта всей совокупности факторов, определяющих излучательные СВЧ-свойства подстилающей поверхности. Недавно созданная система мониторинга зоны многолетне- и сезонномёрзлых грунтов с использованием СВЧ-информации (DUE permafrost) открыла новые возможности в организации комплексного анализа разнородных данных о состоянии криолитозоны. Вместе с тем небольшое число тестовых полигонов и необходимость дальнейшей оптимизации работы отдельных алгоритмов (в частности, для определения
SMC — влажности грунтовых слоёв) не позволяют считать данную систему универсальным средством мониторинга многолетнемёрзлых пород, пригодным для решения задач спутникового землеведения и спутниковой климатологии.
Цели и задачи
Ещё в конце 1970-х — начале 1980-х годов в ряде наших исследований [3, 4] высказывалась идея, что осреднённые по времени и пространству значения радиояркостной температуры системы «Земля-атмосфера» можно использовать в качестве интегрального климатологического показателя, позволяющего оценивать её климатическую изменчивость. При этом степень «чувствительности» предлагаемого показателя, зависящая от множества разнонаправленных факторов и свойств подстилающей поверхности, изначально подразумевает необходимость широтного районирования исследуемых территорий и морских акваторий Северной полярной области. В работе [12] этот подход был успешно апробирован для Западной Сибири. СВЧ-исследования многолетне- и сезонномёрзлых грунтов выполнялись для трансекта, совпадающего с меридианом 70° в.д. Выбор трансекта был обусловлен разнообразием типов подстилающих поверхностей, а главное -наибольшей для данного региона чувствительностью мёрзлых почвогрунтов к климатическим изменениям [2]. Анализ радиояркостных температур системы «Земля-атмосфера», полученных с помощью СВЧ-радиометров SMMR (ИСЗ «Nimbus-7) и SSM/I (ИСЗ серии DMSP), позволил выполнить количественную оценку пространственно-временной изменчивости криолитозоны Западной Сибири за 1978-1999 гг., в том числе выявить тенденцию роста средних за зимние месяцы значений радиояркостной температуры в 1992-1999 гг., что, по нашему заключению, могло свидетельствовать о наличии соответствующего тренда развития и самой зоны многолетнемёрзлых пород.
Настоящая работа продолжает исследования, выполненные нами ранее [12], и направлена на дальнейшее развитие методов спутникового СВЧ-зон-дирования и их использования для оперативного и климатологического картирования многолетне- и се-зонномёрзлых грунтов. Основная её цель - разработка новой СВЧ-технологии поляризационного мониторинга мёрзлых почвогрунтов тундровой и бореаль-ной зон Северной полярной области, а также других типов подстилающей поверхности с ассимиляцией дистанционной информации и результатов контактных in situ измерений. Важнейшие задачи данного этапа работ - создание методики визуализации радиометрической СВЧ-информации в пространственно-временшйх координатах и её анализ в рамках концеп-
ции «СВЧ-климатология» [5]. Среди приоритетных задач отметим оценку широтной, сезонной, внутри-и межгодовой изменчивости состояния разных типов подстилающей поверхности, а также типизацию (классификацию) территории Западной Сибири по её «СВЧ-радиопортрету» [12] с последующим сопоставлением её с существующим физико-географическим районированием.
Объект исследований и методика тематической обработки
В рамках настоящей работы проанализированы данные спутникового СВЧ-радиометра AMSR-E ИСЗ «Aqua», полученные в 2005—2008 гг. на канале f = 6,9 ГГц (горизонтальная и вертикальная поляризации) и позволяющие проводить зондирование большего слоя почвогрунтов по сравнению с датчиками SSM/I и SMMR (f = 19,0 ГГц и выше). Рассмотренный к настоящему моменту временной интервал спутниковой съёмки за 2005—2008 гг. охватывает годы, экстремальные по суровости зимнего сезона и среднегодовой температуре в начале XXI в. (2006 г. — холодный; 2007 и 2008 гг. — тёплые). Тестовым полигоном служит тот же меридиан 70° в.д. Данный трансект пересекает Карское море и физико-географические зоны Западно-Сибирской низменности: от тундр п-ова Ямал до степей и лесо-степей юга Тюменской области и Северного Казахстана. Вдоль выбранного трансекта расположены области непрерывного, прерывистого и островного распространения многолетнемёрзлых пород, переходящие далее к югу в области сезонного промерзания почвогрунтов.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.