ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2010, № 1, с. 40-47
МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА ЛЕДОВОГО ПОКРОВА АРКТИКИ ПО СПУТНИКОВЫМ МИКРОВОЛНОВЫМ ДАННЫМ © 2010 г. И. Н. Мордвинцев*, Н. Г. Платонов, И. В. Алпацкий
Учреждение Российской академии наук Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Москва *Е-таП: mordvintsev@sevin.ru
В работе приводятся основные результаты обработки многолетних спутниковых данных различных спектральных диапазонов и пространственного разрешения для картографирования параметров ледового покрова Арктики. Показаны преимущества разработанных методов оценки этих параметров по измерениям микроволновых сенсоров. Даны особенности многолетней динамики основных геофизических параметров — площади и распределения ледового покрова в период летнего минимума, возрастной структуры и толщины льда, концентрации многолетнего льда, дат начала таяния и замерзания ледового покрова и др. Приводятся оценки влияния изменений ледового покрова на статус крупных млекопитающих Арктики.
Ключевые слова: ледовый покров, геофизические параметры, вариабельность, активные и пассивные микроволновые данные, Арктика.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальных современных глобальных проблем является изменение окружающей среды и климата, связанное с влиянием как естественных, так и антропогенных факторов: увеличивается загрязнение Мирового океана, уменьшается биоразнообразие, изменяется состав атмосферы, усиливается парниковый эффект, возникает глобальное потепление (Бельчанский, 1995; Кондратьев 1992; Кондратьев и др., 2004).
Арктический морской лед представляет собой важную компоненту климатической системы, поскольку он модулирует климат вследствие изменения коротковолнового альбедо земной поверхности, температуры и влажности воздуха, обмена кинетической энергией между атмосферой и океаном (Бельчанский, Платонов, 2003; Бельчанский и др., 2006). Систематизация и статистический анализ многолетних данных о состоянии ледового покрова Арктики позволяют выявить возможные тренды межгодовой изменчивости климата и приблизиться к пониманию механизма этих изменений. Изучение динамики основных геофизических параметров морского льда чрезвычайно важно также для оценки современного состояния экосистем и статуса крупных млекопитающих Арктики, освоения полезных ископаемых шельфовой зоны, планирования рыбного промысла, полярной навигации и др.
Особое место в общем объеме информации, накопленной о состоянии ледового покрова, за-
нимают спутниковые наблюдения Арктики и прилегающих регионов, по которым за последние 30 лет созданы обширные базы данных. Наиболее эффективными спутниковыми системами для решения задач в Арктике являются микроволновые активные и пассивные сенсоры, так как их функционирование практически не зависит от освещенности поверхности и состояния атмосферы. Среди основных спутниковых микроволновых систем, применяемых в свое время для оперативного мониторинга Арктики, следует выделить сенсоры установленные на ИСЗ "Космос-1500" и ИСЗ серии "0кеан-01" (РЛСБО, РМ-08), Nimbus (SMMR), серии спутников программы DMSP (SSM/I), RADARS AT-1 (SAR), ERS-1 (SAR), JERS (SAR), EOS/Aqua (AMSR-E) (Belchansky, Douglas, 2000; Бельчанский и др., 2001; Бурцев и др., 1985; Olmsted, 1993; RADARSAT International..., 1997).
В настоящее время вопросам обработки и классификации микроволновых спутниковых данных уделяется особое внимание. Точное оценивание параметров морского льда требует решения ряда проблем, общих для всех микроволновых сенсоров, так как отражательные и излуча-тельные характеристики льда нелинейно зависят от множества факторов (диэлектрические свойства, плотность, однородность, шероховатость поверхности, частота и поляризация сенсора, его угол наблюдения и т.п.). Более того, в условиях таяния мокрый снег и талая вода на поверхности льда скрывают более стабильные объекты (Бель-
Рис. 1. Протяженность и концентрация ледового покрова Арктического бассейна в сентябре 1980 (7.5 х 106 км2, 23.09.1980), 2007 (4.3 х 106 км2, 17.09.2007) и 2008 (5.1 х 106 км2, 15.09. 2008) гг.
чанский, Платонов, 2003; Belchansky et al., 2004b; Belchansky et al., 2004c). Следовательно, для максимально полного использования способностей различных сенсоров необходима разработка комплексных методов, использующих данные разных спутников с привлечением всего объема наземных и судовых измерений.
В данной статье мы остановимся на обзоре основных результатов исследований по оценке многолетней вариабельности и трендов геофизических параметров ледового покрова Арктики, полученных с использованием методов обработки многоканальных микроволновых данных, разработанных в Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН (ИПЭЭ РАН) под руководством профессора Г.И. Бельчанского в период 1990—2007 гг., а также результатов последующих работ его коллег и учеников.
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА АРКТИКИ ПО СПУТНИКОВЫМ МИКРОВОЛНОВЫМ ДАННЫМ
Для исследования вариабельности основных параметров льда (площади и протяженности ледового покрова, возраста и толщины морского льда, дат начала таяния и образования льда) в Группе экоинформационных систем и космического мониторинга ИПЭЭ РАН была разработана и создана интегрированная база спутниковых и наземных данных. База данных включает микроволновые спутниковые измерения "Океан-01", SMMR, SSM/I, AMSR-E; радарные данные высокого разрешения RADARSAT, ERS, JERS-1; данные по дрейфу льда, полученные в рамках Международной программы мониторинга Арктики с использованием сети буев и данные Национального центра США по прогнозу состояния окружающей среды; данные и статистику по измерениям профилей нижней границы льда, получен-
ные с использованием сонаров подводных лодок (Бельчанский и др., 2001: Бельчанский, Платонов, 2005; ШГОС..., 1998; ШГОС..., 2004). Созданная база данных содержит более 10000 цифровых карт для изучения климата и экологии морских млекопитающих. Нами были реализованы алгоритмы построения консистентных баз данных, в которых измерения различных спутников приведены к единому стандарту для изучения сезонной и многолетней динамики ледового покрова и процессов таяния (Бельчанский и др., 1998; Бельчанский, Алпацкий, 2000, Еремеев, 2003).
Оценка динамики общей площади и протяженности ледового покрова
Ряд исследований был посвящен изучению многолетней динамики ледового покрова по микроволновым спутниковым измерениям "0кеан-01" и 8ММЯ-88М/1. На рис. 1 показана динамика протяженности и концентрации ледового покрова Арктики в период летнего минимума (сентябрь). В течение последнего десятилетия происходит неуклонное сокращение ледового покрова арктических морей и Северного Ледовитого океана. За всю историю спутникового мониторинга полярных регионов (начиная с 1978 г.) 2007 г. стал рекордным по сокращению площади, протяженности и толщины ледового покрова в летний период — общая протяженность ледового покрова арктического бассейна в сентябре сократилась до 4.3 х 106 км2. К примеру, в сентябре 1980 г. она составляла 7.5 х 106 км2, а для периода 1979—2000 гг. среднее значение площади льдов в сентябре составляло 6.7 х 106 км2. В секторе Восточно-Сибирского, Чукотского и Бофортова морей в 2007— 2008 гг. лед отступил на 1000—1200 км севернее склона континентального шельфа.
Учитывая специфику наших исследований, здесь необходимо подчеркнуть, что шельфовая
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Январская концентрация многолетнего морского льда, %
Рис. 2. Карты распределение многолетнего льда Арктики в январе 2007 г. (справа) и осредненные для 2002—2007 гг. (центр) и 1979—2001 гг. (слева).
зона является наиболее биологически продуктивной акваторией для обитания моржей и белых медведей. Значительное сокращение ледового покрова в летний период ставит морских млекопитающих Арктики в экстремальные условия, вынуждая уходить с отступающими льдами к полюсу, выходить на сушу, или оккупировать отдельные плавучие льдины, т.е. создает ситуацию, когда животные вынуждены изменять свои поведенческие функции и напрягать адаптационные способности (Belchansky, Douglas, 2000; Кондратьев и др., 2004).
Оценка вариабельности распределения
и концентрации многолетнего льда Арктики
Для оценки концентраций многолетнего льда разработаны нейронные сети с обучением по данным спутников серии "0кеан-01". Алгоритм обучения базировался на комбинированном методе обратного распространения ошибки и эмуляции отжига (Бельчанский, Платонов, 2005; Belchansky et al., 2004a; Belchansky et al., 2005a).
Оценка 29-летней (1979—2007 гг.) вариабельности средне-январского распределения многолетнего льда Арктики (рис. 2), проведенная с помощью нейросетевых алгоритмов на основании радиояркостных температур, полученных по пассивным микроволновым данным сенсоров SMMR-SSM/I, дает следующие основные результаты:
1) начиная с 1989 г., площадь многолетнего морского льда в среднем уменьшается на 49 ± 7 х х 103 км2 в год, S > 99% (исключением является 1996 г.). Непрерывное сокращение площади многолетнего льда Арктики начинается с 2002 г. Ее наименьшие значения зафиксированы в 2006 г. (1.39 х 106 км2) и 2007 г. (1.36 х 106 км2);
2) плотный и стабильный ледовый покров в центральном арктическом бассейне окружен областями с более низкой концентрацией и толщиной льда, которые из года в год меняют свое состояние. После десятилетия почти полного равновесия в 1989 г. начинается резкое снижение площади многолетнего ледового покрова, тогда же и арктические осцилляции (АО) меняют свой индекс на явно положительный;
3) хотя сохранение однолетнего льда на большой площади арктического бассейна в течение периода таяния в 1996 г. полностью пополнило область многолетнего льда, ускоренное таяние в последующие годы свело площадь многолетнего льда Арктики к рекордно низким отметкам;
4) среднеянварская площадь многолетнего морского льда до и после изменения знака индекса АО в 1989 г. существенно сокращается, в основном в секторе 135° в.д.—135° з.д., охватывающем Восточно-Сибирское, Чукотское моря и море Бофорта. Предельная зона высокого таяния многолетнего льда расширилась к северу после 1989 г., эффективно разру
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.