Лёд и Снег • 2013 • № 4 (124)
Морские, речные и озёрные льды
УДК 551.467
Сравнительная оценка и сопоставимость спутниковых и авиационных данных
по ледовитости Охотского моря
© 2013 г. В.А. Романюк1, Г.Г. Журавлев2
Сахалинский государственный университет, Южно-Сахалинск; 2Томский государственный университет
ggz50@sibmail.com
Статья принята к печати 4 июля 2013 г.
Дистанционное зондирование, обработка снимков, площадь ледяного покрова, шельф.
Continental shelf, image processing, remote sensing, sea ice area.
Несмотря на то, что Сахалинский шельф неплохо подготовлен к добыче и организации поставок газа, его освоение осложняется влиянием гидрометеорологических факторов и в первую очередь ледяным покровом акватории. При получении информации о ледяном покрове используют разные методы, каждый из которых имеет свои особенности и ограничения. Поэтому необходима их сравнительная оценка. В статье рассматриваются спутниковые и авиационные данные по ледовитости Охотского моря для зимних сезонов, полученные параллельно в 1970-1991 гг. Согласованность этих данных весьма высока - коэффициент корреляции за рассматриваемый период R = 0,96. Разность между спутниковыми и авиационными наблюдениями в Охотском море в этот период составляла в среднем 120,2 тыс. км2 (7,5% площади моря).
Введение
При проектировании и эксплуатации платформ на шельфе необходимы информация о гидрометеорологической и ледовой обстановках, а также обобщённые сведения о пространственно-временши характеристиках основных климатических величин и морского льда за длительный период. Наблюдения за льдами с самолётов, вертолётов и искусственных спутников Земли (ИСЗ) восполняют недостатки судовых и прибрежных измерений благодаря одновременному охвату значительных акваторий моря или всего моря в целом. Эти наблюдения и служат основным материалом при разработке таких методов ледовых прогнозов для открытых районов моря, как прогноз положения кромки льда и его дрейфа, ледовитости, протяжённости ледовой трассы, сроков очищения районов моря ото льда [16]. Получение необходимой информации тесно связано с использованием различных технологий по обработке многолетних рядов спутниковых, аэровизуальных и наземных наблюдений. Каждый из этих способов получения информации имеет свои особенности и ограничения и не лишён ошибок. В процессе оценки достоверности и точности визуальных авиационных ледовых наблюдений необходимо учитывать технологию их выполнения и точность самолётовождения в тот или иной период [3, 17]. При построении карт и оценке ледовитости по визуальным
авиационным наблюдениям возникают ошибки в определении границы распространения льда, при интерполяции их положения и др. Дешифрование космических изображений для создания тематических карт позволяет представить данные в единой картографической проекции, комбинировать данные, полученные в разных спектральных диапазонах (космических изображений ИСЗ МЕТЕОР-3М, TERRA, AQUA, NOAA, ERS-2, Envisat, IRS, QuikSCAT, TOPEX/Poseidon и др). Однако при дешифрировании подобных снимков также возникают ошибки, которые не всегда можно исключить [5].
Применяемые способы наблюдений за ледяным покровом на дальневосточных морях по времени можно разделить на три этапа [10]: первый — попутные (нерегулярные) морские наблюдения с 1928 по 1960 г.; второй — регулярные авиационные наблюдения с 1957 по 1992 г.; третий — спутниковые наблюдения с 1970-х годов по настоящее время. На каждом этапе наблюдения были различны как по масштабам, так и по точности определения пространственных характеристик. На первом этапе исследований (эпизодические судовые и единичные авиационные наблюдения) А.Н. Крындин [4] оценивает ошибку расчётов в 10% оценённой площади ледяного покрова. На втором этапе, по результатам учащённых авиационных наблюдений, впервые были получены на-
8 Лёд и Снег, № 4, 2013
дёжные сведения о скоростях смещения границ дрейфующих льдов, которые могут достигать 30 миль/сутки и более. Впоследствии, на третьем этапе, эти данные были подтверждены при дешифрировании спутниковых снимков.
Исходя из современных знаний об изменчивости режима ледяного покрова дальневосточных морей, площадь льда, вычисленная по местоположению ледовых кромок, не может быть объективным показателем как в силу своей значительной синоптической изменчивости, так и дискретности самих наблюдений [10]. Также показано, что в зависимости от направления и продолжительности ветрового воздействия смещение кромок в различных частях моря может одновременно происходить в разные стороны, при этом ледовитость моря в целом изменяется незначительно.
Преобладающий тип атмосферной циркуляции вместе с термическими условиями — это основные факторы, определяющие ледовитость моря в каждый конкретный ледовый сезон. Согласно результатам выполненных расчётов, на разных стадиях существования ледяного покрова 30-мильное смещение кромки может составлять от 5 до 60% его площади соответственно в периоды максимальной и начальной (конечной) стадий развития. Следующий фактор, влияющий на точность определения площади ледяного покрова, — его сплочённость. Если этот фактор не учитывается, то дополнительная ошибка в определении истинной площади составляет от 3—5% в начале ледового сезона до 10—15% в конце, в период его максимального развития. К этому следует добавить инструментальную ошибку вычисления площадей для ледовых карт определённых масштабов, которая, по оценкам [10], варьирует от 3 до 7%; при этом суммарная ошибка вычисления площадей может быть до двух раз больше по сравнению с заявленной в работе [4].
Спутниковые наблюдения не могут полностью заменить визуальные самолётные, так как не все элементы ледяного покрова определяются с необходимой точностью. Кроме того, дешифрирование снимков в значительной степени зависит от индивидуальных особенностей специалиста. Поэтому для комплексного использования данных о ледовитости, полученных разными методами, требуется сопоставление результатов этих наблюдений. Данная проблема и была предметом нашего исследования. Цель работы — сравнительная оценка спутниковых и авиационных данных по ледовитости Охотского моря, полученных в период одновременного проведения подобных наблюдений с 1970 по 1991 г. Для выполнения поставленной задачи требовалось собрать и обработать материалы ледовых
и авиационных наблюдений, а также выполнить сравнительный анализ спутниковых и авиационных данных по площади льда Охотского моря.
Исходные данные и методы их обработки
Для исследования использованы данные регулярных спутниковых и авиационных наблюдений для Охотского моря за период с 1970 по 1991 г. Ледовые авиационные разведки проводились планомерно один раз в декаду с ноября по июнь и равномерно покрывали галсами всю заполненную дрейфующим льдом акваторию моря (рис. 1) [11]. Все карты ледовой обстановки, включая данные прибрежных наблюдений гидрометеорологических станций и постов, усреднялись для данной декады по всему морю. Таким образом, минимальная дискретность карт ледовой обстановки составляла одну декаду. Определённые на их основе характеристики ледяного покрова были эквидистантны, что позволило получить надёжные статистические характеристики. В исходный ряд наблюдений вошли данные ежемесячных значений ледовитости Охотского моря.
Спутниковые данные для исследуемого района получены как с российских искусственных спутников Земли серий NOAA, МЕТЕОР, КОСМОС, так и с зарубежных, которые регулярно выставляются Национальными центрами обработки гидрометеорологической информации Японии (Japan Meteorological Acency) и США (National/Naval Ice Center) в Интернете [12—15]. Минимальная дискретность карт-схем ледовой обстановки по спутниковым данным составляла 3—4 суток. В исходные ряды включены данные только с месячной дискретностью, вычисленные как среднеарифметические по результатам всех съёмок, выполненных во второй декаде каждого календарного месяца ледового сезона в период с 1970/71 по 1990/91 г.
Результаты обработки данных
Для оценки статистических характеристик рядов спутниковых и авиационных наблюдений использовались стандартные методы описательной статистики [1, 2, 6—9]. Расчёты вели с помощью программы Statistica 6.0. Результаты расчёта характеристик площади льда, полученные по данным спутниковых и авиационных наблюдений, приведены в табл. 1. Асимметрия As в рассматриваемых выборках имеет небольшое отрицательное значение, что свидетельствует о правосторонней асимметричности распределения; в этом случае среднее значение меньше медианы Ме. В рассматриваемых рядах эксцесс также имеет отрицательные значения, т.е. кривые распре-
В.А. Романюк, Г.Г. Журавлёв
Таблица 1. Статистические характеристики площади ледяного покрова Охотского моря по авиационным и спутниковым наблюдениям в 1970-1991 гг.
Характеристики Наблюдения
авиационные спутниковые
Средняя площадь, тыс. км2 794,0 700,2
Медиана Ме 825,0 755,0
Стандартное отклонение ах 406,7 372,4
Асимметрия As -0,07 -0,06
Эксцесс Е -1,28 -1,32
Коэффициент вариации Су, % 51,2 53,2
деления ниже и положе по сравнению с нормальной кривой распределения.
Для проверки нормальности рядов использовался х2 — критерий Пирсона. Значение х2 для ряда авиационных наблюдений составило 51,4 (число степеней свободы df = 11, вычисленный уровень значимости р < 0,05); для спутниковых — 42,2 ^ = 9,р < 0,05). Гипотеза о нормальности была отклонена. Аналогичные результаты получены и при использовании критерия Колмогорова—Смирнова. Для проверки однородности использовался непараметрический критерий Манна—Уитни. Расчёт однородности средних значений для независимых выборок показал, что они однородны при уровне значимости р = 0,05.
На рис. 2 показана динамика площади льда Охотского моря, рассчитанная по данным спутниковых и авиационных наблюдений за период с 1970 по 1991 г. с
Рис. 1. Карта галсов авиационной ледовой разведки Охотского моря [11]:
1 — граница наименьшего распространения льда; 2 - граница среднего многолетнего распространения льда; 3 - граница наибольшего распространения льда Fig. 1. Map of aerial ice reconnaissance tracks
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.