ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПУТНИКОВЫХ И СУДОВЫХ ДАННЫХ О ЛЕДЯНОМ ПОКРОВЕ В МОРЯХ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ © 2012 г. Т. А. Алексеева*, С. В. Фролов
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
*E-mail: taa@aari.ru Поступила в редакцию 20.03.2012 г.
Для сравнения с данными визуальных наблюдений были использованы данные SSM/I с информацией по общей сплоченности, рассчитанной по алгоритму NASA Team. При сравнении спутниковых изображений с судовыми данными, полученными в ходе 15-ти научных экспедиций в районе Баренцева, Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского морей, были выявлены существенные различия. Наиболее ярко выраженные различия наблюдаются в районе кромки льда, они обусловливают погрешности в оценке общей сплоченности и ледовитости, что затрудняет их использование в решении практических и научных задач. В целом методы дистанционного зондирования (ДЗ) недооценивают реальную сплоченность ледяного покрова: средняя ошибка составляет порядка 10%, как в летний, так и в зимний периоды. Статистический анализ сравнения двух источников информации проведен для различных градаций сплоченности, отдельно для зимнего и летнего сезонов, для сплоченности льда с учетом и без учета начальных видов. В летний период в районе редких льдов SSM/I данные завышают общую сплоченность на 0.5—1 балл, в сплоченных — занижают в среднем на 2 балла. При вычитании из общей сплоченности, определенной с борта судна, начальных льдов средняя ошибка понижается до —3.4%. Зимой в редких льдах SSM/I данные переоценивают общую сплоченность на 1—2 балла, а в сплоченных льдах разница составляет 2 балла, как и в летний период. Начальные льды в зимний период лучше определяются методами ДЗ, чем в летний период, и, следовательно, их вычитание из общей сплоченности не приводит к уменьшению средней ошибки.
Ключевые слова: ледяной покров, сплоченность льда, судовые ледовые наблюдения, дистанционные методы зондирования
ВВЕДЕНИЕ
Устойчивый ледяной покров, характеризующийся высокой сезонной и межгодовой изменчивостью, ежегодно формируется на поверхности морей Российской Арктики вследствие суровых климатических условий, типичных для полярных регионов. Данные дистанционного зондирования (ДЗ) Земли и судовых ледовых наблюдений являются важнейшими источниками информации о ледяном покрове. Ежедневные спутниковые изображения обеспечивают информацию о ледяном покрове на всей акватории Северного Ледовитого океана, но позволяют определить ограниченный набор параметров. Данные же специальных судовых наблюдений нерегулярны, но содержат подробнейшую информацию обо всех важнейших характеристиках ледяного покрова.
Информация о ледовых параметрах играет значительную роль для решения ряда практических и научных задач: для обеспечения судоходства, при оценке теплообмена между океаном и атмосферой через ледяной покров и др. Таким образом, представляется целесообразным исполь-
зовать сочетание доступных спутниковых и судовых данных. Однако данные со спутников и данные, полученные в ходе судовых наблюдений, могут существенно различаться. Наиболее ярко выраженные различия наблюдаются в районе кромки льда, они обусловливают погрешности в оценке общей сплоченности и ледовитости, что затрудняет их использование в решении практических и научных задач.
Из всех существующих в настоящее время источников спутниковой информации о ледяном покрове самыми продолжительными являются данные пассивного микроволнового зондирования. Эта информация — ценный источник ежедневных данных о морском ледяном покрове уже более 30-ти лет. В отличие от датчиков, работающих в видимом и ИК-диапазонах, использование пассивных микроволновых датчиков обеспечивает полное информационное покрытие полярных регионов Земли при любых метеорологических условиях. Начиная с 1978 г., сканирующий мультиканальный микроволновый радиометр (8ММЯ) и специальный микроволновый сенсор (88М/1)
позволяют ежедневно оценивать распределение и общую сплоченность морского льда.
Существует несколько алгоритмов для оценки общей сплоченности морского льда по данным пассивного микроволнового зондирования. Наиболее распространенными из них являются NASA Team и Bootstrap алгоритмы. Спутниковые изображения, обработанные по этим двум алгоритмам, доступны на сайте Национального центра данных по изучению снежного и ледового покровов (National Snow and Ice Data Center, http://nsidc.org). Для сравнения данных судовых наблюдений со спутниковыми изображениями в настоящей работе были использованы изображения SSM/I с общей сплоченностью льда, рассчитанной по алгоритму NASA Team. Этот алгоритм особенно чувствителен к ошибкам, обусловленным наличием начальных (толщиной <10 см) видов льда (Meier, 2005). Несмотря на это ограничение, данный алгоритм считается надежным и широко используется в научных работах. Большая часть исследований долгосрочных трендов ледовитости выполнена с использованием SSM/I-данных, рассчитанных по алгоритму NASA Team (Meier, 2005).
Сравнение общей сплоченности льда, полученной со спутниковых изображений, с данными судовых наблюдений выполнено отдельно для летнего и зимнего сезонов. Летние наблюдения проводились в ходе шести экспедиций на научно-экспедиционных судах (рис. 1) "Академик Федоров" (2000, 2004 и 2005 гг.), "Михаил Сомов" (1996 г.) и ледоколах "Советский Союз" (2003 г.), "Капитан Драницын" (2003 г.). Данные девяти зимних экспедиций были получены на борту научно-экспедиционного судна "Михаил Сомов" (1996-1997, 1997-1998, 1998, 2001, 2003 и 2004 гг.) и ледоколов "Капитан Николаев" (1995 г.), "Капитан Драницын" (1998 и 2000 гг.). Всего в районе исследования (Баренцевом, Карском, Лаптевых и Восточно-Сибирском морях) были выполнены непрерывные визуальные наблюдения за ледяным покровом по пути движения судов по суммарной трассе протяженностью ~91000 км.
Визуальные наблюдения выполняются на единых методических принципах, традиционно используемых в работе специалистами ААНИИ. Подобный подход позволяет накапливать, анализировать и обобщать данные наблюдений, полученные в разные годы. Наблюдения производятся с ходового мостика непрерывно по всему маршруту следования судна. Они включают визуальное определение комплекса основных характеристик ледяного покрова: возрастного состава, общей и частной сплоченности каждого из наблюдаемых возрастных видов льда, а также их форм (горизонтальных размеров льдин), диапазона толщин ровного льда и высот снега, степени торосистости, разрушенности и сжатий льда. В целях сопостав-
ления ледовых условий в районе плавания (в пределах горизонтальной видимости) на пути движения (в зоне по курсу судна, ширина которой равна шестикратной ширине, а длина — шестикратной длине корпуса судна) все перечисленные выше характеристики записываются раздельно. Кроме того, в зоне непосредственного движения судна отмечаются ориентация и размеры разводий, трещин и каналов, т.е. элементы "нарушений сплошности льда" (НСЛ), а также средняя и максимальная высота торосистых образований. Детализация пространственного масштаба определяется протяженностью однородных ледовых зон, временного масштаба — скоростью движения судна в данных ледовых условиях. Наблюдения выполняются в строгом соответствии с требованиями регламентирующих документов.
В основном распределение характеристик ледяного покрова по пути движения судна определяется избирательным характером его движения, т.е. путем максимального использования сегментов с более легкими условиями навигации — меньшие значения сплоченности ледяного покрова (более тонкий лед, более низкая торосистость, и т.д.) (Бузуев, Федяков, 1981). Таким образом, существует разница между данными наблюдений за ледяным покровом на пути движения судна и в районе в целом. Для сравнения данных судовых наблюдений со спутниковыми изображениями использовалась общая сплоченность ледяного покрова, наблюденная в районе движения судна.
Из-за различных форматов судовых и спутниковых данных имеется различие в их пространственном разрешении. Для сравнения спутниковых и визуальных данных, траектории движения судов делятся на 1-км отрезки пути, в пределах которых усредняются значения общей сплоченности ледяного покрова. Разрешение спутниковых данных 88М/1 составляет 25 х 25 км, следовательно, каждый пиксел на изображени соответствует нескольким километровым отрезкам пути движения судна. В среднем одному пикселу на изображении соответствует 20—25 км траектории движения судна. При хорошей видимости, а данные, полученные при плохой видимости — тумане, сильном снегопаде, в ночное время, — были исключены из анализа, наблюдатель определяет общую сплоченность по району, визуально охватывая пространство радиусом 8—10 км. Таким образом, покрытие данными визуальных наблюдений составляет от 51 до 64% площади пиксела на спутниковом снимке. Далее для каждого пиксела изображения 88М/1 определяется соответствующее среднее значение общей сплоченности, полученное путем визуальных наблюдений.
40^ 50^ 70oW 90о,М10о,Ш30о,Ш40^ 150oW
160oW
75°М
70°М
60°Е 70°Е 80°Е 90°Е 100°Е 110°Е 120°Е
б
70°М
65°М
130°Е
65°М
75°М
70°М
65°М
50°Е
60°Е
70°Е 80°Е 90°Е 100°Е 110°Е
120°Е
Рис. 1. Маршруты рейсов ледоколов и научно-исследовательских судов, в которых проводились специальные судовые наблюдения, используемые для сравнения со спутниковыми данными (а — летние рейсы, б — зимние рейсы).
а
Co Со-НЛ
(баллы) а (баллы) б
_L......L........1. ... I.......I. . .1 __I—_I_I_I .........I.......I..........I.....I......I, , ,1 ,_I—,_I_I_I
0 123456789 10 0 123456789 10
L. -1 - I . -I . J_J_I_J__i . .1 ......J. ... j......I .. I..—I-1-1-1-1-1
0 123456789 10 0 123456789 10
CNT CNT
Рис. 2. Коэффициент корреляции (г) и графики корреляции сплоченности, полученной по спутниковым данным и судовым наблюдениям: а — общей сплоченностью, с учетом нового льда в летний период; б — общей сплоченностью, без учета нового льда в летний период; в — общей сплоченностью, с учетом нового льда в зимний период; г — общей сплоченностью, без учета нового льда в зимний период.
РЕЗ
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.