научная статья по теме РАСПОЗНАВАНИЕ СВОЙСТВ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ МИКРОВОЛНОВЫМ РАДИОМЕТРОМ МТВЗА-ГЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РАСПОЗНАВАНИЕ СВОЙСТВ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ МИКРОВОЛНОВЫМ РАДИОМЕТРОМ МТВЗА-ГЯ»

УДК 551.326.7:551.508.826(98+99)

Распознавание свойств ледяного покрова

Арктики и Антарктики по измерениям микроволновым радиометром МТВЗА-ГЯ

М. В. Бухаров*

Рассматривается соответствие между распознаванием свойств морских льдов по индексу рассеяния (ИР), рассчитываемому по результатам измерений микроволновыми радиометрами МТВЗА-ГЯ и AMSU, которые регистрируют тепловое излучение под разными углами падения. В рамках модели однородного слоя льда, расположенного на сильно поглощающей поверхности, уточняется различие в оценке толщины тонких и молодых льдов по результатам измерений этими радиометрами. Установлено, что минимальные значения ИР, рассчитываемые по измерениям радиометром МТВЗА-ГЯ, имеют повышенную чувствительность к рассеивающим неоднородностям в самом верхнем слое ледяного покрова. По измерениям МТВЗА-ГЯ подтверждена существенная ежесуточная изменчивость ИР ледяных покровов Арктики и Антарктики, которая может являться следствием аналогичной изменчивости внутренних напряжений и сплоченности льда.

Ключевые слова: микроволновый радиометр, индекс рассеяния, морской лед, толщина льда, возраст льда, сжатие льда.

1. Введение

8 июля 2014 г. был запущен космический аппарат "Метеор-М" № 2 с улучшенной версией микроволнового радиометра МТВЗА-ГЯ (модуль тем-пературно-влажностного зондирования атмосферы имени Г. Я. Гуськова (1919—2002 гг.)). Съемки с помощью МТВЗА-ГЯ позволили ежесуточно получать глобальную информацию об уходящем тепловом излучении земных покровов в 26 спектральных каналах от 10,6 до 183,3 ГГц (http:// planet.iitp.ru/index1.html). В связи с активным освоением Арктики актуальным стало изучение применимости информации МТВЗА-ГЯ для ежесуточного мониторинга свойств ледяного покрова.

При анализе ледовой обстановки спутниковая информация микроволновых радиометров до последнего времени использовалась в основном для оценки общей сплоченности морского льда и слежения за динамикой положения его кромки (http://driftnoise.com/data-delivery.html). Новым направлением использования такой информации явились оценка толщины тонких и молодых льдов и распознавание границ ледяного покрова разного возраста, районов повышенного сжатия льда и его свежего (в момент

* Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета "; e-mail: bmv@ planet.iitp. ru.

съемки) торошения [2, 4—6]. По толщине льда стало возможно распознавать даже районы его таяния снизу под влиянием ветрового нагона под лед более теплой морской воды [7].

Новые возможности в распознавании свойств морского льда были экспериментально обнаружены при анализе разности Sc23 теплового излучения, регистрируемого на вертикальной поляризации микроволновым радиометром AMSU (The Advanced Microwave Sounding Unit) в спектральных каналах 23,8 и 31,5 ГГц. Радиометр AMSU, установленный на спутниках серии NOAA, принимает тепловое излучение при углах падения от 0 до ±60° и при наблюдении в надир имеет пространственное разрешение 48 км (http://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Microwave_Sounding_Unit). Для увеличения точности оценки толщины льда и уменьшения влияния изменчивости Sc23, наблюдавшейся в течение суток, при распознавании свойств льда используются минимальные значения Sc23 и рассчитываемого по ним индекса рассеяния (ИР), который является показателем относительного превышения Sc23 ее наименьшего значения, наблюдающегося у льда со отве тству ю ще го воз рас та [2, 4, 5, 7].

Ряд спектральных каналов радиометра МТВЗА-ГЯ, в том числе 23,8 и 31,5 ГГц, с помощью которых измеряется уходящее тепловое излучение Земли, совпадают с каналами радиометра AMSU. Главное различие между ними заключается в том, что съемка МТВЗА-ГЯ проводится при большем угле падения (65°) и с несколько более грубым пространственным разрешением в каналах 23,8 (52 х 116 км) и 31,5 ГГц (35 х 76 км), чем у AMSU. Это привело к необходимости уточнения оценки толщины тонких и молодых льдов при большом угле падения, а также дополнительного изучения изменчивости во времени значений Sc23 и ИР, рассчитываемых по измерениям с помощью МТВЗА-ГЯ.

Учитывая, что эти вопросы ранее не обсуждались в публикациях, представляло интерес их рассмотреть.

2. Методические вопросы

2.1. Оценка толщины частично прозрачного льда по результатам измерений МТВЗА-ГЯ

Частично прозрачный лед упрощенно можно представить в виде однородного слоя, который расположен на сильно поглощающей поверхности, состоящей из смеси кристаллов льда и морской воды [1]. Оценка толщины льда проводится по затуханию в нем теплового излучения и уменьшению разности Sc23, соответствующей излучению от сильно поглощающей поверхности, на которой находится лед [2].

Согласно закону преломления Снеллиуса, соотношение между углами па де ния электро маг нит но го из луче ния в слое льда и в возду хе име ет вид [1]

sin91 = (1/«1)sin9, (1)

где ф и ф1 — угол падения электромагнитного излучения в воздухе и в слое льда соответственно, отсчитываемый от вертикали в месте измерения; n1 — коэффициент преломления льда.

Толщина льда к и длина пути Ь, который затухающее электромагнитное излучение проходит под углом ф! в слое льда от его нижней границы, связаны следующим соотношением:

к = Ьсо8ф! = Ь(1 - 8т2ф1)1/2. (2)

Используя соотношения (1) и (2), уравнение для оценки относительного (по сравнению с Ь) увеличения пути излучения под углом падения ф1 можно записать как

у = (Ь - к)/Ь = 1 - со8ф! = 1 - (1 - 8Ь2ф1)1/2 « 0,5(1/й1)28т2ф. (3)

Известно, что в сантиметровом диапазоне длин волн диэлектрическая проницаемость морского льда е1 = 3,17 и связана с коэффициентом преломления соотношением п\ « е1 [1]. После подстановки в формулу (3) значения п1 для углов падения ф, равных 0, 30, 45, 60 и 65°, получаем у, равное 0, 0,039, 0,079, 0,118 и 0,13 соответственно.

Согласно подходу, принятому в работах [2, 4, 5, 7], значения ИР однозначно связаны с Бс23. Поэтому полученные результаты можно интерпретировать следующим образом. При одинаковых значениях ИР льда оценка его толщины по измерениям МТВЗА-ГЯ должна быть примерно на 1,2—13% меньше, чем по измерениям АМБИ.

Для распознавания свойств льда используются минимальные за сутки значения ИР, которые для радиометра АМБИ соответствуют еще и минимальным значениям угла падения (при ф < 30° величина у < 4%). Поэтому при одинаковых значениях ИР оценка толщины льда по МТВЗА-ГЯ оказывается несколько меньше (примерно на 9—13%), чем по АМБИ. Это различие в оценках толщины льда по измерениям МТВЗА-ГЯ и АМБИ отражено в легендах соответствующих карт ИР.

2.2. Повышенная изменчивость 8с23 льда по результатам измерений МТВЗА-ГЯ

Анализ карт ИР льда, построенных по результатам измерений МТВЗА-ГЯ и АМБИ, показал, что у однолетнего льда минимальные значения разности Бс23, по которым рассчитывался ИР, согласно данным АМБИ, изменялись в диапазоне 0—3 К [2, 4, 5, 7], а по данным МТВЗА-ГЯ — в диапазоне 0—10 К. То есть диапазон изменчивости Бс23 однолетних льдов по измерениям МТВЗА-ГЯ оказался примерно в 3 раза шире, чем по измерениям АМБИ.

Причиной повышенной изменчивости Бс23 однолетнего льда по результатам измерений МТВЗА-ГЯ может являться несколько больший путь излучения в самом верхнем слое льда, где при его изгибах наблюдаются максимальные внутренние напряжения, которые способны увеличивать плотность неоднородностей, рассеивающих излучение [2]. Учитывая это, для сохранения границ возрастных градаций на картах ИР было принято решение все значения Бс23 однолетнего льда, которые превышают 2,8 К, линейно преобразовать в диапазон значений ИР от 2,8 до 2,99. При этом распознавание однолетнего льда проведено по превышению его яркостной температуры, регистрируемой в канале 31,5 ГГц (Гя31), эмпирически най-

денного минимального критического значения Тя31, которое соответствует однолетнему льду. В результате легенды карт значений ИР льда, рассчитанных по информации радиометров МТВЗА-ГЯ и ЛМБи, оказались максимально подобными.

2.3. Оценка соответствия результатов измерений, полученных с помощью МТВЗА-ГЯ и АМБи

Следует отметить, что в настоящее время работы по проверке точности абсолютной калибровки результатов измерений МТВЗА-ГЯ еще не завершены. Поэтому для контроля аналогичности соотношений между значениями яркостной температуры на вертикальной поляризации в каналах 23,8 (Тя23) и 31,5 ГГц дополнительно проведена интеркалибровка результатов измерений МТВЗА-ГЯ на аналогичные измерения ЛМБи. При сравнении использовались средние (за трое суток) значения Тя, выбранные в районах с ее минимальной изменчивостью и при углах падения ЛМБи от 45 до 60° (значения, ближайшие к углу падения МТВЗА-ГЯ). Описание методики интеркалибровки представлено в работе [3].

Проверка показала, что в диапазоне от 220 до 285 К средние значения Тя23, рассчитанные по результатам измерений МТВЗА-ГЯ и ЛМБи, одно-знач но вза и мос вя за ны меж ду со бой и име ют точ но та кую же ли ней ную зависимость, как и средние значения Тя31. Это означает, что повышенная изменчивость значений Бс23 льда, обнаруженная по результатам измерений МТВЗА-ГЯ, не может возникнуть из-за погрешности их абсолютной ка-либ ров ки, а явля ет ся следстви ем толь ко измен чи вос ти рас се я ния теп ло во-го излучения в самом верхнем слое ледяного покрова.

Пе рей дем к анали зу свойств ледя но го по кро ва Арктики и Антарктики по картам ИР, по стро ен ным по ин форма ции ра ди омет ров МТВЗА-ГЯ и ЛМБи.

3. Сравнительный анализ карт ИР

3.1. Минимальные значения ИР льда по результатам измерений МТВЗА-ГЯ и АМ8и

Рассмотрим карты минимальных значений ИР ледяного покрова Арктики, которые построены по результатам измерений радиометрами МТВЗА-ГЯ и ЛМБи и представлены на рис. 1. Сравнение карт рис. 1, построен -ных по данным измерений 1 (рис. 1а, б) и 4 ноября 2014 г. (рис. 1в, г), пока за ло следу ю щее.

1. Границы ледяного покрова и льда разного возраста в Арктике, распознанные по ежесуточной информации МТВЗА-ГЯ (рис. 1а, в) и ЛМБи (рис. 1б, г), в основном удовлетворительно согласуются. По мере удаления от открытой водной поверхности значения ИР ледяного покрова Арктики монотонно увеличиваются. Тако

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.

Показать целиком