Спутниковое радиофизическое зондирование прибрежных полыней дальневосточных морей России тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.28, кандидат физико-математических наук Даркин, Денис Валерьевич

• Даркин, Денис Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Даркин, Денис Валерьевич

Содержание.

Введение.

Глава 1. Процессы в прибрежных полыньях и возможности их исследования дистанционными методами.

1.1. Физические процессы в полыньях.

1.2. Экспериментальные методы исследования процессов в полыньях.

1.2.1. Контактные, судовые, самолетные и подводные наблюдения.

1.2.2. Спутниковые измерения.

1.3. Полыньи Охотского и Японского морей на спутниковых изображениях.

1.4. Выводы.

Глава 2. Дистанционное зондирование ледяного покрова из космоса: приборы и алгоритмы.

2.1. Используемые спутниковые измерения и характеристики аппаратуры.

2.2. Перенос излучения надо льдом в видимом диапазоне спектра.

2.3. Комплексирование измерений.

2.4. Алгоритмы оценки параметров ледяного покрова.

2.4.1. Альбедо ледяного покрова в видимом диапазоне.

2.4.2. Определение температуры и толщины льда по спутниковым ИК измерениям

2.4.3. Определение положения границ и площади Польшей, по картам сплоченности, построенным по пассивным микроволновым измерениям.

2.4.4. Оценка типов и толщины льда по данным пассивной микроволновой радиометрии

2.5. Создание сопряженного массива данных.

2.6. Полыньи по данным микроволновых алгоритмов: оценка на сопряженном массиве данных.

2.7. Выводы.

Глава 3. Новый алгоритм для оценки характеристик ледяного покрова в полынье.

3.1. Модель переноса микроволнового излучения в системе лед/океан/атмосфера

3.1.1. Уравнение переноса микроволнового излучения.

3.1.2. Коэффициенты излучения морского льда и воды в микроволновом диапазоне.

3.2. Погрешности оценки сплоченности по алгоритмам >1Т2 и ВВА в областях сплоченных молодых льдов.

3.3. Оценка и параметризация коэффициентов излучения в полынье.

3.4. Разработка микроволнового алгоритма восстановления толщины льда в полынье.

3.4.1. Оценка Л льда по аб45.

3.4.2. Зависимость толщины льда от поляризационных соотношений 7?(36,5) и Я(89,0).

3.4.3. Описание алгоритма и физические ограничения.

3.5. Выводы.:.

Глава 4. Валидация алгоритма и оценка погрешности.

4.1. Классификация ледяного покрова на основе толщины.

4.2. Валидация алгоритма с использованием ледокольных наблюдений.

4.3. Полыньи на видимых, ИК и микроволновых спутниковых данных.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спутниковое радиофизическое зондирование прибрежных полыней дальневосточных морей России»

Полыньи Охотского и Японского морей являются черезвычайно важным объектом океанологических исследований. Во-первых, полыньи - важнейший источник тепла для полярной атмосферы. По оценкам [118], в течение зимнего сезона в полыньях происходит около 50% всего теплообмена между океаном и атмосферой в Арктике. За счет испарения и л турбулентного теплообмена потоки тепла могут достигать 700 Вт/м , что вызывает изменение характеристик пограничного слоя атмосферы вдоль направления ветра от полыньи [173, 98]. Как отмечается в [129], полыньи и модели их функционирования в перспективе могут быть использованы в глобальных климатических моделях, ввиду того, что их вклад в тепловой баланс арктической атмосферы существенен. Во-вторых, полыньи являются важным источником формирования вод глубинных слоев морей, а также очагом ледообразования [54, 177, 153 и др.] В-третьих, полыньи являются областями высокой биологической продуктивности [75, 156, 159, 130, 32] и обмена газов между океаном и атмосферой [181, 47]. Кроме этого, полыньи представляют практический интерес для обеспечения судоходства, объемы которого возрастают в связи с рыбным промыслом, а также освоением нефтегазовых месторождений на шельфе Охотского моря. Приведенные факты говорят об актуальности темы исследования.

Исследования ледяного покрова по данным авиаразведок проводились в Охотском море с 1956 по 1991 и в Японском море - с 1959 по 1991 гг. [41] и позволили выявить и описать структурные особенности распределения ледяного покрова.

Отсутствие самолетной ледовой разведки в России, сложные метеорологические условия, затратность организации наледных и судовых экспедиций в районы Польшей ограничивают набор экспериментальных методов, доступных исследователям. В этих условиях дистанционное зондирование со спутников представляется крайне перспективным методом изучения полыней. Данные дистанционного зондирования (ДЦЗ) с современных спутников обладают широкой полосой обзора и пространственным разрешением от десятков метров до километров. Приборы, работающие в микроволновом диапазоне, включая пассивные (радиометры) и активные (радиолокаторы с реальной и синтезированной апертурой), позволяют проводить измерения океана проводить измерения океана вне зависимости от времени суток и облачности.

Учитывая регулярность (2 раза в сутки), широкую полосу обзора (около 1450 км) и существенно более высокое, в сравнении с предыдущим поколением радиометров, пространственное разрешение, особую актуальность приобретают данные радиометра AMSR-E со спутника Aqua и радиометра AMSR со спутника ADEOS-II. Радиометры измеряют яркостную температуру Тя уходящего излучения Земли на 6 частотах у= 6,9; 10,65; 18,7; 24,8; 36,5 и 89,0 ГГц) на вертикальной (В) и горизонтальной (Г) поляризациях.

Для восстановления геофизических параметров льда по многоканальным микроволновым измерениям разработаны специальные алгоритмы. Стандартные алгоритмы NasaTeam2 (NT2) [56] и Basic Bootstrap Algorithm (ВВА) [57] предназначены для восстановления сплоченности однолетнего и многолетнего ледяного покрова. При этом NT2 и ВВА позволяют лишь косвенно обнаруживать местоположение Польшей по областям, в которых расчетные значения сплоченности меньше, чем для однолетних льдов. Также существуют исследовательские алгоритмы, позволяющие оценивать толщину льда по микроволновым измерениям, например [111, 112]. Однако, при анализе значений толщины льда, восстановленных этим алгоритмом по микроволновым измерениям, над полынями Охотского и Японского были выявлены существенные погрешности.

Еще одним ограничивающим фактором, затрудняющим применение существующих алгоритмов, является низкое пространственное разрешение радиометров. Сигнал от нескольких типов льда, находящихся одновременно в пределах элемента разрешения антенны спутникового радиометра, интегрируется, вызывая пространственное сглаживание, которое уменьшается с ростом частоты. Пространственное сглаживание ограничивает применение стандартных алгоритмов для анализа полыней, поскольку используемые в них микроволновые каналы 18,7 и 36,5 ГГц обладают пространственным разрешением 16 х 27 км и 8 х 14 км. При этом геометрические размеры Польшей соизмеримы и меньше этой разрешающей способности. Пространственное разрешение каналов радиометров AMSR и AMSR-E, принимающих излучение на частоте 89,0 ГГц, существенно более высокое — 3x6 км, однако, использование Гяв'г(89) для зондирования ледяного покрова и, в частности, Польшей затруднено из-за заметного увеличения влияния атмосферы, прежде всего, облачности по сравнению с более низкочастотными каналами.

Морской лед является крайне сложной природной средой, характеризуемой пространственной неоднородностью многих характеристик, что проявляется и в изменчивости его коэффициентов излучения в микроволновом диапазоне. Поэтому уменьшение погрешности в оценке параметров льда даже при наличии многоканальных микроволновых поляризационных измерений является сложной исследовательской задачей. Прогресс в решении этой задачи может быть достигнут, если зондирование льда выполняется путем комплексирования данных, полученных одновременно или с малой разницей во времени микроволновыми, ИК и видимыми радиометрами. Существенно более высокое разрешение, достигаемое в видимом и ИК-участках спектра, обеспечивает повышение точности калибровки и валидации микроволновых данных, а, следовательно, и уменьшение погрешностей восстановленных значений сплоченности и толщины льда. Высоким потенциалом при изучении льда обладают и данные спутниковых РСА.

Основной целью работы является разработка алгоритма определения толщины льда в прибрежных полыньях дальневосточных морей по данным пассивного микроволнового зондирования.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

• Проанализировать основные физические факторы, влияющие на индикацию Польшей спутниковыми приборами дистанционного зондирования в различных диапазонах спектра.

• Сформировать базу сопряженных спутниковых измерений в микроволновом, ИК и видимом диапазонах, геофизических полей, восстановленных на их основе, и гидрометеорологических измерений в районах полыней Охотского и Японского морей.

• Проанализировать восстановление параметров ледяного покрова, в частности, в полыньях оперативными и исследовательскими алгоритмами, использующими данные пассивного микроволнового зондирования.

• Выполнить численное моделирование переноса микроволнового излучения в системе лед/океан/атмосфера и на основе моделирования оценить коэффициенты излучения тонких (ниласовых) и молодых льдов на частотах спутниковых радиометров АМЗИ. и АМЗЫ-Е.

• Исследовать связь микроволновых коэффициентов излучения и спектрального альбедо льда.

• Разработать усовершенствованный алгоритм оценки толщины ледяного покрова в полыньях по данным пассивного микроволнового зондирования.

• Провести оценку погрешности разработанного алгоритма и валидацию результатов на основе сопряженных спутниковых измерений в видимом, ИК и микроволновом диапазонах и ледокольных наблюдений.

Научная новизна

• Подготовлена информационная база для комплексного изучения ледяного покрова и, в частности, польшей, включающая массив микроволновых яркостных температур со спутников ADEOS-II и Aqua, изображения в видимом и ИК—диапазонах со спутников Terra, Aqua и NOAA, синоптические карты и метеорологические наблюдения.

• Разработана оригинальная методика восстановления микроволновых коэффициентов излучения ледяного покрова.

• Уточнены коэффициенты излучения тонких и молодых льдов в микроволновом диапазоне, изучена их связь с альбедо поверхности, которые позволяют согласовать результаты модельных экспериментов со спутниковыми измерениями над полыньями Охотского и Японского морей.

• На основе модельных расчетов получены зависимости толщины ледяного покрова d от в / г поляризационных отношений Тя ( v)/Tx ( v) на частотах v = 36,5 и 89,0 ГГц при вариациях параметров атмосферы. Предложены критерий для идентификации капельной облачности и алгоритм оценки d по поляризационным отношениям, снижающий влияние облачности на погрешности восстановления толщины льда.

Научная и практическая значимость

Механизмы формирования микроволнового излучения тонких и молодых льдов до конца не изучены. Экспериментально определенные коэффициенты излучения льда характеризуются значительным разбросом. Оценки коэффициентов излучения тонких и молодых льдов в микроволновом диапазоне и их взаимосвязь со спектральным альбедо, полученные в работе, могут быть использованы при моделировании переноса микроволнового излучения в системе океан/лед/атмосфера и поэтому имеют научную значимость. Такие расчеты важны для определения физических ограничений при разработке новых микроволновых алгоритмов восстановления параметров льда.

Предложенные в диссертации подходы к восстановлению коэффициентов излучения улучшают согласованность результатов моделирования и спутниковых наблюдений, что имеет практическую значимость.

Важность работы определяется сложностью организации судовых экспедиций и наледных измерений и отсутствием самолетной ледовой разведки в России. Алгоритмы оценки геофизических параметров льда и полыней по ДЦЗ являются единственным постоянным источником сведений о полыньях. В свою очередь, они необходимы для решения задач физики атмосферы и океана, включая изучение и моделирование процессов в полыньях, определения межгодовой и сезонной изменчивости полыней, оценки связей между физическими и биологическими процессами.

В связи с освоением месторождений на шельфе Охотского моря и необходимостью круглогодичной навигации в Японском и Охотском морях, в том числе и в замерзающих частях этих морей, оценки толщины льда по разработанному алгоритму представляют практическую ценность.

Положения, выносимые на защиту

• Совместный анализ спутниковых измерений в микроволновом, оптическом и ИК-диапазонах, обладающих пространственным разрешением от 20-25 км до 0,25-1,0 км, служит основой для разработки методики оценки микроволновых коэффициентов излучения льда в полыньях.

• Новые значения коэффициентов излучения морского льда на частотах и поляризациях каналов радиометров AMSR-E (спутник Aqua) и AMSR (спутник ADEOS-II) существенно уточняют полученные ранее и согласуются с результатами измерений яркостных температур.

• Выявленная взаимосвязь микроволновых коэффициентов излучения и альбедо в диапазоне длин волн 620-670 нм определяет физические ограничения при разработке алгоритмов восстановления типов и сплоченности льда в полыньях.

• Алгоритм, использующий поляризационные соотношения между яркостными температурами на частотах 36,5 и 89,0 ГГц, обеспечивает меньшую погрешность в определении толщины льда и местоположения Польшей при более высоком пространственном разрешении по сравнению с известными и применим в условиях облачной атмосферы.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих международных симпозиумах и конференциях: ESA Envisat & ERS Symposium (Зальцбург, Австрия, 2004 г.), International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE) (Санкт-Петербург, 2005 г.), International Symposium on Okhotsk Sea & Sea Ice (Момбецу, Япония, 2005 г.), International Workshop on Remote Sensing of Marine Environment in the Northwest Pacific Region and Symposium on the Bio-invasion of Non-indigenous Species (Пусан, Корея, 2006 г.), международной конференции "Достижения в спутниковой океанографии: изучение и мониторинг окраинных морей Азии (к 50-летию запуска первого искусственного спутника Земли)" (Владивосток 2007 г.), международном совещании по программе PEACE (Владивосток, 2008 г.), всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2004, 2007 и 2008 гг.), региональной конференции молодых ученых ТОЙ (Владивосток, 2006 г.), а также на семинарах в ТОЙ, в Международном центре по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена и в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (Санкт-Петербург, 2008 г.). Разработанное автором программное обеспечение используется в лаборатории спутниковой океанологии ТОЙ.

Личный вклад автора

Автор работы принимал участие на всех этапах исследования, включая формулировку задачи и ее обоснование, разработку физико-математических моделей, обсуждение и анализ результатов численных экспериментов, разработку алгоритмов, оценку их эффективности и комплексный анализ результатов. Автор разработал компьютерные программы и алгоритмы, используемые в работе, и выполнил с их помощью обработку спутниковых данных.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 37 иллюстраций, 16 таблиц и список литературы из 184 наименований. Общий объем диссертации составляет 111 стр.

Заключение диссертации по теме «Океанология», Даркин, Денис Валерьевич

Основные результаты можно сформулировать следующим образом:

• Сформирована база сопряженных данных, позволяющая проводить комплексное изучение Польшей, а также разработку и валидацию алгоритмов.

• Разработано программное обеспечение для обработки измерений в микроволновом диапазоне (спутники Aqua и ADEOS-II), в видимом и инфракрасном диапазонах (спутники NOAA, Terra и Aqua), восстановления параметров тонких и молодых льдов (альбедо, сплоченность), проведения модельных экспериментов.

• Разработана методика оценки микроволновых коэффициентов излучения льда в полыньях, основанная на совместном анализе спутниковых измерений в микроволновом, оптическом и ИК-диапазонах.

• Получены новые значения коэффициентов излучения тонкого и молодого льда в микроволновом диапазоне, согласующиеся с результатами спутниковых измерений.

• Оценена взаимосвязь между значениями спектрального альбедо в диапазоне длин волн 620-670 нм и микроволновыми коэффициентами излучения тонкого и молодого льда.

• На основе модельных расчетов впервые получены зависимости толщины ледяного покрова d от поляризационных отношений Тяв( v)/Гяг( v) на частотах v = 36,5 и 89,0 ГГц при вариациях параметров атмосферы и разработан алгоритм оценки d, использующий поляризационные отношения на этих частотах.

Полученные в работе результаты являются полезными для решения океанологических задач и имеют прикладное значение.

Уменьшение погрешности в оценках пространственных масштабов Польшей и связанных с ними областей тонких и молодых льдов позволит повысить точность оценки потока соли [153, 43, 80], объема сформировавшегося в прибрежных полыньях льда и количества тепла, поступившего в атмосферу в процессе «работы» полыньи [43, 109-112]. Важным приложением является и связь океанологических и биологических процессов в прибрежных полыньях, проявления которой многообразны. Изложенная методика оценки коэффициентов излучения льда, основанная на анализе одновременных измерений яркостных температур, альбедо поверхности и температуры поверхности может быть применена и в других физико-географических районах. Учитывая большую естественную изменчивость льда, ярко выраженную зависимость его характеристик от условий формирования, температуры и наличия снежного покрова [72, 81], надежные результаты возможны в том случае, если выборка состоит из данных, полученных в ограниченном диапазоне изменения параметров окружающей среды, а объем ее должен быть достаточно большим. В частности, необходим контроль факторов, которые могут влиять на коэффициент излучения в микроволновом диапазоне (температура воздуха, время суток, скорость ветра, выпадение снега и пр.) и на точность восстановления альбедо поверхности (геометрия зондирования, положение солнца, ослабление излучения в водяном паре, озоне и аэрозоле).

Учитывая ускоренное потепление Арктики [58, 59, 151, 134, 101], уменьшение площади многолетних льдов, и, как следствие, увеличение площади тонких и молодых льдов, можно предположить, что развиваемые в диссертации подходы применимы для изучения арктических морей.

Совместное использование алгоритмов выделения ледяного сала и алгоритма Яп/ю, предложенных в работе, может существенно улучшить идентификацию начальных видов льда, особенно в случае проведения самолетного пассивного микроволнового зондирования или зондирования со следующего поколения спутников, обладающих улучшенным пространственным разрешением. Обнаружение начальных видов льда представляет интерес в качестве индикаторов начала ледообразования и может использоваться в прогностических моделях.

Заключение

В данной работе рассматривалась проблема изучения полыней в Охотском и Японском морях посредством дистанционных методов. В результате исследования, базирующегося на использовании сопряженных данных, полученных спутниковыми приборами в видимом, ИК и микрволновом диапазонах спектра, предложен алгоритм оценки толщины льда по данным пассивного микроволнового зондирования радиометра AMSR-E со спутника Aqua.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Даркин, Денис Валерьевич, 2009 год

1. Атлас волнения и ветра Охотского моря / Сост. Ю.И. Бубликова. — Южно-Сахалинск: Сах.-УГКС, 1966.- 105 с.

2. Башаринов А.Е., Гурвич A.C. Исследование радиоизлучения поверхности Земли и атмосферы на спутнике «Космос-243». // Вестник РАН. 1970. №10. С. 37-43.

3. Богородский В.В., Мартынова Е.А. Оценка возможности индикации толщины заснеженного ледяного покрова арктических морей методами ИК-радиометрии. // ДАН СССР. 1977. т. 234. №3.

4. Бородачев В.Е., Гаврило В.П., Казанский М.М. Словарь морских ледовых терминов. Арктический и Антарктический Научно-Исследовательский Институт. Санкт-Петербург: 1994 Электронный ресурс.: 2007. http://www.aari.nw.ru/gdsidb/glossarybgk/ru/oblozh.htm

5. Бородачев В.Е., Шильников В.И. История ледовой авиационной разведки.- С.-Пб.:Гидрометеоиздат, 2002. 444 с.

6. Вагапов Р.Х., Гаврило В.П., Козлов А.И. и др. Дистанционные методы исследования морских льдов.-С-Пб.: Гидрометеоиздат. 1993. -341 с.

7. Гидрометеорология и гидрохимия морей. / Под. ред. Васильева A.C., Терзиева Ф.С., Косарева А.Н. Т. VIII. Японское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия.

8. Гидрометеорология и гидрохимия морей. / Под. ред. Глуховского Б.Х., Гоптарева Н.П., Терзиева Ф.С. Т. IX. Охотское море. Вып. 1. Гидрометеорологические условия.

9. Даркин Д.В., JI.M. и Митник МЛ. Дистанционное зондирование молодых льдов в Охотском и Японском морях. // Тез. конф. молодых ученых ТОЙ ДВО РАН «Океанологические исследования», Владивосток 21-25 мая 2007. Владивосток: ТОЙ ДВО РАН, 2007. - С. 142.

10. Даркин Д.В., Митник JT.M. Алгоритм классификации тонких льдов в области прибрежных полыней Охотского моря по измерениям микроволнового радиометра AMSR-E со спутника

11. Aqua. // Шестая всероссийская открытая конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»: Тез. Докл. М.:ИКИ РАН, 2008. С. 178.

12. Даркин Д.В., Митник JI.M., Митник M.JI. Спектры коэффициентов излучения молодого льда в микроволновом диапазоне по данным измерений со спутника AQUA (на примере Охотского и Японского морей). // Исследование Земли из Космоса. 2008. No 1. С. 3-14.

13. Дешифрование морского льда дальневосточных морей по данным радиолокационного зондирования / Методическое пособие / Под ред. Мироненко З.И. Л.:Гидрометеоиздат, 1991.-56 с.

14. Дистанционное зондирование морского льда на Северном морском пути: изучение и применение. / Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. / Под ред. Е.Г.Никифоров. СПб.: Издательство "Наука". 2007 . - 512 с.

15. Доронин Ю. П. Тепловое взаимодействие атмосферы и гидросферы в Арктике. — Ленинград: Гидрометеоиздат. 1969. 298 с.

16. Доронин Ю. П. Тепловое взаимодействие атмосферы и гидросферы в Арктике. — Ленинград: Гидрометеоиздат. 1969. С. 115.

17. Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. Морской лед. — Л.:Гидрометеоиздат, 1974. -318 с.

18. Е.В. Заболотских, Ю.М. Тимофеев, А.Б. Успенский и др. О точности микроволновых • спутниковых измерений скорости приводного ветра, влагосодержания атмосферы и водозапаса облаков. // Изв. РАН, сер. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38. № 5. С. 592596.

19. Е.В. Заболотских. Восстановление влагосодержания атмосферы и приводного ветра с26.