Коллектив авторов - Океанография и морской лед

Рис. 3. Вектора дрейфа льда, рассчитанные для района Северной Земли за период 30.10 – 3.11.2009 гг. с использованием кросс-корреляционного алгоритма Международного центра по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена. 1 – старый лед; 2 – однолетний лед; 3 – открытая вода; длина векторов, выраженная в масштабе карты, отражает перемещения льда за промежуток времени с 30 октября по 3 ноября 2009 г.

Гибридный метод. Является комбинацией интерактивного, полиномиального и кросс-корреляционного методов. По интерактивно определенным векторам дрейфа строится полиномиальная модель дрейфа, которая уточняется методом кросс-корреляции. Определенная полиномиальной моделью точка на втором изображении является центром площади поиска максимума коэффициента кросс-корреляции. Размер зоны поиска, определяющий объем вычислений, и точность конечного результата зависят от точности полиномиальной модели.

Метод оптического потока. Метод основан на вычислении компонент скорости движения льда по яркости каждой точки изображения при помощи аппарата частных производных. Автор алгоритма Я. Сан (Sun, 1994) также использует построение пирамидальной структуры спутниковых изображений, на вершине которой находится изображение наиболее грубого разрешения, а в основании – исходное изображение. На уровне грубого разрешения методом кросс-корреляции получаются грубые вектора дрейфа. Затем на каждом уровне пирамиды производится вычисление оптического потока – трехмерного векторного поля, которое получается из скалярной функции яркости последовательных по времени изображений. Яркость объекта во время его движения считается постоянной. Градиент яркости изображения также принимается стационарным во времени. Метод используется для детального слежения за динамикой льда и позволяет получить информацию о трансформациях ледяного покрова – сжатиях, разрежениях, взаимных подвижках, деформациях. Алгоритм вычисления оптического потока требует предварительной калибровки снимков по значениям яркости.

Толщина льда. Толщина льда – один из наиболее важных параметров ледяного покрова. Методов прямых измерений толщины льда с помощью спутниковых средств не существует. Для определения толщины льда по данным ИСЗ применяются косвенные методы, основанные либо на найденных закономерностях между измеряемыми параметрами (температурой поверхности льда) и собственно толщиной льда, либо на вычислении разницы в длине пути луча, проходящего до границы снег-воздух и луча, отраженного непосредственно от ледовой поверхности. Грубая оценка толщины льда может быть получена по спутниковым данным о возрасте льда, так как толщина льда и его возраст – два взаимосвязанных параметра.

Определение толщины льда по данным измерений в ИК-диапазоне. ИК-диапазон исторически стал первым из известных диапазонов электромагнитного спектра, дистанционные наблюдения в котором позволили разработать реально действующие технологии оценки толщины льда. Уже в 1970-е гг. были получены первые успешные результаты оценки толщины льда по данным авиационных ИК-радиометров (Kuhn, 1975). В 1980-х начались разработки технологий использования спутниковых ИК-каналов для оценки толщины льда (Лощилов, Парамонов, 1987; Groves, Stringer, 1991). Технологии базировались на решении уравнений теплопроводности сред вода – лед – снег – воздух и эмпирических зависимостях, полученных в ходе полевых наблюдений в полярных районах. Было установлено, что при отрицательных температурах воздуха между температурой поверхности льда и его толщиной до определенных критических толщин льда существует обратно пропорциональная зависимость: чем толще лед, тем ниже температура его поверхности. При толщине льда 240–250 см наблюдался эффект насыщения, когда температура поверхности льда приобретала минимальные для данных гидрометеорологических условий значения, которые не менялись при дальнейшем увеличении толщины. Такие льды получили наименование «толстые».

В ААНИИ применяется технология оценки толщины льда по данным о температуре поверхности льда, полученной с ИСЗ NOAA/AVHRR.

Снежно-ледяной покров морей зимой рассматривается как промежуточный слой между морской водой, имеющей у нижней поверхности льда постоянную температуру, равную температуре замерзания морской воды данной солености, и слоем воздуха, температура которого для арктических морей в большинстве случаев находится в пределах –20 … –50 °C. Температура замерзания морской воды определяется из справочной литературы, как функция солености в районе наблюдения.

Для устранения эффекта атмосферного влияния на значения ИК-сигнала применяется стандартная процедура многоканальной коррекции с использованием радиационных температур в 4-м и 5-м каналах AVHRR при заданных для исследуемого региона постоянных коэффициентах. Наличие облачности в районе наблюдений полностью исключает возможность оценки толщины льда по ИК-измерениям. Поэтому автоматизированное определение толщины морского льда по спутниковым изображениям ИК-диапазона производится только для безоблачных районов. Границы облачных образований могут быть определены интерактивно или с использованием специальных статистических методов анализа двумерных полей.

В рамках модели оценки толщины морского льда по значению температуры его поверхности непосредственно определяется не истинная толщина льда и снега в данном пикселе, а преобразованная толщина Hp, приведенная к толщине только льда, имеющего одинаковую теплопроводность со льдом, покрытым снегом:

Hp = H+h х L/l,

где H и L – толщина и теплопроводность льда, h и l – толщина и теплопроводность снега.

Параметрическая модель оценки толщины морского льда, применяемая нами, имеет на входе безразмерный параметр Q, представляющий собой «коэффициент подобия» между топографией поля льда и соответствующим ему температурным полем снежно-ледяной поверхности. Параметр Q вычисляется для каждого пиксела ИК изображения:

Q = (Ti – Tw) / (Tt – Tw),

где Ti —температура участка, на котором измеряется толщина льда, Tt, Tw – средние температуры тестовых участков «толстого» льда и чистой воды.

Тестовые участки «толстого» льда и чистой воды выбираются ледовым экспертом. Зависимость параметра Q от преобразованной толщины была определена экспериментально по ежедекадным измерениям толщин льда и снега на припае, проводимым береговыми полярными станциями.

Опыт показал, что определение параметра Q путем опознавания и измерения на тестовых участках чистой воды и старых льдов, как правило, не может быть выполнено корректно. При низких температурах воздуха на разводьях и разрывах сразу начинают образовываться ниласовые и молодые льды, а тестовые участки «толстого» льда в осенний и ранний зимний периоды даже в арктических морях могут отсутствовать. В разработанной нами усовершенствованной технологии в качестве тестовых участков «толстого льда» используется сеть постоянных реперных точек заснеженной суши. Истинная толщина льда, образование и нарастание которого происходило в бесснежные периоды, равняется преобразованной. Высоты снега на льдах той или иной преобразованной толщины определяются по данным береговых станций.

Реально на конкретной акватории одновременно присутствуют льды различного времени образования. Спутниковая технология, основанная на данных ИК-каналов, должна позволять определять толщины различных возрастных стадий льда. Для этого по осредненным данным береговых станций конкретного моря о высотах снега и декадных суммах среднесуточных температур формируется оперативная база высот снега, расчетных и преобразованных толщин льда (приведенных к толщине незаснеженного льда), а также расчетных и преобразованных толщин снежно-ледяного покрова различного времени образования. Вычисления выполняются по десятисуточным периодам, соответственно с датами измерения толщин льда и снега припая береговыми станциями. На завершающем этапе формируется классификационная таблица, в которой для каждой возрастной стадии (с шагом 20 см) указывается средняя высота снега, преобразованные толщины и безразмерные параметры Q. С использованием этой таблицы исходное ИК-изображение трансформируется в спутниковое классифицированное изображение (карту-схему) возрастных градаций (толщин) льда.

Оценка точности разработанной технологии оценки толщин льда по спутниковым ИК наблюдениям проводилась с использованием синхронных наблюдений с ледоколов. Оказалось, что технология позволяет оценивать преобразованные и истинные толщины молодых и однолетних тонких льдов с погрешностью ±5–10 см, а однолетних средних – 10–15 см. Возрастные стадии определяются, как правило, безошибочно.