CC BY
52
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 4. 2008. Вып. 4
УДК 91.528.8.919.9
В. Ю. Александров*'), Е. В. Шалина*), О. И. Бабина*'), О. М. Йоханнессен**\
Л. П. Бобылев*), К. Клостер**)
ВЕРИФИКАЦИЯ ОЦЕНОК ПЛОЩАДИ МНОГОЛЕТНИХ ЛЬДОВ В АРКТИКЕ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ РАДИОМЕТРОВ
Введение. Ледяной покров Арктики представляет собой важную компоненту климатической системы Земли и является индикатором глобального потепления, последствия которого по данным наблюдений проявляются, а по расчетам климатических моделей заметнее всего проявятся в полярных районах. Данные пассивного микроволнового зондирования датчиков 8ММИ, и SSM/I, получаемые независимо от условий погоды и естественной освещенности, широко используются при проведении климатических исследований - изучении трансформации ледяного покрова Арктики и трендов площади и распространения морских льдов. При обработке полей радиояркостных температур, измеренных данными приборами, определяются сплоченность льда, граница его распространения и площадь, занимаемая льдом. Кроме того, данные пассивного микроволнового зондирования позволяют определять частную сплоченность однолетнего и многолетнего льдов [1-3].
Анализ данных SMMR спутника №тЬив-7 за период с 1978 по 1987 гг. показал уменьшение протяженности ледяного покрова в Арктике на 2,4 % за десятилетие [4]. Данные прибора SSM/I подтверждают эту тенденцию, причем показывают, что скорость сокращения ледяного покрова увеличивается. Публиковавшиеся в течение последних нескольких лет данные констатировали уменьшение площади льдов с 1978 по 2003 гг. со скоростью чуть более 3 % за декаду [5-10]. Анализ данных, выполненный на конец 2006 г., показывал уже увеличение скорости сокращения площади арктических льдов до 3,9 % за декаду. Экстремальное сокращение морского ледяного покрова летом 2007 г. было вызвано, отчасти, аномально высокой температурой воздуха в весенние и летние месяцы (особенно в апреле), а также сильными ветрами, которые способствовали усиленному выносу льдов из Арктики [11]. В связи с этим, согласно нашим расчетам, средняя скорость сокращения арктических льдов возросла еще больше, до — 4, 62 % за декаду, по данным на декабрь 2007 г.
Несмотря на серьезное сокращение площади арктических льдов, наибольшее внимание научной общественности приковано в настоящее время к изменениям, происходящим с многолетними льдами Арктики. В работе [3] было впервые показано, что площадь многолетнего льда сокращается быстрее, чем общая площадь льдов Арктики. Изменения составляли в среднем за зиму 30,5 • 103 км2/г., или тренд равный — 7 % за декаду за период 1979-1998. В дальнейшем [12] получили для периода 1979-2004 тренд
*) Научный фонд Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Ф. Нансена (Фонд «Нансен-центр»), Санкт-Петербург.
**) Центр по дистанционному зондированию и окружающей среде им. Ф. Нансена (NER.SC), Берген, Норвегия
© В. Ю. Александров, Е. В. Шалина, О. И. Бабина, О. М. Йоханнессен, Л. П. Бобылев, К. Клостер, 2008
сокращения многолетнего льда в январе, равный 37,3 -103 км2/г. Поскольку многолетний лед - это лед, переживший летнее таяние, часто о сокращении площади многолетних льдов судят по изменениям, произошедшим со льдом, наблюдавшимся в сентябре. Согласно [11], средняя скорость сокращения сентябрьского ледяного покрова в Арктике за период 1979-2007 гг. составила в среднем — 11,4 % за декаду.
Сравнение оценок, полученных при помощи алгоритма NASA Team, с данными самолетных радиолокаторов и пассивных микроволновых радиометров показало, что крупномасштабные особенности распределения многолетнего льда определяются правильно [13]. В то же время была выявлена значительная изменчивость оценок параметров многолетнего льда, обусловленная рядом факторов: изменением излучательной способности на различных полях многолетнего льда [14], различиями термодинамических температур льда на глубинах проникновения излучения на частотах 19 ГГц и 37 ГГц [15], и изменением глубины снежного покрова [16]. Сравнение с результатами анализа радиолокационных изображений спутников «Океан» и RADARSAT, показало, что алгоритм NASA Team занижает оценки частной сплоченности многолетних льдов. Наибольшие различия между оценками наблюдались в ноябре-декабре [17]. Сравнение оценок, полученных по данным SMMR с использованием алгоритма NORSEX с данными самолетных многоканальных радиометров, показало, что в прикромочной зоне Баренцева моря значения частной сплоченности многолетних льдов занижаются на 10 % [18].
Целью данного исследования является сравнение оценок частной сплоченности и площади многолетних льдов в различных районах Северного Ледовитого Океана, полученных по данным SSM/I на основе алгоритма NORSEX и радиолокационным изображениям спутников RADARSAT и «Океан».
Описание данных и алгоритма NORSEX. Выполненные исследования базируются на оценках параметров морских льдов по данным прибора SSM/I, устанавливавшегося на спутниках серии DMSP (F8, F11, F13, F14, F15). Датчик SSM/I измеряет радиояркостные температуры (TBs) на частотах 19, 22, 37 и 85 ГГц. Измерения на частоте 22 ГГц выполняются на вертикальной (В) поляризации, а на всех остальных как на В, так и на горизонтальной (Г) поляризациях. Получаемые данные обрабатываются в Национальном Центре снега и льда (NSIDC) в США. Данные архивируются в виде ежедневных карт радиояркостной температуры в полярной стереографической проекции. Они покрывают полярные районы за исключением круговых секторов с центрами в полюсах и радиусом 280 км, для которых данные измерений отсутствуют из-за наклона орбиты. Размер элемента разрешения составляет ТО x 4Б км для частоты 19,3 ГГц, 60 x 40 км - для 22,2 ГГц, 3S x 30 км - для 37,0 ГГц, и 16 x 14 км - для 85,5 ГГц. Размер ячейки сетки данных составляет 12,5 км на частоте 85,5 ГГц и 25 км на более низких частотах. Файл данных составлен из 304 столбцов и 448 строк.
В алгоритме NORSEX [18] предполагается, что радиояркостная температура в элементе разрешения представляет собой сумму радиояркостных температур многолетнего и однолетнего льдов, а также водной поверхности с весовой функцией, соответствующей их относительной площади:
Тв = CmycmyTmy + CfycfyTfy + Cow eow272,
где CMY, CFY, Cow - относительные площади многолетнего льда, однолетнего льда и водной поверхности в элементе разрешения, соответственно, eMY, eFY, eow - их из-лучательные способности, а Tmy и Tfy - температуры двух рассматриваемых видов
льда. Относительные площади многолетнего льда, однолетнего льда и водной поверхности удовлетворяют следующему соотношению:
Cmy + Cfy + Cow = 1-
Для параметризации термодинамической температуры однолетнего льда использовалось соотношение:
Tfy = 0,4Tat + 0,6TOw(= 272),
где Tat - среднемесячная температура воздуха в Арктике. Температура поверхности многолетнего льда предполагается равной приземной температуре воздуха.
Использованные значения излучательной способности льдов и водной поверхности, а также данные in situ наблюдений и их среднеквадратические отклонения [19] приведены в табл. 1. Предполагается, что излучательные способности двухлетнего и многолетнего льда одинаковы.
Таблица 1
Излучательная способность многолетнего и однолетнего льдов и водной поверхности
Тип поверхности 19,35 ГГц 37 ГГц
NORSEX in situ ±о NORSEX in situ ±о
Вода 0,65 - 0,75 -
Однолетний лед 0,97 0,94 ±0,019 0,97 0,96 ±0,015
Многолетний лед 0,82 0,85 ± 0,068 0,74 0,76 ±0,079
Для уменьшения влияния погодных эффектов использовались среднемесячные значения радиояркостных температур, что также уменьшает высокочастотный шум и облегчает анализ межгодовой изменчивости и трендов многолетнего льда. Оценки выполнялись для зимних месяцев (ноябрь-март), когда влияние таяния минимально.
Полученные по данным SSM/I карты частной сплоченности многолетних льдов показывают увеличение площади «ложного» многолетнего льда в течение зимнего периода. Идентификация «ложного» многолетнего льда может быть вызвана природной изменчивостью излучательной способности многолетнего льда и различиями реальных термодинамических температур атмосферы и льда, от значений, используемых в алгоритме. Это обстоятельство частично объясняет эффект сезонного увеличения площади многолетнего льда, наблюдаемого по данным SSM/I [3].
Верификация полученных по данным 88ЫД оценок параметров многолетних льдов по спутниковым радиолокационным изображениям. Рассчитанные по алгоритму NORSEX значения частной сплоченности многолетнего льда сравнивались с оценками, полученными при интерпретации радиолокационных изображений X-диапазона спутника «Океан» и С-диапазона спутника RADARSAT. В X-и С -диапазонах многолетний лед имеет более высокую удельную эффективную площадь рассеяния, чем однолетний лед и изображается более светлым тоном. При этом контраст между этими видами льдов в X-диапазоне больше, чем в С -диапазоне. Относительно высокое пространственное разрешение радиолокационных изображений (100 м у RADARSAT ScanSAR, и 1-2 км у «Океан»), позволяет получить более точные оценки параметров морских льдов, чем по данным SSM/I, доступных с разрешением 25 км. Процедура определения частной сплоченности многолетних льдов на спутниковых радиолокационных изображениях состояла в том, что выделялись зоны, в которых
многолетние льды были распределены приблизительно равномерно, и в пределах этих зон частная сплоченность многолетних льдов оценивалась визуально. Для тех же самых зон были получены оценки по данным SSM/I.
Радиолокационные изображения спутника «Океан». Значения частной сплоченности многолетних льдов оценивались по радиолокационным изображениям спутника «Океан», полученным в Баренцевом и Карском морях зимой 1996 и в апреле 1998 гг., а также в морях Лаптевых и Восточно-Сибирском - зимой 1994/1995 гг. На изображениях «Океан» отчетливо выделяется граница старых льдов севернее Земли Франца-Иосифа. Выделенные на изображении зоны различной сплоченности многолетнего льда (100 %, 80 %, 60 %), достаточно хорошо соответствуют ее градациям на данных SSM/I. В то же время, в центральной и северной частях Баренцева моря, где, по данным «Океан», находятся однолетний и молодой льды, SSM/I показывает наличие многолетнего льда (Ому = 14 %).
Результаты количественного сравнения оценок частной сплоченности многолетнего льда, полученных по радиолокационным изображениям спутника «Океан» и данным SSM/I, представлены на диаграмме (рис. 1).
Представленные данные показывают, что алгоритм МОИБЕХ в среднем занижает значения частной сплоченности многолетних льдов по сравнению с оценками по изображениям «Океан». При этом расхождения могут достигать 30 % и более. В то же время в зонах, где многолетний лед практически отсутствует, данные SSM/I могут показывать его наличие.
Изображения RADARSAT ScanSAR. При проведении верификации оценок частной сплоченности многолетних льдов по данным SSM/I использовалась серия изображений радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) спутника RADARSAT, полученных в начале марта 1998 года и покрывающих большую часть Арктики. На каждом изображении были выделены зоны разной частной сплоченности многолетних льдов и визуально оценены ее значения, которые сравнивались со значениями, рассчитанными по данным SSM/I с использованием алгоритма NORSEX. Полученные по данным SSM/I и RADARSAT значения частной сплоченности многолетнего льда представлены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнение значений частной сплоченности многолетних льдов, полученных по данным ВВМ/Т и RADARSAT
Сплоченность многолетнего льда
Изображение № зоны по данным 88М/І (расчет) по данным КАБАИЗАТ (визуальная оценка)
05.03.1998 (а) I 74 95
II 15 0
I 7 0
04.03.1998 (б) II 73 80
III 87 90
§
<и
и
О
<и
о
ц
с
и
120 100 80 -60 40 20 0
0 20 40 60 80 100 120
Сплоченность (SSMI), %
Рис. 1. Диаграмма рассеяния значений частной сплоченности многолетнего льда, полученных по данным «Океан» и ББИ/Т
Сплоченность многолетнего льда
Изображение № зоны по данным 88М/1 (расчет) по данным БАБ АББАТ (визуальная оценка)
04.03.1998 (в) I 1 0
II 52 80
I 40 70
II 60 90
04.03.1998 (г) III 58 85
IV 29 10
V 21 10
120
100 -
80
60 -
40
20
0
0
20
40 60 80 100
Сплоченность (SSMI), %
120
Проведенное сравнение показало, что положение границы многолетних льдов на РСА изображениях соответствует значительному градиенту Ому по данным SSM/I. На рис. 2 представлены результаты сравнения значений частной сплоченности многолетних льдов, полученных при анализе всех имеющихся РСА изображений, с соответствующими значениями, полученными по данным SSM/I.
Как видно из диаграммы, полученные оценки частной сплоченности многолетних льдов в ряде случаев существенно различались. По сравнению с RADARSAT, SSM/I занижает оценки Ому для сплоченного многолетнего льда в среднем на 10 %. В зонах, где по данным RADARSAT значения Ому находятся в диапазоне от 90 % до 30 %, SSM/I также занижает оценки. В зонах, где многолетние льды отсутствуют или их частная сплоченность не превышает 30 %, SSM/I может показывать наличие «ложного» многолетнего льда.
По мозаике изображений RADARSAT, покрывающих большую часть Арктики, была оценена площадь многолетних льдов. Для уменьшения субъективности оценки выполнялись тремя экспертами. Поскольку полученная серия изображений не позволяет полностью покрыть всю Арктику, то при отсутствии радиолокационных данных оценки, полученные по данным SSM/I, принимались за истинные (табл. 3).
Площадь многолетнего льда в Арктике на начало марта 1998 года по данным SSM/I составила 4 059140 км2. Среднее по трем экспертным оценкам, полученным при интерпретации изображений RADARSAT, значение площади многолетнего льда в Арктике составило 4135 675 км2. При этом оценки экспертов различались не более чем на 5 %. Таким образом, несмотря на значительные отличия оценок Ому, полученные по данным SSM/I и RADARSAT значения площади многолетнего льда в Арктике достаточно хорошо согласуются друг с другом. Впрочем, нельзя забывать, что занижение полученных по данным SSM/I значений частной сплоченности многолетнего льда
Рис. 2. Диаграмма рассеяния значений частной сплоченности многолетнего льда, полученных по данным RADARSAT и SSM/I, 1-6 марта 1998 г.
Сравнение значений частной сплоченности многолетних льдов, полученных по данным ВВМ/Т и RADARSAT
Эксперт Площадь многолетнего льда по данным RADARSAT, км2 Площадь многолетнего льда по данным SSM/I, км2 Разность между оценками, км2
1 4185 081 125 941
2 4 256 382 4 059 140 197 242
3 3 965 563 -93 577
в центральных районах Северного Ледовитого Океана компенсируется появлением зон «ложного» многолетнего льда в арктических морях.
Выводы. В данной работе выполнено сравнение оценок площади многолетнего льда в Арктике, рассчитанных по данным SSM/I с использованием алгоритма NORSEX и полученных при интерпретации спутниковых радиолокационных изображений. В зимний период граница многолетних льдов, полученная по данным обоих датчиков, достаточно хорошо совпадает. Оценены ошибки определения частной сплоченности многолетних льдов. Показано, что SSM/I занижает значения частной сплоченности многолетних льдов при ее высоких значениях и завышает при низких. Рассчитанное по данным SSM/I в марте значение площади многолетних льдов в Арктике соответствует оценкам, полученным по данным RADARSAT.
Summary
Alexandrov V. Yu., Shalina E. V., Babina O. I., Johannessen O. M., Bobylev L. P., Kloster K. Verification of multiyear sea ice area estimations in the Arctic using microwave radiometer data.
Verification of multiyear ice parameters, calculated from SSM/I data using NORSEX algorithm, was done by means of comparison with the estimates derived from “Okean” and RADARSAT radar images. It is established that SSM/I underestimate partial concentration of the multiyear ice for its high values, and overestimate for low values. Multiyear ice area in the Arctic region was calculated and its boundary was delineated from composed mosaic of RADARSAT ScanSAR images.
Key words: multiyear ice, partial concentration, verification, brightness temperature, microwave radiometry.
Литература
1. Cavalieri D. J., Gloersen P., Campbell W. J. Determination of sea ice parameters with the Nimbus-7 SMMR // J. Geophys Res. 1984. Vol. 89. P. 5355-5369.
2. Rothrock D. A., Thomas D. R., Thorndike A. S. Principal component analysis of satellite passive microwave data over sea ice // J. Geophys. Res. 1988. Vol. 93(C3). P. 2321-2332.
3. Johannessen O. M., Shalina E. V., Miles M. W. Satellite evidence for an Arctic sea ice cover in transformation // Science. 1999. Vol. 286. P. 1937-1939.
4. Gloersen P., Campbell W. J. Recent variations in Arctic and Antarctic sea-ice covers // Nature. 1991. N 352. P. 33-36.
5. Йоханнессен О. М., Бобылев Л. П., Кузьмина С. И., Шалина Е. В., Хворостовский К. С. Изменчивость климата Арктики в контексте глобальных изменений // Вычислительные технологии. 2005. Т. 10. Ч. 1. C. 56-62.
6. Шалина Е. В., Йоханнессен О. М. Изменение ледового покрытия Баренцева, Карского, Восточно-Сибирского морей и моря Лаптевых по данным приборов SMMR и SSMI/I за период с 1978 по 1999 г. // Исследование Земли из космоса. 2001. № 5. C. 45-52.
7. Bjorgo E., Johannessen O. M., Miles M. Analysis of merged SMMR-SSM/I time series of Arctic and Antarctic sea ice parameters 1978-1995 // Geophys. Res. Lett. 1997. Vol. 24. P. 413-416.
8. Johannessen O. M., Miles M. W., Bjorgo E. The Arctic’s shrinking sea ice // Nature. 1995. Vol. 376. P. 126-127.
9. Parkinson C. L., Cavalieri D. A 21 year record of Arctic sea ice extents and their regional, seasonal and monthly variability and trends // Ann. Glaciol. 2002. Vol. 34. P. 441-446.
10. Parkinson C. L., Cavalieri D., Gloersen P., Zwally H. Comiso J. Arctic sea ice extents, areas, and trends, 1978-1996 // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. P. 20837-20856.
11. Comiso J., Parkinson C., Gersten R. Stock L. Accelerated decline in the Arctic sea ice cover // Geophys. Res. Lett. 2008. Vol. 35. L01703, doi:10.1029/2007GL031972.
12. Belchansky G. I., Douglas D. C., Eremeev V. A., Platonov N. G. Variations in the Arctic’s multiyear sea ice cover: A neural network analysis of SMMR-SSM/I data // Geophys. Res. Lett. 2005. Vol. 32. L090605, doi:10.1029/2005GL022395.
13. Cavalieri D., Crawford J., Drinkwater M., Eppler D., Farmer L., Jentz R., Wackerman C. Aircraft active and passive-microwave validation of sea ice concentration from the DMSP SSMI // J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96. P. 21989-22008.
14. Grenfell T. Surface-based passive microwave studies of multiyear sea ice // J. Geophys. Res. 1992. Vol. 97. P. 3485-3501.
15. Gloersen P., Campbell W. J., Cavalieri D. J., Comiso J. C., Parkinson C. L. and Zwally H. J. Arctic and Antarctic sea ice 1978-1987: Satellite passive microwave observations and analysis // Washington DC, NASA SP-511, National Aeronautics and Space Administration, 1992. 200 p.
16. Cavalieri D. J. The validation of geophysical products using multisensor data // Microwave remote sensing of sea ice / Ed. by F. D. Carsey, Geophysical Monograph 68, AGU, 1992.
17. Бельчанский Г. И., Алпацкий И. В., Еремеев В. А., Мордвинцев И. Н., Платонов Н. Г. Сравнительный анализ сезонных различий оценок сплоченности морских льдов, полученных по данным SSM/I, «Океан» и RADARSAT // Труды Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами». Муром, 20-22 июня 2001 г. C. 312-317.
18. Svendsen E., Kloster K., Farrelly B., Johannessen O., Johannessen J., Campbell W., Gloersen P., Cavalieri D., Matzler C. Norwegian Remote Sensing Experiment: Evaluation of the Nimbus-7 SMMR for sea ice research // J. Geophys. Res. 1983. Vol. 88(C5). P. 2781-2791.
19. Eppler D. T., Farmer L. D., Lohanick A. W., Anderson M. R., Cavalieri D. J., Comiso J., Gloersen P., Garrity C., Grenfell T., Hallikainen M., Maslanik J. A., Matzler C., Melloh R. A., Rubinstein I., Swift C. T. Passive microwave signatures of sea ice // Microwave remote sensing of sea ice / Ed. by F. D. Carsey, Geophysical Monograph 68, AGU, 1992. P. 47-71.
Принято к публикации 18 сентября 2008 г.
