Использование методов космического мониторинга для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений

Кровотынцев, Владимир Анатольевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Использование методов космического мониторинга для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Использование методов космического мониторинга для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений"

На правах рукописи

Кровотынцев Владимир Анатольевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДЯНЫХ ПОКРОВОВ И КАРТИРОВАНИЯ НАВОДНЕНИЙ

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре космической гидрометеорологии «Планета» Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Успенский Александр Борисович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Нерушев Александр Федорович

доктор технических наук, профессор Пяткин Валерий Павлович

Ведущая организация:

Институт космических исследований РАН

Защита состоится « 15 » октября 2003 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 327.003.01 Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации по адресу: 123242, Москва, Большой Предтеченский пер., 11-13, Гидрометеорологический научно-исследовательского центр Российской Федерации.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации.

Автореферат разослан «_»_2003 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор географических наук

Е С Нестеров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Космический мониторинг предполагает получение регулярной информации о состоянии окружающей природной среды на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЭЗ). Использование методов космического мониторинга является особенно актуальным для России с ее обширными и труднодоступными территориями, суровыми климатическими условиями и низкой плотностью населения. Его роль существенно возросла в связи с сокращением наземной сети гидрометеорологических станций и объемов авиационных наблюдений.

Настоящая работа посвящена решению задач мониторинга ледяного покрова (определение возраста, сплоченности, форм, границы распространения и площади покрытия морского льда) и картирования наводнений (границы разливов и площади затопления) с использованием данных ДЗЗ. Космический мониторинг ледовой обстановки необходим для обеспечения судоходства на трассе Севморпути протяженностью более 5600 км, осуществления хозяйственной деятельности в замерзающих морях и на арктическом шельфе. Необходимость картирования по данным ДЗЗ наводнений продиктована масштабностью ежегодных затоплений российской территории, составляющих около 500 тысяч га, включая тысячи населенных пунктов.

Космический мониторинг ледяного покрова и наводнений в России в последние 15-20 лет в основном осуществлялся на основе данных отечественных ИСЗ серий ОКЕАН, РЕСУРС, МЕТЕОР и спутников серии Ж)АА (США). Наиболее эффективными для решения рассматриваемых задач являются радиолокационные системы спутников серии ОКЕАН, позволяющие получать информацию о поверхности Земли независимо от освещенности и наличия облачного покрова. Спутники серии ОКЕАН функционировали в период 1983-2000 гг. Они образовали первую в мире оперативную радиолокационную систему наблюдения Земли, поэтому многие результаты исследований, выполненных на основе информации этой системы, носят пионерский характер.

Задачи изучения космическими средствами ледяного покрова и наводнений условно можно разбить на два класса: оперативные, связанные с картированием в режиме, близком к режиму реального времени, и неоперативные, связанные с изучением долговременных изменений характеристик ледяного покрова и затоплений на основе использования многолетних рядов спутниковых данных. Для решения задач первого класса необходимы: высокая оперативность и периодичность получения данных; повышенное быстродействие обработки и распространения информации. Для решения задач второго класса - создание и ведение архива многолетних рядов спутниковых наблюдений; обеспечение их непрерывности, а также геометрической и радиометрической совместимости.

Решение задач космического мониторинга требует создания эффективных методик и технологий обработки спутниковых данных. Трудности создания методик и технологий связаны с необходимостью: - устранения в данных ДЗЗ различного рода искажений, определяемых геометрией съемки, особенностями работы бортовой аппаратуры и канала связи (поэтому перед тематической обработкой необходимо выполнить предварительную обработку - геометрическую и радиометрическую коррекцию);

- комплексирования разнородных (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременных спутниковых изображений;

- применения на отдельных этапах обработки спутниковой информации интерактивного дешифрирования в связи с невозможностью полной формализации большинства задач тематической обработки, а также необходимостью использования при дешифрировании дополнительных данных об исследуемых объектах.

Кроме того, технологии должны обеспечивать соответствие выходной информационной продукции, архивов и каталогов данных внутренним ведомственным и международным стандартам Всемирной метеорологической организации (WMO), Комитета по спутникам наблюдения Земли (CEOS), Координационной группы по метеорологическим спутникам (CGMS).

Решение этих проблем позволит осуществлять массовую обработку текущей и архивной спутниковой информации, проводить оперативное картирование и исследовать многолетнюю динамику ледяного покрова и наводнений и, тем самым, глубже понять процессы формирования и развития ледяного покрова и наводнений.

Работы по решению вышеуказанных задач проводились в научно-исследовательском Центре космической гидрометеорологии «Планета» (в 19832002 гг.) по Государственным контрактам с Росгидрометом, Росавиакосмосом, МЧС РФ и Миннаукой РФ в рамках:

• Федеральной целевой программы «Федеральная космическая программа России»;

• Федеральной целевой программы «Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской Федерацию);

• Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации»;

• Федеральной целевой программы «Мировой Океан»;

• Федеральной целевой программы «Предотвращение опасных изменений климата и их последствий»;

• Федеральной целевой программы «Возрождение Волги».

В частности, в 2002 г. результаты исследований диссертационной работы использовались при выполнении 5 НИР Росгидромета, 2-х тем НИОКР Росавиакосмоса и 1 НИОКР МЧС РФ.

Цель диссертации состоит в разработке и использовании методик и технологий космического мониторинга для решения оперативных задач картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных

задач:

• Создание методик предварительной обработки радиолокационных (PJIC БО) и радиометрических (РМ08) данных ИСЗ серии ОКЕАН.

• Изучение характеристик радиолокационного обратного рассеяния различных типов льда по данным РЛС БО ИСЗ ОКЕАН.

• Разработка технологий обработки разнородных (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременных спутниковых данных.

• Использование разработанных методик и технологий для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.

• Создание специализированных цифровых архивов многолетних спутниковых данных под решаемые задачи.

Научная новизна. Созданы методики обработки спутниковых радиолокационных и радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН для картирования ледяного покрова, обеспечивающие калибровку данных РЛС БО, построение обзорных цифровых радиолокационных мозаик и комплексирование данных РЛС БО и РМ08.

На основе обработки и анализа данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН получены сезонные и угловые зависимости удельной эффективной площади рассеяния многолетнего и однолетнего льда на акватории западного сектора Арктики. Показано преимущество использования для радиолокационного мониторинга ледяного покрова зондирующих сигналов с длиной волны 3,2 см (РЛС БО ИСЗ ОКЕАН) по сравнению с длиной волны 5,66 см (РСАИСЗ ERS).

Разработаны технологии для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений, обеспечивающие массовую обработку текущей и архивной спутниковой информации.

Исследованы возможности использования линеаментного анализа спутниковых изображений для изучения структуры морского льда, включая их упорядоченность и перемещение.

Созданы специализированные цифровые архивы многолетних рядов данных ИСЗ ОКЕАН и РЕСУРС под целевые проекты. На основе обработки этих архивных данных:

- построены карты границ распространения многолетнего и однолетнего льда в западном секторе Арктики в периоды 1983 - 1989 и 1994 - 2000 гг. и проведен их анализ;

- изучены характеристики ледяного покрова в проливе Невельского за каждую декаду ледового периода 1985 - 1992 гг.;

- получены данные о времени откола, траекториях и скоростях дрейфа гигантских айсбергов, отколовшихся от шельфовых ледников в морях Росса и Уэдделла в период 1986-2000 гг.

более 250 карт наводнений по территории России. Эта информация передается для использования в организации Росгидромета (Гидрометцентр РФ, ААНИИ, ГОИН, УГМС и ЦГМС), а также организации МЧС РФ, Минтранса РФ, МО РФ, РАН, Роскомрыболовства и др.

Результаты работы использовались при выполнении ряда целевых проектов, в частности:

- освобождение из ледового плена Антарктики экспедиционного судна "Михаил Сомов";

- информационное обеспечение экспедиционного судна "Академик Федоров" при доставке грузов на российские антарктические станции;

- выполнение российско-европейского проекта "ICEWATCH" по оперативному мониторингу ледовой обстановки на трассе Севморпути на основе совместного использования радиолокационных данных ИСЗ ERS и ОКЕАН;

- изучение ледовой обстановки в проливе Невельского для разработки проектной документации на строительство моста с материка на о. Сахалин.

Положения, выносимые на защиту.

- Методики предварительной обработки спутниковых радиолокационных и СВЧ-радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН.

- Результаты исследования характеристик радиолокационного обратного рассеяния многолетнего и однолетнего льда по данным РЛС БО ИСЗ ОКЕАН.

- Технологии обработки разнородной (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременной спутниковой информации для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.

- Результаты использования разработанных методик и технологий для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений.

- Специализированные цифровые архивы многолетних рядов спутниковых данных.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается результатами апробации созданных технологий на тестовых и реальных данных, сравнением с результатами наземных и авиационных наблюдений, результатами массовой обработки спутниковой информации в оперативном режиме, стабильным спросом потребителей на выходную информационную продукцию, созданную с помощью разработанных методик и технологий.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на многих международных и российских конференциях (с 1976 г.), в том числе за последние 5 лет:

. 27* International Symposium on Remote Sensing of Environment (Scandic Hotel,

Tromso, Norway 8-12 June 1998); • Второе Всероссийское Совещание «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйств». (Москва, 18-19 ноября 1998 г.);

• Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 16-18 июня, 1999 г.);

• World Meteorological Organization Expert Team Meeting on Satellite Observing Systems (Локарно, 2-4 июня, 2000 г.).

• Международный экологический конгресс «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 14-16 июня, 2000 г.);

• XXVIII Meeting of the Coordination Group for the Meteorological Satellites -CGMS-28 (Вудс-Холл, 16-20 октября, 2000 г.) - пленарный доклад.

• Международный научно-промышленный форум «Великие реки-2001» (Нижний Новгород, 15-17 мая 2001 г.);

• Всероссийская научная конференция «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Муром, 20-22 июня,

2001 г.) - пленарный доклад;

• XXIX Meeting of the Coordination Group for the Meteorological Satellites -CGMS-29 (Капри, 22-25 октября, 2001 г.).

• Научно-практическое совещание "Гидрометеорологическое обеспечение хозяйственной деятельности в Арктике и замерзающих морях", посвященное 65-летию организации дрейфующей станции СП-1 (Санкт-Петербург, 27-29 марта, 2002 г.);

• Совещание - семинар "Формы, методы и технологии специализированного гидрометеообслуживания потребителей" (Великий Новгород, 5-9 августа

2002 г.);

• VII Международная конференция "Проблемы управления качеством городской среды" (Москва, 2-4 октября 2002 г.);

• Научно-практическая конференция "Информационные ресурсы об океане -актуальные проблемы формирования, распространения и использования в научных исследованиях и в морской деятельности". (Обнинск, 8-11 октября 2002 г.);

• Международный семинар "Методы обработки, интерпретации и использования спутниковых данных в задачах гидрометеорологии и мониторинга состояния окружающей среды" (Москва-Кучино, 28 октября -2 ноября 2002 г.);

• XXX Meeting of the Coordination Group for the Meteorological Satellites -CGMS-30 (Бангалор, 11-14 ноября, 2002 г.);

• Научная конференция "Исследование и охрана окружающей среды Антарктики" (Санкт-Петербург, 13-15 ноября 2002 г.);

• Международный конгресс «Великие реки-2003» (Нижний Новгород, 20-23 мая 2003 г.).

Результаты также неоднократно обсуждались на заседаниях Ученого совета и семинарах НИЦ «Планета» и Гидрометцентра РФ.

За создание информационной системы космического мониторинга Московского региона автор в 2001 г. стал лауреатом премии Мэрии Москвы в области охраны окружающей среды. За вклад в создание космического комплекса ИСЗ "Океан" ему было присвоено почетное звание "Заслуженный испытатель космической техники". Работа "Изучение ледяных покровов Арктики, Антарктики и внутренних морей России на основе использования данных ИСЗ серий ОКЕАН и NOAA" в составе авторского коллектива была премирована на конкурсе лучших НИОКР Росгидромета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ, перечисленных в конце автореферата.

Личный вклад. Постановка рассматриваемых в работе задач и основные научные и практические результаты принадлежат лично автору. Из работ, в которых он участвовал в качестве соавтора, в диссертацию вошли только те результаты, в получении которых автор принимал непосредственное творческое участие на всех этапах работы.

При создании технологий обработки спутниковой информации учитывались достижения и опыт специалистов ААНИИ, Гидрометцентра России, ГТИ, ИВМ иМГСО РАН.

В реализации целевых проектов, кроме сотрудников НИЦ "Планета", в разные годы принимали участие специалисты в соответствующей предметной области (Гидрометцентр РФ, ААНИИ, ГГИ, ГОИН, ИПСЭ, ВНИИГМИ-МЦД, ИРЭ РАН, ИО РАН, ИВМ и МГ СО РАН, ЦНИИМаш, ЦКН, Рязанской радиотехнической академии, Госцентра "Природа", МЦОС и ДЗ), а также в рамках межправительственных соглашений специалисты зарубежных научных учреждений (Норвегия, Германия, Италия). Автор выражает благодарность своим соавторам и коллегам по работе, начиная с 1975 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы составляет 117 страниц, включая 42 рисунков и 8 таблиц, список литературы включает 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблем, рассматриваемых в диссертационной работе, определены основные цели и задачи работы, показана ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы выносимые на защиту положения, и представлен краткий обзор содержания работы.

Первая глава диссертации посвящена обзору и анализу методик и технологий космического мониторинга нацеленного на изучение характеристик ледяного покрова и картирование наводнений. Определен круг задач (касающихся методик и технологий обработки спутниковых данных), которые необходимо решить в рамках диссертационной работы.

В разделе 1.1 проанализированы методические и технологические особенности обработки спутниковых данных, предназначенных для построения карт ледовой обстановки и наводнений. Определены четыре группы проблемных вопросов.

Первая группа вопросов связана с выбором оптимальных видов спутниковой информации для решения поставленных задач. Рассмотрены преимущества и недостатки спутниковых данных видимого, ИК и микроволнового диапазонов отечественных ИСЗ серии ОКЕАН, РЕСУРС и спутников серии Ж)АА (США), используемых для построения карт ледовой обстановки и наводнений.

Наиболее эффективными средствами наблюдения за состоянием ледяного покрова являются данные, получаемые с РЛС БО ИСЗ серии ОКЕАН (длина волны 3.2 см, полоса обзора ~ 460 км, разрешающая способность 1.5-2 км). В отличие от информации видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов, радиолокационные данные являются всепогодными (не зависят от

освещенности и облачного покрова). На радиолокационных изображениях различается достаточный для уверенного дешифрирования контраст между льдами различного возраста. Указанные свойства радиолокационных изображений дают им преимущества перед другими данными ДЗЗ при решении практических задач.

Широкое распространение при картировании ледовой обстановки в полярных регионах Земли имеют данные спектрометра АУНЛК, получаемые с ИСЗ ШЛА (спектральные диапазоны: 0.58-0.68, 0.725-1.00, 3.55-3.93, 10.3-11.3, 11.5-12.5 мкм; полоса обзора 3000 км), разрешающая способность 1.1 км). ИК-диапазон ИСЗ Ж)АА является наиболее используемым при построении ледовых карт. В данном диапазоне спектра хорошо распознаются молодые виды льда (от начальных видов до тонкого однолетнего льда). К недостаткам информации ИК-диапазона относятся влияние облачности и температуры воздуха в районе проведения космической съемки. Ледовые наблюдения в ИК-диапазоне возможны только при отрицательных температурах воздуха (желательно не выше - 6°С). По этой причине в данном диапазоне они могут проводиться в Арктике с октября по май.

Существенными факторами, влияющими на выбор информации для картирования наводнений, являются пространственное разрешение спутниковых данных, соблюдение непрерывности и периодичности космической съемки. Среди данных высокого пространственного разрешения в мониторинге наводнений широко используется информация, полученная со сканеров МСУ-Э ИСЗ РЕСУРС-01 и МЕТЕОР-ЗМ (спектральные диапазоны: 0.5-0.6, 0.6-0.7, 0.8-0.9 мкм; полоса обзора 45 км, разрешающая способность 40 м). С увеличением пространственного разрешения повышается точность определения территории затопления, но при этом, как правило, уменьшается ширина полосы обзора Поэтому наряду с данными высокого разрешения при картировании наводнений используются спутниковые изображения среднего разрешения, такие как МСУ-СК ИСЗ РЕСУРС (спектральные диапазоны: 0.50.6, 0.6-0.7, 0.7-0.8, 0.8-1.1 мкм; полоса обзора 600 км, разрешающая способность 140 м) и МСУ-С ИСЗ ОКЕАН (спектральные диапазоны: 0.5-0.7, 0.7-1.0 мкм; полоса обзора 1100 км, разрешающая способность 345 м). При картировании наводнений на крупных реках России могут использоваться данные, получаемые с радиометра ЛУНЫ*. ИСЗ Ж)АА.

Еще одна трудность, возникающая при мониторинге наводнений, связана с влиянием метеоусловий на результаты космической съемки затапливаемых территорий. В отдельных районах России атмосферные условия в период весенних паводков из-за влияния облачности, туманов, атмосферной дымки зачастую не позволяют проводить спутниковые наблюдения затопленных территорий в видимом и ближнем ИК-диапазонах (т.е. в тех диапазонах спектра электромагнитных волн, в которых принимается наибольшее количество спутниковой информации). По этой причине в рядах наблюдений могут возникать довольно продолжительные пропуски, в течение которых контроль развития процесса затопления той или иной территории космическими средствами отсутствует. Поэтому важная задача мониторинга наводнений состоит в обеспечении непрерывности определения площадей затопления при разных уровнях воды.

Вторая группа проблемных вопросов, связана с особенностями предварительной обработки спутниковых данных. Задачи, связанные с необходимостью исключения из космических изображений искажений,

определяемых геометрией съемки, особенностями работы бортовой аппаратуры и канала связи, приходиться постоянно решать применительно к различным типам бортовой аппаратуры ДЗЗ. Для спутников серии ОКЕАН такой задачей является проведение радиометрической коррекции и абсолютной калибровки данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН.

Картирование ледовой обстановки на больших площадях по данным РЛС БО ИСЗ ОКЕАН связано с созданием обзорных цифровых мозаик из разновременных радиолокационных изображений. При решении данной задачи возникает проблема бесшовного соединения (без яркостных перепадов на стыках) радиолокационных снимков, из которых формируется мозаика. Эффективная реализация стыковки может быть достигнута за счет предварительного проведения радиометрической коррекции совмещаемых радиолокационных изображений.

В разделе 1.2 рассматривается третья группа проблемных вопросов, встречающихся при решении задач тематической обработки спутниковых данных. Один из главных вопросов тематической обработки касается разделимости (составной части дешифрирования) объектов окружающей среды на космических изображениях. Вопросы дешифрирования возрастных характеристик (различных типов) льда на спутниковых изображениях видимого и ИК-диапазонов на сегодняшний день достаточно широко исследованы и отражены в научных публикациях. Имеется большой опыт визуального дешифрирования радиолокационных изображений РЛС БО ИСЗ ОКЕАН. Однако для создания обзорных радиолокационных мозаик ледовой обстановки, разработки автоматизированных технологий тематической обработки данных РЛС БО, выбора оптимальных длин волн для радиолокационного зондирования полярных ледяных покровов необходимо проведение исследований характеристик радиолокационного обратного рассеяния для различных типов льда.

В связи с невозможностью (во многих случаях) определения по данным РЛС БО ИСЗ ОКЕАН границы между льдом и взволнованной морской поверхностью при построении карт ледовой обстановки целесообразно использовать метод комплексирования радиолокационных (РЛС БО) и радиометрических (РМ08) изображений. Микроволновый радиометр РМ08 (длина волны 0.8 см, полоса обзора - 550 км, разрешающая способность 15-20 км), как и РЛС БО, входит в состав радиофизического комплекса ИСЗ серии ОКЕАН, осуществляющего синхронную съемку в совмещенной полосе обзора. Комплексирование данных РЛС БО и РМ08 ИСЗ ОКЕАН способствует улучшению степени детализации ледовых образований на космических изображениях, а также усилению спектральных различий для основных типов льда.

При картировании наводнений приходиться сталкиваться с трудностями определения на спутниковых изображениях границы между водной поверхностью и переувлажненной поймой. На изображениях видимого и ближнего ИК-диапазонов наблюдается плавный переход от водной поверхности к увлажненной пойме. Уменьшению контрастов способствует перемешивание воды с илом, песком и глиной, в результате чего ее альбедо заметно увеличивается и приближается к альбедо мокрой почвы. В связи с этим следующая задача, которую необходимо решить в рамках мониторинга наводнений, состоит в выборе оптимальных спектральных диапазонов и

методов тематической обработки спутниковой информации, обеспечивающих наиболее высокую точность дешифрирования водных объектов.

Следующая проблема тематической обработки спутниковых данных связана с формой представления выходной информационной продукции. Анализ карт ледовой обстановки, создаваемых в мировых ледовых центрах (National Ice Center USA, Japan Meteorological Agency, Институт Арктики и Антарктики и др.) показал, что завершающий элемент технологии обработки спутниковых данных - тематическая интерпретация параметров ледяного покрова, выполняется с помощью методов интерактивного дешифрирования. Данная процедура по-прежнему осуществляется вручную специалистом дешифровщиком; точность и достоверность карт ледовой обстановки зависит от опыта дешифровщика. Использование визуального анализа при построении карт ледовой обстановки связано с необходимостью учета практических и экспертных знаний, не поддающихся формализации, таких как- анализ ледовой обстановки, полученной на основе данных космической съемки в предшествующий период;

- анализ гидрометеорологической ситуации в исследуемом районе накануне проведения космической съемки;

- анализ климатической изменчивости характеристик ледяного покрова на данной территории в исследуемый период;

- опыт специалиста дешифровщика при определении границы между элементами карты ледовой обстановки (каждый элемент карты может содержать лед разной сплоченности, различных возрастных градаций и форм).

Четвертая группа проблемных вопросов связана с изучением долговременных изменений окружающей среды на основе использования многолетних рядов спутниковых данных. Для успешного решения этих задач необходимо наличие многолетних рядов спутниковых данных, обеспечение их непрерывности, а также геометрической и радиометрической совместимости разновременных спутниковых данных. В НИЦ "Планета" имеется архив спутниковых данных, который является разделом Госфонда РФ спутниковой природно-ресурсной и океанографической информации. Архив ведется с 1979 года. В нем хранится около 174000 негативов-оригиналов данных космической съемки; суммарный объем информации в цифровом виде превышает 3000 Гбайт.

Поиск спутниковых изображений по определенной территории, является трудоемкой задачей, поскольку требуется отобрать из большого объема архивных данных только те, на которых с заданной периодичностью зафиксировано состояние изучаемых земных покровов. Решение этой задачи связано с большими затратами технических и людских ресурсов. Чтобы не проделывать данную работу несколько раз, целесообразно под такие задачи создавать специализированные цифровые архивы географически привязанной и радиометрически откорректированной спутниковой информации и результатов ее обработки.

Геометрическая совместимость разновременных спутниковых изображений может быть достигнута за счет использования единой картографической основы. Перед проведением радиометрической совместимости разновременных спутниковых изображений необходимо учитывать разницу во времени проведения космической съемки (для карт ледовой обстановки она не должна превышать 3 суток). Каждое из

совмещаемых изображений должно предварительно пройти стадию радиометрической коррекции.

Сравнение спутниковых данных, полученных в разные годы, целесообразно проводить в одни и те же календарные сроки. Сопоставление многолетних данных о ледовой обстановке во многих атласах проводится либо за каждый месяц, либо за каждую декаду ледового периода.

В разделе 1.3 предложена структурная схема технологии обработки спутниковых данных и построения карт ледовой обстановки (рис. 1) с учетом методических и технологических особенностей, рассмотренных в обзоре. В качестве исходной информации в технологии использовались данные отечественных ИСЗ серии ОКЕАН, РЕСУРС и спутников серии Ж)АА (США). В технологии использовались как существующие (геометрическая коррекция, географическая привязка), так и новые (радиометрическая коррекция и абсолютная калибровка) методики обработки спутниковых данных. При проведении тематической обработки информации ИСЗ серии ОКЕАН с целью выделения морского льда при взволнованной морской поверхности использовалось комплексирование радиолокационных и радиометрических данных. На завершающем этапе тематической обработки производилось построение карт ледовой обстановки с помощью методов интерактивного дешифрирования. В результате выполнения данной технологии получалась информационная продукция в виде географически привязанных и радиометрически откорректированных спутниковых изображений, радиолокационных мозаик и карт ледовой обстановки, которые впоследствии интегрировались в специализированные цифровые архивы спутниковой информационной продукции.

Вторая глава посвящена созданию методик и технологий обработки спутниковых данных, необходимых для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений. В рамках данной главы проведено также исследование характеристик радиолокационного обратного рассеяния арктического морского льда.

В разделе 2.1 предложена методика радиометрической коррекции и абсолютной калибровки данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН.

Радиометрическая коррекция (внутренняя относительная калибровка) радиолокационной информации ИСЗ серии ОКЕАН включает в себя процедуры нормирования радиолокационного изображения (РЛИ) по калибровочному клину (коррекция по кадру), коррекцию РЛИ по строке и яркостную коррекцию. Калибровочный клин - внутренняя, формируемая на борту спутника, шкала яркостей РЛИ. Коррекция РЛИ проводится в три этапа.

Нормирование РЛИ вдоль кадра (выравнивание яркости изображения, уменьшающейся к концу сеанса по ряду технических причин) осуществляется путем линейных преобразований средних значений яркости калибровочного клина (ё^! и к эталонным значениям (Ей и Ек2 )■

V -(■? -о \ 12 ~ I

У и ~ Ц/ е*1) -=-+ Ьк\

ек2 ек\

где, у.. - нормированное значение яркости 2у ■ Одновременно производится яркостная коррекция РЛИ.

Автоматизированная

Радиометри- классификация

Яркостная ческие мозаики

Распаковка и коррекция и Монтаж

лыЛепщшю веоврафическая

Полный

ПОТОК

данных с ИСЗ Океан

Данные РМ08

привязи»

Радиометрические карты

Распаковка и выделение данных РЛС БО

Данные РЛС БО

Радиометрическая коррекция и веоврафическая

привязка

->■

Полный поток данных с ИСЗ Ресурс

Радиолокационные карты

|нтвж X

Тематические карты ледяного покрова

Интерактивно« дешифрирование

Карты-схемы

ледовой обстановки

1 \

Радиолокационные мозаики

Автоматизированная классификация

Географически привязанные спутниковые ^ изображения Интерактивно« дешифрирование

Интерактивное дешифрирование

Тематические карты ледяного покрова

1 Автоматизированная классификация

Карты-схемы ледовой обстановки

Географически привязанные спутниковые изображения

Полный поток данных с ИСЗ ЫОАА

Гграфическая

выделение

данных А^ННИ Данные привязка

Географически привязанные спутниковые изображения

Интерактивное дешифрирование

Карты-схемы

ледовой обстановки

С П Е

И А Л И 3

и р

о 8 А Н Н Ы

Й Ц

И ф

о в о й

А Р X

и в

Рис.1. Технология обработки спутниковых данных и построения карт ледовой обстановки.

Коррекция РЛИ по строке проводится в два этапа. На первом этапе происходит коррекция аппаратных искажений:

влияния временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) с коэффициентом - V, учет нормированных значений подставки - Д^ и напряжения шума приемо-передающего тракта РЛС БО - Ыш ■

< =[(л - л£)2(1+^)-М02Г Lj 1

где, j — номер элемента в текущей строке Lj.

На втором этапе происходит компенсация искажений, вносимых диаграммой направленности антенны (£),у) и осуществляется учет изменений

площади элементов разрешения радиолокатора (5У)и наклонной дальности до

данных элементов (R^ ).

к _ N Ry

1 tJ n ç.i/2 Uij о 11

После проведения радиометрической коррекции радиолокационные изображения становятся относительно калиброванными. Для перехода от условных величин яркостей пикселов РЛИ к значениям удельной эффективной площади рассеяния - УЭПР (абсолютной калибровке) необходимо поставить в соответствие известное экспериментальное или теоретическое значение УЭПР для какого-либо типа льда ( ) и его среднее значение яркости на РЛИ (i/o)-

CT°. = 20/g(4)-co° Mo

Для проведения абсолютной калибровки данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН -01 №7 использовалось известное значение çjq= -8 дБ многолетнего льда в Баренцевом море к северу от Земли Франца-Иосифа для февраля месяца.

По результатам радиолокационной съемки с ИСЗ ОКЕАН - 01 №7, проведенной в 1995-1997 гг. была проведена оценка пространственно-временных изменений и угловых зависимостей значений УЭПР многолетнего и однолетнего льда в двух (отличающихся по своим климатическим особенностям) районах Арктики. Исследование пространственно - временных изменений характеристик радиолокационного обратного рассеяния многолетних и однолетних морских льдов Арктики проводилось в двух направлениях:

- изучение временных (сезонных) вариаций средних величин УЭПР с оценкой диапазона изменения значений УЭПР морских льдов на двух выбранных полигонах при постоянном угле падения зондирующего сигнала (26°);

- изучение зависимостей величин УЭПР морских льдов от угла падения зондирующего сигнала на двух выбранных полигонах.

Изучение угловых зависимостей величин УЭПР многолетних и однолетних морских льдов осуществлялось в диапазоне углов падения зондирующего сигнала от 24° до 52° с дискретностью 2°.

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о возможности уверенного разделения полей многолетнего и однолетнего льдов в течение всего годового цикла по радиолокационным изображениям (РЛИ) ИСЗ ОКЕАН (за исключением короткого периода июнь-июль в районе Баренцева моря). Разница значений УЭПР многолетнего и однолетнего льдов составляет 4 -8 дБ.

По данной методике проводилась оценка вариаций и средних значений УЭПР различных типов ледяного покрова Антарктики (шельфовых и выводных ледников, равнинных и высокогорных районов антарктического континента). Характерные значения УЭПР для некоторых участков ледникового покрова представлены в таблице №1.

Таблица №1.

Район УЭПР, дб

Диапазон изменения Среднее значение

Выводной ледник Эймери -2-0 -1

Шельфовый ледник Росса -11 н--9 -10

Шельфовый ледник Фильхнера -11 — -7 -9

Земля Элсуэрта 16 ^-10 -13

Район полюса относительной недоступности -8-0 -1

Район станции "Восток" -6--1 -4

Область мезомасштабных упорядоченных структур во внутренней области восточной Антарктиды -14 — 0

Сравнение временных зависимостей УЭПР с данными SAR ERS (длина волны 5,66 см), проведенное в рамках проекта ICEWATCH, позволяет сделать вывод, что в целом радиолокационный контраст (разница значений УЭПР многолетнего и однолетнего льда) РЛИ ИСЗ ОКЕАН на 2-3 дБ превышает существующие значения, полученные по данным ERS, что может быть объяснено разницей в длинах волн зондирующих сигналов.

Результаты исследований характеристик радиолокационного обратного рассеяния морского льда использовались при создании технологии построения радиолокационных мозаик без яркостных перепадов на стыках.

Необходимым условием для стыковки двух или нескольких радиолокационных изображений является трансформирование каждого изображения, прошедшего стадию радиометрической коррекции, в единую картографическую основу. Соединение трансформированных изображений, у которых имеется область пересечения, проводится посредством суммирования значений яркостей изображений, расположенных внутри области пересечения, с учетом весовых коэффициентов, величина которых зависит от степени удаленности элементов изображения от краев снимка. В результате такого соединения граница снимков на пересекающихся областях становится мало заметной. Обзорная цифровая радиолокационная мозаика российского сектора Арктики, построенная на основе данной технологии представлена на рис. 2.

В разделе 2.2 исследованы возможности использования методов комплексной обработки радиолокационных и радиометрических изображений

Рис.2. Обзорная цифровая мозаика российского сектора Арктики, составленная из серии радиолокационных изображений.

ИСЗ серии ОКЕАН, а также линеаментного анализа для изучения структуры морского льда.

Измеряемые с помощью аппаратуры PJIC БО и РМ08 радиофизические параметры, зависят от характеристик морского льда.

Яркость радиометрических изображений - это результат квантования амплитуды сигнала на выходе радиометра, который на входе (антенне) проявляется в виде мощности теплового электромагнитного излучения поверхности Земли и атмосферы Р.

Р = к Тд Af

где к - постоянная Больцмана, Тд - антенная температура радиометра, Af -полоса пропускания приемника.

Формула для антенной температуры имеет вид:

тА = Ятя(е,Ф)0(е,ф)<Шф

дедф

где Тя (9, ф) - угловое распределение яркостной температуры излучения, падающего на антенну; G (0, ф) - коэффициент усиления антенны; 0 и ф - углы обзора, определяемые диаграммой направленности антенны, вдоль и поперек полета.

В свою очередь Тя (9, ф) складывается из собственного излучения Земли и излучения атмосферы. На длине волны 0,8 см основным излучающим фактором атмосферы является водосодержание облаков. Содержание жидкокапельной влаги облаков в полярной атмосфере при низких отрицательных температурах воздуха (необходимые условия для существования ледяного покрова) мало (вымораживание влаги), так что его влиянием на Тя (0, Ф) можно пренебречь. Таким образом, в полярных регионах Земли формирование Тя на длине волны 0,8 см происходит, в основном, за счет излучения поверхности Земли покрытой льдом.

Яркостная температура излучения различных типов льда в свою очередь связана с их термодинамической температурой Т.

Тя(0,Ф) = х(0,Ф)Т

где X (0, ф) - излучательная способность ледяного покрова, характеризующая степень его черноты.

Яркость радиолокационных изображений - это результат квантования амплитуды сигнала на выходе радиолокатора, который на входе (антенне) проявляется в виде мощности отраженного сигнала Р(9):

Р(0) = Р0 G2(0) Хо2 S(0) А(0) а°(0)/64я3 R4(0)

где, Ро - мощность излучаемого сигнала; G(0) - коэффициент усиления антенны; Хо - длина волны радиолокатора (3,2 см); S(0) - площадь элемента разрешения; А(0) - коэффициент влияния атмосферы (А(0) = 1); R(0) -наклонная дальность зондируемого элемента поверхности; <Т°(0) - удельная

эффективная площадь рассеяния Земли; 0 - угол зондирования радиолокатора в направлении, перпендикулярном направлению полета.

Излучательная способность X (9, ф) и удельная эффективная площадь рассеяния О°(0) льда зависят от его физико-химических свойств, возраста, концентраций и геометрической формы, а также от частоты и поляризации, на которых ведутся наблюдения. Значения % (0, ф), определяемые РМ08, и СТ°(0), определяемые РЛС БО, для различных типов морского льда существенно различаются. Различный характер данных зависимостей позволяет при совместном использовании радиолокационных и радиометрических данных улучшить качество дешифрирования морского льда.

По результатам радиолокационной и радиометрической съемки с ИСЗ ОКЕАН - 01 №7, проведенной в ноябре-декабре 1998 г. была проведена оценка величин вариаций нормированной яркости радиолокационных и радиометрических изображений для различных возрастных категорий морского льда. Предварительно программными средствами была устранена полосчатая структура на радиометрических изображениях, обусловленная спецификой функционирования данного СВЧ-радиометра. Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о возможности разделения на радиолокационных изображениях б возрастных категорий морского льда (спокойной водной поверхности, ниласа, серого, серо-белого, однолетнего и многолетнего льда). Взволнованная морская поверхность и лед в большинстве случаев не разделяются. На радиометрических изображениях уверенно различаются две градации льда (однолетний и многолетний) и водная поверхность. Под однолетним льдом, в данном случае, понимается серый, серо-белый и однолетний лед. Нилас, в зависимости от сплоченности, на радиометрических изображениях может принимать значения, соответствующие яркостям изображения водной поверхности и однолетнего льда. Между многолетним и однолетним льдом - наблюдается плавный переход яркости радиометрических изображений. При обработке информации это может привести к выделению еще одного ледового класса (смеси многолетнего и однолетнего льда).

В результате совместной обработки радиолокационных и радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН снимается неоднозначность в разделении границ между однолетним льдом и взволнованной морской поверхностью, а также повышается степень детализации структуры морского льда.

Проведены экспериментальные работы по использованию линеаментного анализа (ранее использовавшегося для изучения структур суши) для изучения структуры морского льда в Арктике. Установлено, что по распределению линеаментов, выделенных на разновременных космических снимках, можно оценивать упорядоченность и перемещение трещеноватых структур морского льда.

Разработанная технология картирования по спутниковым данным ледяного покрова в настоящее время интегрирована в многофункциональную программную систему, создаваемую в последние годы в НИЦ "Планета" и в разработке которой диссертант принимал активное участие. В системе сочетаются функции предварительной и тематической обработки данных ДЗЗ с использованием автоматизированных и интерактивных технологий и географической информационной системы (ГИС). Кроме традиционных

процедур обработки данных ДЗЗ и построения тематических карт, в системе реализованы абсолютно новые функции. Это касается, прежде всего, процедур интерактивного дешифрирования, возможности которых в рамках данной системы существенно расширились. В системе реализовано нанесение на карту-схему ледовой обстановки условных обозначений, соответствующих номенклатуре ледовых знаков "Атласа ледовых образований", разработанного АА НИИ. Введение в технологию картирования данного новшества позволило привести создаваемые карты ледовой обстановки в соответствие с требованиями внутренних ведомственных и международных стандартов.

В разделе 2.3 рассмотрен комплекс вопросов, касающихся мониторинга наводнений.

Предложена технология космического мониторинга наводнений в условиях невозможности обеспечения непрерывности спутниковых наблюдений. В качестве полигона для отработки технологии использовалась Волго-Ахтубинская пойма Для выделения на спутниковых изображениях водной поверхности использованы либо пороговые, либо кластерные методы обработки спутниковых снимков.

На основе использования данной технологии (рис. 3) построены картосхемы конфигурации водной поверхности и рассчитаны площади затоплений. Проведено сопоставление площадей затоплений на отдельных участках поймы, с уровнями воды, измеренными на гидрологических постах.

Полученные данные дополняют ряды зависимостей между площадями затопления участков поймы и уровнями воды на гидрологических постах и могут быть использованы для расчетов площади затопления на каждый день любого года.

Для выделения на спутниковых изображениях видимого и ближнего инфракрасного диапазонов водной поверхности на фоне увлажненной поймы исследованы возможности применения различных спектральных диапазонов. Установлено, что наименьшую погрешность при определении площадей затопления дают изображения, имеющие большую длину волны. Из аппаратуры, установленной на отечественных спутниках, наименьшую погрешность имеет 4 канал (0.8 - 1.1 мкм) МСУ-СК ИСЗ серии РЕСУРС, из зарубежных - 5 канал (1,23 - 1,25 мкм) спектрометра MODIS ИСЗ серии EOS (TERRA и AQUA).

На радиолокационных спутниковых изображениях граница перехода от водной поверхности к увлажненной почве подчеркивается ярко выраженным контрастом. Удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) водной поверхности будет чрезвычайно мала, вследствие зеркального отражения зондирующего сигнала. УЭПР почвенного покрова определяется шероховатостью поверхности и диэлектрическими свойствами приповерхностного слоя, который может простираться в глубину от примерно одной длины волны (для условий относительно сухой почвы) до примерно одной десятой длины волны (для условий очень влажной почвы). На радиолокационных изображениях граница "водная поверхность - увлажненная пойма" будет всегда сопровождаться резким изменением яркости.

Методы выделения на спутниковых изображениях водной поверхности используются также для оперативной оценки последствий наводнений. Для этого необходимо осуществить геометрическое совмещение конфигурации водной поверхности, выделенной на космическом изображении, и

географическая привязка

выделение водной поверхности

Периодичность сбора спутниковой информации от 3 до 15 дней. Сбор данных с гидрологических постов осуществляется ежедневно.

Динамика параметров затопления

Измерения на гидрологических постах

Гидрологические характеристики для различных участков поймы

Рис 3. Технология обработки спутниковых данных и построения карт затопления Волго-Ахтубинской поймы.

топографической карты затапливаемой территории. Такая функция реализуется в рамках технологии оперативного картирования наводнений.

Третья глава содержит результаты решения 3-х практических задач оценки состояния окружающей природной среды на основе архивной спутниковой информации. Каждая задача выполнялась в виде отдельного прикладного проекта.

В разделе 3.1 на основе многолетних рядов данных ИСЗ серии ОКЕАН проведена оценка изменений протяженности и границ распространения многолетнего и однолетнего льда в западном секторе Арктики в период 19832000 гг. Анализ пространственно-временной изменчивости морского льда в западном секторе Арктики, проведенный (по данным СВЧ-радиометров SMMR/SSMI) в последние годы различными авторами (Бельчанский и др., 2002; Parkinson C.L. et al, 1999; Е. Bjorgo et al, 1997), указывает на наличие значительных вариаций пространственных и количественных характеристик морского льда. При этом выявленные тренды (имеющие положительные и отрицательные знаки) очень чувствительны к продолжительности наблюдений и их положений на временной оси.

Так как радиолокационные изображения имеют более высокое пространственное разрешение (1,5 - 2 км) по сравнению с данными SSMI/SMMR (-25 км), а также более высокие радиолокационные контрасты на границах раздела различных типов льда, то для решения поставленной задачи использовались преимущественно данные РЛС БО ИСЗ ОКЕАН. Указанные преимущества радиолокационной информации позволяют более точно определять пространственное положение и количественные характеристики различных типов морского льда и, тем самым, производить более точные оценки их изменения.

В ходе выполнения данного проекта собрана и проанализирована архивная радиолокационная информация со спутников серии ОКЕАН (с 1983 по 1989 и с 1994 по 2000 гг.) по территории западного сектора Арктики. Обработка спутниковых радиолокационных данных проводилась с использованием методик и технологий, представленных во второй главе. Конечным результатом обработки данных РЛС БО являются специализированный цифровой архив географически привязанных и радиометрически откорректированных радиолокационных изображений, радиолокационные мозаики и карты-схемы распространения многолетнего и однолетнего льда в западном секторе Арктики. Валидация карт-схем распространения многолетнего и однолетнего льда осуществлялась с использованием данных авиаразведок, информации ИСЗ NOAA и судовых наблюдений. Среднеквадратическая погрешность определения границ льда составила 8-12 км.

Анализ результатов обработки спутниковой информации проводился в секторе Арктики, ограниченном южной кромкой многолетнего льда и 85° с.ш., а также 40° - 105° в.д. Установлено, что в исследуемый период имеют место значительные межгодовые вариации границ многолетнего (до 550 км) и однолетнего (до 440 км) льда, а также увеличение площади примерно на 10% многолетнего льда в 90-е годы (по сравнению с 80-ми).

В разделе 3.2 исследована пространственно-временная изменчивость характеристик морского льда в проливе Невельского по архивным спутниковым данным среднего и высокого разрешения ИСЗ РЕСУРС и ОКЕАН в период 1985 - 1992 гт. В качестве дополнительной информации использовались данные

ледовых авиационных разведок и наземных наблюдений на станциях Лазарев и Погиби.

Анализ литературных источников показал отсутствие достаточного количества сведений о характеристиках ледяного покрова в исследуемом районе. Опубликованные сведения, полученные по наземным, судовым и частично авиационным наблюдениям, не отражают адекватно единовременную ледовую ситуацию на всей территории пролива.

В ходе выполнения проекта был произведен сбор и анализ архивной спутниковой информации по территории пролива Невельского, а именно данные МСУ-СК ИСЗ серии РЕСУРС-01 и МСУ-С ИСЗ серии ОКЕАН - 01, полученные в период 1985-1992 гг. Конечным результатом обработки спутниковых данных являлись специализированный цифровой архив географически привязанных изображений МСУ-СК, МСУ-С и МСУ-Э, а также цифровые тематические карты ледовой обстановки (рис. 4), построенные для суровой и мягкой зимы на каждый месяц и каждую декаду ледового периода.

По данным архивных материалов авиаразведок построена сводная таблица характеристик ледяного покрова (для северного и южного створов) в проливе Невельского, а также типовые тематические карты ледовой обстановки на каждый месяц для мягкой и суровой зимы. Построены также графики и таблицы, отражающие пространственно-временные статистические закономерности параметров льда (сплоченности, торосистости, заснеженности, разрушенности и форм морского льда).

Кроме того, на основе анализа архивных данных прибрежных ледовых (толщина припая) и гидрометеорологических (температура воздуха, скорость и направление ветра) наблюдений на станциях Погиби и Лазарев построены графики и таблицы, отражающие пространственно-временные статистические закономерности толщины припайного льда и метеорологических параметров на каждую декаду ледового периода

Полученные, в результате проведенных исследований, новые сведения о ледовой обстановке в проливе Невельского использованы для проектирования моста с Материка на о. Сахалин.

В разделе 3.3 изложены результаты спутниковых радиолокационных наблюдений за динамикой ледяного берега Антарктиды, а также за отколами и дрейфом гигантских айсбергов в Антарктике. В 1986-2000 гг. на основе данных космической съемки с ИСЗ КОСМОС-1500, ОКЕАН - 01 №5, ОКЕАН - 01 №7, RADARSAT и NOAA проводились наблюдения за отколом трех гигантских айсбергов (А22, А23 и А24) от шельфового ледника Фильхнера и их дрейфом в море Уэдделла. Айсберг А24 до 1990 г. прочно удерживался на отмели в 230 км от места откола, а затем совершил дрейф вдоль Антарктического полуострова и побережья Южной Америки. В районе 35° ю.ш. он растаял. Айсберги А22 и А23 до настоящего времени прочно удерживаются на отмели в 180-200 км от места откола. Узкое пространство между айсбергом А23 и берегом Антарктиды в течение последних нескольких лет заполнялось плавучим льдом. Образовалась жесткая перемычка, перекрывшая движение дрейфующего льда на этом участке. В последние годы лед перемычки уплотнился, неоднородности заполнились снегом и, в результате, образовался ледовый полуостров длиной около 200 км и шириной около 50 км.

В 1988-1989 гг. была проведена серия радиолокационных наблюдений за дрейфом гигантского айсберга в море Росса, откол которого произошел в 1987 г. По радиолокационным снимкам были оценены размеры айсберга. Длина

5 0 5 10 «ы

Условные обозначен! Возрастные характеристики (толщина; Возрастные характеристики (толщина)

дрейфующего льда а ем

- чистая веда

А - нилас, склянка (до 10) [ -серий лед (10-1 В)

-серо-балый лед (15-30)

- томшй ^нолвтий (белый)

Г" однолетний лед средней

_____ толщины (70-120) ИЗ - толстый однолетний лед (>120)

И-З) - сплоченность льда в баллах

припая в см- молодые льды (10-30)

- тонкий однолетний белый лед (30-70)

| - однолетней лед средней толщины (70-120)

- толстый однолетний лед (>120)

Обобщенные характеристики льда

ЙЩ - возрастной состав дрейфуоцих ^^ льдов

10 - общи сплочетоеть в - количество болей старого 4 - количество Солее молодого

А-[*2>

Формы плавучего льца:

■ блинчатый лед (03-3 м) -мелкобитый лед (2-20 м)

■ крутобитый лед (20-1X м)

• облокжи ледяных полей (100-500 м) - большие поля (015-2 км)

торосисгостъ льда (от о до 5 баллов) эаснекенностъ льда (от 1 до 3 баллов]

Рис.4. Карта-схема минимального распространения льда в проливе Невельского, составленная по данным наблюдений ИСЗ Ресурс-01, (МСУ-СК) за вторую декаду февраля (1985-1992ГТ.).

айсберга Росса составляет примерно 150 км, ширина около 40 км. За год наблюдений было получено 16 радиолокационных изображений, на которых были рассчитаны координаты центра айсберга. По этим данным была построена траектория дрейфа айсберга и вычислены скорости и направления дрейфа. Средняя скорость дрейфа в чистой воде составляет 5.5 км/сут, при частичном вмерзании в лед - 15.9 км/сут и при полном вмерзании - 9 км/сут. Наряду с дрейфом айсберг вращался против часовой стрелки со средней скоростью - 1-1.1 град/сут.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Созданы методики предварительной и тематической обработки спутниковых радиолокационных и радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН для картирования ледяного покрова, обеспечивающие калибровку данных РЛС БО, построение обзорных радиолокационных мозаик и комплексирование данных РЛС БО и РМ08.

2. С использованием созданных методик, разработаны и внедрены в практику технологии обработки разнородных (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременных спутниковых данных для оперативного картирования и изучения долговременных характеристик ледяного покрова и наводнений. Ежегодно в НИЦ "Планета" по данным технологиям выпускается более 600 карт-схем и мозаик ледовой обстановки в Арктике, Антарктике и на внутренних морях России, а также более 250 карт наводнений по территории России.

3. На основе обработки и анализа данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН (длина волны 3.2 см) получены сезонные и угловые зависимости удельной эффективной площади рассеяния многолетнего и однолетнего льда на различных участках западного сектора Арктики. Показано преимущество использования, для радиолокационного мониторинга ледяного покрова, зондирующих сигналов с длиной волны 3,2 см (РЛС БО ИСЗ ОКЕАН) по сравнению с длиной волны 5,66 см (РСА ИСЗ ERS).

4. С использованием разработанных технологий выполнены целевые проекты по оперативному картированию ледовой обстановки на трассе Севморпути на основе совместной обработки данных ИСЗ ОКЕАН и ERS (международный проект "ICEWATCH"), а также затоплений Волго-Ахтубинской поймы на основе данных ИСЗ РЕСУРС.

5. Созданы специализированные цифровые архивы многолетних рядов данных ИСЗ ОКЕАН и РЕСУРС под целевые проекты. Все архивные данные географически привязаны и радиометрически откорректированы. На основе обработки архивных данных:

- Построены радиолокационные карты и мозаики ледовой обстановки на территории западного сектора Арктики в зимние периоды 1983-1989 и 1994-2000 гг. Установлено, что в исследуемый период имеют место значительные межгодовые вариации границ распространения многолетнего (до 550 км) и однолетнего (до 440 км) льда, а также увеличение примерно на 10% площади многолетнего льда в 90-е годы по сравнению с 80-ми.

- Изучены характеристики ледяного покрова в проливе Невельского за каждую декаду ледового периода 1985 - 1992 гг. Полученные сведения о ледовой обстановке в проливе Невельского использованы для проектирования мостового перехода с материка на о. Сахалин.

- Получены данные о времени откола, траектории и скоростях дрейфа гигантских айсбергов, отколовшихся от шельфовых ледников в морях Росса и Уэдделла (с использованием дополнительных данных с ИСЗ NOAA и RAD ARS AT) в период 1986-2000 гг. В частности, скорости дрейфа айсбергов в море Росса в период наблюдения составляли 5.5-15.5 км/сут; вращение айсберга происходило против часовой стрелки со средней скоростью 1.1 град/сут.

Публикации по теме диссертации

1. Большаков А.Н., Калмыков А.И., Кровотынцев В.А. и др. Влияние загрязнений поверхности моря нефтепродуктами на характеристики радиолокационных сигналов, отраженных при малых углах скольжения. //Морские гидрофизические исследования, №4 (75), Севастополь,. МГЦ АН УССР, 1976 г., с. 175-189.

2. Кровотынцев В.А. Некоторые особенности нефтяных разливов. //Морские гидрофизические исследования, №4 (83), Севастополь, МГИ АН УССР,

1978 г., с. 86 - 94.

3. Кровотынцев В.А. Влияние физических свойств нефтепродуктов и морской воды на геометрические характеристики нефтяного разлива. //Морские гидрофизические исследования, №4 (87), Севастополь, МГЦ АН УССР,

1979 г., с. 195 - 203.

4. Коротаев Г.К., Кровотынцев В.А. Интегральная модель динамики нефтяного разлива. В кн.: "Дистанционное зондирование океана", Севастополь, МГИ АН УССР, 1982 г., с. 108 - 115.

5. Иванчик М.В., Клюшников С.И., Кровотынцев В.А., Серебренников А.Н. Исследование пылевых образований в атмосфере по данным спутниковых наблюдений. //Исследование Земли из космоса, №3, 1984 г., с. 14 - 17.

6. Иванчик М.В., Клюшников С.И., Кровотынцев В.А., Мартынов М.В., Серебренников А.Н. Опыт цифровой обработки изображений с метеорологических ИСЗ. //Исследование Земли из космоса, №2, 1985 г., с. 111 - 116.

7. Бурцев А.И., Кровотынцев В.А., Назиров М., Никитин П.А., Спиридонов Ю.Г. Радиолокационные карты Арктики и Антарктиды по данным ИСЗ "Космос-1500" и предварительные результаты их анализа. //Исследование Земли из космоса, №3, 1985 г., с. 54 - 63.

8. Суетин B.C., Кровотынцев В.А. и др. Автоматизированная обработка данных дистанционных измерений СВЧ-радиометром ИСЗ "Космос-1500". //Исследование Земли из космоса, №3, 1985 г., с. 103 - 107.

9. Суетин B.C., Кровотынцев В.А. и др. Первичная обработка данных и анализ качества функционирования прибора МКС (блок БС) на ИСЗ "Интеркосмос-21". - В кн.: Материалы совещания специалистов социалистических стран по обслуживанию результатов экспериментов Черное море - Интеркосмос -83, 84 (Ялта, 4-10 февраля 1985 г.), с. 64-69.

10. Иванчик М.В., Кровотынцев В.А. Аналитический способ приближенной геодезической привязки сканерных изображений метеорологических ИСЗ по опорным точкам. //Исследование Земли из космоса, №3, 1987 г., с. 109 - 115.

11. Diallo A., Krovotyntsev V.A., Nikolaenko E.G., Polonsky A.B. and Shein V.M. On the evolution of the Northeastern Tropical Atlantic in 1983 - 1987. //Tropical ocean - atmosphere newsletter, № 43, Jun. 1988, p. 5 - 6.

12. Krovotyntsev V.A., Nikolaenko E.G.,.Polonsky A.B and Diakite S.. Variability in ITCZ cloudiness and precipitation in the Northeastern Tropical Atlantic during 1985-1987. //Tropical ocean - atmosphere newsletter, № 45, Aug. 1988, p. 19 -21.

13. Кровотынцев B.A., Николаенко Е.Г., Полонский А.Б., Шейн В.М. Эволюция внутритропической зоны конвергенции в северо-восточной части Тропической Атлантики в 1985-1987 гт. //Исследование Земли из космоса, №3, 1989 г., с. 19 - 28.

14. Krovotyntsev V.A.,.Nikolaenko E.G, Polonsky A.B. and Shein V.M., Diallo A., Diakite S.. Zone de convergence intertropicale de la partie Nord-Est de l'Atlanique tropical en 1985-1987. //Bulletin du Centre de Rogbane, Conakry, 1988, №4, p. 18-29.

15. Радиолокация поверхности Земли из космоса. JI.:, Гидрометеоиздат, 1990 г., 200 с.

16. Кровотынцев В.А., Милехин O.E., Попов В.И., Спиридонов Ю.Г. Радиолокационные наблюдения из космоса за динамикой ледяного берега и дрейфом айсбергов в Антарктике. //Исследование Земли из космоса, №4, 1991 г., с. 87 - 96.

17. Кровотынцев В.А. Прикладные проекты изучения ледяного покрова и дрейфа айсбергов в полярных регионах методами спутникового радиолокационного зондирования. - В кн.: Сб. тезисов докладов на Российско-Финском семинаре по дистанционному зондированию Земли, 28.08.94-02.09.94 гг., Хельсинки, 1994 г., с.21-22.

18. Асмус В.В., Кровотынцев В.А., Оценка состояния полярных ледяных покровов с использованием данных с ИСЗ "Океан". - В кн.: Новые информационные технологии и~ дистанционные методы отраслевого мониторинга промысловых районов Мирового океана, ВНИРО, М.:, 1996 г., с. 36 - 50.

19. Asmus V.V., Krovotyntsev V.A., Milekhin O.E. Polar ice covers investigation using OKEAN satellite data. Reports of the Finnish Geodetic Institute. Proceeding of the Finnish - In.: Russian Seminar on Remote Sensing in Hilsinki. 29 august -1 September, Hilsinki, 1994, p. 19-28.

20. Асмус B.B., Волков A.M., Кровотынцев B.A., Милехин O.E. Спутниковая система океанографических исследований и мониторинга полярных районов Земли. //Бюллетень Российский космос, №3, 1997 г., с. 12.

21. Асмус В.В., Кровотынцев В.А., Потапова O.A., Шварев В.В. и др. Система космического мониторинга северных регионов (СКМ «Север»): Первые этапы создания и перспективы использования. - В сб.: Север в экономике России (Материалы научно-практической конференции, Сыктывкар, 7-8 октября 1997 г.), Сыктывкар, 1998 г., с. 154-159.

22. Асмус В.В., Кровотынцев В.А., Григорьева О.Н., Шварев В.В.. Космический мониторинг зоны влияния проектируемой железной дороги на севере России: фрагмент ландшафтно-картографической основы. - В сб.: Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве. (Материалы второго Всероссийского Совещания, г. Москва, 18-19 ноября 1998 г.), М.:, 1998 г., с. 51-56.

23. Кровотынцев В.А., Милехин О.Е.. Характеристики радиолокационного обратного рассеяния морских льдов Арктики по данным ИСЗ «Океан-4». //Исследование Земли из космоса, №2, 1998 г., с. 68-80.

24. Johannessen О.М., Asmus V.V., Milekhin О.Е., Krovotyntsev V.A. et al. Icewatch - Real-Time Sea Ice Monitoring in the Northern Sea Route. (A Cooperative Earth Observation Project Between the Russian and the European Space Agencies) //Исследование Земли из космоса, №2, 1998 г., с. 59-67.

25. Asmus V.V., Krovotyntsev V.A., Milekhin О.Е. Arctic Ice Covers Investigation Using OKEAN Satellite Data. - In: Proceedings of the 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment 8-12 June 1998, Tromso, Norway, 1998, p. 24-27.

26. Johannessen O.M., Asmus V.V., Milekhin O.E., Krovotyntsev V.A. et al. Operational Sea Ice Monitoring in Support of Navigation and Offshore Operationns in the Nothern Sea Route. - In: Proceedings of the 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment 8-12 June 1998, Tromso, Norway, 1998, p. 28-32.

27. Asmus V.V., Grigorieva O.N., Krovotyntsev V.A., Shvarev V.V., Shvarev S.V. The "Landscape-Cartography Base" fragment for satellite monitoring of perspective railway direction "Oulu - Karelia- Arkhangelsk - Komi". - In: Proceedings of the 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment 8-12 June 1998, Tromso, Norway, 1998, p. 488-491.

28. Асмус B.B., Головчин B.P., Григорьева O.H., Елисеев Н.В., Иванова Н.П., Кровотынцев В.А., Милехин О.Е. Использование данных КА "Ресурс-01" для изучения природных ресурсов Земли и мониторинга окружающей среды. - В кн.: "Проблемы создания и эксплуатации космических аппаратов оперативного наблюдения Земли". - М., ВНИИЭМ, 1999, т. 99, с. 127-135.

29. Асмус В.В., Кровотынцев В.А.. Милехин О.Е., Шварев В.В. и др. Единая система многоцелевого космического мониторинга России (ЕСКМ "Россия"): первые этапы формирования ландшафтно-картографической основы и базы данных космического мониторинга европейского севера России. - В сб.: Тезисы доклада на Четвертой Всероссийской научно-практической конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности ", Санкт-Петербург, 16-18 июня 1999 г., 1999 г., том 2, с. 466.

30. Johannessen О.М., Asmus V.V., Milekhin О.Е., Krovotyntsev V.A et al. ICEWATCH: Real-Time Sea-Ice Monitoring in the Northern Sea Route (a Cooperative Earth Observation Project Between the Russian and the European Space Agencies). //Earth Observation and Remote Sensing, 2000, Vol.16, p. 269281.

31. Филиппов И.А., Асмус B.B., Бурцева Т.Н., Кровотынцев В.А., Манаенкова Е.Б., Милехин О.Е. Оперативный космический мониторинг бассейна реки Волга для решения задач гидрометеорологии и оценки состояния окружающей среды. - В сб.: Тезисы докладов Международного конгресса «Великие реки-2001», Нижний Новгород, НГАСУ, 15-18 мая 2001 г., с. 115117.

32. Асмус В.В., Бурцева Т.Н., Кровотынцев В.А., Манаенкова Е.Б., Милехин О.Е. , Филиппов И.А. Спутниковый мониторинг окружающей природной среды бассейна р. Волга. - В сб.: Тезисы докладов Международного конгресса «Великие реки-2002» Нижний Новгород, НГАСУ, 14-17 мая 2002 г., с. 155-156.

33. Асмус В.В., Милехин O.E., Кровотынцев В.А., Селиванов A.C. Использование радиолокационных данных ИСЗ серии Океан для решения задач гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды //Исследование Земли из космоса, №3, 2002, с. 63-70.

34. Справочник потребителя спутниковой информации. /Под ред. В.В. Асмуса, O.E. Милехина. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 168 с.

35. Asmus V.V., Krovotyntsev V.A., Milekhin O.E. et al. The Utility of Existing R&D Satellite Data. Technical Document, WMO/TD, No 1141, Sat-31, 2002, 214 P-

36. Асмус B.B., Кровотынцев В.А., Милехин O.E. Радиолокационный мониторинг полярных ледяных покровов Антарктики по данным ИСЗ "Океан". - В сб.: Тезисы докладов на научной конференции: "Исследование и охрана окружающей среды Антарктики". Санкт-Петербург, ААНИИ, 13-15 ноября 2002 г., с. 13-15.

37. Асмус В.В., Кровотынцев В.А., Кузнецова И.Н. Возможности использования спутниковых данных ДЗЗ для оценки состояния городской среды. - В кн.: Сборник докладов на УП Международной научно-практической конференции: "Проблемы управления качеством городской среды", М.:, Прима-Пресс-М, 2003 г., с. 131-133.

Hi 12 3 3 8

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кровотынцев, Владимир Анатольевич

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Методические и технологические особенности обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений.

1.1 Выбор оптимальных видов спутниковой информации при наблюдениях ледяного покрова и наводнений и особенности ее предварительной обработки.

1.2 Особенности тематической обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений

1.3 Структурная схема технология обработки спутниковых данных и построения карт ледовой обстановки.

Глава 2. Создание методик и технологий обработки спутниковых данных для картирования ледяных покровов и наводнений.

2.1 Методика радиометрической коррекции и абсолютной калибровки и ее научное и праю-ическое использование.

2.2 Технологии обработки разнородных и разновременных спутниковых данных для оперативного картирования и изучения долговременных региональных изменений ледяного покрова.

2.3 Технология космического мониторинга наводнений.

Глава 3. Использование методик и технологий обработки многолетних рядов спутниковых данных для решения задач оценки состояния и изменений окружающей природной среды.

3.1 Анализ межгодовой изменчивости ледяного покрова в западном секторе Арктики по данным радиолокационных измерений ИСЗ серии ОКЕАН.

3.2 Исследование пространственно - временной изменчивости характеристик морского льда в проливе Невельского.

3.3 Спутниковый радиолокационный мониторинг динамики ледяного берега и дрейфа гигантских айсбергов в Антарктике.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Использование методов космического мониторинга для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений"

Актуальность работы. Космический мониторинг предполагает получение регулярной информации о состоянии окружающей природной среды на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Использование методов космического мониторинга является особенно актуальным для России с ее обширными и труднодоступными территориями, суровыми климатическими условиями и низкой плотностью населения. Его роль существенно возросла в связи с сокращением наземной сети гидрометеорологических станций и объемов авиационных наблюдений.

Космический мониторинг ледяного покрова и наводнений в России в последние 15-20 лет в основном осуществлялся на основе данных отечественных ИСЗ серий ОКЕАН, РЕСУРС, МЕТЕОР и спутников серии NOAA (США). Наиболее эффективными для решения рассматриваемых задач являются радиолокационные системы спутников серии ОКЕАН, позволяющие получать информацию о поверхности Земли независимо от освещенности и наличия облачного покрова. Спутники серии ОКЕАН функционировали в период 1983-2000 гг. Они образовали первую в мире оперативную радиолокационную систему наблюдения Земли, поэтому многие результаты исследований, выполненных на основе информации этой системы, носят пионерский характер.

Задачи изучения космическими средствами ледяного покрова и наводнений условно можно разбить на два класса: оперативные, связанные с картированием, в режиме, близком к режиму реального времени, и неоперативные, связанные с изучением долговременных изменений характеристик ледяного покрова и затоплений на основе использования многолетних рядов спутниковых данных. Для решения задач первого класса необходимы: высокая оперативность и периодичность получения данных; повышенное быстродействие обработки и распространения информации. Для решения задач второго класса - создание и ведение архива многолетних рядов спутниковых наблюдений; обеспечение их непрерывности, а также геометрической и радиометрической совместимости.

- устранения в данных ДЗЗ различного рода искажений, определяемых геометрией съемки, особенностями работы бортовой аппаратуры и канала связи (поэтому перед тематической обработкой необходимо выполнить предварительную обработку -геометрическую и радиометрическую коррекцию); комплексирования разнородных (по спектральным диапазонам и пространственному разрешению) и разновременных спутниковых изображений; применения на отдельных этапах обработки спутниковой информации интерактивного дешифрирования в связи с невозможностью полной формализации большинства задач тематической обработки, а также необходимостью использования при дешифрировании дополнительных данных об исследуемых объектах.

Работы по решению вышеуказанных задач проводились в научно-исследовательском Центре космической гидрометеорологии «Планета» (в 1983-2002 гг.) по Государственным контрактам с Росгидрометом, Росавиакосмосом, МЧС РФ и Миннаукой РФ в рамках:

• Федеральной целевой программы «Федеральная космическая программа России»;

• Федеральной целевой программы «Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской Федерации»;

• Федеральной целевой программы «Мировой Океан»;

• Федеральной целевой программы «Предотвращение опасных изменений климата и их последствий»;

• Федеральной целевой программы «Возрождение Волги».

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

• Создание специализированных цифровых архивов многолетних спутниковых данных под решаемые задачи.

Методы исследования. Основные результаты работы получены с использованием методов цифровой обработки изображений, математического моделирования, прикладного программирования, радиофизических методов изучения земных покровов. Научная новизна. Созданы методики обработки спутниковых радиолокационных и радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН для картирования ледяного покрова, обеспечивающие калибровку данных РЛС БО, построение обзорных цифровых радиолокационных мозаик и комплексирование данных РЛС БО и РМ08.

На основе обработки и анализа данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН получены сезонные и угловые зависимости удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) многолетнего и однолетнего льда на акватории западного сектора Арктики. Показано преимущество использования, для радиолокационного мониторинга ледяного покрова, зондирующих сигналов с длиной волны 3,2 см (PJIC БО ИСЗ ОКЕАН) по сравнению с длиной волны 5,66 см (РСА ИСЗ ERS).

Практическая ценность. Разработанные технологии картирования ледовой обстановки и наводнений используются в течение ряда лет в оперативной практике НИЦ "Планета" и региональных центров приема и обработки спутниковой информации Росгидромета. Ежегодно в НИЦ "Планета" по данным технологиям выпускается более 600 карт-схем и мозаик ледовой обстановки в Арктике, Антарктике и на внутренних морях России, а также более 250 карт наводнений по территории России. Эта информация передается для использования в организации Росгидромета, (Гидрометцентр РФ, ААНИИ, ГОИН, УГМС и ЦГМС), а также организации МЧС РФ, Минтранса РФ, МО РФ, РАН, Роскомрыболовство и др.

Результаты работы использовались при выполнении ряда целевых проектов, в частности:

- освобождение из ледового плена Антарктики экспедиционного судна "Михаил Сомов";

- изучение ледовой обстановки в проливе Невельского для разработки проектной документации на строительство моста Материк - о. Сахалин.

Положения, выносимые на защиту.

- Специализированные цифровые архивы многолетних рядов спутниковых данных.

Настоящая работа состоит из трех глав.

В первой главе проанализированы методические и технологические особенности обработки спутниковых данных, предназначенной для построения карт ледовой обстановки и наводнений. Определены четыре группы проблемных вопросов. Первая группа вопросов связана с выбором оптимальных видов спутниковой информации для решения поставленных задач. Рассмотрены преимущества и недостатки спутниковых данных видимого, ИК и микроволнового диапазонов отечественных ИСЗ серии ОКЕАН, РЕСУРС и спутников серии NOAA (США), используемых для построения карт ледовой обстановки и наводнений. Вторая группа проблемных вопросов связана с особенностями предварительной обработки спутниковых данных. Многолетний опыт работ показывает, что основными элементами предварительной обработки спутниковых данных при картировании ледовой обстановки и наводнений являются радиометрическая и геометрическая коррекция космических изображений, трансформирование спутниковых изображений в единую картографическую основу, построение обзорных цифровых мозаик из серии разновременных космических изображений. Учитывая, что наиболее эффективными средствами наблюдения за состоянием ледяного покрова являются данные PJIC БО ИСЗ серии ОКЕАН и, что данный вид информации наиболее сильно подвержен влиянию различного рода искажений, связанных со спецификой работы бортовой аппаратуры, в данной работе отдельный раздел был посвящен проведению радиометрической коррекции и абсолютной калибровки радиолокационных изображений ИСЗ серии ОКЕАН. Третья группа проблемных вопросов встречается при решении задач тематической обработки спутниковых данных. Среди них наиболее значимыми являются проблемы разделения на космических изображениях различных типов льда, границ между льдом и взволнованной поверхностью моря, а также между водной поверхностью и переувлажненной поймой. Четвертая группа проблемных вопросов связана с изучением долговременных изменений окружающей среды на основе использования многолетних рядов спутниковых данных. Для успешного решения этих проблем необходимо наличие многолетних рядов спутниковых данных, обеспечение их непрерывности, а также геометрической и радиометрической совместимости.

Вторая глава посвящена созданию методик и технологий обработки спутниковых данных для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений. Предложены методики радиометрической коррекции и абсолютной калибровки данных РЛС БО ИСЗ серии ОКЕАН, а также совместной автоматизированной обработки радиолокационных и радиометрических данных ИСЗ серии ОКЕАН. Созданы технологии построения обзорных цифровых мозаик из серии спутниковых радиолокационных изображений в заданных картографических проекциях, а также мониторинга наводнений в условиях невозможности обеспечения непрерывности спутниковых наблюдений. В рамках данной главы проведено также определение характеристик радиолокационного обратного рассеяния различных типов арктического морского и антарктического материкового льда.

Третья глава содержит результаты решения 3-х практических задач оценки состояния окружающей природной среды на основе использования архивной спутниковой информации и разработанных методик и технологий обработки спутниковой информации. В рамках решения 1-й задачи, на основе многолетних рядов данных РЛС БО (с привлечение данных РМ08) ИСЗ серии ОКЕАН проведена оценка изменений протяженности и границ распространения многолетнего и однолетнего льда в западном секторе Арктики в период 1983-2000 гт. В рамках решения 2-й задачи, по архивным данным среднего и высокого разрешения ИСЗ РЕСУРС и ОКЕАН исследована пространственно-временная изменчивость характеристик морского льда в проливе Невельского в период 1985-1992 гг. В рамках решения 3-й задачи, в работе представлены результаты спутниковых радиолокационных наблюдений за динамикой ледяного берега Антарктиды, а также отколами и дрейфом гигантских айсбергов в море Росса и море Уэдделла в период 1986-2000 гг.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Кровотынцев, Владимир Анатольевич

Выводы. В ходе выполнения данного проекта были получены следующие результаты:

1. Составлен литературный обзор по современному состоянию исследований в области метеорологической, гидрологической и ледовой обстановки в проливе Невельского.

2. Произведен сбор и анализ цифровой и аналоговой архивной спутниковой информации по территории пролива Невельского.

3. Проведена оцифровка аналоговой архивной спутниковой информации (с фотонегативной пленки).

4. Проведена предварительная обработка спутниковой информации и систематизация ее по месяцам и декадам.

5. На основе спутниковых данных построены цифровые тематические карты минимального и максимального распространения льда на каждый месяц и каждую декаду ледового периода.

6. Произведен анализ архивных материалов авиаразведок и на их основе построена сводная таблица характеристик ледяного покрова в проливе Невельского.

7. Произведен сбор и обработка архивных данных прибрежных ледовых и гидрометеорологических наблюдений на станциях Погиби и Лазарев.

8. Проведен комплексный анализ результатов обработки и интерпретации данных спутниковых, аэровизуальных и наземных наблюдений. Полученные сведения о ледовой обстановке использованы для проектирования моста с материка на остров Сахалин.

Некоторые результаты данного исследования опубликованы в [83].

Антарктический континент характеризуется постоянной изменчивостью своего ледяного берега, на котором наиболее значительные изменения происходят на шельфовых и выводных ледниках за счет откола айсбергов [84, 85]. Космическая информация оптического диапазона (видимого и инфракрасного) широко используется для наблюдений за динамикой ледяного берега и дрейфом айсбергов в Антарктике и прилегающих к ней морях и океанах [86]. Однако она может быть использована только в ограниченный промежуток времени: в отсутствие облачности и тогда, когда дрейф айсберга проходит в морской воде, свободной ото льда, поскольку при смерзании айсберга с морским льдом он плохо опознается из-за отсутствия контрастов между ним и ледяным полем [87,88]. Кроме того, информация видимого диапазона не может быть использована в темное время, поэтому в наблюдениях образуются длительные перерывы, связанные с наступлением полярной ночи.

Анализ радиолокационной информации с океанографических ИСЗ серии ОКЕАН показал, что с ее помощью можно наблюдать за динамикой ледяного берега Антарктиды, обнаруживать трещины в шельфовых ледниках, прогнозировать и наблюдать отколы айсбергов от шельфовых и выводных ледников, следить за их дрейфом и разрушением в морях и океанах, независимо от времени года, освещенности и погодных условий. Изучение динамики ледяного берега Антарктиды требует многократного освещения радиолокационной съемкой больших пространств, которые могут быть покрыты с помощью радиолокационного картографирования. Первая цифровая радиолокационная карта (РЖ) Антарктиды была построена на ЕС ЭВМ в 1986-1987 гг. по результатам PJI-съемки проведенной с ИСЗ "КОСМОС-1500" в период с 21.01 по 3.03.1986 г. [89]. Радиолокационная карта была составлена из 36 радиолокационных изображений (РЛИ), каждое из которых соответствует участку поверхности размером 470 х 2500 км. Вся работа по созданию РЛК Антарктиды в 19861987 гг. заняла более года. На ней хорошо выделяются: береговая кромка, шельфовые и выводные ледники, обширные массивы морского многолетнего льда. Во внутренней материковой части Антарктиды заметна тенденция увеличения средней яркости РЛИ (УЭПР) при увеличении высоты ледникового покрова, что может быть объяснено увеличением альбедо рассеяния за счет уменьшения поглощения в снежно-фирновом покрове при понижении температуры в высокогорных районах Антарктиды [89, 90]. Наличие зоны высокой яркости вдоль всего края материка шириной от нескольких до 300 км и более коррелирует с годовым ходом линии нулевой изотермы и может быть объяснено сильным рассеянием радиолокационного сигнала от фирнового покрова, образованного в результате летнего таяния [91]. Представляют также большой интерес многочисленные яркие упорядоченные структуры в материковой части Антарктиды, которые впервые обнаружены с помощью РЛС БО с ИСЗ "КОСМОС-1500" [92, 89] и ранее не наблюдались на спутниковых изображениях видимого и ИК-диапозонов. Радиолокационный сигнал 3-см диапазона в холодной высокогорной части Антарктиды проникает на глубину до 50 м [93] и несет информацию о внутренней структуре снежно-фирнового покрова. Это дало основание предположить, что наблюдаемые на РЛИ упорядоченные мезомасштабные структуры связаны с проявлением рельефа коренного ложа Антарктиды [91, 92].

Организовать регулярную радиолокационную съемку всей Антарктиды всегда было сложно из-за большого количества потребителей на радиолокационную информацию по другим регионам и ограниченности ресурса бортовых и наземных систем (например, съемка цифровой РЛК Антарктиды в начале 1986 г. заняла около 1,5 мес., хотя при использовании всего ресурса на эту задачу требуется 6-7 дней). Поэтому при наблюдении за динамикой ее ледяного берега и дрейфом айсбергов целесообразно использовать РЛК Антарктиды в сочетании с отдельными РЛИ, полученными в результате учащенной съемки ограниченных районов в период большой динамической активности.

Примерами такого ограниченного использования ресурсов бортовых систем спутников серии ОКЕАН являются результаты радиолокационных наблюдений за отколом и дрейфом гигантских айсбергов в морях Росса и море Уэдделла. Айсберг в море Росса неоднократно фиксировался на радиолокационных снимках с ИСЗ "КОСМОС-1766" и 0КЕАН-01 №4, начиная с февраля 1988 г. по февраль 1989 г. Айсберг образовался в результате откола кромки восточной части шельфового ледника Росса вблизи мыса Колбек. В этой части ледник имел выступ, связанный с неравномерностью обтекания о-ва Рузвельта. В основании выступа образовался клинообразный разлом, расширяющийся к его западному краю. Он охватывал около 4/5 длины выступа. Разлом на ледниковом языке зафиксирован на радиолокационных изображениях ИСЗ "КОСМОС-1500" еще в 1984 г. и наблюдался в течение 1985-1987 гг. К середине 1985 г. разлом на выступе ледника достиг критических размеров, однако полный откол ледникового выступа произошел двумя годами позже.

Отколы айсбергов связаны с различными динамическими воздействиями океана: поверхностным волнением, постепенно подтачивающим поверхность контакта айсберга с морской водой, штормами, волнами зыби, приливно-отливными волнами, а также барическими волнами, связанными с действием атмосферных циклонов, которые встречаются в этом районе довольно часто (3-4 циклона в 1 мес. в течение всего года [84]). Указать конкретную причину откола айсберга в море Росса достаточно сложно. Вероятно, откол произошел в результате совместного действия различных факторов, однако, следует отметить возросшую динамичность ледяного берега Антарктиды во второй половине 80-х годов, которая может быть связана с глобальными климатическими изменениями.

По данным спутниковых радиолокационных наблюдений, откол айсберга в море Росса произошел антарктическим летом между 05.10.1987 г. и 03.02.1988 г., когда кромка шельфового ледника контактирует с морской водой, свободной ото льда. На радиолокационных снимках поверхность отколовшегося айсберга напоминает прямоугольную трапецию, по форме этот айсберг относится к столовым (табулярным), т. е. к плосковершинным, по линейным размерам - к гигантским. Его длина - 150 км, ширина - 40 км. Исходя из того, что толщина кромки восточной части ледника Росса находится в пределах 200-300 м [84], а отношение надводной к подводной части - 1:6, можно оценить высоту надводной и подводной части айсберга: 30-45 и 170-260 м соответственно. В феврале 1988 г. айсберг продрейфовал над банкой глубиной 179 м и не задел ее, это позволяет уточнить высоту подводной части айсберга, которая должна бьггь меньше 179 м. Будем считать, что она = 170 м, тогда высота надводной части = 30 м, а толщина - 200 м. Определив площадь поверхности айсберга по РЛИ и оценив его толщину, можно оценить его объем: =1,2 тыс. км2. По своей массе данный айсберг соответствует годовому расходу всех айсбергов в Антарктике, который оценивается в (0,4-16,5)-1017 г. [98]. Общее количество дрейфующих вокруг Антарктиды айсбергов оценено в 94000, однако за 200-летний период в море Росса было зафиксировано только несколько гигантских айсбергов длиной 19-65 км, шириной 13-34 км и высотой около 30 м [84]. В 1966 г. с ледокола "Глейшер" (США) был обнаружен сверхгигантский айсберг объемом 5 тыс. км3 [78] (44*1017 г.). Такие случаи крайне редки, поэтому наблюдаемый айсберг следует отнести к классу сверхгигантских и редких.

После откола гигантский айсберг дрейфовал в море Росса в северо-западном направлении, что является результатом воздействия на айсберг стоковых ветров южного направления и циркуляции водных масс, которая в этом районе направлена с севера на юг. Географические координаты центра айсберга и его положение относительно береговой черты рассчитывались по опорным точкам, соответствующим характерным особенностям береговой черты [94]. Угол направления дрейфа (азимут) определялся между вектором, соединяющим два последовательных положения центра айсберга и направлением на север. Угол разворота айсберга определяется между вектором, проведенным из центра айсберга в сторону скошенной стороны трапеции и направлением на север.

С февраля по март 1988 г. дрейф происходил в чистой воде свободной ото льда под действием ветра и течений. Влияние ветра особенно велико в первые месяцы движения айсберга, когда он обладает большой парусностью. Со временем, в результате разворота, парусность уменьшается. Угол между преобладающим направлением стоковых ветров (меридиональное направление) и поверхностью надводной части айсберга, обращенной к континенту 70± 10° . Это, вероятно, является причиной его разворота против часовой стрелки. Некоторое отклонение дрейфа влево, очевидно, связано с влиянием силы Кориолиса. Средняя скорость дрейфа айсберга в это время находилась в пределах 4-5 км/сут.

В конце марта и апреле 1988 г. свободному дрейфу айсберга препятствуют ледяные поля, простирающиеся к востоку и северо-востоку от айсберга. Это время характерно сильными ветрами, которые иногда достигают штормовой силы [84]. Айсберг начинает вмерзать в морской лед, однако из-за больших линейных размеров айсберга и воздействия штормовых ветров, процесс смерзания происходит неравномерно. Стороны айсберга, обращенные к океану, вмерзают в морской лед раньше, чем стороны, обращенные к континенту. На отдельных радиолокационных снимках зафиксированы полыньи. В 1988 г. они наблюдались на снимках с 26.03 по 2.05. В это время скорость и направление дрейфа айсберга сильно меняются, средняя скорость дрейфа увеличивается до 12,2 км/сут. Угол разворота айсберга изменялся в пределах -30 - +30 град.

К концу мая айсберг окончательно вмерзает в морской лед и его дрейф в основном определяется дрейфом всего ледяного поля под действием ветра и течений. Средняя скорость дрейфа снижается до 6,9 км/суг. Характерной особенностью этого этапа является то, что наряду с дрейфом айсберг совершает разворот против часовой стрелки со средней скоростью 1 град/сут. С августа 1988 г. по январь 1989 г. спутниковая радиолокационная съемка района дрейфа айсберга не проводилась. За это время айсберг развернулся на 148 град, против часовой стрелки (скорость разворота 1,1 град/сут). В январе 1989 г. была возобновлена радиолокационная съемка моря Росса с ИСЗ OKEAH-Ol №4. В этот отрезок времени дрейф айсберга проходил в южном направлении со скоростью 3,7 км/сут с одновременным разворотом против часовой стрелки со скоростью 1,6 град/сут.

Сопоставление результатов дрейфа айсберга в 1988 г. и 1989 г. показывает, что средняя скорость дрейфа в чистой воде, свободной ото льда, равна 4,2 км/сут, при скорости течений в этом районе 30-80 см/с (26-53 км/сут), т. е. составляет 1/10 часть скорости течения. В литературе скорость дрейфа айсбергов в чистой воде оценивается в 0,1-0,2 узла (4,3- 8,6 км/сут) (см., например [84]).

При определении скорости дрейфа айсбергов по наблюдениям со спутников, оценка скорости обычно оказывается заниженной из-за отсутствия непрерывных измерений [95]. Чем больше интервал времени между наблюдениями, тем хуже точность измерений скорости. Данные о скоростях дрейфа соответствуют их минимальным значениям, фактические же значения скорости будут несколько выше. Для оценки фактической скорости дрейфа айсберга по датам его наблюдений с ИСЗ, наблюдаемые значения скорости следует увеличить приблизительно в 1,3 раза [96]. Тогда средняя скорость дрейфа айсберга Росса в чистой воде будет равна 5,5 км/сут, при частичном вмерзании в лед 15,9 км/сут, а при полном вмерзании в лед 9 км/сут.

Для сравнения отметим, что скорость дрейфа НЭС "Михаил Сомов" во льдах моря Росса в 1985 г. составляла 6 миль/сут или 10,8 км/сут.

Следует отметить также некоторые различия в характере дрейфа айсберга в различных частях моря Росса. Во время дрейфа в интервале долгот 160-168 град. з.д. отклонения азимута от направления течений не превышают 30 град.; в интервале долгот 168-174 град. з.д. наблюдаются резкие изменения азимута. Такие различия объясняются в [97] тем, что при вмерзании айсберга в морской лед траектория его дрейфа в основном определяется динамикой ледяного поля, частью которого является он сам. В этот промежуток времени траектория дрейфа айсберга описала петлю. На Рис. 41 представлены результаты тематической обработки радио локационных изображений гигантского айсберга в море Росса, полученных за время проведения радиолокационного мониторинга моря Росса в 1988 - 1989 гг. На рисунке приводится 16 тематических карт, отражающих динамику дрейфа айсберга в течение года, а также построенную траекторию его дрейфа.

Если принять за среднюю скорость дрейфа айсберга в чистой воде 5,5 км/сут, то можно уточнить дату откола айсберга Росса - ориентировочно 6-7.11.1987 г.

Сравнение радиолокационных изображений, полученных с интервалом в один год, показало, что в узкой части айсберга, которая находится ближе к скошенной стороне трапеции, появилась поперечная трещина длиной около 2/3 его ширины. Эта трещина стала причиной его раскола. Радиолокационная съемка с ИСЗ OKEAH-Ol №5 16.04.90 г. показала, что к этому времени айсберг вышел из моря Росса и раскололся на две части, которые находились в это время у побережья Восточной Антарктиды в секторе 150-160 град. в.д. Среднее "время жизни" гигантских айсбергов около 13 лет [84]. Работу по наблюдению за дрейфом гигантских айсбергов целесообразно было бы проводить в сочетании с подспутниковыми измерениями, разместив на айсберге систему сбора и передачи информации по спутниковым каналам связи [97].

В конце 1987 г. произошел откол гигантского айсберга размером 150 км х 40 км от шельфового ледника Росса. В период 1988-89 гг. в НИЦ Планета проводились регулярные радиолокационные наблюдения сИС3 0кеан-01 за его дрейфом. i РР

1 \ i 1

04 .02.89 дм

14.01.89

09.08.88

Гт /

03.07.88

26.03.88! 101.04.88

09.04.88

KJHPP wr- 1 П —х

02.05.88 ш ш X

18.05.88

В апреле 1990 г. айсберг раскололся на две части.

Скорость дрейфа айсберга в период наблюдения: 5,5 - 15,5 км/сут. Вращение айсберга: против часовой стрелки со средней скоростью 1,1 град./сут.

Рис. 41. Наблюдения за дрейфом гигантских айсбергов в море Росса в 1987 - 1990 гг.

Радиолокационная съемка с ИСЗ "КОСМОС-1766" в августе - ноябре 1986 г. позволила наблюдать процесс откола трех гигантских айсбергов от кромки шельфового ледника Фильхнера и начало их дрейфа в море Уэдделла. На одном из них находилась Советская антарктическая станция "Дружная".

В восточной части шельфового ледника Фильхнера, приммерно в 70 км от кромки ледника наблюдается яркая клиновидная полоса шириной > 5 км в середине, простирающаяся с востока на запад примерно на 100 км. Это известные разломы Гранд-Касмс [98], по которым позднее произошел откол всего массива льда. Повышенная яркость разломов на РЛИ объясняется высоким уровнем радиолокационного сигнала за счет многократного радиолокационного отражения от дна разлома, лежащего на глубине 50 м и образованного хаотическими нагромождениями сравнительно небольших ледяных глыб. Высокую яркость на РЛИ имеет также и западная часть кромки ледника Фильхнера, что можно объяснить отражением радиолокационного сигнала от многочисленных мелких разломов и трещин, вызванных деформациями льда при неравномерном обтекании о-ва Беркнера.

На рис. 42 представлена серия космических снимков с ИСЗ КОСМОС-1500, 0КЕАН-01 №5, 0КЕАН-01 №7, RADARSAT и NOAA, показывающих динамику откола трех гигантских айсбергов (А22, А23 и А24) от шельфового ледника Фильхнера и их дрейфа в море Уэдделла в 1986-2000 гг.

На первом снимке из приведенной серии наблюдается начало разрушения ледника Фильхнера севернее разломов Гранд-Касмс. В море Уэдделла виден айсберг средних размеров, отколовшийся от северной оконечности фронта ледника. Прослеживается система трещин и разломов, ориентированных с севера на юг перпендикулярно разломам Гранд-Касмс, намечающие в ледяном массиве три блока (восточный, средний и западный) на которые он распадется при отколе по линии разломов Гранд-Касмс. Ледники Ронне и Фильхнера на этом РЛИ образуют единое ледниковое поле: они соеденены узкой полосой льда севернее о-ва Беркнер. Вдоль этой полосы видны две продольные трещины на расстоянии около 12 и 24 км от кромки, что свидетельствует о начале ее разрушения. Механизм образования трещин и последующий откол этой части ледника, вероятно, связан с напряжениями изгиба, возникающими на линии налегания под воздействием приливной волны [99], поскольку линия налегания в этой части ледника проходит на наименьшем расстоянии от кромки ледника по северной оконечности о-ва Беркнер.

В работе [98] был дан прогноз времени откола участка ледника к северу от разломов Гранд-Касмс и превращения его в гигантский айсберг: исходя из скорости движения краевой части шельфового ледника Фильхнера, автор предположил, что откол произойдет через 50-60 лет, когда линия разломов выйдет на траверз нунатаков Мольтке (78 град, ю.ш.; 35,4 град. з.д.). Однако это произошло намного раньше - через 15 лет.

На радиолокационном изображении ИСЗ "КОСМОС-1766", полученном 16.08.1986 г. впервые был зафиксирован откол гигантских айсбергов от шельфового ледника Фильхнера по линии разломов Гранд-Касмс. Первоначально откололось два айсберга - западный блок, а также центральный и восточный блок в виде единого айсберга с трещиной посередине. Далее за дрейфом айсбергов по ряду объективных причин проводятся более редкие спутниковые наблюдения.

Айсберг А24 до 1990 г. прочно удерживался на отмели в 230 км от места откола, а затем совершил дрейф вдоль Антарктического полуострова и побережья Южной Америки [100]. В районе 35° ю.ш. он растаял. Айсберги А22 и А23 до настоящего времени прочно удерживаются на отмели в 180-200 км от места откола. Узкое пространство между айсбергом А23 и берегом Антарктиды в течение последних нескольких лет заполнялось битым морским льдом. Образовалась жесткая перемычка, перекрывшая движение дрейфующего льда на этом участке. В последние годы лед перемычки уплотнился, неоднородности заполнились снегом и, в результате, образовался ледяной полуостров длиной около 200 км и шириной около 50 км (Рис. 42).

Более подробно результаты спутниковых радиолокационных наблюдений за динамикой ледяного берега Антарктиды, а также отколами и дрейфом гигантских айсбергов в Антарктике представлены в [101].

В конце 90-х годов 20 века - начале 21 века (как и в середине 80-х годов) наступил период активных отколов гигантских айсбергов от шельфовых ледников Антарктиды [102, 103].

В январе 1995 г. произошел откол гигантского айсберга от шельфового ледника Ларсена - "Ларсен-А" площадью 770 кв. миль. В январе - марте 2002 г. от него же откололся еще более мощный айсберг - "Ларсен-В" площадью 3250 кв. км.

В октябре 1998 г. от шельфового ледника Ронне в море Уэдделла откололся гигантский айсберг А-38 с размерами 92 х 30 миль, а в мае 2000 г. Откололась оставшаяся часть выступающей в море кромки шельфового ледника Ронне, при этом образовались айсберги: А-43А (168 х 33 км), А-43В (84 х 35 км) и А-44 (60 х 32 км).

В марте 2000 г. произошел откол гигантского айсберга С-19 (200 х 30 км) от шельфового ледника Росса, а в марте 2002 г. в районе моря Амудсена откололся гигантский айсберг В-22 с размерами 85 х 65 км.

За дрейфом и разрушением этих айсбергов проводятся постоянные спутниковые наблюдения. Полученная, в рамках данных наблюдений, информация заносится в специализированный цифровой архив спутниковых данных по территории Антарктики.

В 1986 г. произошел откол трех гигантских айсбергов А22, А23 и А24 от шельфового ледника Фильхнера в море Уэддела. Размеры айсбергов составляли 4000-6000 км2.

На айсберге А23 находилась российская антарктическая станция "Дружная-2".

Айсберг А24 до 1990 года прочно удерживался на отмели в 230 км от места откола, а затем совершил дрейф вдоль Антарктического п-ва и побережья Южной Америки. В районе 35° ю.ш. он растаял.

МОРЕ \УЭДДЕЛЛА

Айсберги А22 и А23 до настоящего времени прочно удерживаются на отмели в 180-200 км от места откола. Узкое пространство между айсбергом А23 и берегом Антарктиды в течение последних нескольких лет заполнялось битым морским льдом. Образовалась жесткая перемычка, перекрывшая движение морского льда на этом участке. Впоследствии лед перемычки уплотнился, неоднородности заполнились снегом и, в результате, образовался ледяной полуостров длиной около 200 км и шириной около 50 км.

0кеан-01 №5 РЛС БО

16.03.90

0кеан-01 №7 РЛС БО

29.11.94

RADARSAT SAR

20.10.98

0кеан-01 №7 РЛС БО

02.03.99

NOAA-14 AVHRR

19.05.00

Рис. 42. Наблюдения за дрейфом гигантских айсбергов в море Уэдделла в период 1986 -2000 гг.

Заключение

3. На основе обработки и анализа данных РЛС БО ИСЗ ОКЕАН (длина волны 3.2 см) получены сезонные и угловые зависимости удельной эффективной площади рассеяния многолетнего и однолетнего льда на различных участках западного сектора Арктики. Показано преимущество для радиолокационного мониторинга ледяного покрова использования зондирующих сигналов с длиной волны 3,2 см (РЛС БО ИСЗ ОКЕАН) по сравнению с длиной волны 5,66 см (РСА ИСЗ ERS).

5. Созданы специализированные цифровые архивы многолетних рядов данных ИСЗ

ОКЕАН и РЕСУРС под целевые проекты. Все архивные данные географически привязаны и радиометрически откорректированы. На основе обработки архивных данных:

• Построены радиолокационные карты и мозаики ледовой обстановки на территории западного сектора Арктики в зимние периоды 1983-1989 и 1994-2000 гг. Установлено, что в исследуемый период имеют место значительные межгодовые вариации границ распространения многолетнего (до 550 км) и однолетнего (до 440 км) льда, а также увеличение примерно на 10% площади многолетнего льда в 90-е годы (по сравнению с 80-ми).

• Изучены характеристики ледяного покрова в проливе Невельского за каждую декаду ледового периода 1985 - 1992 гг. Полученные сведения о ледовой обстановке в проливе Невельского использованы для проектирования мостового перехода с Материка на о. Сахалин.

• Получены данные о времени откола, траектории и скоростях дрейфа гигантских айсбергов, отколовшихся от шельфовых ледников в морях Росса и Уэдделла (с использованием дополнительных данных с ИСЗ NOAA и RADARSAT) в период 1986-2000 гг. В частности, скорости дрейфа айсбергов в море Росса в период наблюдения составляли 5.5-15.5 км/сут; вращение айсберга происходило против часовой стрелки со средней скоростью 1.1 град/сут.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кровотынцев, Владимир Анатольевич, Москва

1. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии. //Пер. с нем., М.: Мир, 1988, 343 с.

2. Природа Земли из космоса. Изучение природных ресурсов Земли с помощью данных, передаваемых со спутников по радиоканалам. /Составители: А.П.Тищенко, С.В.Викторов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 152 с.

3. Морской лед. Сбор и анализ данных наблюдений, физические свойства и прогнозирование ледовых условий (справочное пособие) /Под редакцией Фролова И.Е., Гаврило В.П. СПб.: Гидрометеоиздат, 1997, 402 с.

4. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.:, Гидрометеоиздат, 1980, 383 с.

5. Котляков В.М. Снежный покров Антарктиды и его роль в современном оледенении материков. /В кн.: Результаты исследований по программе Ml Т. М.: АН СССР, 1961, с. 190-201.

6. Ramseier R.O., Gray L., Campbell W.J. Scatterometer and imaging results obtained over Big Rear, ATOJEX, 1975, Proc. Symp. On Sea Ice Proces. And Models, 1977, v. 1, p. 30-40.

7. Радиолокация поверхности Земли из космоса. Л.:, Гидрометеоиздат, 1990,200 с.

8. Дистанционное зондирование в метеорологии, океанографии и гидрологии /Под редакцией Крэкнелла А.П., М.: Мир, 1984, 536 с.

9. Усачев В.Ф. и др. Определение гидрологических параметров на основе аэрокосмических данных. /В кн.: Дистанционное зондирование из космоса. Берлин, 1987, с. 75-116.

10. Тищенко А.И., Головчин В.Р. Пространственная привязка спутниковых сканерных изображений по траекторным данным. Аэрокосмическиеисследования Земли. Обработка видеоинформации на ЭВМ. М.: Наука, 1978, с. 56-65.

11. Puccineli E.F. Ground location of satellite scanner data. Photogramm. //Eng. And remote sensing, 1976, v. 42, № 4, p. 537-547.

12. Исследование ледяного покрова с помощью радиолокационной станции бокового обзора (РЛС БО) /Методическое пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 120 с.

13. Методические указания по вопросам приема, обработки и использования спутниковой ледовой информации. Вып. 1. Определение характеристик ледяного покрова по радиолокационным снимкам ИСЗ "Космос-1500".-Л.: ААНИИ, 1985,75 с.

14. Методические указания по комплексному использованию спутниковой информации для изучения морей. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 144 с.

15. Методические рекомендации по использованию спутниковой информации для оценки ледовой обстановки на реках, водохранилищах и озерах.- Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 95 с.

16. Дешифрирование морского льда Дальневосточных морей по данным радиолокационного зондирования /Методическое пособие. Л.: Гидрометеоиздат, 1991, 56 с.

17. Атлас Балтийского моря и прилегающих районов. /Л.: Гидрометеоиздат, 1960, 64 с.

18. Кровотынцев В.А., Милехин О.Е. Характеристики радиолокационного обратного рассеяния морских льдов Арктики по данным ИСЗ «0кеан-01». Исследование Земли из космоса, №2, 1998, стр. 68-80.

19. Северный Ледовитый и Южный океаны /Под ред. ТрешниковаА.Ф., Сальникова С.С. Л.: Наука, Ленингр. отд-ние, 1995, 501 с.

20. Lythe, М.В., Hauser A., Wendler G. Classification of sea ice types in the Ross Sea, Antarctica from SAR and AVHRR imagery. //Int. J. Remote Sens., 1999, №20, c. 3073-3085.

21. Nghiem, S.V., Martin, S., Perovich, D.K., Kwok, R., Drucker, R., and Gow, A.J. A laboratory study of the effect of frost flowers on С band radarbackscatter from sea ice. //Journal of Geophysical Research, 1997, Vol. 102, № C2, p. 3357-3370.

22. Comiso, J.C., and Kwok, R. Surface and radiative characteristics of summer arctic sea ice cover from multisensor satellite observations. //Journal of Geophysical Research, 1996, Vol. 101, № C12, p. 28 397 28 416.

23. Nystuen, J.A, and Garcia, F.W., Sea ice classification using SAR backscatter statistics. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1992, Vol. 30, № 3, p. 502-509.

24. Карвер К.Р., Элаши Ш., Улаби Ф.Т. Дистанционное зондирование из космоса в СВЧ-диапазоне. ТИИЭР, т. 73, №6,1985, с. 30-56.

25. Kwok, R., Schweiger A., Rothrock D. A., Pang S., and Kottmeier C. Sea ice motion form satellite passive microwave imagery assessed with ERS SAR and buoy motions. 111. Geophys. Res., 1998, v. 103, № C4, p. 8191-8214.

26. Асмус B.B., Дементьев B.H., Рыбаков JI.H., Юнга С.Л. Геодинамические структуры и сейсмический риск Северной Армении (по космическим и наземным данным). СПб.: Гидрометеоиздат, 1992, 126 с.

27. Бушуев А.В., Волков Н.А., Лощилов B.C. Атлас ледовых образований. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 138 с.

28. Бурцев А.И., Кровотынцев В.А., Назиров М., Никитин П.А., Спиридонов Ю.Г. Радиолокационные карты Арктики и Антарктиды по данным ИСЗ "Космос-1500" и предварительные результаты их анализа. //Исследование Земли из космоса, №3, 1985, с. 54 63.

29. Нежиховский Р.А. Наводнения на реках и озерах. JI.: Гидрометеоиздат, 1988, 184 с.

30. Авакян А.Б., Полюшкин. Науки о земле, № 7. Наводнения. М.: Знание, 1989, 47 с.

31. Природные опасности России. //Под редакцией В.И.Осипова, С.К.Шойгу. М.: Издательская фирма "КРУК", 2001, 295 с.

32. Prinet V., Zhou Z.X., Songde, M.A. A framewok for flood assessment using satellite images./IRGASS'l998, Seattle, 1998, p. 1123-1131.

33. Усачев В.Ф. Оценка затоплений Волго-Ахтубинской поймы по аэрокосмическим снимкам. //Метеорология и гидрология, 1991, №9, с.5 8-66.

34. Sheng, Y., Xiao. Q. Progress on Flood Monitoring Using Meteorological Satellites in China, in Chinese. //Satellite Applications, 1994,Vol. 2, No. 2, p. 36-40.

35. Sheng, Y., Xiao. Q. Rood Monitoring Using FY-1B Satellite Data, in Chinese. //Remote Sensing Of Environment In China, 1994, Vol. 9, No. 3, p. 228-233.

36. Oberstadler R., Hoensh H., Huth D. Assessment of the mapping capabilities of ERS-1 SAR data for flood mapping: /А case study in Germany 2nd ERS Applications workshop, 6-8 Dec. 1995, p. 237-255.

37. Ramsey E.W. Monitoring floodings in coastal wetlands by using radar imagery and ground based information. //Int. J. Remote Sensing, 1995, vol.16, no. 13, p. 24952502.

38. Parkinson C.L., Cavalieri D.J., Gloersen P. et al. Arctic sea ice extents, areas and trends, 1978-1996. //J. Geophys. Res., 1999, V. 104(c9); 20.837-20.256.

39. Bjorgo E., Johannessen O.M., Miles M.W. Analysis of merged SMMR-SSMI time series of Arctic and Antarctic sea ice parameters 1978-1995. //Geophysical Research Letters, 1997, V.24, No.4, p.413-416.

40. Гаврилов А, Писарев С. Акустические исследования в Арктике. "Море", №11, 1995, пилотный номер. (htth://www.rmis.ru/0-95/acusticmonitoring.htm)

41. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, 351 с.

42. Будыко М.И., Израэль Ю.А., Маккракен М., Хект А. Предстоящие изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1991, 272 с.

43. Алексеев Г.В., Булатов Л.В., Захаров В.Ф., Иванов В.Ц. Поступление необычайно теплых атлантических вод в Арктический бассейн. //Доклады РАН. 1997, Т. 356, № 3, с. 401-403.

44. Kwok R., Rothrock D. A, Variability of Fram Strait ice flux and North Atlantic Oscillation. //J. Geophys. Res., 1999, Vol. 104, p. 5177-5189.

45. Rothrock D.A, Y. Yu and G.A. Maykut. Thinning of Arctic sea-ice cover. //Geophysical Research Letters. 1999, № 26(23), p. 3469-3472.

46. Асмус B.B., Никитин П.А., Попов AE., Попов В.И., Спиридонов Ю.Г. Цифровая обработка радиолокационных изображений, полученных со спутника "Космос-1500". //Исследование Земли из космоса. 1985, № 3. с. 107-114.

47. Лупян Е.А, Мазуров А.А, Назиров P.P., Прошин А.А., Флитман Е.В. Универсальная технология построения систем хранения спутниковых данных. Препринт ИКИ РАН. Пр-2024. М., 2000, 22 с.

48. Витвицкий Г.Н. Зональность климата Земли. /М.: Мысль, 1980., 242 с.

49. Климатические параметры Восточно-Сибирского и Дальневосточного экономических районов. /Под ред. Л. Е. Анапольской, Н. Д Копанева. JL: Гидрометеоиздат, 1979, 390 с.

50. Ильинский O.K. Опыт выделения форм циркуляции атмосферы на Дальнем Востоке //Труды ДВНИГМИ, 1965, Вып. 20, с. 26-45.

51. Кошинский С.Д. Режимные характеристики ветров на морях СССР. Ч. 2. Север Японского, Охотского и Берингова моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 391 с.

52. Челпанова О.М. Годовой ход и межгодовая изменчивость давления воздуха над океанами. //Труды ГТО, 1973, Вып. 360, 107 с.

53. Лоция Японского моря. Часть 2. Татарский пролив с Амурским лиманом и проливом Лаперуза. Гидрографическое управление ВМС, 1954,273 с.

54. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные /Под ред. И.Н. Давидана, Л.И.Лопатухина, В.А.Рожкова. Л.: Транспорт, 1976, 359 с.

55. Атлас опасных и особо опасных для мореплавания и рыболовства гидрометеорологических явлений. Японское, Охотское и Берингово моря. М.: Изд. ГУНИО МО, 1980, 251 с.

56. Календов А.А К вопросу о прогнозе летних адвективных туманов на дальневосточных морях //Труды ДВНИГМИ. 1957, Вып. 2, с. 96-117.

57. Соловьев И.А Зимний режим реки Амура в нижнем течении. //Вопросы географии Дальнего Востока. /Сб.8, Хабаровск, 1967, с.78-97.

58. Государственный водный кадастр. Основные гидрологические характеристики (за 1971-1975 гг. и весь период наблюдений). Том 18. Дальний Восток. Вып. 4, Сахалин и Курилы, Л.: Гидрометеоиздат, 1979, 156 с.

59. Цапко Г. А. Роль расчетного стока в формировании особенностей распределения температуры и солености вод устьевого взморья Амура //Труды ДВНИГМИ, 1974, Вып. 45, с. 54-60.

60. Дискуссионные вопросы. О возможности изменения климата в районе Татарского пролива. //Метеорология и гидрология, №2, 1961, с. 49-52.

61. Пясковский Р.В., Сгибнева Л.А. О приливном движении в мелководном заливе //Труды ГОИН, 1974, Вып. 121, с. 22-31.

62. В.Ф.Суховей. Моря мирового океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 287 с.

63. Дерюгин К.М. Японские гидрологические исследования В японском и Охотском морях. //Записки по географии, 1930, Т.59, с. 35-51.

64. Гидрометеорология и гидрохимия морей. Том 9 (Охотское море), Вып. 1 (Гидрометеорологические условия) /Под редакцией Б.Х.Глуховского, Н.П.Гоптарева, Ф.С.Терзиева. СПб.: Гидрометеоиздат, 1998, 342 с.

65. Тютнев Я.А. К методике долгосрочных прогнозов появления льда и замерзания прибрежных районов Японского моря //Тр. ЦИП, 1958, Вып. 76, с. 71-78.

66. Тютнев Я. А. К методике долгосрочного прогноза сроков вскрытия и очищения от льда Японского моря //Тр. ЦИП, 1959, Вып. 91, с. 17-29.

67. Алдошина Е. И. Изменение ледовитости и положения кромки льда в Японском и Охотском морях /Яр. ГОИН, 1960, Вып. 54, с. 22-35.

68. Столярова Г. А. К вопросу о расчете сплоченности льдов в Татарском проливе. /Яр. ДВНИГМИ, 1975, Вып. 50, с. 33-37.

69. Якунин Л. П. Атлас границ распространнения и крупных форм льда дальневосточных морей России //ТОЙ ДВО РАН, Владивосток: 1995, 57 с.

70. Жмурков Я. О наблюдениях за дрейфом льда в Татарском проливе //Океанология, 1964, т. XI, Вып. 5, с. 924-925.

71. Асмус В.В., Попов А.Е., Спиридонов Ю.Г. Кластеризация многозональных СВЧ радиометрических измерений. /В сб.: Дистанционное зондирование Земли со спутника "Метеор-Природа". Л.: Гидрометеоиздат, 1985, с. 127-134.

72. Международная символика для морских ледовых карт и номенклатура морских льдов. Л.: Гидрометиздат, 1984, 56 с.

73. Асмус В.В., Кровотынцев В.А., Макриденко Л.А., Милехин О.Е. Использование многолетних спутниковых и наземных данных для картирования ледяного покрова в проливе Невельского. //Исследование Земли из космоса, 2003, №4, с. 1-9.

74. Атлас Антарктиды: В 2 т. Л.: Гидрометеоиздат, 1966-1969, т.1. 1966, 255 е.; т.2, 1969, 598 с.

75. Tchernia, P., Jeannin P.F. Circulation in Antarctic waters as revealed by iceberg tracks 1972-1983. //Polar Record, 1984, v. 22(138), p. 263-269.

76. Будыко B.M. Геологическое дешифрирование космических снимков Антарктиды. //Исследование Земли из космоса. 1983, № 6, с. 52-59.

77. Назиров М. Льды и взвеси как гидротермодинамические трассеры (по данным космических многозональных съемок). Л.:Гидрометеоиздат, 1982, 166 с.

78. Назиров М. Айсберги как океанографические трассеры (на примере моря Уэдделла в Антарктике)//Тр. ГОСНИЦИПР, 1989, вып.ЗЗ, с. 142-148.

79. Спиридонов Ю.Г., Милехин О.Е., Попов В.И., Сизенова Е.А. Автоматизированное построение радиолокационной карты Антарктиды //Тр. ГосНИЦИПР, 1989, вып.ЗЗ, с. 126-134.

80. Бухаров M.B., Спиридонов Ю.Г. Анализ радиолокационных изображений ледника Гренландии //Исслед. Земли из космоса, 1989, № 5, с. 23-30.

81. Burtzev A.I., Kalmykov A.I., Mitnic L.M. et al. Monitoring of Arctic and ice cover with Kosmos-1500 satellite radar images //35th Congrese of International Astronautical Federation. Lausanne, Switzerland, October 7-13, 1984, Lausanne, 1984, 10 p.

82. Шестопалов В.П., Спиридонов Ю.Г., Калмыков А.И., Пичугин А.П. Кольцевые структуры на радиолокационных изображениях Земли из космоса. //Докл. АН СССР, 1984, т.279, № 4, с. 835-837.

83. Иванчик М.В., Кровотынцев В.А. Аналитический способ приближенной геодезической привязки сканерных изображений метеорологических ИСЗ по опорным точкам // Исслед. Земли из космоса, 1987, № 3, с. 109-115.

84. Jacobs, S. S., MacAyeal D. R., Ardai J. L. The recent advance of the Ross Ice Shelf, Antarctica. //J. Glaciol., 1986, № 32, p. 464-474.

85. El-Tahan H.W., EI-Tahan M., Venkatesh S. Fachors controlling iceberg drift prediction system // VTT Symposium, 1983, v.3, № 37, p. 263-276.

86. Кавелин C.C., Бушуев Е.И., Драновский В.И. и др. Бортовой информационный комплекс спутника "Космос-1500". //Исслед. Земли из космоса, 1985, № 3, с. 6469.

87. Барков Н.И. Шельфовые ледники Антарктиды. Л.: Гидрометеоиздат, 1971,226 с.

88. Динамика масс снега и льда. /Под ред. А.Н.Кренке. Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 456 с.

89. Stmbing К. Trift eines bemerkenswerten eisbergs in den sudatlantic. //Der wetterlotse, 1978, v.30, № 383-384, p. 180-192.

90. Кровотынцев В.А., Милехин O.E., Попов В.И., Спиридонов Ю.Г. Радиолокационные наблюдения из космоса за динамикой ледяного берега и дрейфом айсбергов в Антарктике. //Исследование Земли из космоса, 1991, №4, с. 87 96.

91. Lazzara, М.А., Jezek, К.С., Scambos, Т.А., MacAyeal, D.R., Van der Veen, C.J. On the recent calving of icebergs from the Ross Ice Shelf. Polar Geography. 1999, v. 23, p.201-212.

92. Long, D.G., Ballantyne, J., Bertoia C. "Is the Number of Icebergs Really Increasing?" //EOS, Transactions of the American Geophysical Union, 2002, Vol. 83, №42, p. 469-474.

Информация о работе

Кровотынцев, Владимир Анатольевич
кандидата физико-математических наук
Москва, 2003
ВАК 25.00.29

Диссертация

Использование методов космического мониторинга для изучения характеристик ледяных покровов и картирования наводнений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы