МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТАЯНИЯ ЛЬДОВ МЕТОДАМИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТАЯНИЯ ЛЬДОВ МЕТОДАМИ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА

Научная статья

Пещеров Ю.Г.^*

Аэродром «Кубинка», Одинцово, Россия

* Корреспондирующий автор (stalker11071994[at]mail.ru)

Аннотация

Цель статьи – провести метеорологическое изучениепроцессов таяния льдов с использованием методов спутникового мониторинга. Задачи статьи состоят в анализе методов оценки состояния ледниковых поверхностей, рассмотрении способа спутникового зондирования состояния ледников и дистанционной оценки ледников. Для мониторинга изменений ледниковых поверхностей предлагается с помощью космических снимков отслеживать границы распространения ледникового покрова на обширных территориях. Для решения поставленной задачи применялся специальный объектно-ориентированный графический редактор алгоритмов Model Maker. С его помощью была создана модель, которая производит расчет нормализованного дифференциального ледяного индекса (NDSI). Практический аспект применения результатов исследования статьи заключается в возможности использования исследуемого метода оценки изменений ледниковых поверхностей с помощью космических снимков в различных исследования ледниковых покровов территории России.

Ключевые слова: метеорологическое изучение, статистический анализ, таянье льдов, методы спутникового мониторинга.

A METEOROLOGICAL STUDY OF ICE MELT VIA SATELLITE MONITORING METHODS

Research article

Peshcherov Yu.G.^*

Kubinka airfield, Odintsovo, Russia

* Corresponding author (stalker11071994[at]mail.ru)

Abstract

The purpose of the article is to conduct a meteorological study of ice melting processes using satellite monitoring methods. The objectives of the article are to analyze methods for assessing the state of glacial surfaces, to examine the method of satellite sounding of the state of glaciers and remote assessment of glaciers. To monitor changes in glacial surfaces, the author proposes to use satellite images to track the boundaries of the spread of the ice cover over vast territories. To solve this problem, the study used a special object-oriented graphical algorithm editor Model Maker, with the help of which a model that calculates the normalized differential ice index (NDSI) was created. The practical aspect of the application of the results of the research of the research is the possibility of using this method of assessing changes in glacial surfaces using satellite images in various studies of the glacial covers of the territory of Russia.

Keywords: meteorological study, statistical analysis, ice melting, satellite monitoring methods.

Введение

Ледники играют значительную роль в географической оболочке Земли. Они существенно влияют на рельеф, климатические и погодные условия [1]. Важнейшее значение льда для климата планеты связано с его высокой отражательной способностью [2]. Благодаря этому происходит существенное охлаждение поверхности на огромных территориях. То есть ледники - не только бесценные фонды пресной воды, но и источники охлаждения Земли. Кроме благотворного влияния, ледники могут вызвать нежелательные процессы, явления и чрезвычайные ситуации [3]. Наблюдение за динамикой изменений ледников позволит выявить и предсказать будущие климатические, гляциологические и биологические изменения, происходящие на планете [4].

Опишем связь исследования с важными научными и практическими задачами. Процессы, происходящие в атмосфере, криосфере и гидросфере, связанные с процессами в других частях планеты и влияют на глобальный климат [5]. После анализа материалов последних метеорологических и гляциологических наблюдений в разных местах земного шара, можно утверждать, что наблюдение за ледниками является лишь частью массовых исследований, которые способствуют установлению тенденции глобальных климатических изменений на всей планете [6]. Нерешенными частями общей проблемы состоят в том, что наблюдения за состоянием ледников за счет использования традиционных гляциологических и геодезических методов, а также дистанционных методов зондирования не дают возможность отслеживать процессы и динамику таяния льдов [7]. Однако до сих пор окончательно не разработана технологическая схема, которая существенно повысила бы скорость выполнения измерений и точность получения количественных параметров объектов исследования, в частности изменения поверхностей ледников.

Цель статьи – провести метеорологическое изучение процессов таяния льдов с использованием методов спутникового мониторинга.

Методы исследования

Методы исследования статьи включают теоретический анализ проблем изучения различной методической и научной литературы по тематике таяния льдов, метод исследования спутниковых снимков, а также статистический анализ полученных данных.

Основные результаты

Согласно Международного опыты анализа таяния льдов Земля потеряла 28 триллионов тонн льда с 1994 по 2017 год – этого хватило бы, чтобы покрыть всю территорию Великобритании слоем льда толщиной в 100 метров. Соответствующее исследование опубликовали в журнале Европейского союза геологических наук The Cryosphere, передает SciTechDaily [2]. Группа ученых из Университетов Лидса, Эдинбурга, Лондона и группы анализа данных Earthwave изучала таяние ледников с помощью спутниковых данных. Они обнаружили, что за последние три десятилетия в среднем Земля теряла 1,2 триллиона льда ежегодно. Кроме того, за это время скорость таяния льда выросла на 65%: если в начале 90-х таяло 0,8 триллиона тонн в год, то уже в 2010-х – 1,3 триллиона. Ученые изучали таяния 215 тысяч горных ледников, ледяных покровов в Гренландии и Антарктиде, шельфовых ледников и морского льда, который дрейфует в Северном Ледовитом и Южном океанах. По словам исследователей, именно таяние покровов в Антарктиде и Гренландии приводит к увеличению общих темпов таяния льда. Большая часть льда (68%) таяла из-за потепления атмосферы, которая в среднем за десятилетие нагревалась на 0,26 °C, а также из-за нагрева океанов (32%) на 0,12 °C. Из-за повышения температуры атмосферы в основном таял арктический морской лед и горные ледники, а из-за нагрева океанов – ледяной покров в Антарктиде. Влияние ледников выходит за пределы районов их распространения. Современное материковое оледенение прямо и косвенно сказывается на природе географической оболочки Земли. Это выражается в соотношении суши и моря, зависит от изменений объема льда. Оледенение влияет на климат планеты, охлаждая ее, снижает средние температуры воздуха южного полушария и планеты в целом, усиливает термическую зональность на Земле. Изменение массы ледников существенно влияет на гравитационное поле, скорость вращения Земли, продолжительность дня [6]. Для выявления и предсказания, будущих климатических, гляциологических и биологических изменений, происходящих на Земле, необходимо исследовать динамику изменения количественных параметров ледников. Для решения таких задач обычно применяют гляциологические, геодезические методы и методы дистанционного зондирования. На основании актуальных научных исследований [8], [9], [12], [13] был проведено обобщающий критический анализ методов и способов исследования ледников, на основании которого была разработана блок-схема методов и способов исследования ледников – рис. 1.

Рис. 1 – Блок-схема методов и способов исследования ледников

Подводя итоги, необходимо отметить, что контактные методы исследования являются недостаточно технологическими, а с точки зрения охраны труда в большинстве видов работ опасными. Методы дистанционного зондирования, такие как воздушное лазерное сканирование, космическое и радарное съемки, целесообразнее применять для определения долгосрочных изменений больших по площади территорий. В то же время аэрофотосъемки (АФС) и наземная цифровая съемка полностью удовлетворяют технико-технологическим требованиям и исключают опасность при выполнении работ. Но использование АФС в районе Антарктиды является технологической проблемой, его себестоимость очень высока. Альтернативой аэрофотосъемке является использование беспилотные летающие аппараты (БПЛА), однако все еще не разработаны технологические схемы их применения в полярных регионах. БПЛА исключает негативные черты этих методов и дает возможность определить параметры ледников, к которым, прежде всего можно отнести формы и размеры, а также изменение объемов, составляющих их масс льда, а также использование съемочных материалов при различных гляциологических работах.

Рассмотрим возможность метеорологическое изучение статистического анализа таяния льдов методами спутникового мониторинга на снимках спутников NOAA с помощью программного продукта ERDAS IMAGINE. Исходное изображение для анализа приведено на рис. 2. Для расчета нормализованного дифференциального ледяногоиндекса (NDSI) использовался специальный объектно-ориентированный графический редактор алгоритмов Model Maker [16], который входит в состав программного продукта ERDAS IMAGINE.

Рис. 2 – Исходное изображение ледяного покрова

В специальном объектно-ориентированном графическом редакторе алгоритмов Model Maker была создана модель, которая состояла из следующих элементов: блока входных данных, блока математических преобразований, блока исходных данных и связи между ними (рис. 3).

Рис. 3 – Окно редактора алгоритмов ModelMaker

В блоке математических преобразований, рассчитывался индекс NDSI. С учетом длин волн в каждом канале радиометра AVHRR, формула приобретает вид NDSI = (канал 3 – канал 5) / (канал 3+ канал 5).

Поскольку индекс NDSI для территорий с ледяным покровом более 0,4, то в блоке математических преобразований необходимо провести сравнение с 40% от градаций цвета (102) – рис. 4. Результатом работы модели является изображение льда, которое отражает наличие согласно значению индекса в каждой точке. Поскольку проводится мониторинг наличия ледяного покрова по четырем снимках, созданная модель используется поочередно для каждого из них. Итак, в результате использования модели было получено четыре изображения, отражающие наличие или отсутствие льда в каждой точке, подобно рис. 2. При идентификации ледяного покрова актуальной является задача разделения границ облачности и льда. Многоканальность прибора AVHRR позволяет выделить области, покрытые льдом и облаками, разделяя их в термальном канале по градациям температур. Для идентификации облаков используются данные 3-го, 4-го и 5-го каналов прибора AVHRR, а для идентификации льда - 1-й, 2-й, 3-й и 4-й каналы. Разница между результатами двух алгоритмов показывает территорию распространения льда. С помощью программного продукта ArcMap были созданы и подготовлены к печати карты ледяного покрова Донецкой области. Данные, полученные в результате использования объектно-ориентированной модели, были загружены в ArcMap. Далее была добавлена картографическая основа (слои «Административное деление», «Областные центры», «Гидрография») и элементы карты (координатная сетка, масштаб, направление на север, подписи, легенда и др.).

Рис. 4 – Сравнение данных входного и выходного блоков: выходной снимок (большее окно программы) результат работы модели (меньшее окно программы)

Результаты мониторинга отражены на рис. 5.

                  а                                                                                                           б

Рис. 5 – Пространственное распределение ледяного покрова с 19 января 2021 (а) по 7 февраля 2021 (б)

Таким образом, наблюдение за динамикой ледяного покрова является важным компонентом комплексного мониторинга климата и экосистем. С помощью космических снимков, сделанных в зимний период, и разработанной модели можно отслеживать границы распространения ледяного покрова на обширных территориях.

Оперативное картографирование ледяного покрова и скорость отступления его границ в весенний период традиционно используются для решения практических задач, прежде всего, для гидрологических прогнозов. Повторные снимки создают условия для изучения динамики изменения ледяных площадей. Наличие льда на открытых безлесных участках определяется с большой достоверностью и точностью.

Заключение

В статье были изучен международный опыт анализа таяния льдов. Показано, что контактные методы исследования являются недостаточно технологическими, а с точки зрения охраны труда в большинстве видов работ опасными. В то же время аэрофотосъемки и наземная цифровая съемка полностью удовлетворяют технико-технологическим требованиям и исключают опасность при выполнении работ, однакоиспользование АФЗ в районе Антарктиды является технологической проблемой, его себестоимость очень высока. Альтернативой аэрофотосъемке является использование БПЛА, однако все еще не разработаны технологические схемы их применения в полярных регионах. БПЛА исключает негативные черты этих методов и дает возможность определить параметры ледников, к которым, прежде всего можно отнести формы и размеры, а также изменение объемов, составляющих их масс льда, а также использование съемочных материалов при различных гляциологических работах. Для мониторинга изменений ледниковых поверхностей предлагается с помощью космических снимков отслеживать границы распространения ледникового покрова на обширных территориях. Проводить анализ состояния и динамики ледникового покрова на подстилающей поверхности можно с помощью снимков со спутников NOAA.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Глотов В.М. Мониторинг малых ледников как индикаторов изменений климата в районе Антарктического полуострова / В.М. Глотов, С.Б. Коваленок, Г.П. Милиневский и др. // Український антарктичний журнал. – 2003. – № 1. – С.93–99.
2. Hagg W. A comparison of three methods of mass-balance determination in the Tuyuksu glacier region, Tien Shan, Central Asia / W. Hagg, L. Braun, V. Uvarov et al. // Journal of Glaciology. – V. 50. – №171. – 2004. – Р.505–510.
3. Kunz M. Application of surface matching for improved measurements of historic glacier volume change in the Antarctic peninsula / M. Kunz, J.P. Mills, P.E. Miller et al. // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.579–584.
4. Fang L. Determination of glacier surface area using spaceborne SAR imagery / L. Fang, O. Maksymiuk, M. Schmitt et al. // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences . – V. XL-1/W1. – 2013. – P.105–110.
5. Dyurgerov M. B. Reanalysis of Glacier Changes: From the IGY to the IPY, 1960–2008 / M. B. Dyurgerov // Materials of glaciological research. - M., 2010. - V. 108– - P.116.
6. Erten E. Glacier surface monitoring by maximizing mutual information / E. Erten, C. Rossib, I. Hajnsekc // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia. – 2012. – P.41–44.
7. Jeffrey S. Global Land Ice Measurements from Space / Jeffrey S. Kargel, Gregory J. Leonard, Michael P. Bishop et al. – Berlin-Heidelberg: Springer, 2014. – 876 p.
8. Grosswald M.G. Ice sheets in the Russian North and North-East during the last Great Chill // Materials of glaciological research. – М., 2009. – Issue. 106. – P.152.
9. Karpilo Jr. R. D. Glacier monitoring techniques / R. D. Karpilo Jr. // Geological Monitoring: Boulder, Colorado, Geological Society of America. – 2009. – Р. 141–162.
10. Kaser G. A manual for monitoring the mass balance of mountain glaciers / G. Kaser, A. Fountain, P. Jansson// International Hydrological Programme. – Paris: UNESCO, 2003. – №. – Р.137.
11. Kaufmann V. The evolution of rock glacier monitoring using terrestrial photogrammetry: the example of Äußeres Hochebenkar rock glacier / V. Kaufmann // Austrian Journal of Earth Sciences . – V. 105/2. – 2012. – P.63–77.
12. Winkler M. Kilimanjaro ice cliff monitoring with close range photogrammetry / M. Winkler, W.T. Pfeffer, K. Hanke // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. – V. XXXIX-B5, XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.441–446.
13. Luís F.F. Monitoring glacier variations in the southern Patagonia ice field utilizing images Landsat 7 ETM+ \ International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences / F.F. Luís . – V. XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.567–571
14. Wu H. Monitoring of glacial change in the head of the Yangtze river from 1997 to 2007 using InSar technique / H. Wu, Y. Zhang, J. Zhang et al. // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.411–415.
15. Fallourd R. Monitoring temperate glacier with high resolution automated digital cameras – application to the argentière glacier / R. Fallourd, F. Vernier, J.-M. Friedt et al. // IAPRS, Vol. XXXVIII, Saint-Mandé, France. – 2010. – P.19–23.
16. Rodriguez A.M. Laser Scanner Technology / A.M. Rodriguez. – Published by InTech, 2012. – 258 p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Glotov V.M. Monitoring malykh lednikov kak indikatorov izmenenijj klimata v rajjone Antarkticheskogo poluostrova [Monitoring of small glaciers as indicators of climate change in the Antarctic peninsula] / V.M. Glotov, S.B. Kovalenok, G.P. Milinevsky, et al. // Ukrainian Antarctic Journal. - 2003. - No. 1. - pp.93-99 [in Russian]
2. Hagg W. A comparison of three methods of mass-balance determination in the Tuyuksu glacier region, Tien Shan, Central Asia / W. Hagg, L. Braun, V. Uvarov et al. // Journal of Glaciology. – V. 50. – №171. – 2004. – Р.505–510.
3. Kunz M. Application of surface matching for improved measurements of historic glacier volume change in the Antarctic peninsula / M. Kunz, J.P. Mills, P.E. Miller et al. // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.579–584.
4. Fang L. Determination of glacier surface area using spaceborne SAR imagery / L. Fang, O. Maksymiuk, M. Schmitt et al. // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences . – V. XL-1/W1. – 2013. – P.105–110.
5. Dyurgerov M. B. Reanalysis of Glacier Changes: From the IGY to the IPY, 1960–2008 / M. B. Dyurgerov // Materials of glaciological research. - M., 2010. - V. 108– - P.116.
6. Erten E. Glacier surface monitoring by maximizing mutual information / E. Erten, C. Rossib, I. Hajnsekc // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia. – 2012. – P.41–44.
7. Jeffrey S. Global Land Ice Measurements from Space / Jeffrey S. Kargel, Gregory J. Leonard, Michael P. Bishop et al. – Berlin-Heidelberg: Springer, 2014. – 876 p.
8. Grosswald M.G. Ice sheets in the Russian North and North-East during the last Great Chill // Materials of glaciological research. – М., 2009. – Issue. 106. – P.152.
9. Karpilo Jr. R. D. Glacier monitoring techniques / R. D. Karpilo Jr. // Geological Monitoring: Boulder, Colorado, Geological Society of America. – 2009. – Р. 141–162.
10. Kaser G. A manual for monitoring the mass balance of mountain glaciers / G. Kaser, A. Fountain, P. Jansson// International Hydrological Programme. – Paris: UNESCO, 2003. – №. – Р.137.
11. Kaufmann V. The evolution of rock glacier monitoring using terrestrial photogrammetry: the example of Äußeres Hochebenkar rock glacier / V. Kaufmann // Austrian Journal of Earth Sciences . – V. 105/2. – 2012. – P.63–77.
12. Winkler M. Kilimanjaro ice cliff monitoring with close range photogrammetry / M. Winkler, W.T. Pfeffer, K. Hanke // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. – V. XXXIX-B5, XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.441–446.
13. Luís F.F. Monitoring glacier variations in the southern Patagonia ice field utilizing images Landsat 7 ETM+ \ International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences / F.F. Luís . – V. XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.567–571
14. Wu H. Monitoring of glacial change in the head of the Yangtze river from 1997 to 2007 using InSar technique / H. Wu, Y. Zhang, J. Zhang et al. // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXII ISPRS Congress, Melbourne, Australia, 2012. – P.411–415.
15. Fallourd R. Monitoring temperate glacier with high resolution automated digital cameras – application to the argentière glacier / R. Fallourd, F. Vernier, J.-M. Friedt et al. // IAPRS, Vol. XXXVIII, Saint-Mandé, France. – 2010. – P.19–23.
16. Rodriguez A.M. Laser Scanner Technology / A.M. Rodriguez. – Published by InTech, 2012. – 258 p.