КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОЗ. БАЙКАЛ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Сутырина Е.Н.
К.г.н., ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»
КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОЗ. БАЙКАЛ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Аннотация
В статье обсуждаются принципы и пути реализации картографирования и анализа ледовой обстановки на озере Байкал по данным видимого и инфракрасных каналов радиометра AVHRR.
Ключевые слова: озеро Байкал, данные радиометра AVHRR, карты ледовой обстановки.
Key words: Lake Baikal, AVHRR data, ice charts.
Картографирование состояния ледяного покрова имеют научное и практическое значение. Серии карт ледовой обстановки необходимы для изучения изменений регионального и глобального климата. Ледяной покров оказывает влияние на условия формирования энергетических потоков в системе «водоем-атмосфера», определяет своеобразие всех элементов режима озера и воздействует на функционирование его экосистемы. Картографическая информация о ледовой обстановке необходима для планомерного проведения навигации и перевозки грузов по льду, для правильной эксплуатации гидротехнических сооружений.
В рамках исследования были использованы данные радиометра AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) за период с 1998 по 2012 гг., отобранные из архива телеметрии Центра космического мониторинга Института солнечно-земной физики СО РАН. Радиометр AVHRR представляет собой типичный сканер и измеряет собственное и отраженное Землей излучение в пяти спектральных диапазонах: 0,58 – 0,68 мкм; 0,725 – 1,0 мкм; 3,55 – 3,93 мкм; 10,3 – 11,3 мкм; 11,4–12, 4 мкм. Линейный размер элемента разрешения на местности радиометра AVHRR составляет около 1,1 км в надире. Для обработки спутниковых снимков в работе были использованы средства программного комплекса «Sputnik», разработанного Институтом космических исследований РАН и предназначенного для проведения обработки данных дистанционного зондирования (Возможности построения…, 2004).
Для картографического отображения и анализа ледовой обстановки на оз. Байкал была разработана методика использования многоканальной информации прибора AVHRR, основанная на том, что альбедо и яркостная температура в разной степени чувствительны к присутствию облачности или заснеженности, и одновременный учет этих параметров позволяет снижать влияние помех от полупрозрачной или субпиксельной облачности или заснеженности. На участках озера, занятых льдом, но свободных от сплошной облачности или слоя снега более 5 см, производится определение толщины льда по предложенной в рамках данного исследования эмпирической зависимости:
(1)
где 
– искомая толщина ледяного покрова, см; 
– нормализованное альбедо поверхности по данным 1 канала AVHRR; 
–яркостная температура 4 канала AVHRR, К; 
– температура воздуха, полученная интерполяцией данных береговых метеостанций, К; 
– переходный коэффициент, см; 
– эмпирические коэффициенты, найденные на основании анализа массива синхронных спутниковых и наземных измерений.
При интерпретации ледовой обстановки по многоканальным данным радиометра AVHRR удается определять до пяти градаций ледяного покрова в том числе при наличии помех от субпиксельной облачности или заснеженности, что при достигнутой точности в пределах акватории оз. Байкал является удовлетворительным результатом. Ошибка определения толщины льда возрастает с увеличением толщины и изменяется от 4 см для тонкого озерного льда до 24 см для очень толстого озерного льда. На рисунке 1 для примера представлены полученные в ходе исследования карты ледовой обстановки на оз. Байкал по состоянию на 13 января в отдельные годы.
Рисунок 1 - Карта ледовой обстановки, составленная на основании анализа спутниковых изображений озера Байкал за 13.01.1999 г. (А), 13.01.2001 г. (Б), 13.01.2008 г. (В), 13.01.2010 г. (Г).
Нарушение широтной зональности в распределении льда различных градаций толщины на отдельных участках водоема наблюдается на всех картах и может объясняться не только характерным распределением глубин и местными метеорологическими условиями, но и сложной динамикой вод.
В данной работе при оценке стадий таяния и разрушения снежно-ледяного покрова в весенний период за основу была принята классификация, приведенная В.М. Мишоном (1979) (таблица 1).
Таблица 1 - Характеристика состояния снежно-ледяной поверхности при различных степенях ее стаивания и разрушения
|
Степень стаивания и разрушения |
Характеристика состояния снежно-ледяной поверхности |
|
I |
Снег чистый, плотный, мелко- и среднезернистый, сухой |
|
II |
Снег чистый, слабоувлажненный, плотный; местами появляются отдельные серые пятна |
|
III |
Снег чистый, днем местами появляется вода; количество серых пятен составляет 10 - 20 % видимой поверхности |
|
IV |
Снег чистый, влажный, начинает оседать, переходит в крупнозернистый; на поверхности около 30 % серых и темных пятен |
|
V |
Снег влажный, местами загрязнен, на льду под снегом вода; количество белых (чистый снег), серых и темных пятен одинаково |
|
VI |
Снег интенсивно тает, па льду вода, снежная каша. |
|
VII |
Снег крупнозернистый, сохраняется на отдельных местах; ледяная поверхность серых или темных оттенков. |
|
VIII |
Снежная каша, лед темный, шероховатый, отдельные участки серого цвета. |
|
IX |
Лед темный, распадается на вертикальные столбики, вода на льду. |
По данным видимого и ИК диапазонов с применением порогового метода определялась степень разрушенности снежно-ледяного покрова в каждом пикселе изображения на части акватории озера, свободной от облачности. В качестве примера ниже рассмотрена серия карт за 2007 г. (рисунок 2).
Рисунок 2 -Состояние снежно-ледяного покрова озера Байкал по степени стаивания и разрушения 23.III (А), 15.IV (Б), 22.IV (В), 10.V 2007 г. (Г), определенное по спутниковым изображениям: I – IX см. в таблице 1.
При рассмотрении карт на рисунке 2 можно отчетливо проследить динамику разрушения снежно-ледяного покрова в период с 23 марта по 10 мая 2007 г. от увеличения процентного соотношения темных пятен на его поверхности в начале процесса до вскрытия всего озера в мае. На всех представленных картах отчетливо прослеживается широтная зональность в протекании процессов разрушения льда, что согласуется с тем, что при разрушении ледового покрова на озерах доминирующими факторами являются тепловые, а механические факторами, которые только довершают процесс.
Применение новых технологий компьютерной обработки данных дистанционного спутникового зондирования позволяет формировать и постоянно дополнять базу пространственной информации об озере. Полученная в рамках исследования картографическая информация о ледовой обстановке озера хорошо согласуется с проведенными ранее исследованиями, приведенными в работах (Атлас «Байкал», 1993; Physical limnology…, 1994 и др.), что подтверждает достоверность настоящего исследования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-05-31100) и программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»на 2012 – 2016 годы
Литература
- Атлас «Байкал» [Карты]. - М.: ФСГК России, 1993. - 160 с.
- Возможности построения автоматизированных систем обработки спутниковых данных на основе программного комплекса XV_SAT [Текст] / В. А. Егоров [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - М.: Полиграф сервис. - 2004. - С. 431 - 436.
- Мишон, В. М. Гидрофизика [Текст]: Учебное пособие / В. М. Мишон. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1979. – 308 с.
- Physical limnology of Lake Baikal: A review [Text]: Print. No. 2 / M. N. Shimaraev [et al.]. – Irkutsk; Okayama: Baikal International Center for Ecological Research. -1994. – 81 p.