Анализ ледовой обстановки крупных пресноводных озер по данным SMOS

Спутниковая микроволновая радиометрия находит широкое применение при исследовании криосферы Земли (Tedesco, 2015). Она используется для определения сплоченности и толщины морского ледяного покрова полярных регионов (Тихонов и др., 2016; Tian-Kunze et al., 2014; Ricker et al., 2017), изучения ледниковой толщи Гренландии и Антарктиды (Zwally, Giovinetto, 1995; Magand et al., 2008), анализа характеристик снежного покрова (Dietz et al., 2012; Lemmetyinen, 2012), выявления зон вечной мерзлоты и глубины промерзания почвы (Zuerndorfer et al., 1990). Данные спутниковой микроволновой радиометрии используются также для оценки толщины и фенологии ледового покрова больших пресноводных озер (Kang, 2012; Kang et al., 2010, 2012, 2014). В данных работах был выполнен анализ сезонных зависимостей яркостной температуры Большого Медвежьего и Большого Невольничьего озер по данным спутникового радиометра AMSR-E. Было показано, что наиболее чувствительным к фенологии ледяного покрова является канал 18.7 GHz H-pol, а яркостная температура канала 18.7 GHz V-pol сильно зависит от толщины льда. Полученные результаты позволили авторам разработать алгоритм определения фенологических фаз пресноводного ледяного покрова (даты начала замерзания, таяния, появления и исчезновения льда) по данным канала 18.7 GHz H-pol; а также построить простые регрессионные зависимости толщины льда от величины яркостной температуры канала 18.7 GHz V-pol для двух озер.
Однако данные радиометра AMSR-E (и более нового AMSR2) не исчерпывают возможности спутниковой микроволновой радиометрии. Глубина формирования излучения самой низкой частоты этих радиометров (6.9 GHz) для влажного снега и влажного льда составляет величину порядка нескольких сантиметров и менее (Tikhonov et al., 2014). Таким образом, в период таяния, AMSR будет принимать излучение только от тонкого верхнего слоя среды (снежный покров или лед), а информация из более глубоких слоев (ледяной покров) будет недоступна.
Прибор MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis), установленный на спутнике SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) работает на частоте 1.4 GHz. В этом диапазоне глубина формирования излучения значительно больше, что позволяет принимать его от более глубоких (по сравнению с AMSR) слоев снежного и ледяного покрова. В данном докладе представлен теоретический анализ сезонных вариаций яркостной температуры ряда больших пресноводных озер (Байкал, Ладожское, Большое Медвежье, Большое Невольничье и Гурон) по данным радиометра MIRAS. Анализ выполнен на основе модели микроволнового излучения плоскослоистой неоднородной, неизотермической среды (Sharkov, 2003; Tikhonov et al., 2014). В качестве входных параметров модели использованы реальные климатологические характеристики регионов, а также гляциологические данные по ледяным покровам, рассматриваемых озер. Проведенные исследования выявили три ярко выраженные сезонные области значений яркостных температур, соответствующие различным фенологическим фазам поверхности озер: устойчивый ледяной покров, разрушение и таяние льда и открытая водная поверхность. В докладе показана возможность определения начала разрушения ледяного покрова по данным спутниковой микроволновой радиометрии. Полученные результаты будут полезны для определения и уточнения сроков использования ледовых переправ, зимников, так как, начиная с этого периода лед, становится ненадежным и не может быть использован в качестве естественных переправ через водные объекты (реки, озера, водохранилища).
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 15-05-05018.