Мультисенсорное спутниковое зондирование ледяного покрова
в заливах Петра Великого (Японское море) и Терпения (Охотское море)

В работе выполнен анализ изображений ледяного покрова и открытой морской поверхности заливов Петра Великого и Терпения, полученных радарами с синтезированной апертурой (РСА) сантиметрового (Sentinel–1A/–1B) и дециметрового (ALOS–1/–2) диапазонов, спектральных изображений в видимом диапазоне и радиационных температур в окне прозрачности атмосферы 10,5-12,5 мкм со спутников Landsat–7/-8 и Sentinel–2 и полей яркостных температур в диапазоне 6-89 ГГц со спутника GCOM-W1. Пространственное разрешение РСА и сенсоров в видимом и ИК диапазонах близки и намного выше, чем у микроволнового (МВ) радиометра AMSR-2.
РСА измеряют интенсивность сигналов, рассеянных подстилающей поверхностью в направлении на спутник - удельную эффективную площадь рассеяния (УЭПР). Вариации УЭПР зависят от геометрии зондирования, параметров РСА (длина волны, поляризация), от шероховатости подстилающей поверхности, от типа и сплоченности льда. При ясной погоде при интерпретации вариаций яркости всепогодных изображений РСА использованы изображения в видимом и ИК-диапазонах длин волн со спутников серии Landsat и Sentinel–2, пространственное разрешение которых близко к разрешению РСА. Информативными количественными характеристиками при этом являлись спектральное или широкополосное альбедо поверхности А в видимом диапазоне и радиационная температура Трад в ИК-диапазоне. По пассивным МВ измерениям со спутника AMSR2 (ширина полосы обзора 1500 км) регистрировались осадки и находился приводный ветер, оказывающий существенное влияние на сплоченность и другие характеристики ледяного покрова. Дополнительные сведения включали показания береговых метеорологических станций и синоптические карты.
Из 242 изображений Landsat, полученных в период с 1/12/2015 по 31/03/2016 и с 1/12/2016 по 31/03/2017, для изучения ледяного покрова были пригодны ≈30 %. Ширина полосы обзора спутников Landsat составляет 185 км. Пространственное разрешение составляло 30 х 30 м в видимом диапазоне и 100 м в ИК. Значения альбедо были определены по измерениям в спектральных каналах 1 (0,45-0,52 мкм), 2 (0,53-0,61 мкм) и 3 (0,63-0,69 мкм) сенсора ETM+ (Enhanced Thermal Mapper plus) на спутнике Landsat-7 и в каналах 2 (0,450-0,515 мкм, синий), 3 (0,525-0,600 мкм, зеленый) и 4 (0,630-0,680 мкм, красный) сенсора OLI (Operational Land Imager) на Landsat-8. Характеристики спектральных каналов B2, B3 и B4 сенсора MSI (Multi Spectral Imager) на спутнике Sentinel–2 близки к каналам 2, 3 и 4 сенсора OLI. Разрешение мультиспектральной камеры в видимом участке спектра составляло 10 м при ширине полосы обзора 290 км.
При преобразовании излучения, принятого на верхней границе атмосферы, в значения A и Трад поверхности использовались коэффициенты из служебного файла MTL. Значения УЭПР были найдены с использование программы Sentinel Application Platform (SNAP), доступной по адресу http://step.esa.int/main/toolboxes/snap/.
Для детального анализа были отобраны изображения Landsat-8, полученные при отсутствии облаков, и близкие по времени изображения РСА со спутников Sentinel–1B и ALOS-2. Профили альбедо и радиационной температуры строились таким образом, чтобы они пересекали участки открытой морской поверхности, различные типы льда в заливах, а также заснеженный припайный лед и/или прибрежные озера, что позволило привязать шкалы A и Трад к известным значениям. Для оценки УЭПР выбирались протяженные однородные участки в заливе, чтобы можно было осуществить пространственное сглаживание данных.
Значения УЭПР, альбедо и радиационных температур поверхности льда меняются со временем в результате изменения температуры воздуха, выпадения снега, загрязнения поверхности, а также под воздействием волнения и ветра, что следует из анализа профилей A и Трад, показаний прибрежных метеостанций, синоптических карт и полей ветра, построенных для заливов Петра Великого и Терпения.
Показано, что совместный анализ близких повремени видимых, ИК и РСА изображений позволяет повысить правильность классификации типов льда, выявлять зоны формирования льда, полыньи и торосы, оценивать температуру поверхности и толщину льда, его заснеженность и загрязненность. Спутниковые и сопутствующие налёдные измерения в заливах Терпения и Петра Великого могут служить основой для оценки влияния антропогенных факторов (пыль, чёрный углерод) на альбедо и радиационные характеристики ледяного покрова.

Работа выполнена при частичной поддержке Комплексной программы Дальневосточного отделения РАН (проект 15-I-1-009).