Анализ сезонной динамики яркостной температуры Обской губы по данным SMOS

С развитием методов спутниковой микроволновой радиометрии, происходит расширение частотного диапазона, в котором проводится исследование поверхности Земли (Шарков, 2004). Запуски в 2009 году спутника Европейского космического агентства SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) (Kerr et al., 2010) и в 2015 году спутника NASA SMAP (Soil Moisture Active Passive) (Entekhabi, et al., 2010), стимулировали проведение интенсивного изучения вариаций яркостной температуры поверхности Земли в L-диапазоне (1.4 ГГц). За последнее десятилетие появилось много работ, посвященных исследованию различных земных покровов в данном диапазоне. Среди них: исследование вариаций яркостной температуры ледового щита Антарктиды (Macelloni et al., 2013, 2014); анализ зависимости яркостной температуры снежного покрова от его влажности, плотности и диэлектрических свойств почвы (Naderpour et al., 2017; Naderpour, Schwank, 2018; Schwank, Naderpour, 2018); определение толщины снега на толстом арктическом морском льду (Maab et al., 2013); исследование вариаций яркостной температуры арктического морского льда (Heygster et al., 2009; Richter et al., 2018); определение толщины арктического морского льда (Huntemann et al., 2014; Kaleschke et al., 2012, 2016; Richter et al., 2017; Tian-Kunze et al., 2014; Zhou et al., 2018). Преимущество L-диапазона, по сравнению с высокочастотными диапазонами приборов AMSR, SSM/I и SSMIS заключается в большей глубине формирования излучения (Tikhonov et al., 2018a), что позволяет получать информацию от более глубоких слоев снежного и ледяного покрова.
В 2017 году, на Пятнадцатой Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", авторами был представлен доклад, посвященный теоретическому анализу ледовой обстановки крупных пресноводных озер по данным SMOS (Тихонов и др., 2017a). Результаты этих исследований были опубликованы в ряде Российских и иностранных журналах (Хвостов и др., 2017; Тихонов и др., 2017b; Tikhonov et al., 2018a; Tikhonov et al., 2018b). Анализ спутниковых данных и сопоставление их с модельными расчетами позволил выявить для замерзающих пресноводных озер три временные области значений яркостных температур: первая область связана с излучением свободной ото льда водной поверхности; вторая - с установившимся на поверхности озер ледяным покровом; а третья область, характеризуемая кратковременным резким возрастанием яркостной температуры на величину 40-90 K, соответствует периоду кардинального изменения в структуре ледяного покрова (период интенсивного разрушения и таяния).
Данный доклад является продолжением начатых исследований. В нем проводится анализ сезонной и межгодовой изменчивости яркостной температуры различных областей Обской губы от устья Оби до Карского моря. Показано, что если в пресноводной части Обской губы (устье реки и центральная часть) наблюдается схожая с озерами динамика яркостной температуры, то в «морской» части Обской губы эта динамика нарушается. Это нарушение определяется отсутствием второй области. Яркостная температура, характеризующая открытую водную поверхность, после образования ледяного покрова, сильно возрастает до значений третьей области и остается относительно стабильной вплоть до начала разрушения ледяного покрова. Яркостная температура в период разрушения льда нестабильна, сильно осциллирует и постепенно понижается до значений яркостной температуры открытой водной поверхности. Такое изменение динамики яркостной температуры «морской» части Обской губы, по сравнению с пресноводной областью, объясняется авторами увеличением солености воды и соответственно, сильным возрастанием поглощения излучения в нижнем слое льда, контактирующим с водной поверхностью.
Выявленные закономерности сезонных вариаций яркостной температуры и связанные с ними фазы ледяного покрова могут быть использованы для оценки гидрологических режимов замерзающих естественных акваторий.
Работа выполнена при поддержке темы «Мониторинг» (Государственное задание по теме фундаментального научного исследования, госрегистрация № 01.20.0.2.00164), а также при частичной поддержке грантов РФФИ № 18-05-00753-a (Хвостов И.В., Романов А.Н.), 18-05-00427-a (Тихонов В.В., Боярский Д.А.).

Литература:
Тихонов В.В., Хвостов И.В., Романов А.Н., Шарков Е.А. Анализ ледовой обстановки крупных пресноводных озер по данным SMOS. // Тезисы докладов Пятнадцатой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 2017a. Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2017 г. Стр. 301.
Тихонов В.В., Хвостов И. В., Романов А. Н., Шарков Е. А. Анализ изменений ледяного покрова пресноводных водоемов по данным SMOS. // Исследование Земли из космоса. 2017b. № 6. С. 46-53.
Хвостов И.В., Романов А.Н., Тихонов В.В., Шарков Е.А. Некоторые особенности микроволнового радиотеплового излучения пресноводных водоемов с ледовым покровом. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т.14. № 4. С. 149-154.
Шарков Е.А. Пассивное микроволновое зондирование Земли: прошлое, настоящее и планы на будущее // Современные проблемы дистанционного зондирования из космоса. 2004. В. 1. Т. 1. С.70-80.
Entekhabi D., Njoku E.G., O’Neill P.E., Kellogg K.H., Crow W.T., Edelstein W.N., Entin J.K., Goodman S.D., Jackson T.J., Johnson J., et al. The Soil Moisture Active Passive (SMAP) Mission. // Proc. IEEE. 2010. V. 98. P. 704–716.
Heygster G., Hendricks S., Kaleschke L., Maass N., Mills P., Stammer D., Tonboe R. T., Haas C. L-Band Radiometry for Sea-Ice Applications. Final Report for ESA ESTEC Contract 21130/08/NL/EL. Institute of Environmental Physics, University of Bremen November 2009.
Huntemann M., Heygster G., Kaleschke L., Krumpen T., Mäkynen M., Drusch M. Empirical sea ice thickness retrieval during the freeze-up period from SMOS high incident angle observations. // The Cryosphere. 2014. V. 8. № 2. P. 439–451.
Kaleschke L., Tian-Kunze X., Maab N., Mäkynen M., Drusch M. Sea ice thickness retrieval from SMOS brightness temperatures during the Arctic freeze-up period. // Geophysical Research Letters. 2012. V. 39. № 5. P. L05501.
Kaleschke L., Tian-Kunze X., Maab N., Beitsch A., Wernecke A., Miernecki M., Müller G., Fock B.H., Gierisch A.M.U., Schlünzen K.H., Pohlmann T., Dobrynin M., Hendricks S., Asseng J., Gerdes R., Jochmann P., Reimer N., Holfort J., Melsheimer C., Heygster G., Spreen G., Gerland S., King J., Skou N., Søbjærg S.S., Haas C., Richter F., Casal T. SMOS sea ice product: Operational application and validation in the Barents Sea marginal ice zone. // Remote Sensing of Environment. 2016. V. 180. P. 264-273.
Kerr Y. H., Waldteufel P., Wigneron J.-P., Delwart S., Cabot F., Boutin J., Escorihuela M. J., Font J., Reul N., Gruhier C., Juglea S. E., Drinkwater M. R., Hahne A., Martin-Neira M., Mecklenburg S. The SMOS Mission: New Tool for Monitoring Key Elements of the Global Water Cycle. // Proceedings of the IEEE. 2010. V. 98. № 5. P. 666–687.
Maab N., Kaleschke L., Tian-Kunze X., Drusch M. Snow thickness retrieval over thick Arctic sea ice using SMOS satellite data. // The Cryosphere. 2013. V. 7. № 6. P. 1971–1989.
Macelloni G., Brogioni M., Pettinato S., Zasso R., Crepaz A., Zaccaria J., Padovan B., Drinkwater M. R. Ground-Based L-Band Emission Measurements at Dome-C Antarctica: The DOMEX-2 Experiment. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2013. V. 51. № 9. P. 4718-4730.
Macelloni G., Brogioni M., Aksoy M., Johnson J. T., Jezek K. C., Drinkwater M. R. Understanding SMOS data in Antarctica. // IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). 2014. P. 3606-3609.
Naderpour R., Schwank M., Mätzler C. Davos-Laret Remote Sensing Field Laboratory: 2016/2017 Winter Season L-Band Measurements Data-Processing and Analysis. // Remote Sensing. 2017. V. 9. № 11. P. 1185-1212.
Naderpour R., Schwank M. Snow Wetness Retrieved from L-Band Radiometry. // Remote Sensing. 2018. V. 10. № 3. P. 359-374.
Richter F., Hendricks S., Kaleschke L., Tian-Kunze X., King J., Haas C. A weekly Arctic sea-ice thickness data record from merged CryoSat-2 and SMOS satellite data. // The Cryosphere. 2017. V. 11. № 4. P. 1607–1623.
Richter F., Drusch M., Kaleschke L., Maab N., Tian-Kunze X., Mecklenburg S. Arctic sea ice signatures: L-band brightness temperature sensitivity comparison using two radiation transfer models. // The Cryosphere. 2018. V. 12. № 3. P. 921–933.
Schwank M., Naderpour R. Snow Density and Ground Permittivity Retrieved from L-Band Radiometry: Melting Effects. // Remote Sensing. 2018. V. 10. № 2. P. 354-379.
Tian-Kunze X., Kaleschke L., Maab N., Mäkynen M., Serra N., Drusch M., Krumpen T. SMOS-derived thin sea ice thickness: algorithm baseline, product specifications and initial verification. // The Cryosphere. 2014. V. 8. № 3. P. 997–1018.
Tikhonov V., Khvostov I., Romanov A., Sharkov E.: Theoretical study of ice cover phenology at large freshwater lakes based on SMOS MIRAS data. // The Cryosphere. 2018a. V. 12. № 8. P. 2727-2740.
Tikhonov V.V., Khvostov I.V., Romanov A.N., Sharkov E.A. Analysis of changes in the ice cover of freshwater lakes by SMOS data. // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2018b. V. 53. N 9. In press.
Zhou L., Xu S., Liu J., Wang B. On the retrieval of sea ice thickness and snow depth using concurrent laser altimetry and L-band remote sensing data. // The Cryosphere. 2018. V. 12. № 3. P. 993–1012.