Основные результаты космического мониторинга снеготаяния в Республике Казахстан в 2011 году

1.1 Исходные данные и методика спутникового мониторинга снеготаяния
Для мониторинга снежного покрова на больших территориях используются данные полярно-орбитальных гелиосинхронных метеорологических спутников NOAA, оснащенных радиометром AVHRR. Наличие данных в пяти спектральных каналах (0,58–0,68; 0,725–1,1; 3,55–3,93; 10,3–11,3; 11,5–12,5 мкм) позволяет строить композитные изображения и распознавать снежный покров. Физиче¬ской основой распознавания снежного покрова является его высокая отражательная способность в видимом диапазоне и низкая излучательная способность в инфракрасном (ИК)–диапазоне. Данная особенность позволяет использовать комбинацию ИК–канала с каналом видимого диапазона, известного как Нормализованный Дифференциальный Снежный Индекс (NDSI) который позволяет эффективно отличать на снимке снег от прочих объектов /1/.
Спутниковые снимки NOAA использованные для мониторинга процесса снеготаяния на территории Казахстана представляли собой файлы-контейнеры, содержащие пятиканальные изображения в проекции – Lat-Lon. Известно, что длительность периода снеготаяния на территории Казахстана – разрушение и сход снежного покрова начинаются с начала второй декады февраля на крайнем юге Казахстана до конца второй декады апреля на севере страны - в лесостепной и степной зонах /2/. Специфика мониторинга схода снежного покрова в Казахстане заключается в том, что снежный покров очень динамичная и масштабная среда, фронт снеготаяние проходит через всю территорию Казахстана и может смещаться на сотни километров в день. Поэтому для мониторинга в идеальном случае необходимы безоблачные (по крайней мере над фронтом снеготаяния) космоснимки с периодичностью 2-3 дня. Однако серию таких космоснимков получить невозможно: облачность почти всегда присутствует на снимке и закрывает те или иные обширные районы, а иногда и полностью в течение нескольких дней закрывает всю территорию Казахстана. Поэтому для мониторинга выбирается снимок с минимальным количеством облачности (который встречается 1 раз за период от двух до 3-5, а при неблагоприятных условиях, например активной циклонической деятельности и более дней), и принимается за опорный. Закрытые облачностью участки фронта снеготаяния опорного снимка, уточняются по ближайшим по времени снимкам. Таким образом, карта дат схода снежного покрова состоит преимущественно из ряда опорных снимков полученных с разным периодом.
Очевидно, что чем меньше была облачная активность и меньше скорость схода снежного покрова в период снеготаяния, тем детальнее будет карта дат схода. Однако год от года наблюдается сильная изменчивость синоптических условии и относительно безоблачные дни в период снеготаяния могут наблюдаться в разное время, в разном количестве и с разной периодичностью. Кроме того, процесс снеготаяния также год от года изменчив и сход снежного покров может смещаться на ранние или поздние сроки. Необходимость сопоставлять карты дат схода за разные годы, вынуждает использовать единую шкалу, которая могла бы идентифицировать каждый из более чем 50-60 ежедневных снимков. Применение т.н. «легко читаемой» шкалы с таким количеством градаций возможно только с применением палитры цветов.
Так как для отображения цветного изображения на электронных устройствах применяется цветовая палитра на основе трех цветов: красного, зеленого, синего, то для идентификации ежедневных снимков была использована цветовая палитра RGB. Каждому дня присваивалось определенное значение каждой компоненты, например 10 марта в палитре RGB закодировано как 255:170:0 (оттенок желтого цвета), 11 марта как 255:176:0 (оттенок желтого цвета), а 10 апреля как 0:120:250 (оттенок зеленого цвета). Цвета в палитре для каждой даты были подобраны эмпирическим путем с таким расчетом, чтобы достигнуть высокой цветовой контрастности между декадами и, вместе с тем, обеспечить плавный переход спектра между днями с учетом динамики снеготаяния интересующей территории (в феврале и начале марте цвета соседних дат слабо меняются, а затем контрастность повышается). Кроме того, цветовая контрастность позволяют сжимать изображения специальными алгоритмами без существенной потери информативности о цвете (дате схода).
После определения цветовой шкалы, на спутниковых снимках ежедневно определялась граница снежного покрова и выделялась определенным для этого дня цветом. Выделенные области последовательно накладывались в виде слоев за весь период снеготаяния. Следует заметить, что таяние снежного покрова происходит не равномерно. В периоды похолодания площадь занятая снежным покровом, не только не уменьшается, но и может увеличиться за счет вновь выпавшего снежного покрова, а в периоды потепления от снега могут освобождаться значительные площади.
Необходимо заметить, что применяемый термин «дата сход снежного покрова» не соответствует тем критериям которые приняты в метеорологии при наблюдении за таянием снега на сети наземных метеостанций. Также, несмотря на то, что граница сезонного снега совпадает на космическом снимке с зоной 50%-ной покрытости земли снегом /3/ и следовательно, даты схода снежного покрова, выявленные по космическим снимкам, сопоставимы с датами разрушения устойчивого снежного покрова, эти показатели не совсем сопоставимы, поскольку вследствие облачности, характерной для весеннего периода, при определении дат схода снежного покрова нередко используется интерполяция по соседним, т.н. опорным космическим снимкам.

1.2 Анализ результатов мониторинга снежного покрова на территории Республики Казахстан в 2011 году
Космический мониторинг снежного покрова на территории Республики Казахстан, основанный на данных со спутников NOAA/AVHRR проводится регулярно за последние 10 лет. Анализ распреде¬ления снежного покрова на территории Казахстана за 2001-2011 гг. показал, широтную зональность залегания и таяния снежного покрова.
Сравнение данных по динамике схода снежного покрова за 2011 год и средней за период 2001-2010 гг., показало, что на подавляющей территории республики наблюдалось небольшое запаздывание схода снежного покрова относительно средних дат – рисунок 1.1.
Сравнение данных по динамике схода снежного покрова за 2011 год и средней за период с 2001 по 2010 гг., показало, что на подавляющей территории республики наблюдалось небольшое запаздывание схода снежного покрова относительно средних дат. К началу снеготаяния, в конце февраля, снегом была покрыта практически вся территория республики. Интенсивное таяние началось в середине марта и к концу месяца, снегом была покрыта лишь северная половина Казахстана, за исключением юго-запада Павлодарской области. К концу первой декады апреля снежный покров в Северном Казахстане преимущественно сошел, исключая традиционно многоснежную северо-западную часть Акмолинской области, в районе села Балкашино обусловленную местным повышением рельефа. Остатки снега, в начале второй декады апреля, в Акмолинской и Восточно-Казахстанской области полностью растаяли. Таким образом, на территории основных зерносеющих областей на севере Казахстана процесс снеготаяния произошел позже обычных сроков на 5-10 дней.
Сравнение площадей занятых снежным покровом на 1 декаду марта и апреля с 2001 года (рисунок 1.2) показало, что в 2011 году площади залегания снежного покрова на 1 декаду как марта, так и апреля были наибольшими за весь период наблюдений, превысив предыдущий максимум в 2003 г. на 10 %. При этом площадь занятая снежным покровом в первой декаде марта была на треть, а в 1 декаде апреля в 2 раза больше средней. Эти данные дают основания полагать, что динамика снеготаяния была неравномерной: интенсивное снеготаяние начавшееся в середине марта, к концу месяца сменилось замедлением темпов схода снежного покрова. Площадь территории занятой снежным покровом на первую декаду апреля, была также наибольшей и превысила предыдущее максимального значения наблюдавшееся в 2003 году на 4%. Особенно хорошо заметен данный факт на примере последних 4 лет, когда наблюдался устойчивый и поступательный рост площади занятой снежным покровом на первую декаду апреля: в 2008 году 1%, в 2009 году 8%, в 2010 году 37% и 45 % от территории Казахстана в 2011 году. Кроме того, в среднем с 1 декады марта до первой декады апреля площадь снежного покрова уменьшается на 70 %, а в 2011 году с 1 декады марта до первой декады апреля площадь снежного покрова сократилась лишь на 52 %. На основе анализа данных о динамике схода снежного покрова можно сделать заключение о том, что в 2011 году динамика снеготаяния была не равномерной и демонстрировала относительно поздний сход.
Максимальные площади занятые снежным покровом по декадам за период снеготаяния приведены на рисунке 1.3. На рисунках приведена площадь снежного покрова преимущественно для равнинных территорий.