Исследование сплоченности морского льда в Российском секторе Арктического бассейна по данным МТВЗА-ГЯ

Арктика – один из наиболее труднодоступных и наиболее чувствительных к изменениям климата регионов планеты. Ледовый покров здесь непрерывно перестраивается под действием внешних воздействий и играет важную роль в теплообмене между океаном и атмосферой. Для изучения изменчивости ледового покрова нужны данные, которые поступают с достаточной частотой, охватывают всю акваторию Северного Ледовитого океана и не зависят от метеорологических условий. Именно такими возможностями обладают спутниковые методы, среди которых особое место занимает пассивная микроволновая радиометрия. Приборы этого типа регистрируют собственное излучение подстилающей поверхности в СВЧ-диапазоне. Значительные контрасты радиояркостных температур воды и льда позволяют надежно разделять эти типы поверхности и восстанавливать сплоченность ледового покрова, его возрастные стадии и положение кромки.
Для исследования изменчивости ледовых полей в данной работе использовались измерения российского СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ (модуль температурного и влажностного зондирования атмосферы), установленного на КА «Метеор-М» №2-2. Радиометр объединяет в себе функции сканера и зондировщика: сканирование ведется по конусу под углом 65° к нормали в полосе шириной до 2500 км, а прием — в диапазоне 6,9-190 ГГц [1]. По частотным каналам МТВЗА-ГЯ соответствует зарубежным сканерам AMSR-E и AMSR2, что позволяет использовать их данные в качестве референса при интеркалибровке измерений российского прибора и применять к ним алгоритмы восстановления сплоченности морского льда.
Результаты использования данных измерений МТВЗА-ГЯ рассмотрены в ряде работ [2-5]. Однако они носят достаточно фрагментарный характер, охватывая наблюдения за короткие промежутки времени. Настоящее исследование посвящено изучению возможностей использования данных измерений СВЧ-радиометра МТВЗА-ГЯ для расчетов сплоченности морского льда, валидации полученных оценок с аналогичными зарубежными спутниковыми продуктами и анализу изменчивости параметров ледяного покрова за многолетний период наблюдений.
Для калибровки радиояркостных температур МТВЗА-ГЯ в настоящей работе использовался стандартный продукт Национального центра данных по снегу и льду (NSIDC) AMSR_U2_L3_SeaIce25km, содержащий ежедневные данные об яркостных температурах (Tb) и сплоченности морского льда (SIC) на сетке с пространственным шагом 25×25 км, полученные на основе измерений радиометра AMSR2. Валидация полученных оценок сплоченности морского льда осуществлялась путем сопоставления с этим же продуктом.
Сопоставление показало, что в целом радиояркостные температуры МТВЗА-ГЯ согласуются с данными AMSR2 практически на всех частотных каналах. Исключение составляет канал 91,65 ГГц горизонтальной поляризации, на котором измерения российского радиометра сильно зашумлены. Кроме того, радиояркостные температуры российского радиометра на всех частотных каналах вертикальной поляризации имеют более узкий динамический диапазон по сравнению с яркостными температурами AMSR2, в то время как на каналах горизонтальной поляризации наблюдается только систематическое смещение. Отмечена также заметная пространственная сглаженность измерений МТВЗА-ГЯ по сравнению с AMSR2.
В результате интеркалибровки по годовым рядам измерений были получены калибровочные коэффициенты для всех частотных каналов МТВЗА-ГЯ, позволяющие получать более точные значения радиояркостных температур. Восстановление сплочённости морского льда по откалиброванным данным выполнялось по методике NASA Team [6].
Оценки сплоченности льда по данным МТВЗА-ГЯ хорошо согласуются с полями стандартного продукта NSIDC для всех месяцев в течение исследуемого периода, однако точность снижается по мере уменьшения ледовитости. В период максимума ледовитости (февраль-март) лед занимает наибольшую площадь и находится в более сплоченном состоянии: крупномасштабные распределения льда хорошо согласуются, а основные различия сосредоточены в прикромочной зоне и у берегов. В период минимума ледовитости (август-сентябрь) лед отступает и занимает минимальную площадь: общая структура ледяного покрова по-прежнему воспроизводится, но появляются отличия не только в прикромочной области, но и внутри ледового поля. Наибольшая точность достигнута в период максимума: коэффициент детерминации 0,98, ошибка RMSE около 6 %, а смещение близко к нулю. В период минимума точность заметно снижается: коэффициент детерминации около 0,86–0,93, RMSE возрастает до 10–14 %.
По данным о сплоченности рассчитаны производные характеристики ледового покрова: площадь (SIA), компактность, а также доля однолетнего и многолетнего льда в Российском секторе Арктики за период с 2019 по 2022 год. Средняя площадь льда за период составила 3,830±1,489 млн км2, средняя компактность — 0,796±0,143. В этих характеристиках хорошо выражен сезонный цикл, максимум которого приходится на февраль-март (SIA = 5,210 млн км2), а минимум — на август-сентябрь (SIA = 1,261 млн км2); амплитуда сезонных колебаний достигает 3,949 млн км2). Полученные результаты показывают, что данные МТВЗА-ГЯ в целом пригодны как для оперативного восстановления сплоченности, так и для анализа межгодовой изменчивости ледовых условий.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме № FNNN-2024-0012.