К вопросу об использовании данных многочастотного радиометра GMI для мониторинга ледяного покрова внутренних водоемов

Дистанционное зондирование активно используется для решения широкого круга задач и, в частности, для измерения площади морского льда. Благодаря данным орбитальных скаттерометров, радиометров и радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) измеряется площадь морского льда в Арктическом и Антарктическом регионах, и наблюдаемая динамика подтверждает изменение глобального климата Земли.
Происходящие климатические изменения также влияют на состояние ледяного покрова внутренних водоемов, и получение этой информация позволит количественно отслеживать климатические изменения на суше.
В последние десятилетия происходило значительное сокращение гидрологических постов на внутренних водоемах в России и Канаде, что затрудняет получение достоверной информации о длительности существования ледяного покрова. Решением может стать использование для анализа данных дистанционного зондирования. Небольшие размеры внутренних водоемов предъявляют высокие требования к разрешению датчиков, поэтому оптические изображения и данные РСА являются наиболее перспективными инструментами. Недостатком оптики является облачность, которая мешает наблюдениям, а существующие РСА пока не способны обеспечить глобальное покрытие с коротким периодом повторного «визита» (измерения).
В наших работах рассматривалась возможность использования данных двухчастотного дождевого радиолокатора (Dual-frequency Precipitation Radar – DPR), установленного на спутнике GPM (Global Precipitation Measurement), для обнаружения формирования и разрушения ледяного покрова на небольших внутренних водоемах (Караев и др., 2025а, б, в) На примере р.Волга была подтверждена работоспособность алгоритмов.
Полоса обзора DPR составляет примерно 245 км, что является определенным недостатком, т.к. частота наблюдения водоема (повторного визита) уменьшается и в ряде случаев может достигать нескольких дней.
Несмотря на низкое пространственное разрешение данные радиометров могут применяться для обнаружения ледяного покрова внутренних водоемов, например, (Brakenridge et al., 2007; Заболотских и др., 2024). На спутнике GPM установлен многочастотный радиометр GMI, который выполняет измерения в полосе обзора около 900 км. Это значительно уменьшает время повторного визита, а центральная область полосы обзора наблюдается обоими инструментами.
В качестве тестового полигона был выбран участок р.Волга от г. Саратов до г. Волгоград. Были скачаны данные за период с ноября 2021 по май 2022.
Для анализа были построены радиояркостные изображения исследуемого участка и пространственные разрезы яркостной температуры через русло реки до формирования ледяного покрова и после формирования в частотных каналах радиометра: 10.65, 18.7, 23.8, 36.5, 89.0 для вертикальной и горизонтальной поляризации.
В результате были сформированы радиояркостные изображения исследуемой области. На частотах 10,65; 18,7; 23,8; 36,5 и 89,0 ГГц русло реки проявляется в виде области с более низкой яркостной температурой по сравнению с окружающей сушей. С увеличением частоты наблюдаемая ширина этой области уменьшается вследствие улучшения пространственного разрешения радиометра. При этом величина радиояркостного контраста зависит как от частоты, так и от поляризации.
Сравнение измерений в вертикальной и горизонтальной поляризациях показало различие яркостных температур над водной поверхностью.
После формирования ледяного покрова различие яркостной температуры между руслом и окружающей сушей уменьшалось, и река становилась менее заметной на радиояркостном изображении, что можно использовать в качестве критерия формирования ледяного покрова. Первые результаты говорят о перспективности использования данных многочастотного радиометра GMI для мониторинга состояния небольших внутренних водоемов.
Планируется продолжить исследования и определить оптимальные частоты и поляризации для классификации типа подстилающей поверхности (лед/вода), оценить минимальные размеры водоемов для обнаружения льда. Будет разработан алгоритм для проведения такой обработки и получены оценки точности алгоритма. Будут получены оценки длительности существования ледяного покрова на тестовом полигоне в сезон 2021-2022 г.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-77-10064-П, https://rscf.ru/project/23-77-10064-П/.