Алгоритм определения сроков замерзания и вскрытия внутренних водоёмов по данным микроволновых радиометров спутников TOPEX/Poseidon и Jason-1, -2, -3: применение для водохранилищ Волги и Северного Каспия

Сроки замерзания и вскрытия льда на внутренних водоёмах являются одним из наиболее чувствительных индикаторов климатических изменений. Однако их спутниковый мониторинг затруднён из-за грубого пространственного разрешения микроволновых радиометров и влияния прилегающей суши. В настоящей работе предложен алгоритм определения дат замерзания и вскрытия внутренних водоёмов по данным микроволновых радиометров спутниковых альтиметрических миссий TOPEX/Poseidon и Jason-1, -2, -3 за период с 1992 по 2022 год. Метод основан на анализе пространственной изменчивости яркостной температуры вдоль трека спутника. В качестве меры изменчивости используется разность между максимальным и минимальным значениями яркостной температуры в окне, охватывающем водную поверхность и прилегающие участки суши. Контраст между низкой излучательной способностью открытой воды и более высокой излучательной способностью льда, снега и суши приводит к выраженному сезонному циклу: большие значения разности яркостных температур наблюдаются в безледный период, малые - при ледовом покрове. Порог разделения лед/вода определяется с помощью кластеризации k-средних, что обеспечивает согласованность для разных водоёмов и спутниковых миссий. Алгоритм проверен по наземным наблюдениям Российского регистра гидротехнических сооружений для Рыбинского, Горьковского, Куйбышевского, Саратовского и Волгоградского водохранилищ, а также северной части Каспийского моря. Коэффициент корреляции между спутниковыми и наземными данными превышает 0,9, средняя абсолютная ошибка составляет около 5 дней. Анализ 30-летнего временного ряда выявил статистически значимые климатические тренды для всех исследованных водоёмов: даты замерзания сместились на 2,5-4,5 дня за десятилетие, даты вскрытия - на 3,1-5,1 дня за десятилетие, общая продолжительность ледового покрова сократилась на 16-27 дней за весь период наблюдений. Более выраженные тренды наблюдаются для крупных водоёмов с большей тепловой инерцией, что делает их чувствительными индикаторами долгосрочного регионального потепления.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-77-20016), https://rscf.ru/project/25-77-20016/