Оценка пространственно-временной изменчивости уровня воды в реках по данным спутниковой альтиметрии

Исследование пространственно-временных закономерностей уровенного режима речных систем является одной из фундаментальных задач гидрологии суши и выступает основой для оценки динамики поверхностного стока. В России мониторинг уровней воды традиционно ведётся на гидрологических постах (ГП). Однако несмотря на регулярность ежедневных наблюдений на ГП, пространственные закономерности изменения уровней воды остаются малоизученными. Это обусловлено пространственной дискретностью измерений, неравномерным распределением ГП по протяжению реки и территории страны, а также общим сокращением наземной сети наблюдения (Кочетова, Игнатенко, 2026). Дистанционные наблюдения за уровнем воды в реках ведутся при помощи спутниковой альтиметрии (Врублевский и др., 2025; Захарова, Крыленко, 2024; Захарова и др., 2023; Школьный и др., 2026). С запуском спутника SWOT (англ. Surface Water and Ocean Topography) в 2022 г. появилась возможность анализа уровней воды с высокой пространственной детализацией. Так, спутник SWOT с периодичностью повтора орбиты в 21 день предоставляет данные измерений уровня, ширины и уклона водной поверхности, дискретизированные вдоль русла в виде узловых точек (с шагом 200 м) и сегментов (усредненных на участках протяженностью около 10 км). В настоящем исследовании использованы наиболее подробные продукты Level-2 HR RiverSP миссии SWOT с шагом 200 м.
Цель данной работы состоит в исследовании пространственно-временной изменчивости уровня воды реки Северной Двины по данным спутниковой альтиметрии Jason-2, Jason-3, Sentinel-3A, Sentinel-6A и SWOT. В работе представлены следующие основные результаты:
- на основе базы данных DAHITI (англ. Database for Hydrological Time Series of Inland Waters) (Schwatke et al., 2015) сформирован набор многолетних данных спутниковой альтиметрии для р. Северной Двины;
- впервые построены картосхемы распределения средних уровней воды вдоль всей реки за весь период наблюдений, а также для отдельных лет (с 2023 по 2025 гг.) по данным SWOT относительно геоида EGM2008 (Pavlis et al., 2012);
- выполнен комплексный анализ пространственно-временной изменчивости уровненного режима исследуемого водотока;
- проведено сопоставление высокодетальных пространственных измерений миссии SWOT с данными точечных надирных наблюдений на виртуальных станциях (ВС) других спутников относительно геоида EIGEN-6C4 (Foerste et al., 2014) (Jason-2, Jason-3 и Sentinel-6A – одна ВС, Sentinel-3A – шесть ВС). В процессе валидации для каждой точечной надирной станции подбирался ближайший по геодезическому расстоянию и одинаковый по дате узел SWOT, что позволило оценить точность определения уровня воды различными спутниковыми системами. Статистический анализ сопоставления SWOT с данными точечных надирных наблюдений на ВС выполнен для 19 дат, из них: 5 дат – для ВС Jason-2, Jason-3 и Sentinel-6A; по 3 даты – для ВС-1, ВС-2, ВС-4 и ВС-5 Sentinel-3A; по 1 дате – для ВС-3 и ВС-6 Sentinel-3A. Максимальные расхождения относительно данных SWOT зафиксированы на совмещенной ВС миссий Jason-2, Jason-3 и Sentinel-6A, где величина RMSE составила 0,54 м при максимальном отклонении до 0,71 м. Подобная изменчивость обусловлена высокой восприимчивостью традиционного надирного зондирования к помехам от береговой линии. Наилучшая сходимость результатов зафиксирована на станциях ВС-1, ВС-5 и ВС-6, где среднеквадратическая ошибка (RMSE) не превысила 0,02–0,11 м при минимальных значениях систематического сдвига (Bias) от -0,03 до 0,05 м, что подтверждает корректность сопоставления данных даже с учётом исходной разницы опорных систем высот геоидов EGM2008 и EIGEN-6C4.