Процесс формирования и разрушения ледяного покрова Ладожского озера в зимний сезон 2017-2018 гг. по данным двухчастотного дождевого радиолокатора

Ледовый покров Ладожского озера характеризуется выраженной пространственной и временной изменчивостью. Длительное время на регулярной основе проводился мониторинг его состояния, например, (Румянцев, Кондратьев, 2013). Сроки формирования и разрушения льда различаются в разных частях озера, поэтому для исследования ледовой обстановки необходимо получать информацию о состоянии всей поверхности озера, а не только в местах расположения гидрологических постов. Радиолокационные спутниковые измерения обладают преимуществами при решении этой задачи по сравнению с оптическими методами, поскольку позволяют проводить наблюдения независимо от облачности и условий освещённости.
В данном исследовании используются данные двухчастотного радиолокатора осадков (DPR - Dual-frequency Precipitation Radar), установленного на спутнике GPM (Global Precipitation Measurement), который выполняет измерения при малых углах падения (в пределах ± 18 градусов).
В результате сканирования в направлении, перпендикулярном направлению полета спутника, формируется радиолокационное изображение шириной около 245 км с пространственным разрешением порядка 5 км. Для анализа использовались данные Ku-диапазона за зимний период 2017-2018 гг., содержащие координаты измерений и значения удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР).
В работах (Panfilova, Karaev, 2026а; Панфилова, Караев, 2026б) исследовалась возможность определения ледяного покрова Ладожского озера в зимний период 2017-2018 гг. Было показано, что различия в радиолокационных характеристиках отражающей поверхности позволяют разделять участки на два класса: открытая вода и лед. В данной работе используется предложенный подход, а разработанный алгоритм применяется для исследования временной динамики площади ледяного покрова Ладожского озера.
Для автоматизации обработки разработан программный алгоритм, выполняющий последовательный анализ исходных файлов радиолокатора DPR в формате HDF5. Из исходных данных отбираются измерения, попадающие в границы Ладожского озера, и исключаются некорректные значения, а также точки, расположенные за пределами озера. Оставшиеся измерения классифицируются алгоритмом как соответствующие льду или открытой воде. На следующем этапе формируется регулярная стека с размером ячейки 100 х 100 м, и выполняется интерполяция на основе исходных данных.
Для каждого пролета спутника (наблюдения) рассчитываются количество и доля ячеек, соответствующих льду и открытой воде, а также вычисляется площадь каждого класса. Полученные результаты показывают временную динамику изменения ледовой обстановки в зимний сезон 2017-2018 гг.
Полученные результаты демонстрируют возможность использования данных DPR для количественного анализа пространственно-временной динамики ледяного покрова Ладожского озера. При этом абсолютная площадь льда в отдельных наблюдениях зависит не только от фактического состояния поверхности, но и от пространственного расположения и количества исходных измерений. Поэтому для построения устойчивой временной зависимости необходимо обработать большее количество наблюдений и учитывать особенности пространственного покрытия каждого пролета спутника. Полученные результаты также хорошо согласуются с данными оптических наблюдений MODIS.
Разработанный подход позволяет перейти от анализа отдельных радиолокационных измерений к автоматизированной оценке площади льда и открытой воды крупных внутренних водоемов. В дальнейшем планируется включить в анализ данные о температуре и исследовать динамику ледяного покрова с 2016 по 2026 год.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-77-10064-П, https://rscf.ru/project/23-77-10064-П/.