КОНКУРС НАУЧНЫХ РАБОТ ИКИ РАН 2012-2013 гг.

Цикл из трех работ «Исследование состояния ледяного покрова Арктики по данным спутниковой микроволновой радиометрии».

Список публикаций:

1. И.А. Репина, В.В. Тихонов, Т.А. Алексеева, В.В. Иванов, М.Д. Раев, Е.А. Шарков, Д.А. Боярский, Н.Ю. Комарова. Электродинамическая модель излучения арктического ледяного покрова для решения задач спутниковой микроволновой радиометрии. // Исследование Земли из космоса. 2012. № 5. С. 29-36.

2. В.В. Тихонов, И.А. Репина, Т.А. Алексеева, В.В. Иванов, М.Д. Раев, Е.А. Шарков, Д.А. Боярский, Н.Ю. Комарова. Восстановление сплоченности ледяного покрова Арктики по данным SSM/I. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т.10. № 2. С. 182-193.

3. V. V. Tikhonov, D. A. Boyarskii, I. A. Repina, M. D. Raev, E. A. Sharkov, and T. A. Alexeeva. Snow Cover Effect on Brightness Temperature of Arctic Ice Fields Based on SSM/I Data. // Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS) Proceedings, Stockholm, Sweden, Aug. 12-15, 2013. P. 514-518.

Состав авторов - сотрудников ИКИ РАН:

Тихонов В.В., Репина И.А., Раев М.Д., Боярский Д.А., Шарков Е.А., Комарова Н.Ю. отдел 55.

Аннотация

Важнейшим географическим фактором климата Арктики является морской ледяной покров, от которого во многом зависит протекание климатообразующих процессов на Земле и который поэтому является составной частью глобальной климатической системы. Эта система непрерывно меняется. Вместе с ней изменяется и состояние морского ледяного покрова – площадь его распространения, толщина, сплоченность и другие характеристики. Информация о ледовых условиях в полярных регионах играет важную роль для решения ряда научных и практических задач, таких как: контроль за изменениями окружающей среды, прогноз погоды, организация судоходства и рыболовства, добыча полезных ископаемых на шельфе и т.п.

Глобальный мониторинг ледяного покрова Арктического региона может выполняться только с использованием средств дистанционного зондирования, расположенных на современных искусственных спутниках Земли. В отличие от датчиков, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах, использование пассивных микроволновых датчиков обеспечивает полное информационное покрытие полярных регионов Земли при любых метеорологических условиях. Спутниковые измерения в микроволновом диапазоне, начавшиеся в конце октября 1978 г. с использованием радиометра SMMR, продолженные в 1987 г. с использованием прибора SSM/I и продолжающиеся по сей день благодаря запущенному на спутниках F16, F17 и F18 серии DMPS прибору SSMI/S предоставляют уникальную возможность мониторинга климата полярных регионов.

Однако применяемые в настоящее время алгоритмы восстановления характеристик ледяного покрова из данных пассивного микроволнового зондирования по разным причинам дают существенные погрешности, особенно в летний период, а также в прикромочных зонах и в районах редких льдов. Одним из источников ошибок служит тот факт, что существующие в настоящее время алгоритмы восстановления характеристик ледяного покрова по пассивным микроволновым спутниковым данным используют, как правило, эмпирические зависимости и подгоночные коэффициенты, пренебрегая физикой процесса.

Цикл состоит из трех работ, которые посвящены разработке методики определения характеристик ледяного покрова Арктики по данным спутниковой микроволновой радиометрии. В работах описывается новая электродинамическая модель излучения системы «водная поверхность – лед – снежный покров – атмосфера», анализируются основные физические параметры, влияющие на яркостную температуру системы, проводится сравнение со спутниковыми данными. На основе разработанной модели «водная поверхность – лед – снежный покров – атмосфера» предложен алгоритм определения сплоченности ледяного покрова Арктики по микроволновым спутниковым данным. Сравнение сплоченности ледяного покрова Арктики для различных сезонов, выполненные по разработанному алгоритму с данными, полученными по другим, наиболее используемым, алгоритмам (NASA Team, NASA Team 2, Comiso Bootstrap и др.), а также с данными корабельных визуальных наблюдений показало перспективность создаваемой методики.

Основные результаты:

1. Разработана электродинамическая модель эффективной диэлектрической проницаемости снега и морского льда, учитывающая их физические и структурные характеристики, а также рассеяние излучения на структурных неоднородностях. Расчеты диэлектрических свойств снега и морского льда, выполненные по модели хорошо согласуются экспериментальным данным [см., например, 1, 2]

2. Разработана модель излучательной способности ледяного и снежного покрова, учитывающая слоистость среды, а также структурные и физические особенности каждого слоя.

3. Разработана модель излучение системы «водная поверхность – лед – снежный покров – атмосфера» в микроволновом диапазоне электромагнитных волн.

4. Впервые теоретически показано, что для рабочих частот приборов SSM/I и SSMI/S, вклад в излучение системы «водная поверхность – лед – снежный покров – атмосфера» дает только небольшой слой твердой поверхности: от 30-40 см на частоте 19.35 ГГц, до нескольких миллиметров на частотах 85.5-91,655 ГГц. Этот результат подтверждается экспериментальными работами, [см., например, 3].

5. Впервые теоретически получено, что при наличии снежного покрова на поверхности льда, толщиной более 30 см, излучение системы определяет только слой снежного покрова (диапазон приборов SSM/I и SSMI/S). Этот вывод подтверждается рядом экспериментов, описанных в отечественных и зарубежных работах [см., например, 4-6].

6. Проведенные расчеты яркостной температуры арктического льда различной сплоченности и степени заснеженности на основе предложенной модели хорошо согласуются с данными приборов SSM/I и SSMI/S.

7. Разработана методика определения сплоченности ледяного покрова по данным SSM/I и SSMI/S изображений.

Литература:

1. В.В. Богородский, А.И Парамонов. Радиоокеанология. Л.: «Гидрометеоиздат». 1976. 24 стр.

2. Hallikainen, М. Т., F. T. Ulaby, and M. Abdelrazik, Dielectric properties of snow in the 3 to 37 GHz range. // IEEE Trans. Antennas Propagat,, Vol. 34, No. 11, 1329-1339, 1986.

3. В.Г. Смирнов, А.В. Бушуев, И.А. Бычкова, Н.Ю. Захваткина, В.С. Лощилов. Спутниковый мониторинг морских льдов. // Проблемы Арктики и Антарктики. Т. 85, № 2, стр. 62-76.

4. Г.С. Бордонский. Тепловое излучение ледяного покрова пресных водоемов. Н.: «Наука» Сибирское отделение. 1990. 102 стр.

5. Thorsten Markus, Donald J. Cavalieri and Alvaro Ivanoff. Algorithm Theoretical Basis Document: Sea Ice Products: Updated December 2011. 14 p.

6. J.C. Comiso, T.C. Grenfell, D.L. Bell, M.A. Lange, and S.F. Ackley. Passive Microwave in Situ Observations of Winter Weddell Sea Ice. // J. of Geophysical Research, V. 94, № C8, P. 10891-10,905. 1989