ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 150-169

Мониторинг морского льда полярных регионов с использованием спутниковой микроволновой радиометрии

В.В. Тихонов 1 , М.Д. Раев 1 , Е.А. Шарков 1 , Д.А. Боярский 1 , И.А. Репина 2, 1, 3 , Н.Ю. Комарова 1 
1 Институт космических исследований РАН, Моква, Россия
2 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва, Россия
3 ФГБУ "Гидрометцентр России", Москва, Россия
В работе представлен обзор пассивных микроволновых спутниковых методов мониторинга морского ледяного покрова полярных регионов. В статье дан краткий анализ используемых в настоящее время алгоритмов определения характеристик морского льда по микроволновым спутниковым данным. Обсуждаются основные недостатки этих алгоритмов и методы их устранения. В работе представлен новый алгоритм определения сплоченности морского ледяного покрова Арктики и Антарктики по данным спутниковой микроволновой радиометрии. Алгоритм разработан сотрудниками трех российских научных организаций: ИКИ РАН, ИФА им. А.М. Обухова РАН и ААНИИ. Методика построения нового алгоритма коренным образом отличается от методики создания существующих алгоритмов. Он разработан на основе физической модели излучения системы «морская поверхность – ледяной покров – снежный покров – атмосфера». В алгоритме не используется значения связующих точек. Все расчетные выражения алгоритма, получены на основе теоретического анализа модели излучения. Схема построения алгоритма позволила уменьшить влияние атмосферных изменений на определение сплоченности морского льда. Алгоритм позволяет восстанавливать не только сплоченность морского льда, но и показывать области морского льда, занятые снежницами. В статье дан краткий анализ работ, посвященных сравнению современных алгоритмов между собой, с радиолокационными данными, данными инфракрасного диапазона, а также с данными визуальных судовых наблюдений.
Ключевые слова: спутниковая микроволновая радиометрия, излучательная способность, яркостная температура, алгоритм, морской лед, сплоченность ледяного покрова, снежницы
Полный текст

Список литературы:

  1. Бобылев Л.П., Шалина Е.В., Йоханнессен О.М., Заболотских Е.В., Сандвен С., Бабина О.И. Изменение арктического ледяного покрова по данным спутникового пассивного микроволнового зондирования. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2008. Т. 78. № 1. С. 38–47.
  2. Гранков А.Г., Мильшин А.А. Взаимосвязь радиоизлучения системы океан-атмосфера с тепловыми и динамическими процессами на грани раздела. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2004. 168 с.
  3. Грей Д.М., Мэйл Д.Х. под ред. Снег. Справочник. 1986. Л.: Гидрометеоиздат. 752 с.
  4. Иванов В.В., Алексеев В.А., Алексеева Т.А., Колдунов Н., Репина И.А., Смирнов А.В. Арктический ледяной покров становится сезонным? // Исследования Земли из космоса. 2013. № 4. С. 50–65.
  5. Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е., Сандвен С., Петтерссон Л.Х., Бобылев Л.П., Клостер К., Смирнов В.Г., Миронов Е.У., Бабич Н.Г. Научные исследования в Арктике. Том 3.Дистанционное зондирование морских льдов на северном морском пути: изучение и применение. С.-П.: Наука. 2007. 512 с.
  6. Китаев Л.М., Титкова Т.Б. Изменчивость альбедо снежного покрова Восточно-Европейской равнины – анализ спутниковых данных. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 47–56.
  7. Китаев Л.М., Титкова Т.Б. Связь изменчивости площади морского льда Арктики и метеорологических характеристик зимнего периода на севере Евразии. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 3. С. 179–192.
  8. Котляков В.М. Избранные сочинения. Книга 1. Гляциология Антарктиды. М.: Наука. 2000. 432 с.
  9. Репина И.А., Иванов В.В. Применение методов дистанционного зондирования в исследовании динамики ледового покрова и современной климатической изменчивости Арктики. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т.9. № 5. С. 89–103.
  10. Репина И.А., Тихонов В.В., Алексеева Т.А., Иванов В.В., Раев М.Д., Шарков Е.А., Боярский Д.А., Комарова Н.Ю. Электродинамическая модель излучения арктического ледяного покрова для решения задач спутниковой микроволновой радиометрии. // Исследование Земли из космоса. 2012. № 5. С. 29–36.
  11. Смирнов В.Г. под редакцией. Спутниковые методы определения характеристик ледяного покрова морей. С.-П.: ААНИИ. 2011. 240 с.
  12. Тихонов В.В., 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.
  13. Тихонов В.В., И.А. Репина, М.Д. Раев, Е.А. Шарков, Д.А. Боярский, Н.Ю. Комарова. Новый алгоритм восстановления сплоченности морского ледяного покрова по данным пассивного микроволнового зондирования. // Исследование Земли из космоса. 2014. № 2. С. 35–43.
  14. Тихонов В.В., И.А. Репина, М.Д. Раев, Е.А. Шарков, Д.А. Боярский, Н.Ю. Комарова. Комплексный алгоритм определения ледовых условий в полярных регионах по данным спутниковой микроволновой радиометрии (VASIA2). // Исследование Земли из космоса. 2015. № 2. С. 78–93.
  15. Тышко К.П., Черепанов Н.В., Федотов В.И. Кристаллическое строение морского ледяного покрова. С.-П.: Гидрометеоиздат. 2000. 66 с.
  16. Шарков Е.А. Пассивное микроволновое зондирование Земли: прошлое, настоящее и планы на будущее // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. В. 1. Т. 1. С. 70–80.
  17. Agnew T., Howell S. The use of operational ice charts for evaluating passive microwave ice concentration data. // Atmosphere-Ocean. 2003. Vol. 41. No. 4. pp. 317–331.
  18. Andersen S. Monthly Arctic Sea Ice Signatures for use in Passive Microwave Algorithms. Danish Meteorological Institute. Technical report 98–18. December 1998. 29 p. URL:http://saf.met.no/docs/tiepoints.pdf
  19. Andersen S. Evaluation of SSM/I Sea Ice Algorithms for use in the SAF on Ocean and Sea Ice. Danish Meteorological Institute. Scientific report 00-10. July 2000. 49 p.
  20. Andersen S., Tonboe R., Kaleschke L., Heygster G., Pedersen L.T. Intercomparison of passive microwave sea ice concentration retrievals over the high-concentration Arctic sea ice. // J. of Geophysical Research. 2007. Vol. 112. № C08004. DOI: 10.1029/2006JC003543.
  21. Andersen S., Tonboe R., Kern S., Schyberg H. Improved retrieval of sea ice total concentration from spaceborne passive microwave observations using numerical weather prediction model fields: An intercomparison of nine algorithms. // Remote Sensing of Environment. 2006. Vol. 104. No. 4. pp . 374–392. DOI: 10.1016/j.rse.2006.05.013.
  22. Carsey F.D. editor. Microwave remote sensing of sea ice. Washington: American Geophysical Union. 1992. 462 p.
  23. Cavalieri D.J., Comiso J.C. Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD) for the AMSR-E Sea Ice Algorithm. Revised December 1 2000. 2000. Landover, Maryland USA: Goddard Space Flight Center. 79 p. URL:http://nsidc.org/data/amsre/pdfs/amsr_atbd_seaice.pdf
  24. Cavalieri D.J., P. Gloersen, and T.T. Wilheit. Aircraft and satellite passive microwave observations of the Bering Seaice cover during MIZEX West. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1986. Vol. GE-24. No. 3. pp . 368–377.
  25. Cho K., Nishiura K. A study on cloud effect reduction for extracting sea ice area from passive microwave sensor data. // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science. 2010. Vol. XXXVIII. No. 8. pp. 1042–1045.
  26. Comiso J.C. SSM/I Concentrations Using the Bootstrap Algorithm. NASA Reference Publication 1380. 1995. 50 pages.
  27. Comiso J.C. Polar Oceans from Space (Atmospheric and Oceanographic Sciences Library). New York: Springer. 2009. 507 p.
  28. Comiso J.C., T.C. Grenfell, D.L. Bell, M.A. Lange, and S.F. Ackley. Passive microwave in situ observations of winter Weddell sea ice. // Journal of Geophysical Research. 1989. Vol. 94. No. C8. pp. 10891–10905.
  29. Cuffey K.M., W.S.B. Paterson. The Physics of Glaciers. Elsevier. 2010. 704 p.
  30. Drinkwater M.R., J.P. Crawford, and D.J. Cavalieri. Multi-frequency, multi-polarization SAR and radiometer sea ice classification. Proceeding of International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS’91). New York, USA. 3–6 Jun 1991. Vol. I. pp. 107–111.
  31. Eicken H., Grenfell N. C., Perovich D. K., Richter-Menge J. A., Frey K. Hydraulic controls of summer Arctic pack ice albedo. // Journal of Geophysical Research. 2004. Vol. 109. No. C08007. DOI:10.1029/2003JC001989.
  32. Fliickiger K., Gmiinder H., Matzler Ch. Microwave signatures of sea ice from ARKTIS 93 experiment. // EARSeL Advances in Remote Sensing. 1994. Vol. 3. No. 2-XII.pp. 71–80.
  33. Gentemann C.L., Wentz F.J., Brewer M., Hilburn K., Smith D. Passive Microwave Remote Sensing of the Ocean: An Overview // Oceanography from Space. Revisited. Dordrecht, Heidelberg, London, New York: Springer, 2010. Ch. 2, pp. 13–33.
  34. Gloersen P., Campbell W.J., Cavalieri D.J., Comiso J.C., Parkinson C.L., Zwally H.J. Arctic and antarctic sea ice, 1978–1987: Satellite passive-microwave observations and analysis. 1992. Washington D.C.: NASA. 290 p.
  35. Grenfell T.C. Surface-based passive microwave observations of sea ice in the Bering and Greenland Seas. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1986. Vol. GE-24. No. 3. pp. 378–382.
  36. Grenfell T.C. Surface-based passive microwave studies of multiyear sea ice. // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1992. Vol. 97. No. C3. pp. 3485–3501.
  37. Grenfell T.C., and J.C.Comiso. Multifrequency passive microwave observations of first-year sea ice grown in a tank. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1986. Vol. GE-24. No. 6. pp. 826–831.
  38. Han H., Lee H. Comparison of SSM/I Sea Ice Concentration with Kompsat-1 EOC Images of the Arctic and Antarctic. // IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS 2006. July 31-Aug. 4 2006. Denver, CO. pp.714 –717.
  39. Hewison T. J., Selbach N., Heygster G., Taylor J. P., McGrath A. J. Airborne Measurements of Arctic Sea Ice, Glacier and Snow Emissivity at 24-183 GHz. // Proceeding IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2002. IGARSS '02. Vol. 5. pp. 2851–2855.
  40. Imaoka K., Kachi M., Kasahara M., Ito N., Nakagawa K., Oki T. Instrument performance and calibration of AMSR-E and AMSR2 // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science. 2010. Vol. XXXVIII. Part 8. pp. 1–16.
  41. Ivanova N.O., M. Johannessen, L.T. Pedersen, and R.T. Tonboe. Retrieval of Arctic Sea Ice Parameters by Satellite Passive Microwave Sensors: A Comparison of Eleven Sea Ice Concentration Algorithms. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 2014. Vol. 52. No. 11. pp. 7233–7246. DOI: 10.1109/TGRS.2014.2310136.
  42. Ivanova N.O., L.T. Pedersen, R.T. Tonboe, S. Kern, G. Heygster, T. Lavergne, A. Sørensen, R. Saldo, G. Dybkjaer, L. Brucker, and M. Shokr. Satellite passive microwave measurements of sea ice concentration: an optimal algorithm and challenges. // The Cryosphere Discussions. 2015. Vol. 9. pp. 1296–1313. DOI: 10.5194/tcd-9-1269-2015.
  43. Johannessen O.M., Ivanova N. Sea ice passive microwave algorithms and sar validation. // ESA Living Planet Symposium. At Bergen, Norway, 28 June –2 July 2010. Vol. ESA Proceedings SP-686.
  44. Kaleschke L., C. Lupkes, T. Vihma, J. Haarpaintner, A. Bochert, J. Hartmann, and G. Heygster. SSM/I sea ice remote sensing for mesoscale ocean-atmosphere interaction analysis. // Can. J. Remote Sens. 2001. Vol. 27. No. 5. pp. 526–537.
  45. Kern S. A new method for medium-resolution sea ice analysis using weather-influence corrected Special Sensor Microwave/Imager 85 GHz data. // Int. J. Remote Sensing. 2004. Vol. 25. pp. 1–28.
  46. Knuth M. A., Ackley S. F. Summer and early-fall sea-ice concentration in the Ross Sea: comparison of in situ ASPeCt observations and satellite passive microwave estimates. // Annals of Glaciology. 2006. Vol.4.No. 1. pp. 303–309. DOI: 10.3189/172756406781811466.
  47. Lewis M. J, Tison J. L, Weissling B., Delille B., Ackley S. F., Brabant F., Xie H. Sea ice and snow cover characteristics during the winter-spring transition in the Bellingshausen Sea: an overview of SIMBA 2007. // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2011. Vol. 58. No. 9–10. pp. 993–1276. Antarctic Sea Ice Research during the International Polar Year 2007-2009. pp. 1019–1038.
  48. Lovas S.M., Rubinstein I., Ulstad C. Weather influence on passive microwave brightness temperatures. // Polar Research. 1994. Vol. 13. No. 1. pp. 67–81.
  49. Matzler C., editor. Radiative transfer models for microwave radiometry. COST 712: Final Report of Project 1. Bern, Switzerland. February 2000. 176 p.
  50. Meier W.N. Comparison of passive microwave ice concentration algorithm retrievals with AVHRR imagery in Arctic Peripheral Seas. // IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens. 2005. Vol. 43. No. 6. pp.1324–1337.
  51. Meier W.N., Van Woert M.L., Bertoia1 C. Evaluation of operational SSM/I ice-concentration algorithms. // Annals of Glaciology. 2001. Vol. 33. pp. 102–108.
  52. Onstott R.G., Grenfell T.C., Matzler C., Luther C.A., and Svendsen E.A. Evolution of microwave sea ice signatures during early summer and midsummer in the marginal ice zone. // Journal of Geophysical Research. 1987. Vol. 92. No. C7. pp. 6825–6835.
  53. Pedersen L.T. Merging microwave radiometer data and meteorological data for improved sea ice concentrations. // EARSeL Advances in Remote Sensing. 1994. Vol. 3. No. 2-XII. pp. 81–89.
  54. Powell D.C., Markus T., Cavalieri D.J., Gasiewski A.J., Klein M., Maslanik J. A., Stroeve J.C., and Mathew Sturm. Microwave Signatures of Snow on Sea Ice: Modeling. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2006. Vol. 44. No. 11. pp. 3091–3102.
  55. Przybylak R. The Climate of the Arctic. Dordrecht: Kluwer Academic Publish. 2003. 271 p.
  56. Rees W.G. Remote Sensing of Snow and Ice. New York: Taylor&Franc. Group. 2006. 285 p.
  57. Serreze M., Barry R. The Arctic Climate System. Cambridge: University Press. 2005. 385 p.
  58. Shokr M., Lambe A., Tom Agnew T. A New Algorithm (ECICE) to Estimate Ice Concentration from Remote Sensing Observations: an Application to 85 GHz Passive Microwave Data. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008. Vol. 46. No. 12. pp. 4104–4121.
  59. Spreen G. Kaleschke L., and Heygster G. Sea ice remote sensing using AMSR-E 89-GHz channels. // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. No. C02S03. DOI:10.1029/2005JC003384.
  60. Sun N., Weng F. Evaluation of Special Sensor Microwave Imager/Sounder (SSMIS) Environmental Data Records // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008. Vol. 46. No. 4. pp. 1006–1016.
  61. Svendsen E., Kloster K., Farrelly B., Johannessen O.M., Johannessen J.A., Campbell W.J., Gloersen P., Cavalieri D.J., Matzler C. Norwegian Remote Sensing Experiment: Evaluation of the Nimbus-7 SMMR for sea ice research. // J. Geophys. Res. 1983. Vol. 88. pp. 2781–2791.
  62. Swift C.T., K.St. Germain, K.C. Jezek, S.P. Gogineni, A.J. Gow, D.K. Perovich, T.C. Grenfell, R.G. Onstott. Laboratory Investigations of the Electromagnetic Properties of Artificial Sea Ice. // Microwave remote sensing of sea ice. Carsey F.D., editor. Washington: American Geophysical Union. 1992. Ch. 9. pp. 61–84.
  63. Teleti P.R., Luis A.J. Sea Ice Observations in Polar Regions: Evolution of Technologies in Remote Sensing // International Journal of Geosciences. 2013. Vol. 4. No. 7. pp. 1031–1050. DOI: 10.4236/ijg.2013.47097.
  64. Thomas D. N., Dieckmann G. S., editors. Sea Ice. Blackwell Publishing. 2003.
  65. Tikhonov V.V., Boyarskii D.A., Repina I.A., Raev M.D., Sharkov E.A. 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. pp. 514–518.
  66. Tikhonov V.V., Boyarskii D.A., Sharkov E.A., Raev M.D., Repina I.A., Ivanov V.V., Alexeeva T.A., Komarova N.Yu. Microwave Model of Radiation from the Multilayer “Ocean-atmosphere” System for Remote Sensing Studies of the Polar Regions. // Progress In Electromagnetics Research B. 2014. Vol. 59. pp. 123–133.
  67. Tikhonov V.V., I.A. Repina, M.D. Raev, E.A. Sharkov, V.V. Ivanov, D.A. Boyarskii, T.A. Alexeeva, N.Yu. Komarova. A physical algorithm to measure sea ice concentration from passive microwave remote sensing data. // Advances in Space Research. 2015. Vol. 56. No. 8. pp. 1578-1589. DOI: 10.1016/j.asr.2015.07.009.
  68. Tucker W.B., T.C. Grenfell, R.G. Onstott, D.K. Perovich, A.J. Gow, R.A. Shuchman, and L.L. Sutherland. Microwave and Physical Properties of Sea Ice in the Winter Marginal Ice Zone. // J. Geophysical Research. 1991. Vol. 96. No. C3. pp. 4573–4587.
  69. Turner J., R. Bindschadler, P. Convey, G. di Prisco, E. Fahrbach, J. Gutt, D. Hodgson, P. Mayewski, C. Summerhayes - Eds. Antarctic Climate Change and the Environment. Scientific Committee on Antarctic Research Scott Polar Research Institute. Cambridge. 2009. 526 p.
  70. Voss S., HeygsterG., Ezraty R. Improving sea ice type discrimination by the simultaneous use of SSM/I and scatterometer data. // Polar Research. 2003. Vol. 22. No. 1. pp.35–42.
  71. Weng F., Zou X., Yan B., Han Y., Liu Q. Applications of Special Sensor Microwave Imager and Sounder (SSMIS) Measurements in Weather and Climate Studies // Advances in Meteorological Science and Technology. 2011. No. 1. pp. 14–24.