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. 2017. Т. 14. № 6. С. 73-96

Многолетние аэрокосмические наблюдения температуры земной поверхности Северо-Западного региона РФ

А.А. Тронин 1 , В.И. Горный 1 , В.Н. Груздев 1 , Б.В. Шилин 1 
1 Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 03.11.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-6-73-96
Рассмотрены специфические для тепловой аэрокосмической съёмки подходы к извлечению информации, заключённой во временных рядах температуры земной поверхности. Особенностью тепловой аэрокосмической съёмки, использующей инфракрасный тепловой диапазон электромагнитных волн, является наличие суточной, годовой и многолетней тепловой ритмики экзогенного источника тепла (солнечной радиации), действие которого формирует закономерную тепловую реакцию земной поверхности. Показано, что в последние десятилетия наблюдаются устойчивые многолетние тенденции роста температуры поверхности как у водоёмов, так и урбанизированных территорий. Применение теплоинерционного подхода к анализу временных рядов, отражающих суточные вариации температуры земной поверхности, позволило картировать теплофизические характеристики земной поверхности и на этой основе прогнозировать детальное пространственное распределение eё температуры при любых сценариях изменения климата и урбанизации. Отсутствие отечественных измерительных авиационных тепловизионных систем ограничило набор алгоритмов, используемых для извлечения информации, заключённой во временных рядах температуры земной поверхности. Пришлось использовать, в основном, статистические методы выделения аномалий температуры земной поверхности и методы, основанные на изменении ситуации на материалах повторных съёмок (change detection). Тем не менее, технологии применения тепловой аэросъёмки для выявления сбросов промышленных и бытовых вод в акватории рек и контроля технического состояния городских систем теплоснабжения доведены до уровня широкой практической реализации.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, температура, тепловые ритмы, временной ряд, изменение климата, урбанизация, информация, прогноз, экологическая безопасность
Полный текст

Список литературы:

  1. Алимов А. Ф., Голубков С. М. Изменения в экосистемах восточной части Финского залива // Вестник РАН. 2008. Т. 78. № 3. С. 223–234.
  2. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации: М.: Росгидромет, 2014. 1008 с.
  3. Гаврилов Д. С., Груздев В. Н., Васильев И. А., Хотяков В. В., Шилин Б. В. Основные достижения в развитии тепловой аэросъёмки // Оптический журн. 2003. Т. 70. № 10. С. 77–83
  4. Гаврилов Д. С., Шилин Б. В. Мониторинг загрязнений акваторий с помощью авиационного тепловизионного комплекса // Оптический журнал. 2004. Т. 71. № 3. С. 77–82.
  5. Горный В. И. Геодинамика Восточно-Европейской и Западно-Сибирской платформ (по данным дистанционного геотермического метода) // Региональная геология и металлогения. 2000. № 12. C. 76–86.
  6. Горный В. И. Космические измерительные методы инфра-красного теплового диапазона при мониторинге потенциально опасных явлений и объектов // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2004. Т. 2. № 1. С. 10–16.
  7. Горный В. И. Распределение конвективного теплового потока в Беломорском регионе по данным дистанционного геотермического метода // Природная среда Соловецкого архипелага в условиях меняющегося климата / под ред. Ю. Г. Шварцмана, И. Н. Болотова. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. C. 26–28.
  8. Горный В. И., Груздев В. Н., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А., Шилин Б. В. (1997б) Сравнение теплопотерь теплопроводов с различными типами изоляции методом полевой инфракрасной ра­диометрии // Теплоэффективные технологии. № 4. 1997. C. 54–59.
  9. Горный В. И., Донченко В. К., Самуленков Д. А., Сапунов М. В., Бровкина О. В., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А. (2017б) О циркуляции воздушных масс в «тепловых островах» городов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 4. С. 207–212.
  10. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш. Термодинамический подход для дистанционного картографирования нарушенности экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 179–194.
  11. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А. Особенности минералогической зональности рудно-магматических систем, вмещающих кварцево-жильные месторождения золота (по материалам спутниковой спектрометрии) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 3. С. 140–156.
  12. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А., Киселев А. В., Бровкина О. В., Филиппо­вич В. Е., Станкевич С. А., Лубский Н. С. (2017а) Теплофизические свойства поверхности городской среды (по результатам спутниковых съёмок Санкт-Петербурга и Киева) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 3. С. 74–89.
  13. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А., Шилин Б. В. (1997а) Дистанционный измерительный мониторинг теплопотерь городских и промышленных агломераций (на примере Санкт Петербурга и Хельсинки) // Теплоэффективные технологии. № 2. 1997. C. 17–23.
  14. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Храмцов В. Н. Верификация крупномасштабных карт термодинамического индекса нарушенности экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 4. С. 201–212.
  15. Горный В. И., Лялько В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А., Филиппович В. Е., Станке­вич С. А., Бровкина О. В., Киселев А. В., Давидан Т. А., Лубский Н. С. Крылова А. Б. Прогноз тепловой реакции городской среды Санкт-Петербурга и Киева на изменение климата (по материалам съемок спутниками EOS и Landsat) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 176–191.
  16. Горный В. И., Теплякова Т. Е. О влиянии эндогенного тепла Земли на формирование в бореальной зоне локальных ареалов неморальной растительности // ДАН. 2001. Т. 378. № 5. География. С. 560–561.
  17. Горный В. И., Шилин Б. В., Ясинский Г. И. Тепловая аэрокосмическая съёмка. М.: Недра, 1993. 128 с.
  18. Груздев В. Н., Зайцев В. А., Шилин Б. В. Развитие технических средств и методики тепловой аэросъёмки. Труды международной конференции «Прикладная оптика — 2008». Санкт-Петербург, 20–24 окт. 2008. 2008. С. 251–258.
  19. Крицук С. Г., Горный В. И., Латыпов И. Ш. Повышение детальности спутникового картографирования теплофизических характеристик земной поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 5. С. 277–290.
  20. Науменко М. А., Гузиватый В. А., КаретниковС. Г. Термический режим Ладожского озера / под ред. В. А. Румянцева, С. А. Кондратьева // Ладога. СПб.: Ин-т озероведения РАН, 2013. С. 137–151.
  21. Станкевич С. А., Филиппович В. Е., Лубский Н. С., Крылова А. Б., Крицук С. Г., Бровкина О. В., Гор­н­ый В. И., Тронин А. А. Интеркалибрация методов восстановления термодинамической температуры поверхности урбанизированной территории по материалам тепловой космической съёмки // Український журнал дистанційного зондування Землі. 2015. № 7. C. 14–23.
  22. Тронин А. А., Шилин Б. В. Космическое тепловидение при решении задач экологической безопасности // Оптический журн. 2015. Вып. 7. Т. 82. С. 19–24.
  23. Тронин А. А., Шилин Б. В. Мониторинг шлейфов городских очистных сооружений Санкт-Петербур­га аэрокосмической тепловой съёмкой // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. № 5. Т. 2. С. 586–594.
  24. Шилин Б. В., Молодчинин И. А. Контроль состояния окружающей среды тепловой аэросъёмкой. М.: Недра, 1992. 76 с.
  25. Шилин Б. В., Тронин А. А. Тепловая аэросъёмка. История, развития и состояние // Оптический журн. 2015. Т. 82. № 7. С. 4–9.
  26. Avissar R., Pielke R. A. A parameterization of heterogeneous land surfaces for atmospheric numerical models and its impact on regional meteorology // Monthly Weather Review. 1989. V. 117. P. 2113–2136. http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0493(1989)117%3C2113%3AAPOHLS%3E2.0.CO%3B2 (актуально в 2017).
  27. Bradtke K., Herman A., Urbański J. A. Spatial and Interannual Variations of Seasonal Sea Surface Temperature Patterns in the Baltic Sea // Oceanologia. 2010. V. 52. Iss. 3. P. 345–362. DOI: 10.5697/oc.52-3.345.
  28. Brown O. B., Minnett P. J. MODIS Infrared Sea Surface Temperature Algorithm. Algorithm Theoretical Basis Document. Version 2.0. Miami: University of Miami, 1999. P. 98.
  29. Caldeira K., Wickett M. E. Anthropogenic carbon and ocean pH // Nature. 2003. V. 425 (6956). P. 365–365. DOI: 10.1038/425365a.
  30. Cotton W. R., Pielke R. A. Human Impacts on Weather and Climate: Cambridge: University Press, 2007. 308 p.
  31. Cracknell A. P. The Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR). L.: Taylor and Francis, 1997. 534 p.
  32. Cracknell A. P., Xue Y. Thermal inertia determination from space — a tutorial review // Intern. J. Remote Sensing. 1996. V. 17. No. 3. P. 431−461.
  33. Encyclopedia of Global Warming and Climate Change / ed. Philander S. G. L.: SAGE Publications, Inc., 2012. 1641 p. DOI: http://dx.doi.org/10.4135/9781452218564.
  34. Gorny V. I., Kritsuk S. G., Latipov I.Sh., Tronin A. A., Shilin B. V. Estimation of Nuclear Power Plants Influence on the Baltic Sea Thermal State by Using Infrared Thermal Satellite Data // Intern. J. Remote Sensing. 2000. V. 21. Iss. 12. P. 2479–2496. DOI: 10.1080/01431160050030574.
  35. Gornyy V. I., Kritsuk S. G., Latypov I. Sh. Remote Mapping of Thermodynamic Index of Ecosystem Health Disturbance // J. Environmental Protection. 2010. No. 1. P. 242–250.
  36. Jaeger J. C. Conduction of heat in a solid with periodic boundary conditions with application to the surface temperature of the moon // Proc. Cambridge philosophical society. 1953. V. 49. Pt. 2. P. 355–359.
  37. Jiménez-Muñoz J.-C., Sobrino J. A. Split-Window Coefficients for Land Surface Temperature Retrieval From Low-Resolution Thermal Infrared Sensors // IEEE Geosiences and Remote Sensing Letters. 2008. V. 5. No. 4. P. 806–809.
  38. Price J. C. On the use of satellite data to infer surface fluxes at meteorological scales // J. Applied Meteorology. 1982. V. 21. P. 1111−1122.
  39. Saradjian M. R., Akhoondzadeh M. Thermal anomalies detection before strong earthquakes (M > 6.0) using interquartile, wavelet and Kalman filter methods // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2011. No. 11. P. 1099–1108.
  40. Sekioka M., Yuhara K. Heat Flux Estimation in Geothermal Areas Based on the Heat Balance of Ground Surface // J. Geophysical Research. 1974. V. 79. No. 14. P. 2053–2058.
  41. Singh, Ashbindu. Review Article Digital change detection techniques using remotely-sensed data // Intern. J Remote Sensing. 1989. V. 10. Iss. 6. P. 989–1003.
  42. SST data sets: overview & comparison table. https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/sst-data-sets-overview-comparison-table (актуально в 2017).
  43. Stramska M., Białogrodzka J. Spatial and Temporal Variability of Sea Surface Temperature in the Baltic Sea Based on 32-years (1982–2013) of Satellite Data // Oceanologia. 2015. V. 57. Iss. 3. P. 223–292.
  44. Tramutoli V., Corrado R., Filizzola C., Genzano N., Lisi M., Paciello R., Pergola N. One year of RST based satellite thermal monitoring over two Italian seismic areas // Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata. 2015. V. 56. No. 2. P. 275–294.
  45. Tronin А. The satellite-measured sea surface temperature change in the Gulf of Finland // Intern. J. Remote Sensing. 2017. V. 38. No. 6. P. 1541–1550.
  46. Watson K., Rowan L. C., Offield T. V. Application of Thermal Modelling in Geologic Interpretation of IR Images // Proc. 7th Intern. Symp. Remote Sensing of Environment. Ann Arbor. Michigan. 1971. P. 2017–2041.
  47. Xue Y., Cracknell A. P. Advanced Thermal Inertia Modeling // Intern. J. Remote Sensing. 1995. V. 16. No. 3. P. 431–446.