Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
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. 2021. Т. 18. № 5. С. 47-64

О возможности восстановления снегозапаса снежного покрова по данным спутниковой микроволной радиометрии

В.В. Тихонов 1, 2 , Ю.В. Соколова 3, 1 , Д.А. Боярский 1 , Н.Ю. Комарова 1 
1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
2 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, Россия
3 Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 07.09.2021
DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-5-47-64
Работа посвящена исследованиям сезонной и межгодовой динамики яркостной температуры четырёх тестовых участков севера европейской части России (Мурманская и Архангельская области, Республика Коми). Исследования выполнены для частот 1,4; 19,35; 22,24; 37; 91,655 ГГц. В качестве спутниковой информации использованы данные радиометров SSMIS (англ. Special Sensor Microwave Imager/Sounder) и MIRAS (англ. Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis). Выполнен анализ зависимостей яркостной температуры различных каналов от климатических характеристик (температуры, количества осадков, толщины снежного покрова), а также разных типов ландшафта. Для оценки структуры ландшафта тестовых участков (относительные площади различных типов поверхности: лес, болота, водные объекты и т. п.) были использованы данные спутника Landsat-8 и PROBA-V. Показано, что применение алгоритмов восстановления толщины и снегозапаса снежного покрова, построенных на основе данных спутниковых микроволновых радиометров, работающих в диапазоне частот 19–92 ГГц (SSM/I, SSMIS), должно приводить к существенным ошибкам для лесной зоны с хвойной растительностью. Использование радиометра MIRAS (1,4 ГГц) спутника SMOS для определения толщины и снегозапаса снежного покрова является также неэффективным.
Ключевые слова: спутниковая микроволновая радиометрия, снежный покров, снегозапас
Полный текст

Список литературы:

  1. Березин К. А., Дмитриев А. В., Дмитриев В. В. Исследование статистической значимости алгоритмов восстановления влагозапаса снега // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 3. С. 301–309.
  2. Боярский Д. А., Романов А. Н., Хвостов И. В., Тихонов В. В., Шарков Е. А. Оценка глубины промерзания почвенного покрова по данным спутника SMOS // Исслед. Земли из космоса. 2019. № 2. С. 3–13.
  3. Голунов В. А. Тепловое излучение сухого однородного снежного покрова в диапазоне ММВ // Успехи современной радиоэлектроники. 2002. № 6. С. 35–44.
  4. Голунов В. А., Коротков В. А., Сухонин Е. В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом // Итоги науки и техники. Сер.: Радиотехника. Т. 41. М.: ВИНИТИ, 1990. С. 68–136.
  5. Голунов В. А., Кузьмин А. В., Скулачев Д. П., Хохлов Г. И. Экспериментальные спектры ослабления, рассеяния и поглощения миллиметровых волн в сухом свежевыпавшем снеге // Журн. радиоэлектроники. 2016. № 9. 6 с.
  6. Голунов В. А., Кузьмин А. В., Скулачев Д. П., Хохлов Г. И. Результаты экспериментального исследования частотной зависимости ослабления, рассеяния и поглощения миллиметровых волн в сухом снежном покрове // Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 9. С. 857–865.
  7. Ермаков Д. М., Раев М. Д., Суслов А. И., Шарков Е. А. Электронная база многолетних данных глобального радиотеплового поля Земли в контексте многомасштабного исследования системы океан – атмосфера // Исслед. Земли из космоса. 2007. № 1. С. 7–13.
  8. Изменение природной среды России в XX веке / под ред. Котлякова В. М., Люри Д. И. М.: Молнет, 2012. 404 с.
  9. Китаев Л. М. Анализ характера снегозапасов с использованием спутниковой информации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 4. С. 118–124.
  10. Китаев Л. М., Титкова Т. Б. Оценка снегозапасов по данным спутниковой информации // Криосфера Земли. 2010. Т. 14. № 1. С. 76–80.
  11. Китаев Л. М., Титкова Т. Б. Зональные особенности изменений снегозапасов Восточно-Европейской равнины (по данным спутниковых наблюдений) // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2020. Т. 17. № 5. С. 167–178. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-5-167-178.
  12. Китаев Л. М., Тихонов В. В., Титкова Т. Б. Точность воспроизведения по спутниковым данными аномальных значений снегозапасов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 1. С. 27–39. DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-1-27-39.
  13. Китаев Л. М., Титкова Т. Б., Турков Д. В. Точность воспроизведения межгодовой изменчивости снегозапасов восточно-европейской равнины по данным спутниковой информации на примере продукта Glodsnow (SWE) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 1. С. 164–175. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-1-164-175.
  14. Носенко Г. А., Долгих Н. А., Носенко О. А. О возможности практической реализации существующих алгоритмов восстановления характеристик снежного покрова по данным микроволновых съемок из космоса для мониторинга водных ресурсов // Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов: сб. / под ред. Е. А. Лупяна. М.: GRANP polygraph, 2005. Т. 2. С. 150–156.
  15. Ромасько В. Ю. Использование информации со спутников для мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на воде // Технологии гражданской безопасности. 2004. № 4. С. 60–65.
  16. Сухинин А. И., Воробьева М. В., Охоткина Е. А. Космический мониторинг снегового покрова Сибири по данным радиометра MODIS // Вестн. Сибирского гос. аэрокосм. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева. 2011. № 4. С. 90–96.
  17. Alekseeva T., Tikhonov V., Frolov S., Repina I., Raev M., Sokolova J., Sharkov E., Afanasieva E., Serovetnikov S. Comparison of Arctic Sea Ice Concentrations from the NASA Team, ASI, and VASIA2 Algorithms with Summer and Winter Ship Data // Remote Sensing. 2019. V. 11. No. 21. Art. No. 2481. 31 p.
  18. Armstrong R. L. Brodzik M. J. Recent Northern Hemisphere snow extent: A comparison of data derived from visible and microwave satellite sensors // Geophysical Research Letters. 2001. V. 28. No. 19. P. 3673–3676.
  19. Biancamaria S., Mognard N. M., Boone A., Grippa M., Josberger E. G. A satellite snow depth multi-year average derived from SSM/I for the high latitude regions // Remote Sensing of Environment. 2008. V. 112. P. 2557–2568.
  20. Boyarskii D. A., Tikhonov V. V. The Influence of Stratigraphy on Microwave Radiation from Natural Snow Cover // J. Electromagnetic Waves and Applications. 2000. V. 14. No. 9. P. 1265–1285.
  21. Boyarskii D. A., Tikhonov V. V., Kleeorin N. I., Mirovskii V. G. Inclusion of scattering losses in the models of the effective permittivity of dielectric mixtures and applications to wet snow // J. Electromagnetic Waves and Applications. 1994. V. 8. No. 11. P. 1395–1410.
  22. Buchhorn M., Smets B., Bertels L., De Roo B., Lesiv M., Tsendbazar N. E., Linlin L., Tarko A. (2020a) Copernicus Global Land Service: Land Cover 100m: Version 3 Globe 2015–2019: Product User Manual. Zenodo. Geneve, Switzerland, 2020. DOI: 10.5281/zenodo.3938963.
  23. Buchhorn M., Smets B., Bertels L., De Roo B., Lesiv M., Tsendbazar N. E., Herold M., Fritz S. (2020b) Copernicus Global Land Service: Land Cover 100m: collection 3: epoch 2015: Globe. 2020. DOI: 10.5281/zenodo.3939038.
  24. Chang A. T. C., Foster J. L., Hall D. K., Rango A., Hartline B. K. Snow water equivalent estimation by microwave radiometry // Cold Regions Science and Technology. 1982. V. 5. No. 3. P. 259–267.
  25. Chang A. T. C., Foster J. L., Hall D. K. Nimbus-07 SMMR derived global snow cover parameters // Annals of Glaciology. 1987. V. 9. P. 39–44.
  26. Dai L., Che T., Ding Y., Hao X. Evaluation of snow cover and snow depth on the Qinghai – Tibetan Plateau derived from passive microwave remote sensing // The Cryosphere. 2017. No. 11. P. 1933–1948.
  27. Davenport I., Sandells M., Gurney R. The effects of variation in snow properties on passive microwave snow mass estimation // Remote Sensing of the Environment. 2012. V. 118. No. 1. P. 161–175.
  28. Ding J., Bi L., Yang P., Kattawar G. W., Weng F., Liu Q., Greenwald T. Single-scattering properties of ice particles in the microwave regime: Temperature effect on the ice refractive index with implications in remote sensing // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2017. V. 190. P. 26–37.
  29. Dozier J. Spectral signature of alpine snow cover from the Landsat Thematic Mapper // Remote Sensing of Environment. 1989. V. 28. No. 1–3. P. 9–22.
  30. Emery W., Camps A. Introduction to Satellite Remote Sensing: Atmosphere, Ocean, Land and Cryosphere Applications. Amsterdam: Elsevier, 2017, 856 p.
  31. Foster J. L., Chang A. T. C., Hall D. K. Comparison of snow mass estimates from a prototype passive microwave snow algorithm, a revised algorithm and snow depth climatology // Remote Sensing of Environment. 1997. V. 62. P. 132–142.
  32. Gan Y., Zhang Y., Kongoli C., Grassotti C., Liu Y., Lee Y.-K., Seo D.-J. Evaluation and blending of ATMS and AMSR2 snow water equivalent retrievals over the conterminous United States // Remote Sensing of Environment. 2021. V. 254. No. 1. Art. No. 112280.
  33. Golunov V. A. The millimeter wave response to volume density and grain size of dry homogeneous snow: An algorithm for retrieval of snow depth from radiometer data at the frequencies 22 and 37 GHz // Proc. 10th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing for the ENVI. March 12–14, 2008. Florence, Italy. 2008. DOI: 10.1109/MICRAD.2008.4579510.
  34. Gutierrez A., Castro R., Vieira P. SMOS L1 Processor L1c Data Processing Model. Lisboa, Portugal: DEIMOS Engenharia, 2014. 80 p. URL: https://earth.esa.int/documents/10174/1854456/SMOS_L1c-Data-Processing-Models.
  35. Hall D. K., Riggs G. A. Accuracy assessment of the MODIS snow-cover products // Hydrological Processes. 2007. V. 21. No. 12. P. 1534–1547.
  36. Hall D. K., Riggs G. A., Salomonson V. V., DiGirolamo N., Bayr K. J. MODIS snow-cover products // Remote Sensing of Environment. 2002. V. 83. No. 1–2. P. 181–194.
  37. Hallikainen M., Jolma P. Comparison of algorithms for retrieval of snow water equivalent from Nimbus-7 SMMR data in Finland // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1992. V. 30. No. 1. P. 124–131.
  38. Hallikainen M., Jolma P., Heeppa J. Satellite microwave radiometry of forest and surface types in Finland // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1988. V. GE-26. P. 622–628.
  39. Hu Y., Che T., Dai L., Xiao L. Snow Depth Fusion Based on Machine Learning Methods for the Northern Hemisphere // Remote Sensing. 2021. V. 13. Art. No. 1250.
  40. Kelly R. E. J. The AMSR-E Snow Depth Algorithm: Description and Initial Results // J. Remote Sensing Society of Japan. 2009. V. 29. No. 1. P. 307–317.
  41. Kelly R. E. J., Chang A. T. C. Development of a passive microwave global snow depth retrieval algorithm for Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) and Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS (AMSR-E) data // Radio Science. 2003. V. 38. No. 4. P. 8076.
  42. Klein A. G., Barnett A. C. Validation of daily MODIS snow cover maps of the Upper Rio Grande River Basin for the 2000–2001 snow year // Remote Sensing of Environment. 2003. V. 86. No. 2. P. 162–176.
  43. Kunzi K. F., Patil S., Rott H. Snow-cover parameters retrieval from Nimbus-7 scanning multichannel microwave radiometer (SMMR) data // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1982. V. GE-20. P. 452–467.
  44. Landsat — Earth observation satellites. Version 1.2. April 2020. U. S. Geological Survey. 2016. 4 p. URL: https://pubs.er.usgs.gov/publication/fs20153081.
  45. Lemmetyinen J. Microwave radiometry of snow covered terrain and calibration of an interferometric radiometer: Doctoral Thesis. Helsinki, 2012. 162 p.
  46. Lemmetyinen J., Pulliainen J., Rees A., Kontu A., Qiu Y., Derksen C. Multiple-Layer Adaptation of HUT Snow Emission Model: Comparison with Experimental Data // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2010. V. 48. No. 7. P. 2781–2794.
  47. Magagi R., Bernier M., Bouchard M.-C. Use of ground observations to simulate the seasonal changes in the backscattering coefficient of the subarctic forest // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2002. V. 40. No. 2. P. 281–297.
  48. Matzler C., Wiesmann A. Extension of the Microwave Emission Model of Layered Snowpacks to Coarse-Grained Snow // Remote Sensing of Environment. 1999. V. 70. No. 3. P. 317–325.
  49. Maurer E. P., Rhoads J. D., Dubayah R. O., Lettenmaier D. Evaluation of the snow-covered area data product from MODIS // Hydrological Processes. 2003. V. 17. No. 1. P. 59–71.
  50. Nolin A. W. Recent advances in remote sensing of seasonal snow // J. Glaciology. 2010. V. 56. No. 200. P. 1141–1150.
  51. Parajka J., Bloschl G. Validation of MODIS snow cover images over Austria. // Hydrology and Earth System Sciences. 2006. V. 10. No. 5. P. 679–689.
  52. Picard G., Brucker L., Roy A., Dupont F., Fily M., Royer A., Harlow C. Simulation of the microwave emission of multi-layered snowpacks using the Dense Media Radiative transfer theory: the DMRT-ML model // Geoscientific Model Development. 2013. V. 6. P. 1061–1078.
  53. Pulliainen J., Hallikainen M. Retrieval of regional snow water equivalent from space‐borne passive microwave observations // Remote Sensing of Environment. 2001. V. 75. No. 1. P. 76–85.
  54. Pulliainen J., Grandell J., Hallikainen M. HUT snow emission model and its applicability to snow water equivalent retrieval // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 1999. V. 37. No. 3. P. 1378–1390.
  55. Rees W. G. Remote Sensing of Snow and Ice. N. Y.: Taylor and Francis, 2006. 285 p.
  56. Roy A., Royer A., St-Jean-Rondeau O., Montpetit B., Picard G., Mavrovic A., Marchand N., Langlois A. Microwave snow emission modeling uncertainties in boreal and subarctic environments // The Cryosphere. 2016. V. 10. P. 623–638.
  57. Sahr K., White D., Kimerling A. J. Geodesic Discrete Global Grid System // Cartography and Geographic Information Science. 2003. V. 30. No. 2. P. 121–134.
  58. Shih S.-E., Ding K.-H., Kong J. A., Yang Y. E. Modeling of millimeter wave backscatter of time-varying snowcover // Progress in Electromagnetics Research. 1997. V. 16. P. 305–330. DOI: 10.2528/PIER97012600.
  59. Singh P. R., Gan T. Y. Retrieval of snow water equivalent using passive microwave brightness temperature data // Remote Sensing of Environment. 2000. V. 74. No. 2. P. 275–286.
  60. Tedesco M. Remote sensing of the cryosphere. Oxford: John Wiley and Sons, 2015. 404 p.
  61. Tedesco M., Narvekar P. Assessment of the NASA AMSR-E SWE Product // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2010. V. 3. No. 1. P. 141–159.
  62. Tedesco M., Pulliainen J., Takala M., Hallikainen M., Pampaloni P. Artificial neural network-based techniques for the retrieval of SWE and snow depth from SSM/I data // Remote Sensing of Environment. 2004. V. 90. P. 76–85.
  63. Tedesco M., Kim E. J., England A. W., De Roo R. D., Hardy J. P. Brightness Temperatures of Snow Melting/Refreezing Cycles: Observations and Modeling Using a Multilayer Dense Medium Theory-Based Model // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2006. V. 44. No. 12. P. 3563–3573.
  64. Tikhonov V., Khvostov I., Romanov A., Sharkov E. Theoretical study of ice cover phenology at large freshwater lakes based on SMOS MIRAS data // The Cryosphere. 2018. V. 12. No. 8. P. 2727–2740.
  65. Tou J. T., Gonzalez R. C. Pattern Recognition Principles. L.; Amsterdam; Ontario; Sydney; Tokyo: Addison-Wesley Publishing Company, 1974. 378 p.
  66. Tsang L., Chen C., Chang A. T. C., Guo J., Ding K. Dense media radiative transfer theory based on quasicrystalline approximation with applications to passive microwave remote sensing of snow // Radio Science. 2000. V. 35. P. 731–749.
  67. Wiesmann A., Matzler C. Microwave emission model of layered snowpacks // Remote Sensing of Environment. 1999. V. 70. No. 3. P. 307–316.
  68. Wiesmann A., Matzler C., Weise T. Radiometric and structural measurements of snow samples // Radio Science. 1998. V. 33. No. 2. P. 273–289.