Використання космічної інформації у вивченні гідросфери: Застосування супутникових спостережень для досліджень снігового і льодового покриву

Тут будуть розглянуті загальні представлення і моделі формування снігового і льодового покриву, радіаційного балансу, моделі танення, ключові змінні і відповідні інформативні ознаки гляціологічних процесів за матеріалами ДЗЗ, перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях снігового і льодового покриву, перелік основних супутникових місій і типів приладів для дослідження снігу і льоду, система супутникового спостереження льодового і снігового покриву IMS (NOAA/NESDIS), спостереження за поширенням, потужністю та динамікою снігового покриву, вивчення покривного та гірського зледеніння, методи оцінки динаміки снігових запасів і танення снігу за даними супутникових спостережень в оптичному і радіодіапазонах, льодова проводка і контроль плавучого льоду, вивчення вічної мерзлоти.

Сніговий і льодовий покрив є, з одного боку, невід’ємними складовими гідросфери, і розглядаються в рамках загальних кліматичних моделей. Але, з іншого боку, сукупність моделей, технічних методів і методик спостереження, що використовуються для їхнього вивчення, суттєво відрізняють їх від інших складових гідросфери. Тому є сенс розглядати їх окремо в рамках нашого курсу.

Формальна модель, яка визначає змінні, які ми контролюємо за допомогою методів ДЗЗ, базується на уявленні про енергетичний баланс снігового і льодового покриву. Це уявлення також включає компоненти переносу маси.

 Моделей снігового покриву може бути кілька типів. Вони відрізняються кількістю компонент, з яких складається модельована система. Найточнішою вважається чотирикомпонентна модель, яка включає частинки льоду різної грануляції, повітря, воду і водяну пару. Взаємозв'язки між потоками речовини, маси і перетворення різних фаз і визначають модельний опис системи у відповідності до зміни зовнішньої температури і надходження опадів із атмосфери.

На цій основі може бути введена і модель танення снігового покриву у басейнах водозбору в залежності від метеофакторів.

Ці моделі оперують змінними температури, альбедо снігу, площі снігового покриву, і на виході дозволяють оцінювати парметри покриву і вихід води при таненні. Таким чином можна сформулювати основні задачі ДЗЗ при вивченні снігового і льодового покриву.

Основні задачі для застосування даних ДЗЗ: льодовий покрив

§         Моніторинг обсягу і потужності льодового покриву (глобальний і регіональний):

§         Вивчення міжрічної мінливості і аномалій температур;

§         Оцінка запасів опадів для аналізу довгострокової мінливості динаміки опадів;

§         Вивчення варіацій танення для аналізу припливу прісної води в океан з метою оцінки впливу на течії.

§         Забезпечення навігації (регіональний і локальний рівень):

§         Супроводження судноплавства в зонах льодоставу;

§         Визначення небезпеки окремих айсбергів

Основні задачі для застосування даних ДЗЗ: сніговий покрив

• Моніторинг обсягу і потужності снігового покриву (глобальний і регіональний):
• Вивчення міжрічної мінливості і аномалій температур;
• Оцінка запасів опадів для аналізу довгострокової мінливості динаміки опадів;
• Дослідження вічної мерзлоти.
• Вивчення міжрічної мінливості снігозапасів і динаміки снігового покриву (регіональний і локальний):
• Аналіз сніготанення з метою прогнозування динаміки водного балансу територій  и прогнозування надзвичайних ситуацій;
• Прогнозування біологічної продуктивності ландшафтів (аналіз промерзання ґрунту та динаміка вологонасичення);
• Визначення напрямку регіональних кліматичних змін за динамікою переміщення вологих повітряних мас

 На даний час приведений перелік задач у достатньо повному обсязі вирішується за допомогою інтегрованої системи супутникового спостереження льодового і снігового покриву, розробленої як багатокомпонентна система, що почала працювати у 2002 році.

Вона включає багато приладів, які можуть використовуватися для дослідження всіх компонент кріосфери.

Наприклад, важливою і цікавою є задача моніторингу льодовиків. 

З точки зору моніторингу кліматичних змін, а також з огляду забезпечення судноплавства, важливим є багаторічний моніторинг змін потужності морського льодового покриву

Ця задача вирішується за окремими регіонами, за середніми показниками і аномальними розподілами.

З точки зору безпеки судноплавства вважається актуальною задача реєстрації окремих айсбергів. Ця задача також вирішується засобами оптичного діапазону.

Оцінка розповсюдженості снігового покриву може бути зроблена на основі використання спектральних особливостей снігу. Зокрема, спектральні індекси є цілком придатними для цієї задачі. Питанням є лише регіональна калібровка порогових значень цих індексів.

Таким чином ми отримуємо можливість оцінювати вкриті снігом території і загальні снігозапаси.

Ці оцінки можна робити як на регіональній, так і на глобальній шкалі.

Крім оптики в задачах оцінки розповсюдження і властивостей снігового покриву використовується ближній інфрачервоний діапазон.

На локальному рівні за такими оцінками можна визначити кількість води, що потрапить у русло і визначає ймовірність паводку.

Зважаючи на часове і просторове розрізнення таких даних (від 8 до 12 годин і від 30 до 250 метрів відповідно), можна вважати ці дані достатньо достовірними. Це підтверджується калібрувальними розрахунками на багатьох басейнах.

Окремою задачею є вивчення вічної мерзлоти. Це задача, важлива з точки зору кліматології і геоморфології, а також безпеки по відношенню до глобальних змін. Зважаючи на велики площі таких території і їхню важку доступність, дані ДЗЗ є чи не єдиним надійним джерелом просторової інформації про стан геосистем.

Рекомендована література:

1.     Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9

2.     Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2

3.     Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.

4.     Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6

5.     Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6