Концентрация морского льда
Площадь морского льда относительно общей площади в данной точке океана

Концентрация морского льда является полезной переменной для климатологов и морских навигаторов . Она определяется как площадь морского льда относительно общей площади в заданной точке океана . В этой статье в первую очередь будет рассматриваться ее определение с помощью измерений дистанционного зондирования .

Значение

Концентрация морского льда помогает определить ряд других важных климатических переменных. Поскольку альбедо льда намного выше, чем у воды, концентрация льда будет регулировать инсоляцию в полярных океанах. В сочетании с толщиной льда она определяет несколько других важных потоков между воздухом и морем, таких как потоки соли и пресной воды между полярными океанами (см., например, придонную воду ), а также теплообмен между атмосферой. Карты концентрации морского льда можно использовать для определения площади морского льда и протяженности морского льда , которые являются важными маркерами изменения климата .

Карты сплоченности льда также используются мореплавателями для определения потенциально проходимых районов — см. ледокол .

Методы

На месте

Измерения с кораблей и самолетов основаны на простом расчете относительной площади льда по сравнению с видимой в пределах сцены водой. Это можно сделать с помощью фотографий или на глаз. Измерения на месте используются для проверки измерений дистанционного зондирования.

SAR и видимый

Как радиолокатор с синтезированной апертурой , так и видимые датчики (например, Landsat ) обычно имеют достаточно высокое разрешение, чтобы каждый пиксель просто классифицировался как отдельный тип поверхности, т. е. вода или лед. Затем концентрацию можно определить, подсчитав количество пикселей льда в заданной области, что полезно для проверки оценок концентрации с помощью инструментов с более низким разрешением, таких как микроволновые радиометры. Поскольку изображения SAR обычно монохромны, а обратное рассеяние льда может значительно различаться, классификация обычно выполняется на основе текстуры с использованием групп пикселей — см. распознавание образов .

Недостатком видимых датчиков является их значительная чувствительность к погодным условиям — изображения затеняются облаками, в то время как датчики SAR, особенно в режимах с высоким разрешением, имеют ограниченное покрытие и должны быть направлены. Вот почему инструментом выбора для определения концентрации льда часто является пассивный микроволновый датчик. [1] [2]

Микроволновая радиометрия

Покрытие арктического морского льда в 1980 (внизу) и 2012 (вверху) годах, по данным пассивных микроволновых датчиков на спутнике NASA Nimbus-7 и специального датчика микроволнового изображения/звукового зонда (SSMIS) из Программы метеорологических спутников обороны (DMSP). Многолетний лед показан ярко-белым цветом, а средний морской ледяной покров показан светло-голубым или молочно-белым цветом. Данные показывают ледяной покров за период с 1 ноября по 31 января в соответствующие годы.

Все теплые тела испускают электромагнитное излучение: см. тепловое излучение . Поскольку разные объекты будут излучать по-разному на разных частотах, мы часто можем определить, какой тип объекта мы рассматриваем, основываясь на его испускаемом излучении — см. спектроскопия . Этот принцип лежит в основе всех пассивных микроволновых датчиков и большинства пассивных инфракрасных датчиков. Пассивный используется в том смысле, что датчик измеряет только излучение, испускаемое другими объектами, но не испускает своего собственного. (Датчик SAR, напротив, активен . ) Радиометры SSMR и SSMI запускались на спутниках программы Nimbus и серии DMSP .

Поскольку облака полупрозрачны в микроволновом режиме, особенно на более низких частотах, микроволновые радиометры довольно нечувствительны к погодным условиям. Поскольку большинство микроволновых радиометров работают вдоль полярной орбиты с широким, охватывающим сканированием, полные ледовые карты полярных регионов, где полосы в значительной степени перекрываются, обычно можно получить в течение одного дня. Эта частота и надежность достигаются ценой плохого разрешения: угловое поле зрения антенны прямо пропорционально длине волны и обратно пропорционально эффективной площади апертуры . Таким образом , нам нужна большая дефлекторная тарелка для компенсации низкой частоты. [1]

Большинство алгоритмов концентрации льда, основанных на микроволновой радиометрии, основаны на двойном наблюдении, что: 1. различные типы поверхности имеют различные, сильно кластеризованные, микроволновые сигнатуры и 2. радиометрическая сигнатура в головке прибора является линейной комбинацией сигнатуры различных типов поверхности, с весами, принимающими значения относительных концентраций. Если мы сформируем векторное пространство из каждого из каналов прибора, в котором все, кроме одной, сигнатуры различных типов поверхности линейно независимы, то будет просто решить для относительных концентраций:

Т → б = Т → б 0 + ∑ я = 1 н ( Т → б я − Т → б 0 ) С я {\displaystyle {\vec {T}}_{b}={\vec {T}}_{b0}+\sum _{i=1}^{n}({\vec {T}}_{bi }-{\vec {T}}_{b0})C_{i}}

где - радиометрическая сигнатура на головке прибора (обычно измеряемая как яркостная температура ), - сигнатура номинального типа фоновой поверхности (обычно вода), - сигнатура i- го типа поверхности, а C i - относительные концентрации. [3] [4] [5] Т → б {\displaystyle {\vec {T}}_{b}} Т → б 0 {\displaystyle {\vec {T}}_{b0}} Т → б я {\displaystyle {\vec {T}}_{би}}

Каждый операционный алгоритм концентрации льда основан на этом принципе или небольшом изменении. Например, алгоритм команды NASA работает, беря разницу двух каналов и деля на их сумму. Это делает извлечение немного нелинейным , но с тем преимуществом, что влияние температуры смягчается. Это происходит потому, что яркостная температура изменяется примерно линейно с физической температурой, когда все остальные параметры равны — см. излучательную способность — и потому, что излучательная способность морского льда на разных микроволновых каналах сильно коррелирует. [3] Как предполагает уравнение, концентрации нескольких типов льда потенциально могут быть обнаружены, при этом команда NASA различает однолетний и многолетний лед (см. изображение выше). [6] [7]

Точность концентрации морского льда, полученная с помощью пассивных микроволновых датчиков, может быть порядка 5% (абсолютная). [6] [8] [9] Ряд факторов снижают точность извлечения, наиболее очевидным из которых являются изменения в микроволновых сигнатурах, создаваемых данным типом поверхности. Для морского льда наличие снега, изменения в содержании соли и влаги, наличие талых прудов, а также изменения в температуре поверхности, все это приведет к сильным изменениям в микроволновой сигнатуре данного типа льда. Новый и тонкий лед, в частности, часто будет иметь микроволновую сигнатуру, более близкую к таковой открытой воды. Обычно это происходит из-за его высокого содержания соли, а не из-за излучения, передаваемого водой через лед — см. моделирование излучательной способности морского льда . Наличие волн и шероховатости поверхности изменят сигнатуру над открытой водой. Неблагоприятные погодные условия, облака и влажность в частности, также будут иметь тенденцию снижать точность извлечения. [4]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab FT Ulaby; RK Moore; AK Fung, ред. (1986). Микроволновое дистанционное зондирование, активное и пассивное . Лондон, Англия: Addison Wesley.
  2. ^ WB Tucker; DK Prerovich; AJ Gow; WF Weeks; MR Drinkwater (ред.). Микроволновое дистанционное зондирование морского льда . Американский геофизический союз .
  3. ^ ab DA Rothrock; DR Thomas & AS Thorndike, AS (1988). "Анализ главных компонентов спутниковых пассивных микроволновых данных над морским льдом". Журнал геофизических исследований . 93 (C3): 2321– 2332. Bibcode : 1988JGR....93.2321R. doi : 10.1029/JC093iC03p02321.
  4. ^ ab G. Heygster; S. Hendricks; L. Kaleschke; N. Maass; et al. (2009). Радиометрия L-диапазона для применения в морском льду (технический отчет). Институт физики окружающей среды, Бременский университет. Контракт ESA/ESTEC № 21130/08/NL/EL.
  5. ^ P. Mills & G. Heygster (2010). «Получение концентрации морского льда из SMOS» (PDF) . IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing . 8 (2): 283– 287. doi :10.1109/LGRS.2010.2064157. S2CID  21337433.
  6. ^ ab JC Comiso; DJ Cavalieri; CL Parkinson & P. ​​Gloersen (1997). "Пассивные микроволновые алгоритмы для концентрации морского льда: сравнение двух методов". Дистанционное зондирование окружающей среды . 60 (3): 357– 384. Bibcode :1997RSEnv..60..357C. doi :10.1016/S0034-4257(96)00220-9.
  7. ^ T. Markus & DJ Cavalieri (2000). «Усовершенствование алгоритма NASA Team Sea Ice». Труды IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 38 (3): 1387– 1398. Bibcode : 2000ITGRS..38.1387M. doi : 10.1109/36.843033.
  8. ^ S. Andersen; RT Tonboe; S. Kern & H. Schyberg (2006). «Улучшенное извлечение общей концентрации морского льда из космических пассивных микроволновых наблюдений с использованием полей численной модели прогнозирования погоды: сравнение девяти алгоритмов». Дистанционное зондирование окружающей среды . 104 (4): 374–392 . Bibcode : 2006RSEnv.104..374A. doi : 10.1016/j.rse.2006.05.013.
  9. ^ G. Heygster; H. Wiebe; G. Spreen & L. Kaleschke (2009). «Геолокация AMSR-E и проверка концентрации морского льда на основе данных 89 ГГц». Журнал Общества дистанционного зондирования Японии . 29 (1): 226–235 .
  • Карты концентрации морского льда высокого разрешения, полученные с помощью канала AMSR-E 89 ГГц
  • Цветная спутниковая карта Арктического ледового щита с ежедневными обновлениями.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Концентрация_морского_льда&oldid=1229761607"