Оценка точности расчета ледовитости Охотского и Японского морей по данным дистанционного зондирования Земли и авиационных наблюдений | Вестн. Том. гос. ун-та. 2013. № 368.

Оценка точности расчета ледовитости Охотского и Японского морей по данным дистанционного зондирования Земли и авиационных наблюдений

Освоение Сахалинского шельфа осложняется влиянием различных погодных факторов. Наиболее важным из них является информация о ледовой обстановке (ледовитости акватории). В статье представлена оценка точности расчетов ледовитости Охотского и Японского морей по данным дистанционного зондирования Земли и авиационных наблюдений для зимних сезонов в период их совместного производства с 1970 по 1991 г. Анализ полученных данных показал, что разность спутниковых и авиационных наблюдений в Японском море в среднем за период с 1970 по 1991 г. составляет 12,4 тыс. км (11,6% площади пролива). Разность спутниковых и авиационных наблюдений в Охотском море в среднем за период с 1971 по 1991 г. составляет 121 тыс. км (8% площади моря). Корреляционный анализ спутниковых и авиационных рядов ледовой информации по Японскому и Охотскому морям показал, что ряды для Японского моря имеют невысокую корреляцию, коэффициент корреляции менялся в пределах от 0,16 (декабрь) до 0,39 (январь). Для Охотского моря ряды более коррелированы: коэффициент корреляции менялся в пределах от 0,72 до 0,96.

Estimation of Okhotsk and Japan seas ice coverage calculation accuracy by earth remote sensing and aviation observation.pdf В соответствии с Энергетической стратегией РФ на период до 2020 г. подготовка запасов, освоение нефтяных и газовых месторождений на шельфе арктических, дальневосточных и южных морей выделяется как одно из наиболее перспективных направлений развития сырьевой базы нефтяной и газовой промышленности страны. В настоящее время значительная часть объемов добычи углеводородов уже находится в шельфах морей. Сахалинский шельф является наиболее подготовленным к началу добычи и организации поставок газа. Одним из основных источников поставок газа станет проект «Сахалин-3», ресурсы которого оцениваются на уровне 1,4 трлн м3. Для реализации этого проекта на шельфе Сахалина уже установлены четыре ледостойкие добывающие основания (платформы). Организация и развитие нефтегазовой добычи на шельфах арктических и дальневосточных морей осложняется комплексом географических и климатических факторов. На обустройство месторождений и их капиталоемкость оказывают влияние условия окружающей среды: температура, ветер, видимость, глубина моря, ледови-тость акваторий (один из главных показателей ледового режима определяется как процент покрытия льдом акватории моря) и др. Изменение погодных условий, смещение ледовых массивов, появление айсбергов являются факторами риска при добыче углеводородов. Поэтому при проектировании и эксплуатации платформ на шельфе необходима режимная и прогностическая информация о гидрометеорологической и ледовой обстановке, обобщенные сведения о пространственно-временных характеристиках основных климатических величин и морского льда за длительный период наблюдений. Наиболее эффективным источником информации о перечисленных величинах являются данные дистанционного зондирования, роль которых существенно возросла в связи сокращением наземной сети гидрометеорологических станций и объемов авиационных наблюдений. Получение необходимой информации тесно связано с использованием различных технологий по обработке многолетних рядов спутниковых, аэровизуальных и наземных наблюдений, позволяющих выявить особенности динамики для большинства рассматриваемых параметров на заданной территории. К таким технологиям, в первую очередь, можно отнести технологию проведения оперативного анализа и дешифрирования космических изображений. Дешифрование снимков представляет собой один из самых важных и сложных процессов создания тематических карт, которые чаще всего являются основным средством организации и интерпретации данных дистанционного зондирования. Этот процесс обеспечивает представление данных в единой картографической проекции, позволяет комбинировать данные, полученные в различных спектральных диапазонах (космических изображений ИСЗ «МЕТЕОР-3М», TERRA, AQUA, NOAA, ERS-2, Envisat, IRS, QuikSCAT и TOPEX / Poseidon и др.). Задачи интерпретации данных дистанционных неконтактных измерений чаще всего принадлежат к классу некорректных задач. Эта ситуация приводит к необходимости использования дополнительных данных. Поэтому в конце 1970-х гг. была принята концепция, согласно которой космическая система оперативного наблюдения Земли должна включать, как неотъемлемый элемент, подсистему сбора дополнительной (опорной и априорной) информации. Сбор подспутниковой информации проводится на постоянных, заранее выбранных тестовых участках специальных контрольно-калибровочных полигонов. В качестве дополнительной информации привлекаются прибрежные радиолокационные и авианаблюдения за льдом, попутные судовые наблюдения, сведения, получаемые при исследованиях на ледовых полигонах, и т.д. При обработке, анализе и интерпретации спутниковых изображений в спутниковой океанографии, по сравнению с другими направлениями космического землеведения, использование информации авиационного и наземного уровней сбора опорных данных имеет некоторые особенности. Методы и возможности производства наблюдений за ледяным покровом на каждом этапе развития определяются соответствующими техническими возможностями. По способу производства наблюдений за ледяным покровом на дальневосточных морях весь исторический ряд наблюдений условно можно разделить на три этапа. Первый - это попутные (нерегулярные) морские наблюдения с 1928 по 1960 г.; второй - регулярные авиационные наблюдения с 1957 по 1992 г. и третий - спутниковые наблюдения с 1970-х гг. по настоящее время. Естественно, что на каждом этапе наблюдения были различны как по частоте их производства, так и по точности определения пространственных характеристик. Поэтому возникает необходимость сопоставимости и оценки точности измерений параметров ледяного покрова, вычисленных различными методами. Это особенно важно на третьем этапе производства наблюдений, когда были прекращены авиационные наблюдения и их заменила спутниковая информация, которая имеет много преимуществ: расширенный обзор наблюдений и высокую повторяемость, большую точность привязки, оперативность использования. Но, к сожалению, спутниковые наблюдения не могут полностью заменить визуальные самолетные: не все элементы ледяного покрова определяются с необходимой точностью, дешифрирование снимков в значительной степени зависит от индивидуальных особенностей специалиста. Поэтому требуется оценка точности наблюдений, производимых методами дистанционного зондирования. Эта проблема и явилась предметом данного исследования. Цель работы - оценка точности расчета ледовито-сти Охотского и Японского морей по данным дистанционного зондирования Земли и данным авианаблюдений за период их совместного производства с 1970 по 1992 г. Для достижения поставленной цели требовалось выполнить следующие задачи: - проанализировать основные особенности ледового режима Охотского и Японского морей; - произвести сбор и обработку материалов ледовых и авиационных наблюдений статистическим методом; - выполнить сравнительный анализ результатов обработки данных. Исходные данные и методы их обработки. Для оценки точности расчетов ледовитости Охотского и Японского морей по данным дистанционного зондирования Земли и авиационных наблюдений были использованы результаты расчетов ежемесячной площади ледяного покрова для зимних сезонов в период с 19701971 по 1991-1992 гг. На первом этапе вычисление площади ледяного покрова, оценка состояния льда внутри массива и определение местоположения его кромок производились по нерегулярным (попутным) судовым донесениям и эпизодическим данным ледовых авиационных разведок. Наиболее освещены наблюдениями были акватории судоходных трасс в проливе Лаперуза и на подходах к порту Магадан, а также районы традиционного зимнего промысла гидробионтов. За период с 1928-1929 по 1959-1960 гг. для Охотского моря составлено 360 карт фактической ледовой обстановки, по которым была вычислена площадь ледяного покрова. С помощью графиков годового хода разрозненные по времени наблюдения приводились к одной дате на середину месяца и вычислялись вполне сравнимые среднемесячные значения ледовитости [1 ]. В период безусловного наличия ледяного покрова в Охотском море (с декабря по май) для 50 месяцев (26% случаев) ежемесячные ледовые карты не были составлены по причине недостаточности исходной информации. Наиболее значительные пропуски относятся к начальному периоду наблюдений. Так, например, за весь сезон 1931-1932 гг. не удалось составить ни одной полной ледовой карты. По одной карте было составлено в ледовые сезоны 1930, 1933 и 1934 гг. [1]. Поэтому в этой работе за начало исходного ряда был принят ледовый сезон 1934-1935 гг. с полным комплектом ледовых карт. Имеющиеся отдельные пропуски данных в период с 1936 по 1951 г. (17% случаев) были восстановлены методом прямой интерполяции. Второй этап - регулярные авиационные наблюдения за состоянием ледяного покрова с обязательным определением местоположения кромок льда - для Охотского моря продолжался с 1957 по 1992 г. Ледовые авиационные разведки проводились планомерно один раз в декаду. Они выполнялись с ноября по июнь и равномерно покрывали галсами (рис. 1) всю заполненную дрейфующим льдом акваторию моря [2]. При этом для решения специальных задач (обеспечение безопасности судоходства, промысла морского зверя, проектирования и обустройства морских нефтегазовых месторождений и т.д.) в этот период не исключалось проведение дополнительных наблюдений на ограниченных акваториях. Все карты ледовой обстановки, включая данные прибрежных наблюдений гидрометеорологических станций и постов, усреднялись для данной декады по всему морю. Таким образом, минимальная дискретность карт ледовой обстановки на втором этапе исследований составляла одну декаду. Определенные на их основе характеристики ледяного покрова эквидистантны, что позволило получить надежные статистические характеристики. В исходный ряд наблюдений включены данные ежемесячных значений ледовитости Охотского моря для периода с 1960 по 2000 г., приведенные в работе. Основу наблюдений третьего этапа составляют данные дистанционного зондирования Земли. Сканеры первого поколения с искусственных спутников Земли серий NOAA, «МЕТЕОР», «КОСМОС» и т.п., начиная с 1970 г., позволяли ежедневно получать черно-белое изображение ледяного покрова дальневосточных морей как в видимом диапазоне, так и в режиме радиолокации. С 2002 г. для Дальнего Востока основным инструментом мониторинга земной поверхности служит 36-канальный сканер MODIS с разрешением 2501 000 м, установленный на спутниках TERRA (рис. 2) и AQUA. Из-за сильного влияния облачности на точность определения границ массива льда дешифрирование спутниковых снимков в видимом диапазоне для получения расчетных характеристик ледяного покрова в рамках Полученные результаты в виде карт-схем (с выделенными штриховкой для черно-белых изображений или цветовой гаммой зонами различной сплоченности льда) с частотой от двух раз в неделю до двух раз в месяц выставляются национальными центрами обработки гидрометеорологической информации Японии (Japan Meteorological Acency) и США (National/Naval Ice Center) в Интернете [3, 4]. Таким образом, минимальная дискретность карт-схем ледовой обстановки на третьем этапе исследований составляла 3-4 сут. Однако в исходный ряд были включены только данные с месячной дискретностью, вычисленные как средние арифметические по результатам всех съемок, выполненных во второй декаде каждого календарного месяца ледового сезона. Анализ результатов обработки данных. Для оценки точности расчета ледовитости дистанционного зондирования Земли и по данным авианаблюдений был выполнен сравнительный анализ результатов расчетов. Результаты анализа для каждого месяца ледового сезона представлены в графическом виде: для Японского моря (рис. 3-7), для Охотского моря (рис. 8-13). Японское море. Декабрь. Средняя величина расхождения данных авиационных и спутниковых наблюдений в декабре (см. рис. 3) составляет 13,6 тыс. км2 (12,7% площади пролива). Наибольшее расхождение отмечалось в ледовый сезон 1986-1987 гг., когда данные спутниковых и авиационных наблюдений отличались в 24 раза (соответственно 72 и 3 тыс. км2). Разброс данных в ледовый сезон 1986-1987 гг. можно объяснить повышенной штормовой деятельностью, ежегодно наблюдаемой в Татарском проливе в предзимье, так как во время шторма молодой лед легко разрушается, намокает, становится «невидимым» и имеет схожие дешифровочные признаки с морской водой. Наименьшее расхождение данных в декабре отмечено в ледовые сезоны 1973-1974, 1976-1977 и 1984-1985 гг. Среднее расхождение данных для этих сезонов составляет ±1,5 тыс. км2, что соответствует ~1,5% площади пролива. Абсолютный размах колебаний для всего ряда наблюдений составляет 90 тыс. км2. всего моря на регулярной основе не производится. Для ские исследователи с 1970 г. используют методику об-определения местоположения кромок ледяного массива работки данных радиолокационного зондирования, оси границ зон различной сплоченности внутри него япон- нованную на принципе распознавания образов. Рис. 1. Карта галсов авиационной ледовой разведки Охотского моря [2] Рис. 2. Снимок со спутника TERRA Японское мере. Декабрь Я о Б 0 "О-АВИАЦИОННЫЕ ^-^СПУТНИКОВЫЕ L □ . д f .Л /» А * V V V i А 4 = ; ; :: ; ; j i i j j 3 3 J j Годы % 1 о о Рис. 3. Площадь ледяного покрова, вычисленная по спутниковым и авиационным наблюдениям в декабре за период с 1970 по 2010 г. Январь. Среднее расхождение данных авиационных и спутниковых наблюдений в январе (см. рис. 4) составляет 14,3 тыс. км2 (13,3% площади пролива). Наибольшее расхождение, так же как и в декабре, отмечается в ледовый сезон 1986-1987 гг., в котором площадь льда в Японском море по спутниковым данным и данным авиаразведки составляла соответственно 97 и 49 тыс. км2. Наименьшее расхождение данных в январе отмечено в ледовые сезоны 1971-1972 гг. и 1982-1983 гг. Среднее расхождение данных для этих сезонов составляет ±0,8 тыс. км2, что соответствует ~0,7% площади пролива. Абсолютный размах колебаний для всего ряда наблюдений меньше, чем в декабре, и составляет приблизительно 75 тыс. км2. Рис. 4. Площадь ледяного покрова, вычисленная по спутниковым и авиационным наблюдениям в январе за период с 1970 по 2010 г. Февраль. Среднее расхождение данных авиационных и спутниковых наблюдений в феврале (см. рис. 5) достигает своего максимума и составляет 18,3 тыс. км2 (17% площади пролива). Наибольшее расхождение отмечается в ледовый сезон 1985-1986 гг., в котором площадь льда в Японском море по спутниковым данным и данным авиаразведки отличались в 2 раза (соответственно 100 и 49,5 тыс. км2). Наименьшее расхождение данных в январе отмечено в ледовые сезоны 1980-1981 гг. и 1989-1990 гг. Среднее расхождение данных для этих сезонов составляет ±2 тыс. км2, что соответствует ~1,9% площади пролива. Абсолютный размах колебаний для всего ряда наблюдений составляет 74 тыс. км2. Март. Среднее расхождение данных авиационных и спутниковых наблюдений в марте (см. рис. 6) составляет 10,4 тыс. км2 (9,7% площади пролива). Наибольшее расхождение данных, так же как и в феврале, отмечается в ледовый сезон 1985-1986 гг., в котором площадь льда в Японском море по спутниковым данным и данным авиаразведки отличались чуть более, чем в 2 раза (соответственно 71 и 32 тыс. км2). Наименьшее расхождение данных в марте отмечено в ледовые сезоны 1972-1973, 1976-1977 и 19861987 гг. Среднее расхождение данных для этих сезонов составляет ±2 тыс. км2, что соответствует ~0,8% площади пролива. Абсолютный размах колебаний для всего ряда наблюдений составляет 62 тыс. км2. Апрель. Среднее расхождение данных авиационных и спутниковых наблюдений в апреле (см. рис. 7) самое минимальное и составляет 5,5 тыс. км2 (5,1% площади пролива). Наибольшее расхождение данных отмечается в ледовый сезон 1984-1985 гг., в котором площадь льда в Японском море по спутниковым данным и данным авиаразведки отличались в 5 раз (соответственно 20 и 4 тыс. км2). Рис. 5. Площадь ледяного покрова, вычисленная по спутниковым и авиационным наблюдениям в феврале за период с 1970 по 2009 г. Японское море. Март -О-АВИАЦИОННЫ —^СПУТНИКОВЫЕ •- .Г 1- ь f-ё Л 4

Ключевые слова

площадь ледяного покрова, дистанционное зондирование, обработка снимков (дешифрирование), шельф, area of ice cover, remote sensing, processing of pictures, shelf

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Журавлёв Георгий ГеоргиевичТомский государственный университетканд. геогр. наук, доцент кафедры метеорологии и климатологииggz@mail.tsu.ru; ggz50@sibmail.com
Романюк Валерий АнатольевичСахалинский государственный университет (г. Южно-Сахалинск)ст. преподаватель кафедры геологии и природопользованияkunashir18@rambler.ru
Всего: 2

Ссылки

Крындин А.Н. Сезонные и межгодовые изменения ледовитости и кромки льда на дальневосточных морях в связи с особенностями атмосфер ной циркуляции // Труды ГОИН. 1964. Вып. 71. С. 5-80.
Плотников В.В., Якунин Л.П. Ледовые условия и методы их прогнозирования // Проект «Моря». Гидрология и гидрохимия морей. Т. IX: Охотское море. Вып. 1: Гидрометеорологические условия. СПб. : Гидрометеоиздат, 1998. С. 291-340.
NEAR-GOOS Regional Real Time Database (Региональная оперативная база данных). URL: http://goos.kishou.go.jp/rrtdb/img/goos-mail_white.gif, регистрация.
U.S. National Ice Center. URL: http://www.natice.noaa.gov/ims/, доступ свободный.
 Оценка точности расчета ледовитости Охотского и Японского морей по данным дистанционного зондирования Земли и авиационных наблюдений | Вестн. Том. гос. ун-та. 2013. № 368.

Оценка точности расчета ледовитости Охотского и Японского морей по данным дистанционного зондирования Земли и авиационных наблюдений | Вестн. Том. гос. ун-та. 2013. № 368.

Полнотекстовая версия