WikiDer > Сплоченность морского льда

Sea ice concentration

Сплоченность морского льда полезная переменная для климатученые и мореплаватели навигаторы. Он определяется как площадьморской лед относительно общей суммы в данной точке в океан. В данной статье речь пойдет в первую очередь о его определении от дистанционное зондирование измерения.

Значимость

Сплоченность морского льда помогает определить ряд других важных климатических переменных. Поскольку альбедо льда намного выше, чем у воды, сплоченность льда будет регулировать инсоляция в полярных океанах. В сочетании с толщина льда, это определяет еще несколько важных потоки между воздухом и морем, такие как потоки соли и пресной воды между полярными океанами (см., например, нижняя вода) а такжетеплопередача между атмосферой. Карты сплоченности морского льда могут использоваться для определенияледяная зона иледяной покров, оба из которых являются важными маркерами изменение климата.

Карты сплоченности льда также используются мореплавателями для определения потенциально проходимых регионов - см. ледокол.

Методы

На месте

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

SAR и видимый

Обе радар с синтезированной апертурой и видимые датчики (например, Ландсат) обычно имеют достаточно высокое разрешение, поэтому каждый пиксель просто классифицируется как отдельный тип поверхности, то есть вода по сравнению со льдом. Затем концентрацию можно определить путем подсчета количества пикселей льда в заданной области, что полезно для проверки оценок концентрации с помощью приборов 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.

Недостаток видимых датчиков заключается в том, что они довольно чувствительны к погодным условиям - изображения закрываются облаками, в то время как датчики SAR, особенно в режимах с более высоким разрешением, имеют ограниченный охват и должны быть нацелены. Вот почему предпочтительный инструмент для определения сплоченности льда часто является пассивным. микроволновый датчик.[1][2]

СВЧ радиометрия

Покрытие арктического морского льда в 1980 г. (внизу) и 2012 г. (вверху) по данным пассивных микроволновых датчиков на спутнике НАСА Nimbus-7 и специального датчика микроволнового тепловизора / зонда (SSMIS) Программы оборонных метеорологических спутников (DMSP). Многолетний лед показан ярко-белым цветом, а средний морской ледяной покров показан от голубого до молочно-белого цвета. Данные показывают ледяной покров за период с 1 ноября по 31 января соответствующих лет.

Все теплые тела излучают электромагнитное излучение: см. тепловое излучение.Поскольку разные объекты будут излучать по-разному на разных частотах, мы часто можем определить, на какой тип объекта мы смотрим, на основе его испускаемого излучения - см. спектроскопия. Этот принцип лежит в основе всех пассивныймикроволновые датчики и большинство пассивных инфракрасных датчиков. Пассивный используется в том смысле, что датчик измеряет только излучение, испускаемое другими объектами, но не испускает никакого собственного излучения (датчик SAR, напротив, является активный.) SSMR и SSMI радиометры летали на Программа Nimbus и DMSP серия спутников.

Поскольку облака прозрачны в микроволновом режиме, особенно на более низких частотах, микроволновые радиометры совершенно нечувствительны к погодным условиям. полярная орбита с помощью широкого развернутого сканирования полные ледовые карты полярных регионов, где полосы в значительной степени перекрываются, обычно можно получить в течение одного дня. Такая частота и надежность достигается за счет низкого разрешения: углового поле зрения из антенна прямопропорциональный к длина волныи обратно пропорционально эффективному отверстие Таким образом, нам нужна большая тарелка-отражатель для компенсации низкой частоты.[1]

Большинство алгоритмов сплочения льда, основанных на микроволновой радиометрии, основаны на двойном наблюдении: 1. разные типы поверхности имеют разные, сильно сгруппированные микроволновые сигнатуры и 2. радиометрическая сигнатура на головке инструмента представляет собой линейную комбинацию сигнатур различных типов поверхностей с взвешиванием значений относительных концентраций. Если мы формируем векторное пространство из каждого из инструментальных каналов, в котором все сигнатуры, кроме одной, разные типы поверхностей линейно независимы, тогда легко найти относительные концентрации:

куда - радиометрическая подпись на головке прибора (обычно измеряется как яркостная температура), является признаком номинального типа поверхности фона (обычно вода), подпись ятип поверхности, в то время как Cя относительные концентрации.[3][4][5]

Каждый рабочий алгоритм сплоченности льда основан на этом принципе или его небольшом отклонении. Алгоритм команды NASA, например, работает, беря разницу двух каналов и деля их на их сумму. нелинейный, но с тем преимуществом, что влияние температуры смягчается. Это связано с тем, что яркостная температура изменяется примерно линейно с физической температурой при прочих равных условиях - см. излучательная способность- и потому, что коэффициент излучения морского льда в разных микроволновых каналах сильно коррелирован.[3]Как следует из уравнения, потенциально могут быть обнаружены концентрации нескольких типов льда, при этом команда НАСА проводит различие между однолетним и многолетним льдом (см. Изображение выше).[6][7]

Можно ожидать, что точность измерения сплоченности морского льда, полученная с помощью пассивных микроволновых датчиков, будет порядка 5% (абсолютная).[6][8][9]Ряд факторов снижает точность извлечения, наиболее очевидными из которых являются вариации микроволновых сигнатур, создаваемых данным типом поверхности: для морского льда - наличие снега, вариации содержания соли и влаги, наличие талых водоемов. а также колебания температуры поверхности - все это приведет к сильным колебаниям микроволновой сигнатуры данного типа льда. В частности, новый и тонкий лед часто имеет микроволны ближе к открытой воде. Обычно это происходит из-за высокого содержания соли, а не из-за того, что радиация передается из воды через лед - см. моделирование излучательной способности морского льда.Присутствие волн и шероховатости поверхности изменит сигнатуру над открытой водой. Неблагоприятные погодные условия, облака и влажность в частности, также будет снижена точность поиска.[4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Ф. Т. Улаби; Р. К. Мур; А. К. Фунг, ред. (1986). Дистанционное микроволновое зондирование, активное и пассивное. Лондон, Англия: Эддисон Уэсли.
  2. ^ У. Б. Такер; Д. К. Прерович; А. Дж. Гоу; У. Ф. Уикс; М. Р. Дринкуотер (ред.). Дистанционное микроволновое зондирование морского льда. Американский геофизический союз.
  3. ^ а б Д. А. Ротрок; Д. Р. Томас и А. С. Торндайк, AS (1988). "Анализ основных компонентов спутниковых данных пассивного микроволнового излучения над морским льдом". Журнал геофизических исследований. 93 (C3): 2321–2332. Bibcode:1988JGR .... 93.2321R. Дои:10.1029 / JC093iC03p02321.
  4. ^ а б Г. Хейгстер; С. Хендрикс; Л. Калешке; Н. Маасс; и другие. (2009). Радиометрия в L-диапазоне для приложений морского льда (Технический отчет). Институт физики окружающей среды Бременского университета. Контракт ESA / ESTEC № 21130/08 / NL / EL.
  5. ^ П. Миллс и Г. Хейгстер (2010). «Получение сплоченности морского льда от SMOS» (PDF). IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию. 8 (2): 283–287. Дои:10.1109 / LGRS.2010.2064157.
  6. ^ а б Дж. К. Комизо; Д. Дж. Кавальери; К. Л. Паркинсон и П. Глэрсен (1997). «Пассивные микроволновые алгоритмы для сплочения морского льда: сравнение двух методов». Дистанционное зондирование окружающей среды. 60 (3): 357–384. Bibcode:1997RSEnv..60..357C. Дои:10.1016 / S0034-4257 (96) 00220-9.
  7. ^ Т. Маркус и Д. Дж. Кавальери (2000). «Усовершенствование алгоритма морского льда группы НАСА». IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию. 38 (3): 1387–1398. Bibcode:2000ИТГРС..38.1387М. Дои:10.1109/36.843033.
  8. ^ С. Андерсен; Р. Т. Тонбое; С. Керн и Х. Шиберг (2006). «Улучшенное извлечение общей концентрации морского льда из космических пассивных микроволновых наблюдений с использованием полей модели численного прогнозирования погоды: взаимное сравнение девяти алгоритмов». Дистанционное зондирование окружающей среды. 104 (4): 374–392. Bibcode:2006RSEnv.104..374A. Дои:10.1016 / j.rse.2006.05.013.
  9. ^ Г. Хейгстер; Х. Вибе; Г. Сприн и Л. Калешке (2009). «Геолокация AMSR-E и проверка концентрации морского льда на основе данных 89 ГГц». Журнал Общества дистанционного зондирования Японии. 29 (1): 226–235.

внешняя ссылка