К разработке дистанционных радиофизических критериев оценки гидролого-климатических изменений в Арктике

Потепление Арктики, происходящее в последнее десятилетие вдвое быстрее, чем в мире в целом, влечет за собой климатические изменения в умеренных широтах, способствует возникновению опасных гидрологических и метеорологических явлений (аномальных засух, зимних оттепелей, летних снегопадов, внезапных паводков и наводнений). Зарождение будущих опасных гидрологических явлений связано с изменением механизмов взаимовлияния арктических, лесных, степных территорий, находящихся в разных климатических поясах; изменением сроков оттаивания тундры; более ранним потеплением; изменением гидрологических циклов арктических рек, отепляющим эффектом рек Оби, Енисея, Лены; деградацией вечной мерзлоты и тундровой растительности; уменьшением количества и суммарной площади термокарстовых озер; сокращением площадей ледового покрова, таянием ледников и полярных шапок, повышением температуры воздуха в приповерхностных слоях арктических территорий в осенне-зимний период (Bring, Destouni, 2013; Karlsson, Jaramillo, Destouni, 2015).
Оперативная информация о гидрологических реакциях на гидроклиматические изменения в Арктическом регионе может быть получена на основе использования всепогодных микроволновых методов дистанционного зондирования (Poursanidis, Chrysoulakis, 2017). Спутниковые микроволновые измерения используются для определения сплоченности морского льда, являющегося ключевой переменной в полярной климатической системе, при оценке продолжительности его существования, скорости таяния, дистанционного поиска скоплений морского льда в полярных областях и обнаружения ледовых областей с тающим снегом и талыми прудами (Tikhonov et al., 2015).
В данной работе приведены результаты исследований сезонных и годовых вариаций пространственно-временного распределения радиояркостных температур подстилающей поверхности, измеренных со спутника SMOS. Объектом исследования являлась территория Российского сектора Арктики, включая акватории окраинных морей Северного Ледовитого океана, арктическую пустыню, тундру. По данным SMOS изучалась динамика радиояркостных температур акваторий Баренцева и Карского морей, участка арктической пустыни (о. Белый) и тундры (п-о Ямал и Гыдан). Выбранные тестовые участки на морских акваториях различались по продолжительности существования ледового покрова, солености воды, на суше различались по влажности, температуре, растительности.
Для валидации данных SMOS использовались зависимости коэффициентов излучения воды от температуры и солености, почвы от температуры и влажности, установленные на основе лабораторных измерений диэлектрических характеристик воды и почвы, отобранных с тестовых участков. Лабораторные измерения диэлектрических характеристик почв и воды проводились на частоте 1.41 ГГц. По результатам полевых и лабораторных измерений рассчитывались радиояркостные температуры, которые сравнивались с данными спутника SMOS.
Совместный анализ спутниковых данных SMOS, MODIS, наземных и лабораторных измерений позволил выявить значительные сезонные и межгодовые вариации микроволнового излучения подстилающей поверхности Российского сектора Арктики. По данным спутникового микроволнового зондирования выявлены участки открытой воды, наблюдаемые в холодный период у восточного побережья острова Новая Земля. Это связано с притоком морской воды из незамерзающего Баренцева моря в Карское море через пролив Карские ворота. В Карском море выявлены участки с пониженной радиояркостной температурой. Радиояркостный контраст, составляющий 50 К, может быть связан с наличием у берегов полуострова Ямал пресноводного льда, образовавшегося из линзы опресненной воды. Аналогичный участок акватории Карского моря, характеризующийся пониженной радиояркостной температурой, наблюдается в устье реки Енисей и также может быть связан с пресноводным льдом, образовавшимся над линзой опресненной воды.
В качестве возможных дистанционных радиофизических критериев гидролого-климатических изменений как предвестников опасных гидрологических явлений (наводнений, подтоплений, зимних оттепелей) выбраны скорости изменения радиояркостных и физических характеристик подстилающей поверхности, сезонные тренды радиояркостных температур и тренды восстановленных на их основе физических характеристик подстилающей поверхности почвы и водной поверхности, коэффициенты сезонных вариаций, характеризующие скорости образования и таяния ледового покрова, длительность периодов с положительной и отрицательной температурами. Накопление многолетних рядов радиояркостных температур может быть использовано для оценки климатических изменений, скорости ледостава, суровости зимы.