Анализ изменений стратиграфии снежной толщи по данным микроволновой радиометрии на частоте 3.75 ГГц для решения задач мониторинга снежного покрова

Для исследования снежного покрова успешно применяется микроволновое дистанционное зондирование. Дистанционные методы позволяют проводить объективные, безопасные и непрерывные наблюдения снежного покрова в различных пространственных масштабах (Eckerstorfer et al., 2016; Tsai et al., 2019). Наиболее информативными для решения задачи дистанционного зондирования снежного покрова стали диапазоны сантиметровых и миллиметровых волн, так как длина волны излучения оказывается сравнимой либо с размером частиц, либо с неоднородностями их концентрации (Boyarskii, Tikhonov, 2000; Голунов и др., 2017, 2019; Tedesco, 2015).
В докладе рассмотрены результаты наземного эксперимента по определению частотных и угловых зависимостей радиояркостной температуры снежного покрова в микроволновом диапазоне. Радиометрический полигон находился в районе Крестового перевала Военно-Грузинской дороги на высоте 2297 м над уровнем моря. Исследование излучательных характеристик снежной среды проводилось с помощью многочастотного микроволнового измерительного комплекса (Эткин и др., 1987). Используемый аппаратурный комплекс позволял проводить измерения радиояркостной температуры снежного покрова в четырёх диапазонах длин волн. Комплекс радиометров размещался на высоте 5 м над землёй на поворотном устройстве, позволяющем в ходе эксперимента изменять угол места и азимутальный угол. Программа измерений включала ежедневное определение радиояркостной температуры снежного покрова под различными углами визирования. Одновременно велись снегомерные наблюдения в контрольных шурфах в непосредственной близости к радиометрической площадке. Гляциологические контактные измерения параметров снега в шурфе проводились одновременно с радиометрическими измерениями и включали исследование стратиграфии снежного покрова. Образцы снега отбирались из однородных слоёв естественного снежного покрова и проводилось послойное определение плотности, температуры и влажности. Для всех образцов исследовались параметры структуры снега: средний диаметр зёрен, дисперсия распределения зёрен по размерам.
При анализе результатов измерений во всех диапазонах выяснилось, что наиболее информативным для контроля метаморфизма глубинных слоев снежного покрова оказался диапазон 8 см, поэтому в докладе будут рассмотрены данные только в этом диапазоне. Угловой спектр радиояркостной температуры на частоте 3,75 ГГц сопоставлен с метеорологическими данными и изменениями стратиграфии снежного покрова в течение сезона. Проведённые исследования позволили установить прямую зависимость формы углового спектра радиояркостной температуры на частоте 3,75 ГГц и вертикальной поляризации принимаемого сигнала от появления глубинной изморози в толще снежного покрова.
Отмечено, что возникающая на стадии конструктивного метаморфизма структура приземного слоя снежного покрова оказывает существенное влияние на распространение электромагнитного излучения длинноволновой части СВЧ-диапазона. Появление слоя глубинной изморози, состоящего из вертикальных сростков ледяных кристаллов, приводит к сглаживанию зависимости радиояркостной температуры от угла визирования.
Известно, что текстура снежной толщи - важный фактор определения степени лавинной опасности. Исследования линий отрыва снежных лавин смешанного генезиса, которые велись на Сахалине с декабря по апрель 1978-2010 гг. (Казаков Н.А., 2009), показали, что снежный пласт обрушивается по слоям, имеющим волокнистую или столбчатую текстуру. Лавины перекристаллизации снежной толщи на юге о. Сахалин составляют около 31% их общего числа. Большая часть этих лавин также сходит по слоям с волокнистой текстурой. Объясняется это тем, что снежные слои с такой текстурой имеют относительно невысокие прочностные характеристики. Поэтому изучение динамики развития текстуры снежной толщи - важная проблема прогноза лавинной опасности. Таким образом, на основе обнаруженного влияния глубинной изморози на угловые зависимости радиояркостной температуры на частоте 3,75 ГГц и вертикальной поляризации принимаемого сигнала возможно создание методики дистанционного локального контроля состояния глубинных слоёв снежного покрова для прогнозирования лавинной опасности в горах.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 18–05–00427-a, 18–05–00440-a, темы «Мониторинг» гос. регистрация № 01.20.0.2.00164.