Определение сплоченности ледяного покрова по измерениям сечения обратного рассеяния при малых углах падения

Размещение измерительной аппаратуры на спутниках позволяет проводить мониторинг поверхности Мирового океана в оперативном режиме. В последние годы орбитальная группировка пополнилась радиолокаторами, которые выполняют измерения при малых углах падения. Это двухчастотный дождевой радиолокатор (Dual-frequency Precipitation Radar), установленный на спутнике GPM (Global Precipitation Measurement) и волновой скаттерометр SWIM (Surface Waves Investigation and Monitoring) на спутнике CFOSAT (Chinese-French Oceanography SATlelite). Дождевой радиолокатор в Ku-диапазоне выполняет измерения в интервале углов падения +/- 18°, а SWIM - +/- 10°.
Проведенные исследования показали, что при малых углах падения по сечению обратного рассеяния можно классифицировать подстилающую поверхность по критерию «лед-вода» [1, 2]. В разработанном алгоритме анализируется зависимость сечения обратного рассеяния от угла падения и вычисляется коэффициент эксцесса.
Одной из важнейших характеристик ледяного покрова является сплоченность, которая меняется в интервале от 0 (открытая вода) до 1 (сплошной лед). Основным источником информации о сплоченности являются многочастотные радиометры, которые измеряют яркостную температуру, однако облачность и осадки приводят к большим ошибкам при оценке сплоченности ледяного покрова.
В данной работе обсуждается оригинальный подход к определению сплоченности ледяного покрова по данным дождевого радиолокатора. Разработанный алгоритм опирается за значительную разницу сечений обратного рассеяния ледяного покрова и морской поверхности при малых углах падения за исключением интервала углов падения от 2 до 3 градусов.
В общем случае сечение обратного рассеяния в элементе разрешения (пятне засветки) является суммой отражений от участков морского льда и морского волнения. Поэтому для вычисления сплоченности ледяного покрова необходимо знать сечения обратного рассеяния сплошного ледяного покрова и свободной ото льда морской поверхности.
Сложность создания универсальной формулы для определения сплоченности состоит в том, что сечения обратного рассеяния, которые входят в формулу, зависят от различных параметров, например, для морского волнения сечение обратного рассеяния зависит скорости приводного ветра, а для морского льда - от солености и температуры. В результате значения сечений обратного рассеяния меняются в широких пределах, что приводит к большим ошибкам определения сплоченности ледяного покрова по универсальной формуле.
Для решения этой проблемы предлагается использовать подход, который учитывает региональные особенности. На первом этапе решается задача классификации типа подстилающей поверхности и определения области сплошного ледяного покрова (сплоченность равна 1) и морского волнения (сплоченность равна 0). Для этих областей находятся сечения обратного рассеяния. На втором этапе найденные значения используются для вычисления сплоченности ледяного покрова в переходной области. Такой подход позволяет учесть региональные особенности и минимизировать ошибки связанные с изменчивостью сечения обратного рассеяния, обусловленные разными фактами.
Был разработана программа для определения сплоченности ледяного покрова в полосе обзора дождевого радиолокатора и сравнение с данными радиометра подтвердило эффективность нового алгоритма. Выбор участков для вычисления сечения обратного рассеяния выполнялся оператором, поэтому дальнейшие исследования будут направлены на автоматизацию данного процесса.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 20-17-00179).