Построение композиционных карт температуры поверхности океана по спутниковым данным открытых международных архивов

Карты температуры поверхности океана (ТПО) на глубине 1 метра для заданной акватории - наиболее востребованная информация. Существует несколько проблем, осложняющих построение высокоточных композиционных карт ТПО по спутниковым данным. Первая проблема связана c с тем, что построение композиционных карт ТПО по стандартным алгоритмам NASA размывает фронты. Отчасти это связано с пикселями, соответствующими облачности, которую не удалось отфильтровать. Эти пиксели могут существенно изменить величину оцениваемого композиционного значения ТПО. Вторая проблема связана с тем, что перемещение вихрей, струй, появление апвеллингов приводит к «размыванию» линий термических фронтов на композиционных картах ТПО. Третья проблема связана с тем, что в безветренных условиях верхний слой поверхности океана может прогреваться лучами Солнца на несколько градусов. Так как прогрев верхнего слоя океана может достигать 3-4 градусов, а в некоторых случая и 10 градусов, то такая температура не соответствует температуре на глубине в 1 метр и должна быть отфильтрована.
Для получения достоверных оценок ТПО по спутниковым измерениям был предложен алгоритм построения композиционных карт ТПО на новом принципе – оценке в каждой точке океана не среднего за интервал времени значения температуры, а наиболее вероятного. Данный подход имеет ряд преимуществ, по сравнению с использованием данных одиночных спутниковых изображений, так как получаемые значения являются более стабильными, в меньшей степени подвержены случайным колебаниям, вызванными влиянием атмосферы и недостаточно отфильтрованной облачностью.
Методика разрабатываемого в Спутниковом центре ДВО РАН сервиса к построению композиционных карт по данным метеорологических спутников Земли следующая. Согласно выбранному пользователем диапазону дат берутся карты ТПО [https://oceancolor.gsfc.nasa.gov], построенные по одиночным мультиканальным изображениям радиометров MODIS и VIIRS спутников EOS Aqua, EOS Terra, Suomi NPP, NOAA 18-20. Карты ТПО преобразуются к единому виду, в соответствии с указанными пользователем параметрами. При построении карт используется стандартная фильтрация облачности. Далее строятся композиционные изображения (карты-эталоны) за значительный (10 суток) период времени, и, одновременно с этим, создаются отдельно карты временной и пространственной изменчивости. Для обнаружения случаев экстремального поверхностного прогрева создаются утренние и вечерние карты-эталоны. Одиночные карты ТПО проходят дополнительную фильтрацию по картам-эталонам с использованием карт временной и пространственной изменчивости. По полученным картам отфильтрованных значений ТПО создаются утренние, вечерние, дневные, ночные и общие композиции. Если исходные спутниковые данные имеют шумы случайного характера, то выбирается медианное значение ТПО по пикселям, расположенным внутри бегущего окна размером до 5Х5 пикселей. Созданная технология интегрируется виде сервиса в Государственную информационную систему оперативной поставки данных дистанционного зондирования Земли (ГИС ОПД ДЗЗ) Роскосмоса. Это требует быстрого и массового скачивания данных, что является проблемой.
Для оценки точности предложенного подхода проводилось сравнение композиционных карт ТПО, построенных по спутниковым данным, с данными непосредственного измерения ТПО. В качестве тестовой акватории была выбрана северо-западной область Тихого океана. Данные in situ измерений брались из открытых зарубежных баз данных о температуре поверхности океана с буйков и судовых CTD-измерений. Анализировалась невязка межу ТПО по спутниковым и in situ данным. Анализ проводился в зависимости времени года, географического положения, скорости ветра и других природных явлений, влияющих на ТПО океана.
Анализ полученных невязок показал, что эталонная (за 10 дней) и композиционная (за 3 дня) карта ТПО наиболее близки по значениям к непосредственным измерениям с буйков. Среднеквадратичное отклонение для невязок во все сезоны лежит в пределах от 0,5°C до 0,7°C, что является хорошим показателем при точности расчетов, лежащей в диапазоне от 0,05°C до 0,1°C. Коэффициент регрессии композиционной ТПО с измерениям ТПО in situ составляет 0.9, а у эталонной ТПО - 0.8. Средняя невязка для композиционной ТПО лежала в диапазоне 0.2 - 0.46°C. Данная точность является достаточной для потребителей, связанных с рыбопромыслом.
В настоящее время проводятся работы по использованию значений ТПО, восстановленных по измерениям микроволновых радиометров AMSR-2 и WindSat для получения ежедневных всепогодных композиционных карт ТПО. Однако, значения ТПО, получаемые из микроволновых данных, существенно отличаются по пространственному разрешению, что может приводить к появлению на композиционных картах ТПО ложных фронтов.
Научная составляющая работы выполнена в рамках Госзадания ИАПУ ДВО РАН - тема № FWFW-2021-0004, а технологическая составляющая – в рамках программы Минобрнауки «Программа стратегического академического лидерства «Приоритет-2030»: Центр цифрового развития»