Мониторинг температуры поверхности моря с использованием технологий дистанционного зондирования
Температура поверхности моря (ТПМ) является одним из важнейших океанографических параметров, поскольку она играет непосредственную роль в регулировании динамики климата, погоды, продуктивности рыболовства и интенсивности гидрометеорологических катастроф. Даже небольшие изменения ТПМ могут влиять на образование облаков, ветровые режимы, океанические течения и распределение морских организмов. В эпоху изменения климата потребность в точных и долгосрочных данных о ТПМ становится все более актуальной. Одним из наиболее эффективных подходов к проведению широкомасштабного и устойчивого мониторинга ТПМ является использование спутниковых технологий дистанционного зондирования.
Почему важна температура поверхности моря?
Температура поверхности океана (SST) — это температура верхнего слоя океанической поверхности, непосредственно взаимодействующего с атмосферой. Значения SST тесно связаны с обменом тепла и водяного пара между океаном и воздухом. По мере повышения SST увеличивается испарение, что может привести к образованию конвективных облаков и экстремальным осадкам. И наоборот, более низкие значения SST могут препятствовать образованию дождевых облаков в определенных районах.
В глобальном масштабе колебания температуры поверхности моря являются ключевыми индикаторами климатических явлений, таких как Эль-Ниньо — Южное колебание (ENSO) и диполь Индийского океана (IOD). Например, ENSO может изменять характер выпадения осадков в Индонезии: Эль-Ниньо часто ассоциируется с более длительными засушливыми сезонами, в то время как Ла-Нинья, как правило, вызывает сильные дожди и наводнения. Поэтому мониторинг температуры поверхности моря является важнейшей основой для систем раннего предупреждения о климате и погоде.
В морском и рыболовном секторе температура поверхности моря помогает составлять карты потенциальных районов промысла, особенно в сочетании с данными о содержании хлорофилла-а, течениях и уровне моря. Многие пелагические виды рыб скапливаются в прибрежных зонах, которые часто обнаруживаются по температурным градиентам. Мониторинг температуры поверхности моря также имеет решающее значение для оценки риска обесцвечивания кораллов, вызываемого длительными аномалиями высоких температур.
Концепция дистанционного зондирования для измерения температуры поверхности моря
Дистанционное зондирование — это метод получения информации об объектах без прямого контакта, обычно с помощью датчиков, улавливающих электромагнитное излучение. Для измерения температуры поверхности моря спутниковые датчики, как правило, используют два типа длин волн:
1. Тепловое инфракрасное излучение (ТИК)
Датчики TIR измеряют тепловое излучение, испускаемое поверхностью моря. Этот метод популярен, поскольку обеспечивает относительно высокое пространственное разрешение и высокую детализацию. Однако его недостатком является то, что он сильно зависит от облачности, поскольку облака блокируют инфракрасные сигналы от поверхности моря.
2. Микроволновая печь
Микроволновые датчики способны проникать сквозь тонкие и умеренные облака, что позволяет проводить наблюдения за температурой поверхности моря в облачную погоду. Однако их пространственное разрешение, как правило, ниже, чем у инфракрасных датчиков, и они более восприимчивы к поверхностным возмущениям, таким как сильный дождь или сильный ветер, которые изменяют излучательную способность поверхности океана.
Технически, спутники не измеряют «температуру» напрямую, а измеряют излучение, которое затем преобразуется в температуру с помощью алгоритма, учитывающего излучательную способность поверхности моря, атмосферные условия и калибровку датчика. Полученная температура может быть температурой поверхности (температура самого верхнего слоя «кожи», измеряемая инфракрасным излучением) или температурой подкожного слоя/объема (ближе к нескольким миллиметрам или сантиметрам, часто аппроксимируемой микроволнами). Это различие важно при использовании данных о температуре поверхности моря для конкретных исследований, таких как метеорологические модели, анализ теплового режима океана или проверка данных на месте.
Источники спутниковых данных для мониторинга температуры поверхности моря
Различные спутники предоставляют данные о температуре поверхности моря, которые могут быть использованы в исследовательских и оперативных целях. Вот несколько часто используемых примеров:
– MODIS (Terra/Aqua): предоставляет инфракрасные данные о температуре поверхности моря с глобальным охватом и относительно хорошим разрешением, но сильно зависит от облачности.
– VIIRS (Suomi NPP/NOAA-20): преемник MODIS, обладающий высоким радиометрическим качеством и хорошими характеристиками для ежедневного мониторинга.
– Sentinel-3 (SLSTR): оснащен тепловым датчиком, предназначенным для высокоточных измерений температуры поверхности.
– AVHRR (серия NOAA): одна из классических серий датчиков для долгосрочного мониторинга температуры поверхности моря, важная для изучения климатических тенденций.
– AMSR2 (GCOM-W) и другие микроволновые датчики: полезны для уменьшения «слепых зон», возникающих из-за облаков в тропических регионах.
Помимо отдельных продуктов, многие агентства предоставляют комбинированные продукты (многосенсорное объединение), такие как ежедневный или еженедельный анализ температуры поверхности моря, сочетающий инфракрасные, микроволновые и натурные данные. Эти комбинированные продукты необходимы для расширения охвата данных, снижения уровня шума и повышения точности.
Процесс обработки данных SST со спутника
Мониторинг температуры поверхности моря с помощью дистанционного зондирования обычно проходит следующие этапы:
1. Сбор данных
Данные получены с официальных порталов (например, NASA, NOAA, EUMETSAT, Copernicus) в таких форматах, как NetCDF или HDF.
2. Предварительная обработка
Этот этап включает геометрическую коррекцию, выбор полос/каналов, ограничение области исследования и проверку качества данных с помощью флагов качества.
3. Маскирующие облака и атмосферные возмущения
Для инфракрасных данных маскирование облаков является важнейшим этапом. Алгоритмы обнаружения облаков обычно используют определенную комбинацию каналов и пороговых значений.
4. Преобразовать яркость в температуру поверхности моря.
Использование определенных алгоритмов (например, алгоритма разделенного окна), которые объединяют несколько инфракрасных каналов для уменьшения влияния атмосферы.
5. Проверка с использованием данных, полученных непосредственно на месте.
Данные с буев, плавучих зондов ARGO или судовых измерений используются для проверки погрешности и точности, а также для внесения необходимых корректировок.
6. Пространственно-временной анализ
Анализ данных позволяет выявлять сезонные закономерности, долгосрочные тенденции, аномалии температуры поверхности моря или экстремальные явления, такие как морские волны тепла.
Проблемы мониторинга температуры поверхности моря
Несмотря на свою огромную полезность, мониторинг температуры поверхности моря на основе дистанционного зондирования сопряжен с рядом проблем. Во-первых, облачность в тропических регионах, таких как Индонезия, приводит к многочисленным пробелам в данных инфракрасного излучения. Во-вторых, различия в определениях температуры (поверхностная и объемная) могут вносить погрешности, если не адаптированы к требованиям анализа. В-третьих, условия на поверхности моря, такие как дождь, ветер или волны, могут влиять на показания микроволновых датчиков. В-четвертых, различное пространственное и временное разрешение датчиков требует применения надежных статистических и модельных методов.
Кроме того, прибрежные районы представляют собой уникальные проблемы из-за влияния суши, мутности воды, а также быстрых и сложных температурных колебаний. Пиксели спутниковых снимков, в которых смешиваются сигналы суши и моря (смешанные пиксели), могут приводить к ошибкам в оценке температуры вблизи береговой линии. Поэтому выбор правильного продукта и разрешения имеет решающее значение в исследованиях прибрежных районов.
Применение системы мониторинга температуры поверхности моря в Индонезии
Будучи архипелажным государством, Индонезия придает большое значение информации о температуре поверхности моря (SST). В рыболовном секторе ежедневные карты SST могут помочь рыбакам и властям определить потенциальные зоны промысла. В управлении окружающей средой высокие аномалии SST могут использоваться для мониторинга риска обесцвечивания кораллов в таких районах, как Бали, Нуса-Тенгара или Раджа-Ампат. В управлении стихийными бедствиями мониторинг SST также важен для понимания условий, способствующих формированию тропических циклонов или экстремальных ливней в водах, окружающих Индонезию.
Кроме того, температура поверхности моря играет решающую роль в исследованиях динамики муссонов, апвеллинга в южной части Явы и Нуса-Тенгаре, а также взаимодействия течений, таких как Индонезийский транзитный поток (ITF). Используя многовременные спутниковые данные, исследователи могут определить, когда и где происходит апвеллинг, который обычно характеризуется снижением температуры поверхности моря и увеличением продуктивности воды.
обложка
Мониторинг температуры поверхности моря с использованием технологий дистанционного зондирования стал ключевым элементом современных океанографических исследований и морских информационных служб. Благодаря широкому охвату, быстрому обновлению и доступности в долгосрочных архивах, спутниковые данные о температуре поверхности моря позволяют проводить анализы, которые трудно выполнить, используя только измерения на месте. Хотя такие проблемы, как помехи от облаков, колебания температуры и ограничения разрешения в прибрежных районах, сохраняются, достижения в области датчиков, алгоритмов и комбинированных продуктов продолжают улучшать качество информации о температуре поверхности моря.
В дальнейшем интеграция спутниковых данных с измерениями на месте и моделями взаимодействия океана и атмосферы еще больше укрепит возможности прогнозирования и раннего предупреждения. Для Индонезии использование данных о температуре поверхности моря, полученных с помощью дистанционного зондирования, имеет решающее значение не только для исследований, но и стратегическое значение для обеспечения продовольственной безопасности морской среды, смягчения последствий стихийных бедствий и устойчивого управления морскими ресурсами. При правильном управлении информация о температуре поверхности моря может стать основой для принятия более обоснованных решений при решении все более сложных климатических проблем и вопросов динамики океана.
