Спосіб визначення товщини льоду замерзаючих акваторій
Власники патенту UA 2319205:
Винахід відноситься до галузі гідрології і пов'язане з визначенням товщини крижаного покриву акваторій, що замерзають, за даними дистанційних засобів вимірювань, що встановлюються на метеорологічних штучних супутниках Землі. Технічним результатом є створення автоматизованого в інтерактивному режимі моніторингу товщини льоду акваторій, що замерзають, за даними зображень в тепловому каналі ІЧ діапазону частот метеорологічних штучних супутників Землі. Спосіб полягає в тому, що за наведеними математичними формулами обчислюється апріорно безліч еталонів нелінійних коефіцієнтів подібності між рельєфом льоду істинної товщини і рельєфом температурного поля крижаного покриву. Потім коефіцієнти подібності визначаються за даними аналізованого ІЧ зображення, де вибираються тестові ділянки, температура поверхні яких відповідає ділянкам води при температурі замерзання та ділянкам «товстого» (товщина 120 см) засніженого льоду. При однакових гідрометеорологічних умовах з множини еталонних значень для даних на час прийому зображення вибираються коефіцієнти подібності, рівні розрахованим, і визначаються температурні інтервали, що відповідають обраним дискретним інтервалам товщини льоду. На зображенні крижаного покриву ділянки із заданими інтервалами товщини льоду виділяються за допомогою палітри кольорів. Як тестові ділянки на ІЧ зображенні, що відповідають поверхневій температурі або яскравості пікселів «товстого» засніженого льоду, вибирають ділянки зображення земної засніженої поверхні, розташованої поблизу досліджуваного крижаного покриву. 2 з.п. ф-ли, 1 табл.
Винахід відноситься до галузі гідрології і пов'язано з визначенням товщини крижаного покриву замерзаючих акваторійданим дистанційних засобів вимірювань, що встановлюються на метеорологічних ШСЗ, що дозволяє за інтенсивністю власного або відбитого випромінювання визначати фізичні характеристики геофізичних об'єктів. Інтерпретація енергетичних характеристик, що реєструються в фізичні характеристики об'єктів спостереження і є процесом дешифрування отриманої інформації.
Проблема моніторингу товщини крижаного покриву є дуже актуальною з метою забезпечення безпечної експлуатації гідротехнічних споруд у замерзаючих акваторіях в умовах впливу на них льодових утворень; забезпечення плавання суден у льодах; вирішення завдань взаємодії атмосфери та океану за наявності крижаного покриву. Дистанційні методи досліджень принципово дозволяють вирішити цю проблему, особливо зондування з ШСЗ. Тому для всіх ділянок електромагнітного спектру, в яких може бути отримана корисна інформація про товщину льоду акваторій, розробляються спеціальні методики. Крижаний покрив акваторій має складний фізичний склад, структуру та будову, мінливі у часі та у просторі залежно від навколишніх умов, що не дозволяє отримувати високу точність вимірювань товщини льоду за допомогою дистанційних засобів моніторингу, порівнянну з контактними методами. Крім того, природне середовище вимірюваної величини на локальному елементі дозволу апаратури призводить до результату, який можна назвати умовною товщиною. У більшості випадків з використанням дистанційних засобів спостереження, стосовно вимірювання товщини крижаного покриву, визначають деякі довільні помітні інтервали товщини, а також його вікові градації. Як правило, розрізняють такі вікові градації крижаного покриву: початкові та ніласові (з товщиною h250 см).
Серед дистанційних технічних засобів і способів визначення вікових градацій крижаного покриву можна відзначити такі:
1. Засоби спостереження у видимому діапазоні електромагнітного діапазону частот (з довжинами хвиль 380-760 нм). У цьому діапазоні контраст об'єктів, що спостерігаються, визначається значеннями їх альбедо і положенням сонця. За супутниковими знімками середньої роздільної здатності можливе визначення зазначених вище вікових градацій льоду у світлий час доби за відсутності хмарності, якщо розміри однорідних ділянок крижаного покриву значно перевищують розміри елементарних майданчиків зображення [1]. При цьому точність визначення вікових градацій льоду багато в чому залежить від суб'єктивної оцінки зображень, що отримуються експертом-дешифрувальником.
2. Засоби спостереження у НВЧ-діапазоні частот (активні та пасивні), що реєструють радіотеплове випромінювання крижаного покриву в діапазоні довжин хвиль 1 мм - 40 см, дозволяють ідентифікувати однорічні тонкі, середні, товсті льоди та багаторічні льоди [2]. Однак такі можливості є тільки в тому випадку, якщо однорідні ділянки крижаного покриву більше локальної роздільної здатності радіометрів. Тим часом, супутникові НВЧ-радіометри мають дозвіл біля близько 10-80 км.
3. Засоби радіолокаційного зондування (РЛС БО) вимірюють енергію відбитого радіолокаційного сигналу, що визначається відбивною здатністю об'єктів або ефективною площею розсіювання (ЕПР). Стосовно локації крижаного покриву ЕПР залежить від комплексної діелектричної проникності льоду, рельєфу його поверхні та її вологості, а також від параметрів апаратури спостереження - довжини хвилі та поляризації випромінюваного та прийнятого сигналу. Практика використання супутникових РЛС БОсвідчить, що за знімками радіолокації, одержуваним на довжинах хвиль 0,8-5,0 см, можливе визначення вікових градацій в основному трьох типів льодів: молодих, однорічних і старих [3].
Завданням пропонованого способу є створення автоматизованого в інтерактивному режимі моніторингу товщини льоду замерзаючих акваторій в інтервалі від плівки до 100-120 см з дискретністю, обмеженою чутливістю методу, і вище 120 см - без дискретності, опосередкованої на локальному елементі роздільної здатності, за даними ІЧ діапазону частот метеорологічних ШСЗ при безхмарній атмосфері та негативній температурі повітря. Рішення поставленої задачі досягається шляхом створення фізичної моделі, яка включає безрозмірні параметри, що поєднують різні гідрометеорологічні елементи, та встановлює нові фізичні зв'язки. При цьому суттєво скорочується кількість необхідних вимірюваних елементів та спрощується вирішення задачі. Головним результатом фізико-математичного моделювання є встановлення нелінійної подібності рельєфу поля власного теплового випромінювання крижаного покриву на висоті польоту ШСЗ рельєфу поля «справжньої» товщини льоду та визначення значень коефіцієнтів цієї подібності. Під рельєфом поля істинної товщини крижаного покриву розуміється віртуальний рельєф, який виникає при розташуванні нижніх основ усіх крижин різної товщини, що входять до крижаного покриву акваторій, на одній площині. Під терміном "товщина льоду" в моделі прийнята умовна величина, еквівалентна за своїми тепловими характеристиками товщині рівної крижаної пластини в межах елемента роздільної здатності ІЧ радіометра ШСЗ.
Вихідним у зазначеній моделі є рішення рівняння теплового балансу на поверхні засніженого льоду, що розглядається якдвошарова пластина (отримано рішення для багатошарової пластини), за умови нерозривності теплового потоку. Рівняння представлено в інтегральній формі. Перехід до кінцевих прирощень та аналіз усіх складових дозволив отримати вираз для поверхневої температури Т0 льоду акваторій у вигляді [6]:
де tp - перетворена до товщини не засніженого льоду товщина засніженого льоду за умови еквівалентної теплопередачі;
λ - теплопровідність льоду;
k – коефіцієнт теплообміну поверхні льоду з атмосферою;
Θ - температура замерзання води;
Та - температура навколишнього повітря;
Ief – ефективне випромінювання поверхні льоду;
I' – сонячна радіація, поглинена у верхньому сантиметровому шарі снігу або льоду.
Для переходу від перетвореної товщини льоду до істинної вводиться безрозмірний параметр, що має середньостатистичний значення. У фізичному розумінні цей параметр визначає ослаблення теплового потоку, що проходить через лід, спричинене наявністю снігу. Поточні значення параметра ξ визначаються співвідношенням:
де λs, ts - відповідно теплопровідність снігу та глибина снігового покриву на заданому льоду,
λ, tE - теплопровідність та товщина льоду.
З виразів (1) і (2) можна отримати рівняння (3) для розрахунку справжньої товщини льоду tE:
Поверхнева температура "товстого" (tE>1,2 м) засніженого льоду акваторій T2 практично не залежить від товщини. Поверхневу температуру виродженого льоду (tE=0) вважатимуться рівної температурі замерзання води Θ. Тоді вираз безрозмірного параметра r, представленого співвідношенням (4),
виходячи з виразу (1), з похибкою, що не перевищує 10%, можна виразити рівнянням (5)
За однакових гідрометеорологічних умовψr=ψ.
Розрахунок безрозмірного параметра за виразом (5), де значення гідрометеорологічних елементів обчислювалися за емпіричними формулами, показав, що цей параметр є фактором, що практично не залежить від температури повітря, ефективного випромінювання і пропускання випромінювання атмосферою. Це з таблиці, у якій хмарність N0 фігурує лише як метеорологічний елемент, що впливає ефективне випромінювання.