Sevastopol, Russian Federation
Russian Federation
UDC 535
CSCSTI 29.31
Russian Classification of Professions by Education 05.00.00
Russian Library and Bibliographic Classification 2
Russian Trade and Bibliographic Classification 6
BISAK SCI SCIENCE
Based on long-term data on the earth's surface reflectance obtained by processing measurements in the near infrared band from the Landsat satellite, the seasonal course and anomaly of the variability of the ice cover of Lake Teletskoye were obtained for more than 30 years, starting from 1989.
Lake Teletskoye, ice, Landsat, seasonal and interannual variability
Введение. Данная работа продолжает серию публикаций авторов, посвящённых Телецкому озеру, на основе результатов, полученных в экспедициях 2023-2024 гг. Это попытка продемонстрировать использование данных дистанционного зондирования для изучения ледового покрытия озера, что может быть полезным как дополнение к ранее выполненным инструментальным наблюдениям [1, 2]. Актуальность в той или иной мере связана с рядом национальных проектов России: «Экологическое благополучие», «Туризм и гостеприимство», «Продолжительная и активная жизнь», «Транспортная мобильность», «Экономика данных и цифровая трансформация государства», «Перспективные космические технологии и сервисы».
Цель исследования – получить количественные оценки сезонного хода площади покрытия льдом Телецкого озера и её межгодовой изменчивости в холодный период времени, используя спутниковый продукт – коэффициент отражения земной поверхности в ближнем ИК-диапазоне.
Материалы и методы. Район исследования, включающий акваторию Телецкого озера, имел следующие координаты: 87.2-87.9º в.д. и 51.3-51.8º с.ш. Всего было использовано 166 безоблачных снимков спутника Landsat, начиная с 1989 года для восьми месяцев в году с октября по май включительно. Количество данных неравномерно. В табл. 1 дано статистическое распределение числа снимков по годам и месяцам. Спутниковый продукт – коэффициент отражения земной поверхности 
– в спектральном канале 0.8-0.9 мкм при выборе пикселов на снимке, занимаемой водой, должен быть меньше 0.045 и учитывать небольшие смещения β в выражении (1), которые рассчитывались с помощью специальной процедуры для каждого снимка (см. рис. 1).
Таблица 1. Статистика количества снимков Landsat по годам и месяцам
|
год/месяц |
Окт |
Ноя |
Дек |
Янв |
Фев |
Март |
Апр |
Май |
Σ |
|
1989 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
1990 |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
2 |
|
1991 |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
2 |
|
1992 |
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
3 |
|
1993 |
1 |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
3 |
|
1994 |
1 |
1 |
|
1 |
2 |
1 |
|
|
6 |
|
1995 |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
1996 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
1997 |
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
|
3 |
|
1999 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2000 |
1 |
|
|
1 |
|
1 |
|
|
3 |
|
2001 |
|
1 |
|
1 |
2 |
|
1 |
1 |
6 |
|
2002 |
|
1 |
|
|
1 |
|
2 |
|
4 |
|
2003 |
|
|
|
|
1 |
3 |
|
|
4 |
|
2008 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
2009 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
2 |
|
2010 |
2 |
1 |
|
1 |
1 |
|
2 |
|
7 |
|
2011 |
2 |
|
|
2 |
1 |
3 |
1 |
1 |
10 |
|
2013 |
1 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
3 |
|
2014 |
|
1 |
|
|
2 |
1 |
1 |
2 |
7 |
|
2015 |
1 |
|
|
|
2 |
|
1 |
|
4 |
|
2016 |
1 |
|
1 |
2 |
|
4 |
2 |
|
10 |
|
2017 |
1 |
2 |
|
1 |
|
3 |
1 |
|
8 |
|
2018 |
1 |
|
1 |
2 |
1 |
1 |
1 |
|
7 |
|
2019 |
2 |
|
2 |
2 |
1 |
2 |
1 |
1 |
11 |
|
2020 |
1 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
3 |
1 |
12 |
|
2021 |
1 |
1 |
|
|
1 |
|
1 |
1 |
5 |
|
2022 |
2 |
|
1 |
3 |
|
1 |
5 |
1 |
13 |
|
2023 |
3 |
|
|
|
2 |
2 |
|
2 |
9 |
|
2024 |
1 |
3 |
1 |
3 |
4 |
1 |
1 |
1 |
15 |
|
Σ |
23 |
14 |
9 |
20 |
30 |
31 |
27 |
12 |
166 |
Пространственное разрешение спутникового продукта составляло 30 м. Переход от у. е. count
к коэффициенту отражения земной поверхности рассчитывался с помощью выражения:
, (1)
где коэффициенты α = 0.0000275 и β = -0.2 [3].
Подход аналогичен методу, применённому авторами для расчёта расхода р. Дунай [4]. Суть метода состояла в существенном различии коэффициентов отражения «чистой водой» и водной поверхностью, покрытой льдом. Для расчёта таких пикселов использовалась маска водной поверхности Телецкого озера, которая также была получена по спутниковым данным в условиях полного отсутствия облачности и льда.
|
|
|
Рисунок 1 – Гистограмма |
Необходимость использования маски иллюстрирует рис. 1. Это снимок за 7 октября 2019года. На нем показана вся исследуемая область (рис. 1, правый), на котором цветом выделены районы/пикселы, находящиеся левее зеленой линии на гистограмме (рис. 1, левый). Хорошо видно, что если не использовать маску водной поверхности озера, то появятся нежелательные пикселы, удовлетворяющие используемому критерию. Кроме того, продемонстрирован сдвиг «нуля» влево, т. е. β, для конкретного снимка, что при формальном использовании выражения (1) приводит к отрицательным нефизичным значениям . В нашем подходе этот дефект учитывается.
Результаты и обсуждение. Результаты сезонного хода доли свободной ото льда акватории Телецкого озера и её межгодовая изменчивость представлены на рис. 2.
|
|
|
Рисунок 2 – Верхняя часть рисунка: осредненный за много лет сезонный ход свободной ото льда доли поверхности Телецкого озера (доля водной поверхности). Нижняя часть рисунка: межгодовая изменчивость свободной ото льда доли поверхности Телецкого озера с вычетом сезонного хода (аномалия). |
Сезонный ход рассчитывался как среднее значение за все года наблюдения (табл. .1). Его временной ход – логичен (рис. 2 верхний), максимальное покрытие наблюдается в декабре–январе, модуль первой производной существенно больше в октябре–декабре (скорость замерзания ~0.4 месяц-1), чем в январе–мае (скорость освобождения ото льда ~0.16 месяц-1). Межгодовая изменчивость, которая рассчитывалась, как разность между текущим значением и осредненным сезонным ходом, носит сложный характер (рис. 2 нижний): потепление наблюдалось с 1995 по 2005, небольшое похолодание – с 2010 по 2024. Кроме того, прослеживается цикл с периодом 5-6 лет.
Выводы. В результате проведённых исследований получены количественные оценки сезонного хода доли площади, свободной ото льда Телецкого озера в холодное время года, и её межгодовой изменчивости почти за 30 летний период на основе спутникового продукта – коэффициента отражения земной поверхности в ближнем ИК-диапазоне.
Благодарности. Работа выполнена в рамках государственных заданий ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2024-012 и ФГБУН ИВЭП СО РАН № 0306-2021-0001 и договоров с администрацией ФГБУ «Алтайский государственный заповедник». В экспедиционных работах использовалось научное оборудование ЦКП «Научно-исследовательские суда ИВЭП СО РАН».
1. Alekin O.A. K izucheniyu zimnego gidrologicheskogo rezhima Teleckogo ozera. - V kn.: Issledovanie ozer SSSR. Vyp. 7. L: Gidrometeoizdat, 1934, s. 83-100.
2. Selegey V.V., Selegey T.S. Teleckoe ozero. Gidrometeorologicheskiy rezhim ozer i vodohranilisch SSSR. L.: Gidrometeoizdat, 1978. 143 s.
3. Landsat 4-7, Collection 2 (C2), Level 2 Science Product (L2SP) Guide, Version 4.0, September 2021, Department of the Interior, U.S. Geological Survey, EROS, Sioux Falls, South Dakota. [Elektronnyy resurs]. URL: https://www.usgs.gov/media/files/landsat-4-7-collection-2-level-2-science-product-guide (data obrascheniya 21.03.2025).
4. Suslin, V.V., Sholar, S.A., Podgibailov, E.A. and Martynov, O.V. The Danube River Water Discharge According to Satellite Optical Data of the Landsat Series // Ecological Safety of Coastal and Shelf Zones of Sea, 2025, № 1, pp. 42–50.
