Метод за определяне на дебелината на леда в замръзващите водни площи

Притежатели на патента RU 2319205:

Изобретението се отнася до областта на хидрологията и е свързано с определянето на дебелината на ледената покривка на замръзващите водни площи според данните на дистанционни измервателни уреди, инсталирани на метеорологични изкуствени земни спътници. Техническият резултат е създаването на автоматизиран интерактивен мониторинг на дебелината на леда на замръзващите водни площи според изображенията в термалния канал на IR честотния диапазон на метеорологичните изкуствени земни спътници. Методът се състои в това, че горните математически формули се използват за изчисляване априори на набор от стандарти за нелинейни коефициенти на сходство между релефа на истинската дебелина на леда и релефа на температурното поле на ледената покривка. След това коефициентите на сходство се определят от данните на анализираното IR изображение, където се избират тестови зони, чиято повърхностна температура съответства на зони с вода при температурата на замръзване и зони на "дебел" (дебелина> 120 cm) сняг покрит лед. При същите хидрометеорологични условия от множеството референтни стойности за данните към момента на получаване на изображението се избират коефициенти на сходство, равни на изчислените, и температурните интервали, съответстващи на избраните дискретни интервали на леда дебелината се определят. В образа на ледената покривка областите с определени интервали от дебелина на леда се подчертават с помощта на цветна палитра. Като тестови зони върху IR изображението, съответстващи на повърхностната температура или яркостта на пикселите на „дебел“ покрит със сняг лед, се избират области от изображението на покритата със сняг повърхност на земята, разположени в близост до изследваната ледена покривка. 2 wp f-ly, 1 таб.

Изобретението се отнася до областта на хидрологията и е свързано с определянето на дебелината на ледената покривка на замръзващите водни площи според данните на дистанционни измервателни уреди, инсталирани на метеорологични спътници, позволяващи да се определи интензивността на собственото или отразеното излъчване физическите характеристики на геофизичните обекти. Тълкуването на записаните енергийни характеристики във физическите характеристики на обектите на наблюдение е процесът на декодиране на получената информация.

Проблемът с наблюдението на дебелината на ледената покривка е много спешен от гледна точка на осигуряване на безопасна експлоатация на хидравлични съоръжения в замръзващи водни площи под въздействието на ледени образувания върху тях; осигуряване на плаването на кораби в лед; решаване на проблеми за взаимодействие между атмосферата и океана в присъствието на ледена покривка. Дистанционните изследователски методи фундаментално дават възможност за решаване на този проблем, особено при озвучаване от сателити. Следователно, за всички части на електромагнитния спектър, в които може да се получи полезна информация за дебелината на леда във водните зони, се разработват специални методи. Ледената покривка на водната зона има сложен физически състав, структура и структура, променяща се във времето и пространството в зависимост от условията на околната среда, което не позволява да се получи висока точност на измерванията на дебелината на леда с помощта на оборудване за дистанционно наблюдение, сравнимо с методите за контакт. В допълнение, естественото осредняване на измерената стойност при елемента за локална разделителна способност на оборудването води до резултат, който може да се нарече условна дебелина. В повечето случаи, използвайки оборудване за дистанционно наблюдение, във връзка с измерването на дебелината на ледената покривка се определят някои произволни различими интервали на дебелината, както и нейните възрастови градации. Като правило се разграничават следните възрастови градации на ледената покривка: начална и нила (с дебелина h 250 cm).

Сред използваните дистанционни технически средства и методи за определяне на възрастовите градации на ледената покривка може да се отбележи следното:

1. Средства за наблюдение във видимия обхват на електромагнитния спектър на честотите (с дължини на вълните 380-760 nm). В този диапазон контрастът на наблюдаваните обекти се определя от стойностите на тяхното албедо и положението на слънцето. Използвайки сателитни изображения със средна разделителна способност, е възможно да се определят горните възрастови градации на леда през светлата част на денонощието при липса на облачност, ако размерите на хомогенните области на ледената покривка значително надвишават размерите на елементарните области на изображението [1]. В същото време точността на определяне на възрастовите градации на леда до голяма степен зависи от субективната оценка на получените изображения от експертен декодер.

2. Средствата за наблюдение в микровълновия честотен диапазон (активни и пасивни), регистриращи радиотермичното излъчване на ледената покривка в диапазона на дължината на вълната от 1 mm - 40 cm, позволяват да се идентифицират тънки, средни, дебели ледове и многогодишни ледове [2]. Такива възможности обаче съществуват само ако хомогенните области на ледената покривка са по-големи от локалната разделителна способност на радиометрите. Междувременно сателитните микровълнови радиометри имат разделителна способност на терена от порядъка на 10-80 км.

3. Средства за радиолокационно засичане (BO radar) измерват енергията на отразения радарен сигнал, определен от отражателната способност на обектите или ефективната площ на разсейване (EPR). По отношение на разположението на ледената покривка EPR зависи от сложната диелектрична константа на леда, релефа на повърхността му и съдържанието му на влага, както и от параметрите на оборудването за наблюдение - дължината на вълната и поляризацията на излъчваното и получен сигнал. Практиката на използване на сателитни радари BO свидетелства, че възрастовите градации на предимно три вида лед могат да бъдат определени от радарни изображения, получени при дължини на вълните 0,8-5,0 cm: млади, едногодишни и стари [3].

Целта на предложения метод е да се създаде автоматизиран интерактивен мониторинг на дебелината на леда на замръзващите водни площи в диапазона от филм до 100-120 cm с дискретност, ограничена от чувствителността на метода, и над 120 cm - без дискретност, осреднено по локален елемент на разделителна способност, според изображения в термален канал IR честотен диапазон на метеорологичните спътници в безоблачна атмосфера и отрицателна температура на въздуха. Решението на този проблем се постига чрез създаване на физически модел, който включва безразмерни параметри, които комбинират различни хидрометеорологични елементи и установяват нови физически взаимоотношения. Това значително намалява броя на необходимите измервани елементи и опростява решението на проблема. Основният резултат от физико-математическото моделиране е установяването на нелинейно сходство на релефа на полето със собствено топлинно излъчване на ледената покривка на височината на полета на AES с релефа на полето с „истинска“ дебелина на леда и определяне на стойностите на коефициентите на това сходство. Релефът на полето с истинската дебелина на ледената покривка се разбира като виртуален релеф, който възниква, когато дънните основи на всички ледени плочи с различна дебелина, включени в ледената покривка на водните площи, са разположени в една и съща равнина. Терминът „дебелина на леда“ в модела е конвенционална стойност, еквивалентна по отношение на неговите топлинни характеристики на дебелината на плоска ледена плоча в рамките на разделителния елемент на AES IR радиометъра.

Отправната точка в този модел е решението на уравнението на топлинния баланс върху повърхността на покрит със сняг лед, разглеждан като двуслойна плоча (решение се получава и за многослойна плоча), при условие че топлинният поток е непрекъснат. Уравнението е представено в интегрална форма. Преходът към крайни стъпки и анализът на всички компоненти направи възможно получаването на израз за повърхностната температура T0 на леда във водните зони под формата [6]:

където tp е дебелината на покрития със сняг лед, преобразуван в дебелината на незаснежения лед при условие на еквивалентен топлопреминаване;

λ е топлопроводимостта на леда;

k е коефициентът на топлообмен между ледената повърхност и атмосферата;

Θ - точка на замръзване на водата;

Ta е температурата на околния въздух;

Ief е ефективното излъчване на ледената повърхност;

I '- слънчева радиация, погълната в горния сантиметров слой сняг или лед.

За преминаване от преобразуваната дебелина на леда към истинската се въвежда безразмерен параметър ξ, който има средна статистическа стойност. Във физически план този параметър определя отслабването на топлинния поток, преминаващ през леда, причинено от наличието на сняг. Текущите стойности на параметъра ξ се определят от съотношението:

където λs, ts са съответно топлопроводимостта на снега и дълбочината на снежната покривка върху даден лед,

λ, tE - топлопроводимост и дебелина на леда.

От изрази (1) и (2) може да се получи уравнение (3) за изчисляване на истинската дебелина на леда tE:

Температурата на повърхността на "дебелия" (tE> 1,2 m) заснежен лед във водната зона T2 е практически независима от дебелината. Температурата на повърхността на дегенериралия лед (tE = 0) може да се счита за равна на точката на замръзване на водата Θ. Тогава изразът за безразмерния параметър ψr, представен от релацията (4),

въз основа на израз (1), с грешка не по-голяма от 10%, може да се изрази чрез уравнение (5)

При същите хидрометеорологични условия ψr = ψ.

Изчисляването на безразмерния параметър ψ с помощта на израз (5), където стойностите на хидрометеорологичните елементи бяха изчислени с помощта на емпирични формули, показа, че този параметър е фактор, който е практически независим от температурата на въздуха, ефективната радиация и предаването на радиация от атмосферата. Това може да се види от таблицата, в която облачността N0 се появява само като метеорологичен елемент, влияещ върху ефективната радиация.