Описание исходных данных

Для исследования поверхностных проявлений субмезомасштабных вихревых структур на акватории Ладожского озера использовались спутниковые данные радиолокаторов с синтезированной апертурой со спутников Sentinel-1 A/B. Всего c января по декабрь 2016–2022 гг. было проанализировано 3552 радиолокационных изображения (РЛИ) в режиме съемки Interferometric Wide (IW) с пространственным разрешением 20 м и шириной полосы обзора 250 км. Распределение изображений по акватории за весь рассматриваемый период представлено на рис. 1.1а. Максимальное покрытие отмечается в полосе в центральной части бассейна с количеством от 1500 до 1700 изображений. Меньше всего покрыта область восточной части озера, на весь период которого приходится не более 800 изображений. В среднем за год на акваторию озера приходилось 507 снимков. Наименее обеспеченными отмечаются 2016 и 2022 гг., когда число изображений составило около 300 за каждый год. С 2017 по 2021 на каждый год пришлось почти в два раза больше изображений. В месяц в среднем количество спутниковых изображений составило 296 шт. Наименее обеспеченным месяцем является июнь – всего 264 РЛИ, в то время как максимум РЛИ приходится на декабрь – 340 шт.

Таблица 1.1 Количество радиолокационных изображений Sentinel-1 A_B

Рис. 1.1. Карта покрытия РЛИ в шт. (а) и фрагмент РЛИ Sentinel-1 от 07.08.2019 15:24 UTC (б) с проявлением вихря и иллюстрацией методики, описание в тексте. Стрелочкой указано направление на север.

Анализ данных Sentinel-1 был выполнен с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом Европейского космического агентства SNAP (http://step.esa.int/main/toolboxes/snap/). Все РЛИ были откалиброваны по нормализованным единицам эффективной площади рассеяния и сглажены для уменьшения спекл-шума с использованием фильтра Ли (Lee, 1983), встроенного в программное обеспечение SNAP. Каждое радиолокационное изображение визуально проверялось с полным разрешением для поиска признаков вихревых структур и определения их границ. К таким признакам относят тонкие закрученные в спирали или дуги полосы (Munk et al., 2000; Yamaguchi and  Kawamura, 2009). Критерием спиральных вихрей является рисунок с темными (т.е. с низким обратным рассеянием) или светлыми (т.е. с высоким обратным рассеянием), узкими, криволинейными, концентрическими полосами, которые представляются закручивающимися вовнутрь по спирали. Границы выделенной структуры отмечались эллипсом, дублирующим периферию спирали (рис. 1.1б, пунктирная линия). Для каждого эллипса, ассоциируемого с вихрём, определялись длины малой и большой оси (Д1, Д2 на рис. 1.1б). Диаметр вихря рассчитывался как среднее значение между длинами малой и большой осей эллипса. Центр вихря определялись как географическая точка, где пересекаются большая и малая оси эллипса (Ц на рис. 1.1б). Спираль, закручивающаяся против часовой стрелки, была классифицирована как вихрь циклонического типа (С), тогда как закручивание по часовой стрелке указывало на антициклонический тип (Ас). Соответственно для каждой выделенной таким способом структуры определялись следующие характеристики: дата регистрации, координаты центра, диаметр, тип закручивания спирали.

На основе полученных характеристик вихрей производились расчёты на регулярную сетку с размером ячейки 0.2° по широте 0.3° по долготе частоты встречаемости (отношение количества детектированных структур к количеству радиолокационных изображений), количества структур, среднего диаметра в пределах ячейки сетки.

Стоит учитывать, что данный метод идентификации границ выделяемых вихревых структур имеет весомую долю субъективности, тем не менее на его основе удалось проанализировать свойства и распространенность поверхностных проявлений вихрей для различных морей Мирового океана [Karimova S. S., Gade, 2016; Bashmachnikov et al., 2020; Stuhlmacher, Gade, 2020; Kozlov, Atadzhanova, 2022] и Онежского и Ладожского озер [Zimin et al., 2023, 2024].

Литература:

1. Bashmachnikov I. L., Kozlov I. E., Petrenko L. A., Glok N. I., Wekerle C. Eddies in the North Greenland Sea and Fram Strait from satellite altimetry, SAR and high‐resolution model data. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020, 125, e2019JC015832. doi:10.1029/2019JC015832.
2. Karimova S. S., Gade M. Improved statistics of sub-mesoscale eddies in the Baltic Sea retrieved from SAR imagery. International Journal of Remote Sensing. 2016, 37(10), 2394–2414. doi:10.1080/01431161.2016.1145367.
3. Kozlov, I.E.; Atadzhanova, O.A. Eddies in the Marginal Ice Zone of Fram Strait and Svalbard from Spaceborne SAR Observations in Winter. Remote Sensing. 2022, 14, 134. doi:10.3390/rs14010134.
4. Lee J.-S. Digital image smoothing and the sigma filter. Computer Vision, Graphics, and Image Processing. 1984, 24(2), 255–269. doi: 10.1016/0734-189x(83)90047-6.
5. Munk W., Armi L., Fischer K., Zachariasen, F. Spirals on the sea. Proceedings of the Royal Society of London A. 2000, 456, 1217–1280. doi: 10.1098/rspa.2000.0560.
6. Stuhlmacher A., Gade M. Statistical Analyses of Eddies in the Western Mediterranean Sea based on Synthetic Aperture Radar Imagery. Remote Sensing of Environment. 2020, 250, 112023. doi: 10.1016/j.rse.2020.112023.
7. Yamaguchi S., Kawamura H. SAR-imaged spiral eddies in Mutsu Bay and their dynamic and kinematic models. Journal of oceanography. 2009, 65(4), 525-539.
8. Zimin, A.V., Atadzhanova, O.A., Blagodatskikh, E.A. et al. Submesoscale Eddy Structures of Lake Ladoga According to Sentinel-1 Radar Data for a Warm Period of 2019–2022. Earth Sc. 2024, 514, 296–300. doi: 10.1134/S1028334X23602742
9. Zimin, A.V., Blagodatskikh, E.A., Atadzhanova, O.A. Small Eddies Observed in Ladoga and Onega Lakes Using SAR Data. Complex Investigation of the World Ocean (CIWO-2023). Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer: Cham, 2023, 191–197. doi:10.1007/978-3-031-47851-2_22.