Метод мониторинга на основе искусственного интеллекта может раскрыть данные, способные улучшить безопасность судоходства и прогнозы климата.

С тех пор, как спутники впервые измерили арктический морской лёд в 1980-х годах, учёные заметили резкое уменьшение его площади из-за глобального потепления. Тенденция ясна: площадь летнего арктического морского льда в настоящее время уменьшается со скоростью 13% за десятилетие, но картина того, насколько сокращается морской ледяной покров, не является полной.

До сих пор спутники могли измерять толщину арктического морского льда только в период с октября по апрель. Причина в том, что летом бассейны с талой водой, образующиеся на поверхности льда, сбивают спутники с толку — они не могут отличить океан от талого бассейна.

Но ситуация с этим недостатком изменилась недавно, когда исследователи сообщили, что нашли способ обойти проблему, обучив искусственный интеллект различать океан и растаявший лёд. Их новый метод, техника машинного обучения, описанная в журнале Nature, может повысить безопасность судоходства, а также прогнозы того, когда в Арктике наступит первое лето безо льда.

Новый метод на основе искусственного интеллекта

Учёные традиционно оценивают толщину морского льда летом с помощью буёв и специально оборудованных самолётов. Однако спутниковые измерения гораздо более точны и целостны.

Джек Лэнди (Jack Landy), адъюнкт-профессор наблюдения Земли в Университете Тромсё — Арктическом университете Норвегии, руководил новым исследованием. «Это был проект с высокой степенью риска», — сказал Лэнди, работавший над проектом в течение 5 лет. «Иногда мы не знали, возможно ли это».

Лэнди и его команда применили метод машинного обучения к спутниковым данным миссии CryoSat-2 Европейского космического агентства. Они также построили модель спутниковой радиолокационной системы, чтобы проверить, точно ли CryoSat-2 измеряет толщину льда. Модель позволит им вносить коррективы в случае необходимости.

Трудная работа Лэнди и почти дюжины его сотрудников того стоила, по его словам: «Арктическим летом многое происходит — и быстро. Благодаря измерениям толщины в течение всего лета мы, наконец, можем начать понимать процессы таяния льда».

Улучшенные прогнозы состояния морского льда

По словам Лэнди, новый набор данных для летнего времени приносит явные преимущества судоходной отрасли. Одним из основных наблюдений было то, что толщина морского льда в начале лета была хорошим индикатором минимальной площади льда в сентябре. Эта корреляция сводится к тому простому факту, что более тонкий морской лёд с большей вероятностью тает и разрушается — закономерность, которая наблюдалась в предыдущих модельных исследованиях, но не имела подтверждающих данных наблюдений со спутников.

Лэнди объяснил, что проверка взаимосвязи между морским льдом поздней весной и ранней осенью может повысить точность прогнозов морского льда для судоходства. Норвежский метеорологический институт, например, в настоящее время выпускает прогнозы по морскому льду, но из-за нехватки данных в отчётах не охвачена вся Арктика.

Искусственный интеллект помог учёным рассчитать толщину арктического морского льда, которая измерялась CryoSat-2 в течение всего 2019-ого года. Измерения проводились два раза в месяц.

Новое исследование может также проложить путь к улучшению долгосрочных климатических прогнозов. «Улучшенные оценки толщины помогут нам лучше определить, насколько быстро мы можем увидеть переход к лету безо льда в Арктике», — сказала соавтор исследования Жюльен Стрев (Julienne Stroeve), профессор полярных наблюдений в Университетском колледже Лондона.

Новая работа подтверждает многие прогнозы, сделанные с помощью климатических моделей, сказала Сесилия Битц (Cecilia Bitz), профессор атмосферных наук в Вашингтонском университете, не участвовавшая в исследовании. «Это показывает, что мы на правильном пути — закономерности, которые мы наблюдали в наших моделях, реальны».

Помимо судоходства и науки, новые данные также ценны для жителей Арктики. «Общины полагаются на толстый летний лёд для транспорта, — сказала Битц, — но он ненадёжен, когда он истончён. Мы били тревогу, но без спутниковых наблюдений, подтверждающих это, к этому никогда не относились так серьёзно».

Космическое сотрудничество

«Толщина летнего арктического морского льда — одна из самых больших неизвестных в области моих исследований», — сказала Рэйчел Тиллинг (Rachel Tilling), специалист по морскому льду из Университета Мэриленда и Центра космических полётов имени Годдарда НАСА, не участвовавшая в исследовании.

Тиллинг отметила, что новый метод стал ключевым событием для учёных, изучающих тенденции изменения морского льда.

Тиллинг работает над спутниковой миссией НАСА ICESat-2, но ранее изучала данные CryoSat-2 для своей докторской диссертации. Обе миссии используют один и тот же принцип альтиметра для измерения толщины льда, но CryoSat-2 ищет отражения импульсов радара на поверхности льда, тогда как ICESat-2 посылает лазерные импульсы.

«Разрешение ICESat-2 означает, что мы можем обнаруживать отдельные талые водоёмы, поэтому мы проделываем большую работу, чтобы понять, как они влияют на наш сигнал, и сделать наши летние измерения толщины морского льда как можно более точными», — сказала Тиллинг. «Обе миссии дополняют друг друга — есть много интересных возможностей для сотрудничества».

 

Ссылка: https://eos.org/articles/satellites-get-first-full-year-view-of-arctic-sea-ice-thickness