Введение. Внастоящее время для Каспийского моря характерна устойчивая тенденция к снижению уровня воды, которая в последние десятилетия приобретает всё более выраженное экологическое и социально- экономическое значение. Как крупнейший в мире замкнутый водоём, Каспий отличается тем, что его уровень формируется балансом притока речных вод и потерь на испарение; поэтому динамика уровня находится в тесной связи с климатической изменчивостью, условиями испарения и величиной речного стока. Понижение уровня приводит к регрессии береговой линии и расширению зон мелководья, трансформации прибрежных ландшафтов и ухудшению состояния прибрежных экосистем, а также осложняет эксплуатацию портов и иной прибрежной инфраструктуры. Эти изменения обусловливают необходимость системного мониторинга уровня моря и пространственного описания происходящих процессов в пределах всей акватории.
Количественные оценки понижения уровня подтверждают длительный характер процесса. По данным, обобщённым в публикациях на основе спутниковой альтиметрии, в период 1996–2015 гг. средний темп падения уровня составлял порядка 0,07 м/год (около 1,5 м суммарно), при этом в 2006– 2021 гг. отмечалось усиление снижения до величин порядка 0,10 м/год. В прикладных оценках последних лет также подчёркивается ускорение: суммарное снижение примерно на 2,5 м за 30 лет и текущие темпы порядка 0,20–0,30 м/год. На фоне этих тенденций оперативные наблюдения по казахстанскому побережью фиксируют абсолютные отметки уровня вблизи — 29 м.
Традиционный контроль уровня моря опирается на данные прибрежных гидропостов, которые обеспечивают точные, но локальные наблюдения. Для акватории больших размеров такой подход ограничен: при точечных измерениях затруднено пространственное описание изменений и сопоставление характера динамики между отдельными районами моря. В этих условиях спутниковая альтиметрия выступает существенным дополнением к наземным данным, поскольку обеспечивает регулярные и сопоставимые измерения высоты поверхности моря, распределённые в пространстве, и тем самым расширяет возможности пространственного анализа динамики уровня Каспийского моря.
Цель статьи — раскрыть возможности спутниковой альтиметрии как инструмента пространственного анализа динамики уровня Каспийского моря и описать методический подход к использованию альтиметрических наблюдений в сочетании с традиционными контактными измерениями для комплексного мониторинга изменений в пределах акватории.
Актуальность использования альтиметрических данных в исследованиях уровня Каспийского моря обусловлена тем, что традиционные прибрежные наблюдения обеспечивают высокую точность, но остаются пространственно разреженными и не дают целостного представления об изменениях в пределах всей акватории. Спутниковая альтиметрия, напротив, формирует регулярные, сопоставимые по времени и пространственно распределённые измерения высоты поверхности воды, что позволяет рассматривать динамику уровня как пространственный процесс, а не как набор локальных рядов.
При этом пространственная разреженность прибрежной сети ограничивает возможность описания уровня как непрерывного поля по всей акватории. Альтиметрические данные, напротив, формируют пространственно распределённые измерения вдоль треков спутников и обеспечивают сопоставимость наблюдений во времени, что позволяет рассматривать динамику уровня как пространственно-временной процесс, а не как набор несвязанных локальных рядов. В условиях усиливающейся динамики уровня Каспийского моря такая комбинация источников является методически значимой основой для более полного и согласованного описания изменений.
Рис. 1. Схема морских станций и постов на Каспийском море
Описание данных и подходов к анализу. Спутниковая альтиметрия — метод дистанционного зондирования, в котором высота поверхности воды оценивается по времени прохождения радиолокационного импульса от спутника до поверхности и обратно с учётом орбитальных параметров и геофизических поправок. Выходной величиной выступает высота водной поверхности относительно принятого высотного основания, что делает возможным сопоставление наблюдений в разных районах и в разные периоды. Методический анализ альтиметрических данных в задачах уровня моря опирается на набор типовых процедур: контроль качества и фильтрация измерений, формирование временных рядов высоты поверхности воды для выбранных участков акватории, оценка сезонной и межгодовой изменчивости, расчёт трендов и темпов изменения уровня с использованием регрессионных и робастных статистических методов, а также пространственная генерализация результатов.
Для перехода от трековых измерений к пространственному описанию используются методы интерполяциии геостатистического моделирования (например, IDW, сплайн, кригинг), после чего формируются тематические поверхности и карты показателей уровня и его динамики в ГИС-среде.
Рис. 2. Временной ряд уровня Каспийского моря по данным спутниковой альтиметрии, сформированный в базе DAHITI (DGFI-TUM) на основе многомиссионных наблюдений (TOPEX/Poseidon, Jason-1/2/3, Sentinel-6А)
Приведённый график иллюстрирует многолетнюю динамику уровня, реконструированную по многомиссионным альтиметрическим наблюдениям (TOPEX/Poseidon, Jason-1/2/3, Sentinel-6A) в рамках базы DAHITI, специализирующейся на гидрологических временных рядах внутренних водоёмов и замкнутых морей. Такая форма представления удобна для сопоставимого анализа межгодовой изменчивости и долгосрочных тенденций на единой временной шкале.
Данные спутниковой альтиметрии Sentinel-3, распространяемые через инфраструктуру Copernicus и сервисы операторов, представляют собой стандартизированные продукты с учётом геофизических поправок. На уровне L2 формируются геофизические параметры, связанные с оценкой высоты и аномалии высоты поверхности моря, что обеспечивает воспроизводимость обработки и сопоставимость наблюдений во времени и между треками. Значимость таких данных для исследований Каспийского моря определяется их регулярностью, едиными принципами процессинга и возможностью интеграции с ГИС-процедурами пространственного анализа.
Рис. 3. Альтиметрические данные Sentinel-3
Данные РГП «Казгидромет» по Каспийскому морю представляют собой ключевой источник инструментальных контактных наблюдений в казахстанском секторе и публикуются в виде регулярных бюллетеней, прогнозов и ежегодных сводок.
Рис. 4. Прогнозные данные уровня Каспийского моря
Иллюстрация отражает прогнозный компонент оперативного мониторинга: прогноз уровня формируется для ряда пунктов на заданный интервал времени и сопровождается оценкой диапазона ожидаемых колебаний. Наблюдения ведутся на морских станциях и постах (Форт- Шевченко, Актау, Фетисово, Саура, Песчаный, Курык и др.), а в бюллетенях приводятся оперативные характеристики уровня (средние значения для глубоководной части, экстремумы, диапазоны колебаний). В совокупности такие материалы обеспечивают контекст для интерпретации кратковременной изменчивости уровня и её связи с текущими гидрометеорологическими условиями. Кроме уровня, в ежегодных изданиях «Ежегодные данные о режиме Каспийского моря, казахстанское побережье» публикуются сведения стандартных гидрологических наблюдений, включая температуру воды, солёность, волнение, ледовые явления, а также расчёты элементов водного баланса. Отдельные материала также фиксируют сгонно-нагонные колебания, показывая, что уровень может заметно меняться даже в пределах нескольких суток.
Совместное использование контактных наблюдений и спутниковой альтиметрии обеспечивает комплексное описание динамики уровня Каспийского моря на разных масштабах. Контактные измерения на морских станциях и постах формируют высокочастотные и инструментально надёжные ряды уровня в прибрежной зоне, отражая как фоновую динамику, так и кратковременную изменчивость, связанную со сгонно-нагонными явлениями и гидрометеорологическими условиями. Спутниковая альтиметрия дополняет эти данные пространственным покрытием, позволяя рассматривать уровень как распределённую величину в пределах всей акватории и выявлять пространственные различия характера изменений. В интегрированном подходе контактные ряды служат опорой для сопоставления и интерпретации спутниковых оценок (согласование временных шкал и высотного основания), тогда как альтиметрия обеспечивает пространственную генерализацию и сопоставимость оценок между районами моря.
Вывод. Интегрированный подход, основанный на сочетании контактных прибрежных измерений и спутниковой альтиметрии, является методически обоснованным и повышает информативность мониторинга, объединяя точность и детальность инструментальных наблюдений с возможностью пространственного анализа динамики уровня на масштабе всей акватории Каспийского моря.
Литература:
- Sentinel-3 altimetry level 2 data guide. EUMETSAT User Portal. https://user.eumetsat.int/resources/user-guides/sentinel-3-altimetry-level-2-data- guide
- Schwatke C., Dettmering D., Bosch W., Seitz F. DAHITI — an innovative approach for estimating water level time series over inland waters using multi-mission satellite altimetry // Hydrology and Earth System Sciences. 2015. Vol. 19. P. 4345–4364. DOI: 10.5194/hess-19–4345–2015
- РГП «Казгидромет». Прогноз уровня Каспийского моря (раздел «Каспийское море») https://www.kazhydromet.kz/en/kaspiyskoe-more/prognoz- urovnya-kaspiyskogo-morya
- DAHITI: Water Level Time Series from Altimetry — Caspian Sea (39) https://dahiti.dgfi.tum.de/en/39/water-level-altimetry/РГП «Казгидромет». Ежегодные данные о режиме Каспийского моря, казахстанское побережье. https://www.kazhydromet.kz/ru/kaspiyskoe- more/ezhegodnye-dannye-o-rezhime-kaspiyskogo-morya
