Использование спутниковых альтиметрических измерений в гидрологии и потенциальные методы улучшения точности расчетов альтиметрического уровня воды для участков широкопойменных рек

Применение спутниковой альтиметрии для мониторинга водного режима внутренних вод суши (озер и рек) активно развивается на протяжении последних 10 лет в связи с подготовкой гидрологического спутника SWOT (Surface Water and Ocean Topography) запущенного в ноябре 2022 г. Альтиметрические спутниковые измерения на реках сложны из-за неоднородности физических характеристик и топографии отражающей поверхности в футпринте радара. Тем не менее, в условиях ограниченного наличия данных о топографии поймы, батиметрии и уровенных наблюдений на многих участках арктических рек, спутниковые альтиметрические измерения могут служить для верификации или калибровки гидродинамических моделей. В данном исследовании результаты моделирования уровней воды с помощью одномерной гидродинамической модели, адаптированной для 163 км участка нижнего течения р. Колымы были верифицированы по данным альтиметрических спутников Sentinel-3A и -3B. Несмотря на использование в качестве граничных условий гидродинамической модели расходов воды с вышележащих постов, пересчитанных с учетом увеличения площади водосбора и добегания, модель хорошо воспроизвела сезонную и межгодовую изменчивость на всем модельном участке. Связь модельных и спутниковых уровней воды варьировала от 0.8 до 0.91. Однако среднеквадратичное отклонение было достаточно высоким 0.77 - 2.75 м (или 13-62% от сезонной амплитуды уровня). Одной из причин высоких отклонений мы считаем упрощенный статистический метод фильтрации выбросов спутниковых измерений. В связи с этим встал вопрос разработки более продвинутого метода, основанного на машинном обучении.
Альтиметричские уровни воды рассчитывались по данным измерений спутников Sentinel-3A и -3B на 19 виртуальных станциях. Набор геофизических коррекций, поставляемых в стандартном продукте "SR_2_LAN" и адаптированных для задач гидрологии суши был применен к высотам, полученным ретрекером SAMOSA. Коррекции были интерполированы к координатам 20Hz измерений радара, точная выборка последних над речным руслом проводилась с использованием снимков Ландсат-8.
Для фильтрации полученных альтиметрических уровней воды был разработан ансамблевый метод определения выбросов, основанный на комбинации нескольких классических статистических методов (правило 3σ и расстояние Махаланобиса) и методов кластеризации. В качестве методов кластеризации были рассмотрены алгоритмы машинного обучения: изолированный лес (Isolation Forest), DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise) и LOF (local outlier factor). Алгоритм был разработан на однорукавном моделируемом участке р.Колымы, где удалось улучшить точность расчетов спутникового уровня на 8%. В настоящее время алгоритм тестируется на р. Оби (уасток г. Сургут) для оценки его эффективности в условиях широкопойменных и многорукавных участков рек.
Финансирование. Работа поддержана грантом РНФ 22-27-00633 "Исследование уровенного режима рек методами спутниковой альтиметрии и гидродинамического моделирования".