RAS PresidiumИсследование Земли из космоса Earth Research from Space

  • ISSN (Print) 0205-9614
  • ISSN (Online) 3034-5405

Detecting Zones with Anomalous Dynamics of Physical Parameters of the Marine Environment, Recorded from Satellite Data, for Zoning of Vast Marine Areas

PII
S3034540525060035-1
DOI
10.7868/S3034540525060035
Publication type
Article
Status
Published
Authors
Volume/ Edition
Volume / Issue number 6
Pages
37-53
Abstract
A methodology of complex analysis of long-term time series of distributions of informative parameters of the aquatic environment, determined by satellite data, for physically-substantiated zoning of vast marine areas is proposed and tested. The methodology is based on an approach that combines the capabilities of statistical, correlation, and regression analysis, as well as principal component analysis and self-organizing classification of heterogeneous data. The features of zones with abnormal dynamics of marine environment parameters (sea surface temperature, sea ice concentration, sea surface level and salinity with a retrospective depth of ~30–40 years) have been identified and analyzed for the waters near the Kamchatka Peninsula, in the Barents Sea, as well as in the Atlantic Antarctic using the results of processing and analyzing daily satellite and model data. The research results demonstrated the efficiency of the proposed methodology in solving the problems of detecting areas of the seas and oceans characterized by an atypical regime of interannual variability of the physical characteristics of the marine environment for the region under consideration.
Keywords
дистанционное зондирование космический мониторинг морские акватории параметры водной среды районирование морских акваторий классификация
Date of publication
21.03.2026
Year of publication
2026
Number of purchasers
0
Views
5

References

  1. 1. Багров Н.А. Аналитическое представление последовательности метеорологических полей посредством естественных ортогональных составляющих // Тр. ЦИП. 1959. № 74. С. 3–18.
  2. 2. Bagrov N.A. Analiticheskoe predstavlenie posledovatel’nosti meteorologicheskikh polei posredstvom estestvennykh ortogonal’nykh sostavlyayushchikh (Analytical presentation of the sequence of meteorological fields through natural orthogonal components), Trudy Tsentral’nogo instituta prognozov, 1959, Issue 74, P. 3–24.
  3. 3. Пространственные данные: потребности экономики в условиях цифровизации / Е. Б. Белогурова, В. Е. Воробьев, О. Г. Гвоздев и др.; Фед. служба гос. регистрации, кадастра и картографии; Нац. исслед. ун-т «Высшая школа экономики»; НИИ «АЭРОКОСМОС». – М.: НИУ ВШЭ, 2020. – 128 с.– ISBN 978-5-7598-2152-6
  4. 4. Spatial Data: the Needs of the Economy in the Context of Digitalization / E. Belogurova, V. Vorobyev, O. Gvozdev et al.; The Federal Service for State Registration, Cadastre and Cartography; National Research University Higher School of Economics; Institute for Scientific Research of Aerospace Monitoring “AEROCOSMOS“. – Moscow: HSE, 2020. – 128 p.– ISBN 978-5-7598-2152-6
  5. 5. Бондур В.Г. Аэрокосмические методы в современной океанологии. / В кн. «Новые идеи в океанологии. М.: Наука. Т1: Физика. Химия. Биология / 2004. С. 55–117 + 8 стр. цв. вклеек.
  6. 6. Bondur V.G. Aerokosmicheskie metody v sovremennoy okeanologii (Aerospace methods in modern oceanology) // New Ideas in Oceanology. V. 1. Physics. Chemistry. Biology. Moscow: Nauka. 2004. P. 55–117 (In Russian).
  7. 7. Бондур В.Г. Современные подходы к обработке больших потоков гиперспектральной и многоспектральной аэрокосмической информации // Исследование Земли из космоса. 2014. № 1. С. 4–16. DOI: 10.7868/S0205961414010035
  8. 8. Bondur V.G. Modern Approaches to Processing Large Hyperspectral and Multispectral Aerospace Data Flows. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2014. V. 50. № 9. P. 840–852. DOI: 10.1134/S0001433814090060.
  9. 9. Бондур В.Г., Журбас В.М., Гребенюк Ю.В. Математическое моделирование турбулентных струй глубинных стоков в прибрежные акватории // Океанология. 2006. Т. 46. № 6. С. 805–820.
  10. 10. Bondur V.G., Zhurbas V.M., Grebenyuk Yu.V. Mathematical Modeling of Turbulent Jets of Deep-Water Sewage Discharge into Coastal Basins // Oceanology. 2006. V.46. № 6. P. 757–771. DOI: 10.1134/S0001437006060014
  11. 11. Бондур В.Г., Замшин В.В., Чверткова О.И., Матросова Е.Р., Ходаева В.Н. Анализ причин экологического происшествия на Камчатке осенью 2020 г., связанного с красным приливом, на основании космических данных // Исслед. Земли из космоса. 2021. № 3. С. 3–18. https://doi.org/10.31857/S020596142103009X
  12. 12. Bondur V.G., Zamshin V.V., Chvertkova O.I., Matrosova E.R., Khodaeva V.N. Analyzing Causes for the Environmental Disaster in Kamchatka in Autumn 2020 Due to a Red Tide Based on Satellite Data. Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2021. V. 57. P. 937–949. https://doi.org/10.1134/S0001433821090413
  13. 13. Бондур В.Г., Филатов Н.Н., Гребенюк Ю.В., Долотов Ю.С., Здоровеннов Р.Э., Петров М.П., Цидилина (Савченко) М.Н. Исследования гидрофизических процессов при мониторинге антропогенных воздействий на прибрежные акватории (на примере бухты Мамала, Острова Оаху, Гавайи) // Океанология. 2007. Т. 47. № 6. С. 827–846.
  14. 14. Bondur V.G., Filatov N.N., Grebenyuk Yu.V., Dolotov Yu.S., Zdorovennov R.E., Petrov M.P., Tsidilina M.N. Studies of hydrophysical processes during monitoring of the anthropogenic impact on coastal basins using the example of Mamala Bay of Oahu Island in Hawaii // Oceanology. 2007. V. 47. № 6. P. 769–787. DOI: 10.1134/S0001437007060033
  15. 15. Вакульская Н.М., Дубина В.А., Плотников В.В. Вихревая структура Восточно-Камчатского течения по спутниковым наблюдениям // Сборник научных статей «Физика геосфер». ТОИ ДВО РАН. 2019. № 1. С. 73–81. https://doi.org/10.35976/POI.2019.47.98.007
  16. 16. Vakulskaya N.M., Dubina V.A., Plotnikov V.V. Eddy structure of the East Kamchatka current according to satellite observations. Phizika geosphere. 2019. № 1, P. 73–81 (in Russian). DOI: 10.35976/POI.2019.47.98.007
  17. 17. Замшин В.В., Матросова Е.Р., Морозов Е.Г., Спиридонов В.И., Фрей Д.И., Харченко В.Д., Ходаева В.Н., Чверткова О.И., Шлюпиков В.А. Информационное обеспечение из космоса рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш” в Южный океан // Исслед. Земли из космоса. 2020. № 4. P. 74–85. https://doi.org/10.31857/S0205961420040077
  18. 18. Zamshin V.V., Matrosova E.R., Morozov E.G., Spiridonov V.I., Frey D.I., Kharchenko V.D., Khodaeva V.N., Chvertkova O.I., Shlyupikov V.A. Providing Satellite Data to R/V Akademik Mstislav Keldysh during a Mission in the Southern Ocean // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2020. V. 56. № 12. P. 1731–1740. https://doi.org/10.1134/S0001433820120592
  19. 19. Иванов В.В., Архипкин В.С., Лемешко Е.М., Мысленков С.А., Смирнов А.В., Суркова Г.В., Тузов Ф.К., Чечин Д.Г., Шестакова А.А. Изменение гидрологических условий в Баренцевом море как индикатор климатических трендов в евразийской Арктике в XXI веке. Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2022. № 1. С. 13–25.
  20. 20. Ivanov V.V., Arkhipkin V.S., Lemeshko Ye.M., Myslenkov S.A., Smirnov A.V., Surkova G.V., Tuzov F.K., Chechin D.G., Shestakova A.A. Changes in hydrometeorological conditions in the Barents Sea as an indicator of climatic trends in the Eurasian Arctic in the 21st century. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 5, Geografiya. 2022. № 1. P. 13–25 (In Russ.).
  21. 21. Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования // Под ред. И.И. Мохова, А.А. Макоско, А.В. Чернокульского. – М.: РАН. 2024. 360 с.
  22. 22. Climate change: causes, risks, consequences, problems of adaptation and regulation // Ed. by I.I. Mokhov, A.A. Makosko, A.V. Chernokulsky. Moscow: RAS. 2024. 360 p. (In Russ.).
  23. 23. Обухов А.М. О статистически ортогональных разложениях эмпирических функций // Изв. Акад. наук СССР. Сер. геофиз. 1960. № 3. С. 432–439.
  24. 24. Obukhov A.M. O statisticheski ortogonal’nykh razlozheniyakh empiricheskikh funktsii (On statistically orthogonal expansions of empirical functions), Izvestiya AN SSSR, Ser. geofizicheskaya, 1960. № 3. P. 432–439.
  25. 25. Сумкина А.А., Кивва К.К., Иванов В.В., Смирнов А.В. Сезонное очищение ото льда Баренцева моря и его зависимость от адвекции тепла Атлантическими водами. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2022. Т. 15. № 1. С. 82–97. https://doi.org/10.59887/fpg/1krp-xbuk-6gpz
  26. 26. Sumkina A.A., Kivva K.K., Ivanov V.V., Smirnov A.V. Seasonal ice removal in the Barents Sea and its dependence on heat advection by Atlantic waters. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2022. V. 15. № 1. P. 82–97. (In Russ.) https://doi.org/10.59887/fpg/1krp-xbuk-6gpz
  27. 27. Сухонос П.А., Дианский Н.А. Анализ повторного появления зимних аномалий характеристик верхнего слоя Северной Атлантики по данным реанализов // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 3. С. 349–361. https://doi.org/10.31857/S0002351521030093
  28. 28. Sukhonos P.A., Diansky N.A. Analysis of the reemergence of winter anomalies of upper ocean characteristics in the North Atlantic from reanalysis data // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2021. V. 57. № 3. P. 310–320. https://doi.org/10.31857/S0002351521030093
  29. 29. Шеберстов С.В., Копелевич О.В., Лукьянова Е.А. Анализ межгодовых трендов температуры поверхности океана и концентрации хлорофилла в Атлантическом океане по спутниковым данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 274–282.
  30. 30. Sheberstov S.V., Kopelevich O.V., Lukyanova E.A. Analysis of inter-annual trends of sea surface temperature and chlorophyll concentration in the Atlantic Ocean from satellite data // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2011. V. 8. № 4. P. 274–282.
  31. 31. Belyaev K., Kuleshov A., Smirnov I. Spatial–Temporal Variability of the Calculated Characteristics of the Ocean in the Arctic Zone of Russia by Using the NEMO Model with Altimetry Data Assimilation // Journal of Marine Science and Engineering. 2020. V. 8. № 10. P. 753. https://doi.org/10.3390/jmse8100753
  32. 32. Björnsson H., Venegas S.A. A manual for EOF and SVD analyses of climatic data // CCGCR Rep. 1997. V. 97. № 1. P. 112–134.
  33. 33. Bondur V., Chernikova V., Chvertkova O., Zamshin V. Spatiotemporal Variability of Anthropogenic Film Pollution in Avacha Gulf near the Kamchatka Peninsula Based on Synthetic-Aperture Radar Imagery // J. Mar. Sci. Eng. 2024. V. 12. № 12. P. 2357. https://doi.org/10.3390/jmse12122357
  34. 34. Bondur V., Chvertkova O., Zamshin V. Studying Conditions of Intense Harmful Algal Blooms Based on Long-Term Satellite Data // Remote Sensing. 2023. V. 15. № 22. P. 5308. https://doi.org/10.3390/rs15225308
  35. 35. Bondur V., Tsidilina M. Features of formation of remote sensing and sea truth databases for the monitoring of anthropogenic impact on ecosystems of coastal water areas // Proceedings, 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment. St. Petersburg: ISRSE, 2005. P. 192–195.
  36. 36. Chassignet E., Hurlburt H., Metzger E., Smedstad O., Cummings J., Halliwell G., Bleck R., Baraille R., Wallcraft A., Lozano C., Tolman H., Srinivasan A., Hankin S., Cornillon P., Weisberg R., Barth A., He R., Werner F., Wilkin J. Global ocean prediction with the hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) // Oceanography. 2009. V. 22. P. 64–75. https://doi.org/10.5670/oceanog.2009.39
  37. 37. Donev J., Stenhouse K., Sheardown A., Hanania J. Global surface temperature anomaly // Energy Education (Electronic resource). URL: https://energyeducation.ca/encyclopedia/Global_surface_temperature_anomaly#cite_note-4 [Accessed: 10.2025]
  38. 38. ENVI Environment for Visualizing Images. Reference guide // ITT Visual Information Solutions. 2008. P. 580.
  39. 39. Gorelick N., Hancher M., Dixon M., Ilyushchenko S., Thau D., Moore R. Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone // Remote Sensing of Environment. 2017. V. 202. P. 18–27. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.06.031
  40. 40. Hannachi A., Jolliffe I.T., Stephenson D.B. Empirical orthogonal functions and related techniques in atmospheric science: A review // Int. J. Climatol. 2007. № 27. P. 1119–1152. https://doi.org/10.1002/joc.1499
  41. 41. Mohamed B., Nilsen F., Skogseth R. Interannual and Decadal Variability of Sea Surface Temperature and Sea Ice Concentration in the Barents Sea // Remote Sensing. 2022. V. 14. № 17. P. 4413. https://doi.org/10.3390/rs14174413
  42. 42. Monahan A.H., Fyfe J.C., Ambaum M.H.P., Stephenson D.B., North G. R. Empirical orthogonal functions: The medium is the message // Journal of Climate. 2009. V. 22. № 24. P. 6501–6514. https://doi.org/10.1175/2009JCLI3062.1
  43. 43. Morozov E.G., Spiridonov V.A., Molodtsova T.N., Frey D.I., Demidova T.A., Flint M.V. Investigations of the Ecosystem in the Atlantic Sector of Antarctica (Cruise 79 of the R/V Akademik Mstislav Keldysh) // Oceanology. 2020. V. 60. № 5. P. 721–723.
  44. 44. Global Climate Report for Annual 2019 (NOAA Electronic resource). URL: https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/201913 (Date accessed: 10.2025)
  45. 45. Orlova T.Y., Aleksanin A.I., Lepskaya E.V., Efimova K.V., Selina M.S., Morozova T.V., Stonik I.V., Kachur V.A., Karpenko A.A., Vinnikov K.A., Adrianov A.V., Iwataki M. A massive bloom of Karenia species (Dinophyceae) off the Kamchatka coast, Russia, in the fall of 2020 // Harmful Algae. 2022. V. 120. P. 102337. https://doi.org/10.1016/j.hal.2022.102337
  46. 46. Richards J.A. Remote Sensing Digital Image Analysis: An Introduction. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1999. 240 p.
  47. 47. Robinson I.S. Discovering the Ocean from Space: The unique applications of satellite oceanography. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2010. 638 p.
  48. 48. Xiong L., Jiao Y., Wang F., Zhou S. Spatial–Temporal Variations in Regional Sea Level Change in the South China Sea over the Altimeter Era // Journal of Marine Science and Engineering. 2023. V. 11. № 12. P. 2360. https://doi.org/10.3390/jmse11122360
  49. 49. Zamshin V.V., Shliupikov V.A. Sea Surface Temperature and Ice Concentration Analysis Based on the NOAA Long-Term Satellite and Sea-Truth Data in the Atlantic Antarctic // In book Antarctic Peninsula Region of the Southern Ocean: Oceanography and Ecology Advances in Polar Ecology. / Ed by. E.G. Morozov, M.V. Flint, V.A. Spiridonov. Cham: Springer International Publishing, 2021. P. 143–155.
  50. 50. Antarctic Peninsula Region of the Southern Ocean: Oceanography and Ecology / Ed by. E.G. Morozov, M.V. Flint, V.A. Spiridonov. Cham: Springer International Publishing, 2021. 455 p.
QR
Translate

Indexing

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library