Спутниковый радар: революция в глобальном мониторинге снега для управления водными ресурсами

Сток с глубоких горных снежников является основным источником столь необходимой воды для засушливых и полузасушливых регионов на западе США, а также во многих других частях мира. Ежегодно управляющие водными ресурсами в этих регионах должны балансировать водный бюджет, который учитывает воду, полученную, потерянную и накопленную в водосборных бассейнах под их контролем. Это влияет на всё: от водоснабжения и сельского хозяйства до туризма и борьбы с лесными пожарами.

Для этого управляющие в основном полагаются на установленные статистические модели, прогнозирующие объём и время горного стока. Однако информация, доступная для этих моделей, поступает в основном из разреженной сети метеостанций, наблюдающих за снегом, а также из карт снежного покрова, полученных с помощью оптических спутниковых снимков, которые дают информацию о протяжённости снега, но не о количестве воды, запасённой в снежнике.

Менеджеры некоторых бассейнов, обычно тех, где находятся водосборы, обслуживающие крупные населённые центры и сельхозпроизводителей, также могут финансировать сбор данных с воздуха: высокодетальные дистанционные оценки глубины снега и его массы (например, от «Воздушных снежных обсерваторий»). Эти данные значительно улучшают модели стока и прогнозирование речного потока для местного управления водными ресурсами и работы плотин. Однако высокая стоимость таких авиационных обследований не позволяет многим регионам получить доступ к подобным данным.

Детальные спутниковые наблюдения за объёмом и массой снега могли бы дать большему числу управляющих доступ к более полной информации. Данные, собираемые спутниками, более экономически эффективны и часты по сравнению с авиационными обследованиями. Поэтому детальные спутниковые наблюдения за объёмом и массой снега могли бы предоставить большему числу управляющих доступ к более полной информации. Более 3 десятилетий исследователи разрабатывали методы дистанционного зондирования снега, стремясь к созданию спутниковой миссии, способной измерять объём и массу снега — обычно через глубину снега и снегозапасы (Snow Water Equivalent, SWE) — с высоким пространственным и временным разрешением. Прогресс был достигнут, но на фоне продолжающихся потерь снежного покрова из-за потепления [Hale et al., 2023] до сих пор нет утверждённой глобальной спутниковой миссии, ориентированной на снег.

Одним из перспективных путей может стать использование интерферометрического синтезированного апертурного радара (Интерферометрический РСА, InSAR) для картирования изменений снежников. InSAR широко используется в науках о Земле для изучения активности разломов и вулканизма путём измерений деформации поверхности. Но применение этой техники к снегу было затруднено, потому что интервалы повторной съёмки и длины волн радаров современных спутниковых платформ InSAR не были разработаны с учётом задач обнаружения снега.

Однако недавние результаты кампании NASA SnowEx (2017–2023) и возможности совместной спутниковой миссии NASA и Индийской организации космических исследований SAR (NISAR), запущенной в конце июля 2025 года, высветили потенциал InSAR как нового космического метода дистанционного зондирования снега с высоким пространственным разрешением и почти глобальным охватом. Если этот метод будет полностью реализован, высокодетальные измерения объёма и массы снега могут стать свободно доступными для ключевых заснеженных бассейнов по всей планете, что потенциально может кардинально улучшить практики устойчивого управления водными ресурсами. Такой ресурс также позволит проводить научные исследования в удалённых и труднодоступных бассейнах.

Снежники в горах — это гигантские естественные водохранилища, питающие реки и подземные горизонты в засушливых регионах по всему миру. От того, сколько воды накоплено в снегу и когда она поступит в реки, зависит благополучие миллионов людей, продовольственная безопасность и стабильность экосистем. Однако сегодня управление этим жизненно важным ресурсом напоминает полёт вслепую.

Традиционно гидрологи полагаются на данные с ограниченной сети наземных станций и спутниковые снимки, показывающие лишь площадь снежного покрова, но не его водный эквивалент. Авиационные измерения точны, но непозволительно дороги для повсеместного использования. Этот информационный вакуум делает прогнозы паводков и планирование водопользования крайне неточными, что усугубляется изменением климата, нарушающим привычные снежные режимы.

Прорывом может стать технология интерферометрического радарного сканирования из космоса (InSAR). Её принцип основан на анализе мельчайших изменений в радиоволне, отражённой от земли до и после выпадения снега. Задержка сигнала, вызванная прохождением через снежную толщу, позволяет напрямую рассчитать прирост снегозапасов. Хотя метод изучался десятилетиями, его практическому внедрению мешали технические ограничения спутников.

Ситуация меняется. Многолетняя кампания NASA SnowEx, в ходе которой с самолёта отрабатывалась методика L-диапазонного InSAR, доказала её высокую точность для сухого снега в различных ландшафтах — от открытых плато до редколесий. Ключевым событием стал запуск в 2025 году спутника NISAR — совместного проекта NASA и Индийской организации космических исследований. Этот аппарат, оснащённый радаром с длинной волной (L-диапазон), способен «просвечивать» глубокий снег и частично лесные пологи. Его регулярный 12-дневный цикл обзора всей планеты создаёт беспрецедентную возможность для мониторинга динамики снегозапасов в глобальном масштабе.

Это открывает новую эру в гидрологии. Впервые у водных менеджеров от Калифорнии до Центральной Азии появится инструмент для получения детальных, частых и бесплатных карт снегозапасов. Это позволит:

• Точно прогнозировать объём и пик половодья, оптимизируя заполнение водохранилищ и снижая риски наводнений.

• Эффективнее распределять воду между сельским хозяйством, промышленностью и городами в условиях дефицита.

• Изучать последствия изменений климата на снежный покров в удалённых горных системах, таких как Гималаи или Анды, где наземных данных практически нет.

Однако предстоит решить серьёзные задачи. Метод теряет точность во время таяния, когда снег становится влажным, а радиосигнал поглощается водой. Его эффективность в густых лесах и для мокрых «морских» снежников (как в Сьерра-Неваде) требует дополнительных исследований. Кроме того, сам по себе поток данных с NISAR не станет панацеей — необходима кропотливая работа по созданию алгоритмов перевода радиолокационных фазовых измерений в конкретные значения снегозапасов, их валидации и интеграции в действующие гидрологические модели.

Несмотря на вызовы, конвергенция технологий радарной интерферометрии, новых спутниковых платформ вроде NISAR и будущей европейской миссии ROSE-L, а также методов машинного обучения для обработки данных, зажигает зелёный свет на пути к цели, которая ещё недавно казалась фантастикой: созданию первой в мире оперативной системы глобального мониторинга снегозапасов. Реализация этого потенциала потребует тесного междисциплинарного сотрудничества гляциологов, радиолокационщиков, специалистов по данным и, что критически важно, конечных пользователей — управляющих водными ресурсами. Их совместные усилия могут превратить снег, этот изменчивый и тающий ресурс, из источника неопределённости в управляемый фундамент водной безопасности для будущих поколений.