Исследования стали возможны благодаря поддержке РНФ и программе “Плавучий университет”. Полученные данные помогут в планировании маршрутов судоходства районе Северного морского пути.
Фото: Егор Благодатских, Арктическая экспедиция, НИС «Дальние Зеленцы», 2023 г.
В недавно опубликованных исследованиях в журнале Frontiers in Marine Science, российские ученые презентуют свой алгоритм расчета солености с использованием данных спутниковой миссии SMAP и методов машинного обучения. До этого алгоритм пробовали создавать разные группы ученых, но для точности измерений одних спутниковых данных было недостаточно. В Арктике плохо работают стандартные алгоритмы солености морского льда, рассчитываемые исключительно по спутниковым данным. При чем ошибка спутниковых алгоритмов увеличивается по мере уменьшения солености. Спутник работает более или менее нормально в открытых районах Арктики, и сильно хуже в тех районах, которые подвержены влиянию речного стока.
Для обучения модели ML группой ученых из Института океанологии им. Ширшова и МФТИ были загружены многочисленные натурные данные, полученные в ходе десятка экспедиций, начиная с 2015 года.
Александр Осадчиев - руководитель лаборатории арктической океанологии МФТИ:“Из-за того, что мы последние много лет ходим каждый год, и наши коллеги ходят каждый год в экспедиции в Арктике, и мы накопили порядка 10 различных рейсов с 2015 года, которые охватывают все моря Российской Арктики: Баренцево море, Карское, Лаптевых и Восточно-Сибирское. Как раз это регион, который нам наиболее интересен, где проходит Севморпуть, и там у нас очень хорошее покрытие измерениями. И по времени хорошее у нас измерение – в июле, августе, сентябре, октябре, и по пространству – от Баренцева моря до Восточного Сибирского. И благодаря этой базе данных мы смогли обучить модель машинного обучения и получить совершенный алгоритм”.
Фото: Егор Благодатских, Арктическая экспедиция, НИС “Дальние Зеленцы”, 2023 г.
Последние несколько лет в рамках научно-образовательной программы “Плавучий университет” были организованы экспедиции в Арктику в так называемый “безледный период”, что позволило научным отрядам собрать большое количество данных. К сбору и обработке этих данных в рамках программы Плавучего университета привлечены студенты и аспиранты, прошедшие конкурсный отбор в экспедиции. В результате ученые смогли довольно точно воспроизводить пространственную структуру арктических водных масс. В Арктике много пресных вод от рек и тающего льда, и вся эта структура “смазывается” в единую кашу в спутниковом алгоритме.
Александр Савин - младший научный сотрудник лаборатории машинного обучения МФТИ: “Теперь мы знаем, например, границы речного плюма в безледный период года и можем определить область его распространения в течение года, связать это с какими-то внешними факторами. Раньше использовались опять же в основном судовые измерения, но судном ты везде не пройдёшь, все и всегда не измерить, а теперь мы можем каждый день выдавать данные. Конечно, это не повод отказываться от экспедиционных данных, но теперь у нас есть и такие. Это скорее чисто научная задача, которой мы сейчас занимаемся.
Другая задача, про которую активно все пытаются сказать - это морской лёд. При замерзании из морской солёной и опресненной воды лёд будет иметь разные физико-механические свойства. Благодаря своему алгоритму мы знаем положение опресненной воды непосредственно перед ледообразованием. Теперь мы можем применить существующие алгоритмы для замерзания и последующего движения льда. Наши результаты хорошие, потому что у нас лучшие начальные данные - соленость воды перед ледообразованием”.
Другая задача, про которую активно все пытаются сказать - это морской лёд. При замерзании из морской солёной и опресненной воды лёд будет иметь разные физико-механические свойства. Благодаря своему алгоритму мы знаем положение опресненной воды непосредственно перед ледообразованием. Теперь мы можем применить существующие алгоритмы для замерзания и последующего движения льда. Наши результаты хорошие, потому что у нас лучшие начальные данные - соленость воды перед ледообразованием”.
Данные исследования выполнены и опубликованы учеными из лабораторий арктической океанологии и машинного обучения в науках о Земле, открытых в 2023 году в рамках программы “Приоритет - 2030” на базе МФТИ. Программа Плавучий университет, в основе которой лежит принцип обучения через исследования, помогает привлечь в науку молодых специалистов и позволяет объединить усилия ученых из ведущих научных институтов России. Так, Александр Савин, выполнявший существенную часть расчетов, пришел в лабораторию по программе Плавучего университета. В 2021 году он участвовал в Зимней школе, после чего в 2023 году прошел отбор в арктическую экспедицию под руководством Александра Осадчиева.
Фото: Полина Кривошлык, Арктическая экспедиция, НИС “Дальние Зеленцы”, 2023 г.
Наталья Степанова - председатель рабочей группы Межведомственной национальной океанографической комиссии России, директор Координационного центра “Плавучий университет” на базе МФТИ: “В последнее время наша программа показывает на примере таких научных результатов, что мы движемся в нужном направлении. Ведь наша задача не только заинтересовать студентов морскими науками, но и создать все условия, чтобы был выполнен весь цикл исследований – от постановки задачи до конкретной научной работы. И весь последний 2023-й год с международными публикациями наших ученых – это, своего рода, результат того, что было заложено 2-3 года назад. Наука и исследования – это игра вдолгую. Я надеюсь, что Плавучий университет сможет заложить крепкий фундамент для будущего наук о Земле”.
"В зимне-весенний сезон 2023/2024 года силами госкорпорации "Росатом" впервые была организована круглогодичная навигация в восточной части Северного морского пути, что требует более качественного подхода к мониторингу и прогнозу ледовых условий в этой до сих пор недостаточно изученной акватории", – пояснил заведующий лабораторией арктической океанологии МФТИ, лауреат премии президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2022 год Александр Осадчиев. "Росатом" является инфраструктурным оператором Северного морского пути.
Используя новый алгоритм в новых расчетах, ученые смогут детально исследовать сезонную и межгодовую изменчивость площади и солености рек, впадающих в Северный Ледовитый океан.
Статья вышла в международном рецензируемом издании первого квартиля Frontiers in Marine Science
Полный текст статьи: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2024.1358882/full
Полный текст статьи: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2024.1358882/full