Оценка влияния факторов подстилающей поверхности на процессы формирования и таяния снежного покрова с применением данных дистанционного зондирования Земли

Одним из направлений повышения качества прогнозов весеннего стока является совершенствование методов расчета снегозапасов и интенсивности снеготаяния. В условиях сложного рельефа и редкой наблюдательной сети для этого необходимо, во-первых, повысить детализацию и точность данных о пространственном распределении выпадающих на водосбор осадков, а во-вторых учесть перераспределение снежного покрова в зависимости от рельефа и преобладающих типов растительности. Первая задача в настоящее время может быть решена с помощью мезомасштабных численных моделей прогноза погоды, которые позволяют получать реалистичный прогноз осадков (в холодный период года) с высоким пространственным разрешением. Для решения второй задачи используются цифровые модели рельефа, карты типизации растительности и инструментарий ГИС-технологий. Это позволяет учесть мезомасштабные неоднородности поля снегозапасов.
С применением вышеописанного подхода была разработана методика пространственного моделирования процессов формирования и таяния снежного покрова на водосборе Воткинского водохранилища (S=184 тыс. км2). Параметры модели определялись на основе данных о подстилающей поверхности: матрицы высот и актуальной карты типов растительности и землепользования, созданной по разносезонным снимкам Terra/Aqua MODIS. Расчеты снегонакопления и снеготаяния выполнены за период 2012-2015 гг. Запас воды в снежном покрове в период снегонакопления рассчитывался путем суммирования осадков холодного периода с учетом их фазы, таяния снега при оттепелях и перехвата осадков лесной растительностью. Данные о пространственном распределении осадков получены по мезомасштабной модели атмосферы WRF.
Расчет интенсивности снеготаяния в весенний период выполнялся по известному методу П.П. Кузьмина [1], основанному на решении уравнения теплового баланса снежного покрова в предположении, что температура тающего снега равна 0°С. В упрощенной версии модели, интенсивность снеготаяния рассчитывали в зависимости от среднесуточной температуры воздуха, а испарение снежного покрова не учитывали.
Валидация результатов моделирования была выполнена путем сопоставления фактических и расчетных снегозапасов и площади заснеженности исследуемого водосбора. Показано, что предложенная методика позволяет на основе прогностических полей осадков восстановить пространственное распределение снегозапасов с достаточно высоким пространственным разрешением, объективно учитывая влияние рельефа. При этом в период весеннего снеготаяния площадь заснеженности воспроизводится с большей достоверностью, чем запас воды в снеге. Расхождения расчетного и фактического снегозапаса, достигающие максимума в весенний период, обусловлены как завышением количества осадков по модели WRF–ARW, так и влиянием локальных особенностей расположения снегомерных маршрутов.
Для валидации расчетов площади заснеженности в весенний период использовались снимки Terra/Aqua MODIS. Традиционно «маска снежного покрова» по данным MODIS строится по величине индекса NDSI, в качестве порогового значения которого принимается 0,4 (за вычетом ячеек, занятых облачностью). При этом происходит ошибочная классификация снежного покрова в лесу (снег надежно идентифицируется только в лиственных лесах низкой полноты). Для исключения данного недостатка алгоритма были определены региональные пороговые значения NDSI для выделения областей, занятых снежным покровом: на безлесных участках порог равен 0,35; а на залесенных участках ‒ 0,15. В качестве маски лесов для проведения вычислений использовался продукт MCD12Q1. Это позволило получить более надежные фактические данные о заснеженности территории.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 14-05-31220 мол-а).

Литература
1. Кузьмин П. П. Процесс таяния снежного покрова. – Л., Гидрометеоиздат, 1961, 346 с.