Использование спутниковых данных о характеристиках подстилающей поверхности и метеорологических характеристиках при оценке составляющих водного и теплового балансов территории крупного сельскохозяйственного региона

Одним из наиболее эффективных методов получения надежных оценок составляющих водного и теплового балансов (суммарного испарения (испарения с голой почвы и транспирации растительности), запасов почвенной влаги, вертикальных потоков скрытого и явного тепла) значительных по размерам территорий является физико-математическое моделирование вертикального влаго- и теплообмена подстилающей поверхности с атмосферой и расчет этих составляющих с помощью разрабатываемых LS-моделей (Land Surface Models). В работе представлена версия такой модели для вегетационного периода, адаптированной к спутниковой информации о состоянии подстилающей поверхности и метеоусловиях для территорий регионального масштаба (в качестве исследуемой была выбрана находящаяся в лесостепной зоне России территория части сельскохозяйственного Центрально-Черноземного региона (ЦЧР) площадью 227300 кв.км с координатами 49º 30´ – 54º с.ш. и 31º – 43º в.д., включающая Курскую, Белгородскую, Орловскую, Воронежскую, Липецкую, Тамбовскую и Брянскую области). Параметры модели представляют собой характеристики почв и растительности, а входные переменные - метеорологические характеристики. Значения почвенных характеристик задавались с привлечением информации из глобальных баз данных FAO, а характеристик почв и растительности - определялись по данным наземных наблюдений и спутниковым данным, полученным при измерениях радиометров AVHRR/NOAA, MODIS/Terra и Aqua и SEVIRI/MSG-2,-3 (Meteosat-9, -10). По данным съемки с ИСЗ строились оценки температуры подстилающей поверхности (ТПП) и ее излучательной способности, нормализованного индекса вегетации NDVI, проективного покрытия растительностью B, листового индекса LAI и осадков. Все оценки были получены с помощью новых или разработанных ранее и усовершенствованных технологий путем тематической обработки данных измерений этих радиометров.
Для использования в модели значений характеристик растительности и метеорологических характеристик, определенных по информации с ИСЗ, были произведены: 1) замена оценок параметров модели LAI и B по данным наземных наблюдений на их оценки по данным AVHRR, MODIS и SEVIRI; 2) ввод в модель в качестве входных переменных значений ТПП, полученных по результатам измерений этих же радиометров, вместо их оценок по наземным данным. Указанные замены всех этих величин были выполнены с учетом пространственной неоднородности полей их спутниковых оценок. Корректность данных процедур подтверждена при сравнении временных ходов LAI и ТПП, построенных по наземной и спутниковой информации, и рассчитанных значений влагосодержания почвы W и суммарного испарения Ev с измеренными. Помимо этого разработан способ использования в модели в качестве входных переменных величин осадков в течение вегетационного периода, рассчитываемых для исследуемого региона по данным AVHRR и SEVIRI с помощью оригинальной комплексной пороговой методики детектирования облачности и идентификации ее типов, а также выделения зон осадков и определения их мгновенной максимальной в границах пиксела интенсивности. Основу данного способа составляет осуществление перехода от оценки интенсивности осадков к оценке их суточных величин. Это требует проверки адекватности полученных оценок на каждом временном шаге, включающей сравнение распределений по площади полей осадков, построенных по спутниковым данным и при интерполяции данных сетевых наземных наблюдений. Вероятность совпадения зон осадков, выявленных по спутниковой информации и по наземным данным, составила 75-85 %. Построенные по данным AVHRR и SEVIRI оценки суточных и месячных сумм осадков довольно хорошо согласуются между собой и с результатами наземных наблюдений, хотя и представляются более сглаженными по сравнению с последними. При использовании в модели спутниковых оценок осадков вместо их оценок по наземным данным расхождения рассчитанных по модели и измеренных значений W и Ev находятся в допустимых пределах.
Конечным результатом моделирования с использованием спутниковых данных являются влагосодержание почвы W, суммарное испарение Ev, инфильтрация воды в почву, поток влаги из ее верхнего метрового слоя в нижележащие слои, потоки скрытого и явного тепла, эффективной ТПП и температуры растительного покрова, значения которых представляются в виде распределений по площади исследуемого региона. Все расчеты проводились для сезонов вегетации 2010-2014 гг. Погрешность результатов расчета величин Ev не превышала стандартной ошибки их оценки (~ 20-25 %), а величин W - 10-15 %, что соответствует принятым критериям точности этих оценок.
Таким образом, с помощью описанного подхода, основанного на использовании LS-модели, адаптированной к спутниковым оценкам характеристик растительности и метеорологических характеристик, возможно построение с приемлемой точностью пространственных распределений составляющих водного и теплового балансов для территории обширного сельскохозяйственного региона в течение всего сезона вегетации.