Температура поверхности Московского региона по данным спутников Terra и Aqua

Спутниковые радиометрические измерения благодаря своему высокому разрешению и регулярности служат источником наиболее подробных данных о термической структуре земной поверхности. Для анализа поля температуры поверхности Московского региона использованы результаты каждодневного зондирования полярно-орбитальными спутниками Terra и Aqua, пролетающими над центром Европейской части России друг за другом поздним утром и в начале дня (соответственно с 11 до 12 и с 13 до 14 ч), за период с 2008 по 2015 годы. Точность измерений температуры поверхности Тп радиометрами MODIS, установленными на этих спутниках, составляет ±0,1 ºС; пространственное разрешение данных – 1 км. В качестве объекта исследований выбран прямоугольник, описанный вокруг территории Московской области и включающий в себя также приграничные районы соседних областей. Из 5844 снимков для анализа было отобрано 506, на которых отсутствовали заметные радиометрические помехи и геометрические искажения (Москва и её окрестности находились в центре полосы съёмки), а покрытие облаками не превышало 50 % площади столицы и 20 % площади Московской области. Проведённые нами численные эксперименты показали, что при этих значениях покрытия смещения оценок интенсивности поверхностного «острова тепла» Москвы ещё сравнительно малы (в пределах ±0,2 её значения). Без учёта повторной съёмки разными спутниками в один и тот же день, выборка пригодных для анализа снимков составила 362 дня за восемь лет. Разумеется, следует учитывать особенности спутниковых данных, показывающих температуру подстилающей поверхности на открытой местности, крон деревьев при их высокой сомкнутости в лесных массивах и крыш зданий в зонах плотной городской застройки. Предварительные результаты работы приведены в [2].
Для сравнения со станционными данными о температуре как воздуха, так и поверхности в Метеорологической обсерватории МГУ отдельно рассмотрены результаты спутниковых измерений Тп в ближайшей к МГУ ячейке площадью 1 км2. Получены тесные связи Тп (с коэффициентами корреляции 0,98–0,99) с обоими показателями, хотя летом показания напочвенных термометров сильно завышены (в среднем на 14 ˚С) по сравнению с Тп вследствие прогрева станционной вскопанной площадки. Очевидно, что радиационный и тепловой балансы этой площадки непоказательны для средних условий поверхности окрестностей МГУ в радиусе до 1 км. В то же время разность значений температуры поверхности по спутниковым данным и температуры воздуха на высоте 2 м в Обсерватории МГУ составляет в среднем лишь 0,9 ˚С.
Получено и исследовано среднее многолетнее распределение температуры поверхности Московского региона. В целом её значения закономерно уменьшаются в направлении с юго-востока на северо-запад, что соответствует общей климатической зональности [1], а также согласуется с пространственным распределением степени лесистости и механического состава почв региона [2]. Наибольшие средние значения Тп отмечены в приграничных районах Рязанской области, а также в пределах Москвы и её ближайших окрестностей. В первом случае они объясняются общей географической зональностью, во втором отражают тепловую аномалию, очевидно связанную с влиянием городского «острова тепла» столицы, которое проявляется и в поле температуры поверхности.
По спутниковым данным впервые для условий Москвы получена оценка среднемноголетней интенсивности поверхностного «острова тепла», т.е. разности средних значений Тп в пределах столицы и в Подмосковье: 2,6 ˚С в среднем за год. В отдельные дни она меняется в пределах от –0,3 до +7,7 ˚С. В годовом ходе эта интенсивность наибольшая в июне и июле (около 4,0 ˚С) и наименьшая в ноябре и октябре (соответственно 0,7÷1,0 ˚С).
Проведено также сравнение интенсивности поверхностного «острова тепла» по спутниковым данным и интенсивности «острова тепла» в поле температуры воздуха на высоте 2 м по данным термографов на 4 городских и 13 подмосковных станциях в часы пролёта спутников за период 2014–2015 годов. Оказалось, что по спутниковым данным в дни с отобранными снимками интенсивность «острова тепла» заметно больше (2,8 ˚С в среднем для этих двух лет), нежели по данным наземной сети (лишь 0,6 ˚С) – вероятно, вследствие недостаточной плотности последней и неполной показательности московских метеорологических станций. Лишь одна из них – Балчуг – находится в зоне плотной жилой застройки, остальные четыре расположены в парковых зонах города. Проверено также влияние времени измерений на интенсивность «острова тепла». В среднем за сутки по данным наземной сети она составляет 1,0 ˚С, тогда как в срок наблюдений 12 ч (ближайший к пролёту спутников Terra и Aqua над Московским регионом) – лишь 0,3 ˚С.
Исследован также ряд иных методических вопросов, связанных с анализом спутниковых радиометрических данных.
Авторы благодарят М.В.Зимина и его сослуживцев из Инженерно-технологического Центра СканЭкс за большую помощь. Работа выполнена при поддержке РНФ, проект № 16–17–10275.
Литература:
1. Мячкова Н.А., Сорокина В.Н. Климат Московской области. М., Издательство Московского университета, 1991, 54 с.
2. Сорокина (Енукова) Е.А., Локощенко М.А. Поверхностный «остров тепла» в Москве по данным спутников. Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна», Серия «Естественные и инженерные науки», 2017, № 1 (37), стр.32-38.