Метод коррекции результатов моделирования тепло- и влагопереноса в системе Почва-Вода-Атмосфера-Растение (SWAP) ассимиляцией данных измерений температуры подстилающего слоя для краткосрочного прогнозирования дефицита водопотребления орошаемых агроценозов

Повышение эффективности использования почвенной влаги агроценозами требует решения ряда задач, включая агрогидрологическое моделирование процессов тепло- и влагопереноса в SWAP-системе (Soil-Water-Atmosphere-Plant) на уровне отдельного сельскохозяйственного поля. Это моделирование необходимо для получения оценок складывающегося и прогнозируемого водного и теплового режимов, определяющих рост и развитие агроценозов. Для получения краткосрочных прогнозных оценок указанных режимов необходимо задание начальных величин параметров, характеризующих содержание почвенной влаги и температуры корнеобитаемого слоя, а в качестве граничных условий - величины метеорологических параметров на верхней границе растительного слоя [1].
Известно, что оправдываемость краткосрочных агрогидрологических прогнозов динамики процессов тепло- и влагопереноса во многом зависит от точности задания начальных величин параметров, характеризующих тепло- и влагосодержание корнеобитаемого слоя почвенно-грунтовой толщи. Мониторинг этих величин в практике управления агроценозами, как правило, отсутствует [2]. Для получения указанных оценок проводится расчет по прогностической модели за достаточно продолжительный интервал времени до момента реализации прогноза. При таком методе возможно накопление значительных расхождений результатов моделирования и состояния моделируемого объекта. Источниками этих расхождения являются ошибки в метеорологических прогнозах, а также неопределенности, связанные с выбором агрогидрологической модели, ее параметризацией и калибровкой [3].
Ансамблевое прогнозирование представляет собой одно из наиболее перспективных направлений в разработке методов прогнозов и учета их неопределенности. В этом методе рассчитываются ансамбли прогнозируемых величин, полученных путем моделирования агрогидрологических процессов при задании исходной информации в виде ансамблей входных данных или различных сценариев неопределенностей, содержащихся в исходных данных. При ансамблевых прогнозах появляется возможность уточнения начальных условий по мере поступления новой информации до момента выпуска прогноза. Применительно к краткосрочным агрогидрологическим прогнозам уменьшение неопределенности исходной информации и улучшения качества вероятностных ансамблевых прогнозов достигается путем ассимиляции в прогностическую модель величин испарения и транспирации, рассчитанных по данных дистанционного измерения температуры поверхности агроценозов и метеорологических наблюдений. Это позволяет использовать пошаговую по времени корректировку характеристик состояния агрогидрологической системы и тем самым избегать накопления ошибок в прогностической модели.
Из различных процедур ассимиляции данных в последние годы стал чаще всего применяться ансамблевый фильтр Калмана [4]. В разработанном методе с помощью ансамблевого фильтра Калмана на каждом шаге по времени обновляются и корректируются характеристики состояния корнеобитаемого слоя для каждого отдельного расчета внутри всего ансамбля.
В проведенных численных экспериментах по ассимиляции данных измерений радиометра MODIS с использованием ансамблевого фильтра Калмана оценивалось повышение точности краткосрочных прогнозов влагосодержания корнеобитаемого слоя за счет уточнения характеристик испарения на момент реализации прогноза. С помощью этого метода на каждом шаге по времени обновлялись и корректировались характеристики испарения с дневной поверхности агроценоза для каждого отдельного расчета внутри всего ансамбля. Точность прогнозов запасов почвенной влаги оценивалась близостью влагозапасов, оцененных по модели, с данными измерений измеренных влагозапасов, реализованного с помощью скважинного влагомера Trime FM на территории Комсомольской оросительной системы (Марковский район Саратовской области).
В результате проведенных численных экспериментов было показано, что использование обновленных характеристик влагосодержания почвенно-грунтовой толщи на момент реализации прогнозов заметно повышает достоверность прогнозных расчетов водного режима корнеобитаемого слоя по сравнению с аналогичными прогнозами водного без ассимиляции данных испарения.