Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)

Девятнадцатая международная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)»

XIX.F.356

Использование данных спутниковых наблюдений при оценке водообеспеченности регионов с разным увлажнением с помощью модели влаго- и теплообмена
Utilizing satellite observation data in assessing the water availability of different moistened regions using the model of water and heat exchange

Музылев Е.Л. (1), Старцева З.П. (1), Волкова Е.В. (2), Василенко Е.В. (2)
(1) Институт водных проблем РАН, Москва, Россия
(2) Европейский центр «НИЦ «Планета», Москва, Россия
Оценки влагозапасов почвы W и суммарного испарения ET, формирующих водный и тепловой режимы (ВТР) территорий и являющихся основными показателями их водообеспеченности, могут быть выполнены с помощью физико-математических моделей влаго- и теплообмена подстилающей поверхности (ПП) с атмосферой LSM (Land Surface Model), представляющих в настоящее время один из наиболее эффективных инструментов получения таких оценок. Созданная в ИВП РАН LSM (Kuchment, Startseva, 1991), адаптированная к спутниковым данным о характеристиках ПП и метеорологических характеристиках (Музылев и др., 2002), положена в основу разработанного метода оценки W, ET и других элементов ВТР территорий сельскохозяйственных регионов с разной степенью увлажнения в их динамике в течение сезона вегетации (Startseva et al., 2014; Музылев и др., 2017, 2019; Muzylev et al., 2018, 2020).
Исследования проводились для территорий Курской, Белгородской, Орловской, Воронежской, Липецкой, Тамбовской и Брянской областей площадью 227300 км2, находящихся в лесостепной зоне и являющихся частью Центрально-Черноземного региона России, находящегося в зоне сухой степи Саратовского и Волгоградского Заволжья (левобережной части Саратовской и Волгоградской областей) площадью 66600 км2 и степной черноземной Ростовской области площадью 100000 км2 для сезонов вегетации 2017-2019 гг.
По данным измерений радиометров AVHRR/NOAA, SEVIRI/Meteosat-10,-11,-8 и МСУ-МР/Метеор-М №№ 2 и 2-2 в видимом и ИК диапазонах специалистами НИЦ “Планета” с помощью разработанных ими методов и технологий тематической обработки этих данных строились оценки осадков, излучательной способности ПП E, проективного покрытия растительностью B, листового индекса LAI, температуры поверхности почвы Tsg и растительного покрова Ta, а также эффективной ТПП Ts.eff (Волкова, 2013, 2014, 2017; Волкова, Успенский, 2010, 2015, 2016; Волкова, Кухарский, 2019; Волкова и др., 2021). Оценки влажности поверхности почвы (ВПП), также использовавшиеся при моделировании ВТР, определялись по данным измерений скаттерометра ASCAT/MetOp-A,-B,-C в микроволновом диапазоне (Bartalis et al., 2007; Wagner et al., 2013).
В рамках проведенных исследований: 1) подтверждена корректность оценок B, LAI, осадков и ТПП, построенных с помощью упомянутых технологий, при этом для каждого региона с целью уточнения значений параметров модели был произведен анализ оценок характеристик растительности за рассматриваемые сезоны вегетации; 2) модифицирована процедура ассимиляции в модели названных спутниковых оценок; 3) разработан способ оценки влагозапасов почвы при использовании оценок ВПП, полученных по данным измерений ASCAT/MetOp в микроволновом диапазоне; 4) получены в качестве конечных продуктов моделирования результаты расчета величин W, ET, ВПП и других характеристик ВТР рассматриваемых территорий за названные сезоны вегетации.
Произведена проверка пригодности для конкретного региона эмпирических формул оценки B и LAI, использовавшихся для других территорий. Погрешности оценки величин B и LAI составили 15 и 20 %, соответственно, причем для засушливых территорий они были более высокими, чем для увлажненных.
Расчеты суточных, декадных и месячных сумм осадков проводились с помощью комплексной пороговой методики (КПМ) детектирования облачности, идентификации ее типов, выделения зон осадков и определения их максимальной интенсивности (Волкова, Успенский, 2010, 2015; Волкова, 2013, 2014, 2017; Волкова, Кухарский, 2019; Волкова и др., 2021). Ключевым моментом КПМ является переход от оценки интенсивности осадков к оценке их суточных величин. Вероятность детектирования по спутниковым данным зон осадков, совпадавших с определенными по данным наземных наблюдений, составила для каждой из исследуемых территорий 75-80 % для всех радиометров (Волкова, 2013, 2014, 2017; Волкова, Кухарский, 2019). Аналогичный алгоритм на основе КПМ был разработан и для вычисления ТПП Ta, Tsg и Ts.eff (Волкова, Успенский, 2016; Волкова и др., 2017). Оценки ТПП всех трех типов для подавляющего числа сроков наблюдений оказались сопоставимыми по точности кроме случаев локального послеполуденного перегрева поверхности почвы в жаркие летние месяцы, что достаточно часто отмечалось в Заволжье, и, как следствие, превышения наземных оценок над спутниковыми.
Для расчета W, ET и других элементов ВТР с использованием спутниковых оценок LAI, B, осадков и ТПП были разработаны и модифицированы процедуры ассимиляции в LSM этих оценок, включавшие их ввод в модель вместо значений, определенных по данным наземных наблюдений, в каждом узле регулярной вычислительной сетки модели. Успешность реализации процедур таких замен подтверждена результатами сравнения временных ходов LAI и ТПП, а также рассчитанных по модели и измеренных значений W и Ev за рассматривавшиеся сезоны вегетации.
Расчеты величины W проводились также с использованием оценок ВПП, полученных по результатам измерений скаттерометра ASCAT/MetOp - всепогодного зондировщика ПП в микроволновом диапазоне (Bartalis et al., 2007; Wagner et al., 2013) - путем формирования суточных композитов относительной влажности (в процентах от 0 до 100) с последующим построением для всех исследуемых территорий полей влажности поверхностного слоя почвы в объемных единицах (см3/см3). Погрешность оценки ВПП для подавляющего большинства спутниковых измерений не превышала 0.15-0.20 см3/см3 (Музылев и др., 2017, 2019; Muzylev et al., 2020), что является вполне приемлемым результатом.
Распределения значений W, ET и других характеристик ВТР по площади исследуемых регионов являются конечным результатом моделирования. Сравнение результатов расчета W и ET с данными измерений на агрометеорологических станциях этих регионов показало, что для большинства дней названных сезонов вегетации расхождения полученных значений не превышали 15 % для W и 20-25 % для ET, что представляет стандартную величину погрешности оценки этих величин.
Работа выполнена в рамках Государственной Программы №. АААА-А18-118022090056-0 (№ 0147-2018-0001) и при поддержке РФФИ – грант № 19-29-05261 мк “Картографическое моделирование влагозапасов почвенного покрова на основе комплексной геофизической влагометрии для целей цифрового орошаемого земледелия”.

Ключевые слова: спутниковые данные, модель влаго- и теплообмена, водный и тепловой режимы территории, влагозапасы, влажность поверхности почвы, осадки, вегетационный индекс NDVI, проективное покрытие, листовой индекс LAI, температура подстилающей поверхности satellite data, model of water and heat exchange, area water and heat regimes, soil water content, soil surface moisture, precipitation, vegetation index NDVI, vegetation cover fraction, leaf area index LAI, land surface temperature
Литература:
  1. Волкова Е.В. Оценки параметров облачного покрова, осадков и опасных явлений погоды по данным радиометра AVHRR c МИСЗ серии NOAA круглосуточно в автоматическом режиме // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т.10. № 3. С.66–74.
  2. Волкова Е.В. Определение сумм осадков по данным радиометров SEVIRI/Meteosat-9,10 и AVHRR/NOAA для Европейской территории России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т.11. № 4. С.163-177.
  3. Волкова Е.В. Оценки параметров облачного покрова и осадков по данным радиометра МСУ-МР полярно-орбитального метеоспутника “Метеор-М” № 2 для Европейской территории России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 5. С. 300–320.
  4. Волкова Е.В., Кухарский А.В. Специализированный программный комплекс получения и валидации спутниковых оценок параметров облачности, осадков, подстилающей поверхности и приземного слоя воздуха для Европейской территории России // Материалы 17-ой Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 11-15 ноября 2019 г., ИКИ РАН, Москва, 2019. С. 161. doi 10.21046/17DZZconf-2019a.
  5. Волкова Е.В., Успенский А.Б. Оценки параметров облачного покрова по данным геостационарного МИСЗ Meteosat-9 круглосуточно в автоматическом режиме // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 3. C. 16-22.
  6. Волкова Е.В., Успенский А.Б. Оценки параметров облачного покрова и осадков по данным сканирующих радиометров полярно-орбитальных и геостационарных метеоспутников // Исследование Земли из космоса. 2015. № 5. С. 40–43.
  7. Волкова Е.В., Успенский С.А. Дистанционное определение температуры подстилающей поверхности, приземной температуры воздуха и эффективной температуры по спутниковым данным для юга Европейской территории России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т.13. № 5. С.291-303.
  8. Волкова Е.В., Музылев Е.Л., Старцева З.П. Определение сумм осадков по данным радиометра МСУ-МР с полярно-орбитальных метеоспутников серии “Метеор-М” для территорий Европейской части России и Западной Сибири и их использование при моделировании водного и теплового режимов этих территорий // Сб. трудов Международного симпозиума “Атмосферная радиация и динамика” (МСАРД-2021), СПб, 29 июня - 2 июля 2021. Изд.ВВМ, СПб, 2021. С.19-25.
  9. Музылев Е.Л, Старцева З.П., Зейлигер А.М., Ермолаева О.С., Волкова Е.В., Василенко Е.В., Осипов А.И. Использование спутниковых данных о характеристиках подстилающей поверхности и метеорологических характеристиках при моделировании водного и теплового режимов большого сельскохозяйственного региона // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т.16. № 3. С. 44-60. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-44-60.
  10. Музылев Е.Л., Старцева З.П., Успенский А.Б., Волкова Е.В., Василенко Е.В., Кухарский А.В., Зейлигер А.М., Ермолаева О.С. Использование данных дистанционного зондирования при моделировании водного и теплового режимов сельских территорий // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т.14. № 6. С.108-136.
  11. Музылев Е.Л., Успенский А.Б., Старцева З.П., Волкова Е.В. Моделирование гидрологического цикла речных водосборов с использованием синхронной спутниковой информации высокого разрешения // Метеорология и гидрология. 2002. № 5. С.68-82.
  12. Kuchment L.S., Startseva Z.P. Sensitivity of evapotranspiration and soil moisture in wheat fields to changes in climate and direct effects of carbon dioxide // Hydrological Science Journal. 1991. Vol. 36. No 6. P. 631-643.
  13. Bartalis Z., Wagner W., Naeimi V., Hasenauer S., Scipal K., Bonekamp H., Figa J., Anderson C. Initial soil moisture retrievals from the METOP-A Advanced Scatterometer (ASCAT). – Geophys. Res. Lett., 2007, v. 34, No. 20, L20401. Doi:10.1029/2007GL031088.
  14. Muzylev E.L., Startseva Z.P., Uspensky A.B., Volkova E.V. Modeling Water and Heat Balance Components for Large Agricultural Region Utilizing Information from Meteorological Satellites // Water Resources. 2018. Vol. 45. No 5. P.672–684. © Pleiades Publishing, Ltd.
  15. Muzylev E.L., Startseva Z.P., Volkova E.V., Vasilenko E.V. Utilizing satellite data of several spectral ranges for modeling the processes of water and heat regime formation of vast territories // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2020. Vol. 17(6). P. 129–136 (Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т.17. Вып.6. С.129-136). DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-6-129-136.
  16. Startseva Z., Muzylev E., Volkova E., Uspensky A., Uspensky S. Water and heat regimes modelling for a vast territory using remote-sensing data // Int. J. Rem. Sens. 2014. Vol.35. No 15. P.5775-5799.
  17. Wolfgang Wagner, Sebastian Hahn, Richard Kidd, Thomas Melzer, Zoltan Bartalis, Stefan Hasenauer, Julia Figa-Saldan, Patricia de Rosnay, Alexander Jann, Stefan Schneider, Jurgen Komma, Gerhard Kubu, Katharina Brugger, Christoph Aubrecht, Johann Zuger, Ute Gangkofner, Stefan Kienberger, Luca Brocca, Yong Wang, Gunter Blosch, Josef Eitzinger, Klaus Steinnocher, Peter Zeil, Franz Rubel. The ASCAT Soil Moisture Product: A Review of its Specifications, Validation Results, and Emerging Applications. // Meteorologische Zeitschrift. 2013. Vol. 22. No 1. P. 5–33.

Дистанционное зондирование растительных и почвенных покровов

370