Мониторинг засух на основе комплексирования спутниковой и наземной информации

Засуха – это комплексное природное явление, связанное с продолжительным дефицитом влаги и, как правило, с высокой температурой воздуха. Засухи оказывают негативное влияние на все аспекты жизни и деятельности человечества. Для изучения феномена засух и выработки мер борьбы с ними важное значение имеет регулярный оперативный их мониторинг. Для решения всего комплекса задач, связанных с засухой под эгидой ВМО в мире созданы и функционируют Центры мониторинга засух. На территории Рос-сии такой Центр мониторинга засух (ЦМЗ) был создан в 2002 г. Росгидрометом (ФГБУ «ВНИИСХМ») на основании решения Межгосударственного Совета по гидрометеорологии СНГ. В сферу его ответственности входят территории России и ряда стран СНГ. ЦМЗ входит в состав Северо-Евразийского климатического центра (СЕАКЦ). В ЦМЗ осуществляется разработка методов оценки атмосферной и почвенной засух, проводятся исследования по влиянию засухи на состояние посевов и ожидаемую продуктивность. В течение вегетационного периода в ЦМЗ проводится регулярный ежедекадный мониторинг атмосферных, почвенных и атмосферно-почвенных засух с помощью автоматизированной оперативной системы. Ежедекадной мониторинг осуществляется на основе наземной метеорологической информации. В мире существует большое число индексов оценки засух [Handbook…, 2016]. В результате исследований, проведенных во «ВНИИСХМ», были предложены восемь наиболее информативных индексов, которые используются для оценки засух: гидротермический коэффициент (ГТК) Селянинова; показатель увлажнения Шашко (Md); показатель влагообеспеченности Процерова (V, %); число дней с относи-тельной влажностью воздуха ≤ 30 % (No); число дней с максимальной температурой воз-духа > 30 oC (NT); запасы продуктивной влаги в слое почвы 0–20 см (W0-20); запасы продуктивной влаги в слое почвы 0–50 см (W0-50); запасы продуктивной влаги в слое почвы 0–100 см (W0-100). Как показали исследования, ни один из показателей в отдельности достаточно полно не описывает засушливые явления. Лучшие результаты получаются при их комплексном использовании, поэтому в автоматизированной оперативной системе оценки засух ЦМЗ используется комплекс показателей и критериев. Комплексирование осуществляется с помощью процедуры применения алгоритмов распознавания образов, предложенной и разработанной применительно к агроклиматологии В.А. Жуковым [Жуков, 1989].
Результаты мониторинга оформляются в виде электронного бюллетеня, в котором содержатся таблицы с характеристиками и показателями засух, оценками интенсивности и продолжительности засух, обзоры особенностей распределения засушливых явлений и засух по территории РФ и отдельных стран СНГ, картосхемы распределения засушливых явлений и засух по территории РФ и отдельных стран СНГ.
Несмотря на успешный опыт применения разработанной во ВНИИСХМ системы мониторинга засух по наземным данным, в отдельные периоды вегетации бывает затруднительно получить информацию с достаточным пространственным разрешением. Это связано с недостаточной плотностью сети метеорологических станций в отдельных регионах. Поэтому представляется целесообразным подключить для проведения мониторинга засух спутниковую информацию. Преимуществом использования спутниковой информации является ее широкий охват, достаточное пространственное разрешение, большая частота наблюдений одной и той же территории.
Идея метода заключается в выборе достаточно информативных спутниковых и наземных индексов и получении калибровочной зависимости между ними. Далее, рассчитанные попиксельно спутниковые индексы переводятся через наземный индекс в характеристики засух по всей отснятой территории.
В качестве наземного показателя использовался гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК). ГТК характеризует уровень влагообеспеченности территории и хорошо себя зарекомендовал в агрометеорологической практике при мониторинге засух.
В качестве спутникового индекса использовался индекс состояния растительности (Vegetation Condition Index, VCI), рассчитанный по безоблачным композитным изображениям спутника Suomi NPP (радиометр VIIRS). VCI представляет собой процентное отношение значений вегетационного индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) за определенное время по отношению к максимальной амплитуде изменений значений NDVI за рассматриваемый период времени. Для построения калибровочной кривой использовались значения VCI для участков изображения, расположенных вблизи метеорологических станций. Расчеты проводились с 1 декады мая по 3 декаду сентября за период с 2017 по 2023 гг. Для каждой декады строились калибровочные кривые между VCI и ГТК. В большинстве случаев наиболее точные калибровочные кривые были получены в летний пери-од. По калибровочным кривым попиксельно осуществлялся переход от значений VCI к значениям ГТК и с учётом разработанных критериев засухи проводилось картирование засух различной интенсивности. Полученные карты оценки засухи по спутниковой ин-формации сопоставлялись с картами, полученными по наземным данным. В результате сравнения в отдельные периоды и для отдельных субъектов наблюдается их не плохая согласованность. Наилучшие результаты были получены в отдельные декады летнего пери-ода для южных регионов России. В дальнейшем предполагается разработка технологии получения карт распределения засух при комплексном использовании наземной и спутниковой информации.