Исследование временной изменчивости радиояркостной температуры подстилающей поверхности тундровых территорий с использованием усовершенствованной модели многослойной СВЧ излучающей среды

Активное освоение тундровых территорий и включение их в хозяйственную деятельность создает необходимость применения универсальных инструментов для оперативного мониторинга состояния подстилающих поверхностей в Северной Полярной области (СПО). Для исследования пространственно-временной изменчивости параметров грунтов СПО, выявления тенденций глобальных климатических изменений наиболее рациональным представляется использование всепогодных методов диагностики – пассивного и активного СВЧ спутникового зондирования. Сложность восстановления значений конкретных параметров подстилающей поверхности по СВЧ данным, обусловленная характерной для обратных задач ДЗЗ информационной неопределенностью, усугубляется недостаточной исследованностью излучательной способности природных образований и крайней неоднородностью их свойств в пределах даже небольших по площади участков суши. Важным инструментом для выявления связей между СВЧ излучательной способностью реальных сред и их физическими и физико-химическими характеристиками являются модели излучающих сред [3].
Созданная нами усовершенствованная модель излучающей среды построена на основе многослойной модели, предложенной в [1] для описания поведения подстилающих поверхностей суши при отрицательных температурах. В ходе настоящего исследования был разработан оригинальный модуль расчета излучательной способности растительного слоя, учитывающий распределение углов наклона растительных элементов по отношению к горизонту. В него включены алгоритмы для распознавания образов на цифровых изображениях разрезов растительного слоя и контрольные образцы – фотографии, полученные в процессе полевой съемки на тестовых участках.
Усовершенствованная модель СВЧ излучающей среды была применена для симуляции годового хода радиояркостных температур (РЯТ) участков тундры, расположенных на п-ове Ямал и вблизи ГМС Воркута, в частотном канале 6.9 ГГц. Входными данными для модельных экспериментов являются отсчеты термодинамической температуры и максимальной влажности грунтового слоя на глубине 5 см, данные о высоте снежного покрова, температуре воздуха и жидких осадках, полученные на площадках метеостанций и геокриологических стационаров Марре-Сале и Аяч-Яга в 2007-2008 гг. Расчетные значения РЯТ в среднем отличаются от измеренных с помощью спутникового СВЧ радиометра AMSR-E на величины, не превосходящие 1-1.5 величины стандартного отклонения в ряду измерений для каждого из периодов I - IV, на которые нами поделен год [2]. Наилучшее соответствие между измеренными и расчетными значениями наблюдается в сезон стабильно мерзлого состояния подстилающей поверхности I и летний (вегетационный) период III, худшее – в периоды циклических переходов «замерзание-оттаивание», характерных для весенне-летнего (II) и осеннего (IV) сезонов.
Воспроизводимый с помощью модели СВЧ излучающей среды характер внутригодовой и межгодовой изменчивости РЯТ на большинстве временных промежутков весьма хорошо согласуется с результатами спутниковых наблюдений, что позволяет предположить, что в модель заложен достаточно полный набор факторов, обуславливающих ход РЯТ. Необходимость дифференциации подходов к моделированию излучательной способности подстилающей поверхности, а также к восстановлению параметров излучающих сред по СВЧ данным в разные периоды года, заявленная нами в [2], подтверждена полученными в ходе настоящего исследования результатами.
Литература:
1. Кондратьев, К.Я. Дистанционная индикация акваторий и водосборов / К. Я. Кондратьев, В. В. Мелентьев, В. А. Назаркин. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 248 с.
2. Мелентьев, В.В. Изменчивость состояния мерзлых почвогрунтов и других типов подстилающей поверхности Западной Сибири в пространственно-временных координатах: данные спутниковой СВЧ диагностики / В. В. Мелентьев, И. В. Мателенок // Труды II Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды». СПб. ВКА им. А. Ф. Можайского. 2012 г. Т. 2. С. 249-257.
3. Шутко, А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986. 189 с.