Моделирование составляющих водного и теплового балансов для части Центрально-Черноземной зоны ЕТР с использованием спутниковых данных о характеристиках подстилающей поверхности

Разработана модель вертикального влаго- и теплопереноса в системе "почва-растительность-атмосфера" (SVAT), предназначенная для расчета суммарного испарения, влагосодержания почвы, потоков скрытого и явного тепла и других составляющих водного и теплового балансов, а также распределений влажности и температуры почвы по глубине и температур поверхности почвы и растительного покрова. Расчеты проводились для двух вложенных один в другой участков территории Центрально-Черноземной зоны центральной части России площадью 15000 и 227300 км2 для сезонов вегетации, соответственно, 2003-2008 и 2009 гг. Модель, в которой учитывалась пространственная изменчивость характеристик подстилающей поверхности, адаптирована к усвоению оценок этих характеристик, построенных по данным радиометров AVHRR (ИСЗ NOAA), MODIS (ИСЗ EOS Terra и Aqua) и SEVIRI (ИСЗ Meteosat-9). С помощью усовершенствованной технологии тематической обработки данных AVHRR для названных сезонов в условиях безоблачной атмосферы получены оценки температур поверхности почвы Тsg и воздуха на уровне растительного покрова Та, излучательной способности Е подстилающей поверхности и ее эффективной радиационной температуры Тs.eff (взвешенной линейной комбинации Тsg и Та), нормализованного индекса вегетации NDVI, проективного покрытия растительностью B и листового индекса LAI. Достоверность данных спутникового зондирования подтверждена результатами анализа статистики ошибок определения Тsg, Ta и Тs.eff, проводившегося по результатам сравнения с данными измерений на метеостанциях. С помощью разработанной технологии и средств Интернета по информации MODIS подготовлен набор оценок Тs.eff, Е, NDVI, LAI для тех же участков за те же сезоны вегетации. При этом получены два вида оценок Тs.eff – с разрешением ~ 4.8 и ~ 1 км. Приемлемая точность оценок Тs.eff по данным MODIS подтверждена путем сравнения с аналогичными оценками по данным AVHRR и результатами наземных наблюдений. Оценки Тs.eff и Е для нескольких последовательных суток сезона вегетации 2009 г. и тех же территорий были также получены при использовании разработанного метода тематической обработки данных измерений SEVIRI. Этот метод базируется на последовательном применении двух известных подходов – локального алгоритма “расщеплённого окна прозрачности” и метода “двух температур”. В нем используются безоблачные данные SEVIRI в ИК каналах 10.8 и 12 мкм за три последовательных срока, при этом задания хороших начальных приближений для величин Е в этих каналах не требуется. Анализ достоверности спутниковых оценок Тs.eff проводился путём сопоставления с ее синхронными независимыми спутниковыми оценками, полученными по данным SEVIRI в спутниковом центре EUMETSAT LSA SAF (Лиссабон, Португалия).
Для разработки способов усвоения в модели SVAT данных дистанционного зондирования: 1) исследована возможность замены используемых в качестве параметров модели оценок LAI и B, полученных по данным наземных наблюдений, на их оценки по данным радиометров AVHRR и MODIS; 2) рассмотрена возможность введения в модель в качестве входной переменной температуры подстилающей поверхности (ТПП), определенной по данным AVHRR, MODIS и SEVIRI, вместо ее срочных сетевых наземных оценок. Кроме того, предложен способ учета в модели пространственной изменчивости оценок LAI, B и ТПП, построенных по спутниковым данным, включавший разработку алгоритмов и программ ввода в модель значений этих величин в каждом узле вычислительной сетки.
С помощью модели для упомянутых территорий проведены расчеты вертикальных потоков влаги и тепла, влаго- и теплосодержания почвы и других составляющих водного и теплового балансов, а также температур поверхности почвы и растительного покрова за сезоны вегетации 2003-2009 гг. при различных вариантах оценки LAI, B и ТПП по информации AVHRR, MODIS, SEVIRI и наземным данным. При всех вариантах задания параметров и входных переменных погрешности расчетов искомых величин оказались в допустимых пределах. Описанный подход может быть пригоден для оценки составляющих водного и теплого балансов для участков суши с редкой сетью наземных наблюдений.
Авторы выражают благодарность Е.В.Волковой, А.В.Кухарскому и С.А.Успенскому за разработку программ тематической обработки спутниковых данных и проведение соответствующих расчетов.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований – грант № 10-05-00807.