Моделирование вертикальных потоков влаги и тепла с поверхности речного водосбора с использованием оценок характеристик подстилающей поверхности по спутниковым данным

Разработана и тестирована модель вертикального тепло- и влагопереноса в системе "почва-растительность-атмосфера" (SVAT), предназначенная для расчета суммарного испарения, влагосодержания почвы, распределений температуры и влажности почвы по глубине, температур поверхности почвы и растительного покрова, а также вертикальных потоков тепла и влаги и других составляющих водного и теплового балансов, c использованием оценок характеристик подстилающей поверхности, построенных по данным радиометров AVHRR (ИСЗ NOAA) и MODIS (ИСЗ EOS Terra и Aqua). Усовершенствованы технологии получения для безоблачной атмосферы оценок 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 по данным AVHRR и оценок Тs.eff, NDVI, LAI и E по данным MODIS. За счет накопления более представительных обучающих выборок в сезоны вегетации 2003-2008 гг. уточнены регрессионные алгоритмы для определения Тsg, Ta, LAI. Оценки искомых характеристик подстилающей поверхности по данным AVHRR получены для Курского региона, включающего бассейн р.Сейм площадью 7460 км2, за вегетационные периоды указанных лет. Для анализа достоверности данных спутникового зондирования проанализирована статистика ошибок определения Тsg, Ta и Тs.eff (путем сравнения с результатами измерений на метеостанциях). С помощью средств Интернета по информации MODIS подготовлен набор оценок Тs.eff, Е, NDVI, LAI для того же региона 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.
При создании модели SVAT, рассчитанной на использование спутниковой информации о состоянии подстилающей поверхности с учетом пространственной изменчивости характеристик растительности и метеоусловий: а) разработаны способы усвоения в модели построенных по спутниковым данным оценок листового индекса LAI и проективного покрытия B, а также температуры подстилающей поверхности, включавшие:1) замену используемых в качестве параметров модели оценок LAI и B, полученных по данным наземных наблюдений, на их оценки по данным радиометров AVHRR и MODIS; 2) введение в модель в качестве входной переменной температуры подстилающей поверхности, определенной по данным AVHRR и MODIS, вместо ее срочных сетевых наземных оценок при совпадении моментов времени наземных и спутниковых измерений; б) предложен способ учета в модели пространственной изменчивости полей LAI и температуры подстилающей поверхности, определенных по данным AVHRR и MODIS, включавший разработку алгоритмов и программ ввода в модель значений этих величин в каждом узле вычислительной сетки. С помощью модели для сезонов вегетации 2003-2008 гг. 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 для речного водосбора при различных вариантах оценки LAI, B и температуры подстилающей поверхности по информации AVHRR и MODIS и наземным данным. Погрешности расчетов названных величин при всех вариантах задания параметров и входных переменных оказались в стандартных пределах. Подобный подход применим для различных по размерам территорий при недостатке наземных наблюдений за состоянием подстилающей поверхности.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований – грант № 07-05-01030.