Использование данных дистанционного зондирования при моделировании вертикальных потоков влаги с речных водосборов

Цели работы: 1) получение по измерениям радиометра AVHRR ИСЗ NOAA при отсутствии облачности данных ДЗЗ (дистанционного зондирования Земли), а именно, оценок эффективной радиационной температуры Ts.eff и излучательной способности E подстилающей поверхности, температур воздуха на границе растительности с атмосферой Ta и голой почвы Tg, нормализованного индекса вегетации NDVI, листового индекса LAI и проективного покрытия растительностью В; 2) создание способов усвоения этих характеристик в разработанной модели вертикального тепло- и влагопереноса в системе "почва-растительность-атмосфера" (SVAT).
Модель SVAT предназначена для расчетов суммарного испарения и профилей влажности и температуры почвы, а также температуры растительного покрова и влажности воздуха под пологом растительности для любого интервала времени в течение периода вегетации. Эксперименты по получению и усвоению данных ДЗЗ производились для водосбора р.Сейм (Курская обл.) площадью 7460 км2 для сезонов вегетации 1997, 1999-2004 гг.
Для получения упомянутых данных ДЗЗ разработаны и испытаны два метода тематической обработки данных измерений AVHRR. Первый из этих методов включает:
1) расчет величины В для каждого пиксела по данным измерений в 1 и 2 каналах AVHRR с использованием зависимости В от NDVI; 2) оценку величины Е для каналов 4 и 5 с привлечением эмпирических связей между Е и В и "типичных" значений Е для различных видов растительности и типов почв (модель EOS/MODIS); 3) оценивание величин Ta, Tg и Ts.eff с помощью локального регрессионного алгоритма типа "расщепленного окна прозрачности". Второй метод позволяет определять температуру воздуха вблизи земной поверхности Ta.eff на основе ее регрессионных связей с NDVI без привлечения в явном виде оценок B. Значения NDVI для полностью покрытых растительностью пикселов подбираются из условий наилучшего соответствия между Ta и Ta.eff. Для обоих методов получена и исследована статистика ошибок спутниковых оценок Ts.eff и Ta.eff. По результатам сопоставления с данными наблюдений на 6 агрометеостанциях Курской области величины средней квадратичной ошибки определения Та, Tg и Ts.eff составляли 1.5-2.0, 3.5-4.9 и 2.6-3.3°С, соответственно, причем применение второго метода не дает статистически значимого выигрыша в точности определения Ts.eff.
Спутниковые оценки перечисленных характеристик использованы для валидации модели SVAT и расчетов с ее помощью суммарного испарения Ev, влагозапасов почвы и других составляющих водного баланса. Исследованы возможности расчета этих величин при прямом введении в модель спутниковых оценок LAI и B - показаны близость спутниковых и модельных значений Та, и Ts.eff и практическое совпадение значений Ev и влагозапасов почвы, рассчитанных при задании LAI и B по наземным и по спутниковым данным для периодов с невысокими температурами и относительно большой влажностью почвы, а также небольшое (в пределах точности оценки испарения) различие значений Еv для периодов высоких температур и иссушения почвы. Полученные результаты позволяют использовать спутниковые оценки LAI и B в качестве параметров модели, особенно при недостатке или отсутствии данных наземных наблюдений. Установлена возможность агрегации спутниковых оценок характеристик подстилающей поверхности, т.е. перехода от данных измерений в точке к их пространственным обобщениям, что имеет целью определение вертикальных потоков тепла и влаги с обширных территорий при минимальном использовании наземных данных.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований – грант № 04-05-65062.