Измерение температуры, влажности почвы и наземной биомассы растительности тестовых участков арктической тундры на основе радиометрических данных спутников Метеор-М №2 и GCOM-W1

В данной работе на основе поляриметрических многочастотных наблюдений радиояркостной температуры космических аппаратов Метеор-М № 2, радиометр МТВЗА-ГЯ, и GCOM-W1, радиометр AMSR2, предложены методы измерения наземной биомассы растительности, температуры и влажности почвы арктических тундровых территорий. Территория исследования охватывает тестовые участки, расположенные на Северном склоне Аляски, США, в период времени с 2012 по 2015гг. Установленные эмпирические связи между температурой почвы в слое 0-10см, наземной биомассы растительности и суперпозицией горизонтально (вертикально) поляризованных компонент радиотеплового излучения, позволили предложить метод восстановления влажности арктической тундровой почвы с погрешностью не более 0,1см3/см3. Показано, что среднеквадратическое отклонение (СКО) восстановленных от измеренных значений температуры почвы не превышает 1,5К за период с 2012 по 2015 для спутника GCOM-W1 и 1,0К для спутника Метеор-М № 2 за 2015 год; а среднеквадратическое отклонение восстановленных от измеренных значений биомассы наземной растительности примерно равно 53,5 г/м2 для обоих спутников. При этом наблюдаются высокие значения квадрата коэффициента корреляции 0,65-0,88. Восстановленные значения влажности почвы из наблюдений радиометров AMSR2 и МТВЗА-ГЯ достаточно хорошо коррелированы относительно измеренных значений (квадрат коэффициента корреляции 0,46-0,52). Восстановление влажности почвы осуществлялось на горизонтальной поляризации и наименьшей из доступных частот, 10,7 ГГц, радиометра МТВЗА-ГЯ. Методика восстановления влажности талой тундровой почвы из радиометрических данных спутника Метеор-М №2 и GCOM-W1 была основана на общепринятой физической модели радиотеплового излучения [1], адаптированной в данной работе диэлектрической модели органических тундровых почв [2] для частот радиометров AMSR2 и МТВЗА-ГЯ и установленных в данной работе эмпирических связей между температурой почвы, биомассой растительности и суперпозицией горизонтально (вертикально) поляризованных компонент радиояркостной температуры. С целью повышения точности измерения влажности почв в условиях арктической тундры физическая модель радиотеплового излучения [1] была откалибрована на тестовых участках Северного склона Аляски в районе почвенно-климатических метеостанций оз. Тулик (68.6397С.Ш., 149.3523 З.Д.) и Хэппи Вэлли (69.1416С.Ш., 148.8483 З.Д.), на которых проводились синхронно со спутниковыми, наземные измерения влажности и температуры почвы. Оценка СКО восстановленных от измеренных значений влажности почвы дает величины 0,06 см3/см3 и 0,1 см3/см3, в случае наблюдений радиометром AMSR2 и МТВЗА-ГЯ, соответственно. В диапазоне влажностей почвы от 0,1 до 0,45 см3/см3 предлагаемая калибровка радиометров позволяет измерять влажность почвы с ошибками менее 0,1 см3/см3. В случае, когда влажность почвы меньше 0,1 см3/см3 и выше 0,45 см3/см3, предлагаемая методика может быть использована лишь для оценок средних значений. Предложенные методы нуждаются в дополнительной валидации на большем наборе тестовых участков арктической тундры. В дальнейшем, необходимо провести исследования влияния таких факторов, что открытые водные объекты, различные типы растительности арктической тундры, разнообразие типов почвенного покрова в пределах пиксела зондирования на точность восстановления биомассы растительности, температуры и влажности почвы. Вместе с тем, достигнутые точности измерения биомассы растительности, температуры и влажности почвы показывают перспективность использования микроволновых радиометрических данных, в том числе отечественного спутника Метеор-М №2, с целью мониторинга климатических изменений в арктическом регионе.

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности» в рамках научного проекта №16-45-242162, а также Программы II.12.1. «базовых» фундаментальных исследований СО РАН и Президиума РАН «Арктика»

Литература

1. Njoku E.G. AMSR Land Surface Parameters. Surface Soil Moisture, Land Surface Temperature, Vegetation Water Content. Algorithm theoretical basis document // Jet Propulsion Laboratory. California Institute of Technology. 1999. 47 p.
2. Mironov V. L., Kerr Y. H., Kosolapova L. G., Savin I. V., Muzalevskiy K. V. A Temperature-Dependent Dielectric Model for Thawed and Frozen Organic Soil at 1.4 GHz // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2015. Vol. 8. No. 9. P. 4470-4477.