Мониторинг сезонных изменений излучательной способности Кулундинской равнины Алтайского края в L-диапазоне

В докладе представлен анализ сезонных изменений собственного микроволнового излучения поверхности Кулундинской равнины Алтайского края в L-диапазоне. Этот диапазон является оптимальным для мониторинга влажности почвы (Chen et al., 2018), определения состояния снежного покрова (Naderpour, Schwank, 2018; Schwank, Naderpour, 2018) и озерного льда (Тихонов и др., 2017).
Как показали наши исследования, контроль ежедневных изменений яркостной температуры в L-диапазоне позволяет определить границу снеготаяния в весенний период, точно указать дату окончательного схода снежного покрова, выделить этапы промерзания почвы при наступлении морозов. В течение летнего сезона, анализ градиентов яркостной температуры вызванных выпадением осадков, позволил нам построить эмпирический алгоритм восстановления количества выпавших осадков.
Данные ежедневных измерений яркостной температуры за 2012-2016 годы получены с радиометра MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis), установленного на спутнике SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). Был выполнен анализ данных для одной области наблюдения - вблизи метеостанции Родино (WMO ID 36020), которая находится в центральной части Кулундинской равнины.
Кулундинская равнина расположена на юге Западной Сибири, в междуречье Иртыша и Оби. Почвенный покров состоит из рыхлых глинисто-иловатых, супесчаных и песчаных речных и озерно-речных отложений. Поверхность равнины волнистая с чередованием грив и понижений, занятых реками и бессточными озерами. Растительность - характерная для степной зоны (Кауричев, Громыко, 1974; Татаринцев, 2008).
Формирование Кулундинской впадины началось около 70 млн лет назад после высыхания древнего моря. С этого времени в центральной Кулунде началось формирование мощных песчаных отложений. Общая мощность этих отложений, заполнивших образовавшуюся впадину, достигает 1300 м. Здесь же образовались морские осадочные породы в виде серых и темно-серых глин. На обнажившейся поверхности начали формироваться крупные речные системы. Под воздействием ледниковых вод происходило многократное формирование речных долин. Этот процесс завершился формированием современного рельефа Кулунды. Для Кулундинской степи характерна террасовидность поверхности, что наглядно видно при движении от водоразделов к многочисленным озерам. В Кулундинской степи выделяются два ландшафтных района. Это «собственно Кулундинская степь», занимающая центральную, западную и северную ее части и характеризующаяся равнинностью поверхности и наличием большого количества замкнутых озер, где и находится Кулундинский район. Ко второму району относятся высокие окраины юга и востока Кулунды, занимающие часть Приобского плато.
Климат Кулундинской степи, определяемый ее географическим положением, резко-континентальный. Она расположена в центре материка на значительном удалении от морей и океанов. Открытое положение способствует проникновению на ее территорию как сухих воздушных масс с Карского моря, так и теплых сухих – из степей и пустынь Казахстана. Это обуславливает высокие годовые и суточные амплитуды температур, сухое жаркое лето и суровую малоснежную зиму.
Для степного Кулундинского района характерна низкая относительная влажность воздуха (32-44%). Среднегодовое количество осадков изменяется от 240 до 360 мм. В течение года они распределяются крайне неравномерно. Весенние осадки, по данным Кулундинской метеостанции, составляют около 20% от общей суммы. Практического влияния на увлажнение почвы они не оказывают. Быстрое нарастание положительных температур способствует не только испарению выпадающих осадков, но и значительному испарению влаги из почвенного покрова. С поверхности почвы в зависимости от ее начальной влажности, обработки, механического состава и количества осадков испаряется до 4 мм влаги в сутки.
В июне-августе количество осадков возрастает. Максимум их приурочен ко второй половине лета, когда выпадает до 30% всех осадков. Из-за высоких летних температур и сухости воздуха они практически полностью расходуются на испарение. До 25% осадков выпадает осенью в период после окончания вегетации растений и до замерзания почвы. Температура воздуха в сентябре и октябре нередко еще достигает 20-23 градусов. Сильный ветер и сухость воздуха (число дней с влажностью менее 30% в сентябре такое же, как и в июне) обуславливают значительное испарение влаги с поверхности почвы.
Более 60% снега выпадает в первую половину зимы. Устойчивый снежный покров формируется в первой декаде ноября. Снег ложится на мерзлую землю, которая промерзает до глубины 1,6-3,2 м. Распределение снежного покрова по элементам рельефа неравномерное, что определяется сильными ветрами. Преобладают ветры юго-западного направления. Снег сходит обычно во второй декаде апреля, а оттаивание почвы заканчивается лишь в июне. Весенний поверхностный сток практически отсутствует. Величина просачивания талых вод в почву — 30-40 мм (Справочно-информационный центр «Экология», http://akunb.altlib.ru/o-tsentre-ekologiya/)
Диэлектрическая проницаемость указанных почв в L-диапазоне хорошо известна (Романов, Хвостов, 2017) и может быть использована для модельных расчетов. Незначительное количество высокой растительности позволяет не учитывать ее влияние на яркостную температуру. Все данные метеорологических наблюдений, включая физические температуры, количество осадков, влажности почвы и снега, высоту снежного покрова взяты с сайта "Расписание Погоды" (https://rp5.ru).
Динамика яркостной температуры имеет ярко выраженный, ежегодно повторяющийся, сезонный характер. Например, вариации Тя в зимний период существенно меньше, чем летом. Это легко объясняется более стабильным значением диэлектрической проницаемости подстилающей поверхности зимой. Однако, в оттепель, когда температура воздуха становится положительной, наблюдается резкое падение Тя, связанное с появлением слоя влажного снега.
Анализ многолетних данных яркостной температуры в сравнении с данными метеорологических наблюдений позволил выявить ряд характерных сезонных особенностей, в частности, весной определить период наступления снеготаяния и дату окончательного схода снежного покрова, в осенний период выделить период промерзания почвы. Авторы предполагают в дальнейшем провести расчеты на основе ранее разработанных моделей (Boyarskii et al., 2002, Боярский, Тихонов, 2003) связывающие параметры подстилающих поверхностей с их микроволновым излучением для обоснования причин появления выявленных особенностей.
Данные SMOS получены в рамках проекта ESA № 4747 «Remote mapping of Siberian saline soils». Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №18-05-00753 (Хвостов И.В., Романов А.Н.) и №18-05-00427 (Боярский Д.А., Тихонов В.В.)

Ключевые слова: SMOS, спутниковая микроволновая радиометрия, влажность почвы, граница снеготаяния, глубина промерзания почвы, климатические изменения.

Литература:
Боярский Д.А., Тихонов В.В.. Влияние связанной воды на диэлектрическую проницаемость влажных и мерзлых почв. Препринт ИКИ РАН, Пр-2084, 2003, 48 стр.
Кауричев И.С., Громыко И.Д. (под ред.). Атлас почв СССР. М.: Колос. 1974. 168 с.
Романов А.Н., Хвостов И.В. Космический микроволновый мониторинг засоленных почв и соленых озер Кулундинской равнины. Барнаул: «Пять плюс». 2017. 88 с.
Справочно-информационный центр «Экология», http://akunb.altlib.ru/o-tsentre-ekologiya/
Татаринцев В.Л. Гранулометрия агропочв юга западной Сибири и их физическое состояние: Автореферат Дис. … доктора сельскохозяйственных наук: 06.01.03. Барнаул, АГАУ. 2008. 42 с.
Тихонов В.В., Хвостов И.В., Романов А.Н., Шарков Е.А. Анализ изменений ледяного покрова пресноводных водоемов по данным SMOS. // Исследование Земли из космоса. 2017. № 6. С. 46-53.
Boyarskii D.A., Tikhonov V.V., Komarova N.Yu. Model of Dielectric Constant of Bound Water in Soil for Applications of Microwave Remote Sensing. // Progress In Electromagnetics Research, PIER 35, 2002, P.251-269.
Chen F., Crow W.T., Bindlish R., Colliander A., Burgin M.S., Asanuma J., Aida K. Global-scale evaluation of SMAP, SMOS and ASCAT soil moisture products using triple collocation. // Remote Sensing of Environment. 2018. V. 214. № 1. P. 1–13.
Naderpour R., Schwank M. Snow Wetness Retrieved from L-Band Radiometry. // Remote Sensing. 2018. V. 10. № 3. P. 359-374.
Schwank M., Naderpour R. Snow Density and Ground Permittivity Retrieved from L-Band Radiometry: Melting Effects. // Remote Sensing. 2018. V. 10. № 2. P. 354-379.