Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)
Будущая конференция
Архив конференций
2023 2022 2021 2020 2019 2018 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003
Личный кабинет
Зарегистрироваться на сайте Войти на сайт Забыли пароль?
Электронный сборник статей
«Информационные технологии в дистанционном зондировании Земли - RORSE 2018»
Журнал
«Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»
Дополнительная информация
Контакты Полезная информация
Подписка/отписка
на рассылку новостей
Ваш e-mail:

Семнадцатая Всероссийская Открытая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)»

XVII.F.441

Использование спутниковых данных нескольких спектральных диапазонов при моделировании процессов формирования водного и теплового режимов обширных территорий

Музылев Е.Л. (1), Старцева З.П. (1), Волкова Е.В. (2), Василенко Е.В. (2)
(1) Институт водных проблем РАН, Москва, Россия
(2) Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета», Москва, Россия
Разработан метод оценки запасов почвенной влаги, суммарного испарения и других характеристик водного и теплового режимов значительных по размерам территорий сельскохозяйственных регионов с разной степенью увлажнения в их динамике в течение сезона вегетации. Метод основан на использовании физико-математической модели влаго- и теплообмена покрытых растительностью участков суши с атмосферой, адаптированной к спутниковым данным о состоянии подстилающей поверхности и метеоусловиях (Startseva et al., 2014; Музылев и др., 2015, 2017, 2019; Muzylev et al., 2018). Спутниковая информация представлена в работе данными измерений радиометров AVHRR/NOAA, МСУ-МР/Метеор-М № 2 и SEVIRI/геостационарные ИСЗ Meteosat-10,-11,-8 в видимом и ИК диапазонах, при тематической обработке которых были построены оценки характеристик растительности и метеорологических характеристик, использовавшиеся в модели в качестве параметров и входных переменных (Волкова, 2013, 2014, 2017; Волкова, Успенский, 2015, 2016). По данным измерений скаттерометра ASCAT/MetOp в СВЧ диапазоне определялась влажность поверхности почвы (Wagner et al., 2013).
Исследования проводились для территории части Центрально-Черноземного региона России, находящейся в лесостепной зоне и содержащей 7 административных областей общей площадью 227300 км2, и территории Саратовского и Волгоградского Заволжья (левобережной части Саратовской и Волгоградской областей) площадью около 66600 км2, находящейся в зоне сухой степи. Эти исследования, выполнявшиеся на примере сезонов вегетации 2016-2018 гг., включали:
- разработку и модификацию процедур использования в модели спутниковых оценок характеристик растительности и метеорологических характеристик;
- выявление и подтверждение возможностей использования оценок влажности поверхности почвы по данным ASCAT в СВЧ диапазоне при расчетах запасов почвенной влаги для отдельных агрометеорологических станций и для всего региона;
- получение оценок влагозапасов почвы, суммарного испарения и других характеристик влаго- и теплообмена и построение их распределений по площади рассматриваемых регионов за названные сезоны вегетации.
По данным AVHRR, SEVIRI и МСУ-МР с помощью методов и технологий, разработанных и усовершенствованных в НИЦ “Планета” (Волкова, 2013, 2014, 2017; Волкова, Успенский, 2015, 2016), строились оценки нормализованного индекса вегетации NDVI, излучательной способности подстилающей поверхности E, проективного покрытия растительностью B, листового индекса LAI, температуры поверхности почвы Tsg и воздуха у поверхности растительного покрова Ta, принимавшейся за температуру этой поверхности, эффективной температуры подстилающей поверхности (ТПП) Ts.eff, а также облачности и осадков. Так, оценки суточных, декадных и месячных сумм осадков для каждого пиксела производились с помощью комплексной пороговой методики (КПМ) детектирования облачности и идентификации ее типов, а также выделения зон осадков и определения их максимальной интенсивности. В основу методики положена реализация перехода от оценки интенсивности осадков к оценке их суточных сумм. Валидация методики для каждого из сенсоров производилась с использованием данных наблюдений за количеством выпавших в течение суток осадков на нескольких агрометеорологических станциях как ЦЧР, так и Заволжья. Вероятность детектирования по спутниковым данным зон осадков, соответствовавших фактическим, при сопоставлении с данными наблюдений на станциях составила ~ 80 % (и выше) для всех сенсоров (Волкова, 2014, 2017). Таким образом, данная технология была адаптирована к обеим исследуемым территориям.
Процедуры использования в LSM построенных по данным AVHRR, МСУ-МР и SEVIRI оценок LAI, B, осадков и ТПП включали ввод этих оценок в модель в каждом узле ее вычислительной сетки вместо значений этих величин, определенных по данным наземных наблюдений. Работоспособность процедур замены была подтверждена результатами сопоставления временных ходов LAI и ТПП за сезон вегетации, построенных по спутниковым и наземным данным, и, главное, результатами сравнения значений влагозапасов почвы W и суммарного испарения Ev, рассчитанных по модели при всех возможных вариантах оценки LAI, B, ТПП и осадков по спутниковым данным и полученных при наземных измерениях. Погрешности оценки W и Ev для подавляющего числа сроков измерений сезонов вегетации 2016-2017 гг. не превышали 15 и 25 %, что соответствует общепринятой величине ошибки определения значений W и Ev (Музылев и др., 2017, 2019; Muzylev et al., 2018, 2019).
Относительная влажность поверхности почвы для территорий ЦЧР и Заволжья (в %) определялась посуточно по данным измерений ASCAT/MetOp, затем ее значения путем умножения на значения пористости преобразовывались в объёмные влажности (в см3/см3) верхнего трехсантиметрового слоя почвы. Проверка корректности таких оценок для исследуемых территорий за каждый сезон вегетации производилась путем сравнения с результатами расчетов поверхностной влажности по модели: 1) при использовании данных наземных наблюдений, 2) при задании начального профиля влажности почвы с привлечением данных ASCAT; 3) при оценке испарения с почвы с использованием данных ASCAT на каждом временном шаге. Расхождения спутниковых и модельных оценок поверхностной влажности находились в допустимых пределах (± 0.15 см3/см3), что позволяет использовать полученные спутниковые оценки при моделировании (Музылев и др., 2019).
Работа выполнена в рамках Государственных программ №№ АААА-А18-118022090056-0 и АААА-А18-118022290072-8.

Ключевые слова: спутниковые данные, моделирование, водный и тепловой режимы, запасы почвенной влаги, влажность поверхности почвы, осадки, температура подстилающей поверхности, листовой индекс, проективное покрытие satellite data, modeling, water and heat regimes, soil water content, soil surface moisture, precipitation, land surface temperature, leaf area index, vegetation cover fraction
Литература:
  1. Волкова Е.В. Оценки параметров облачного покрова, осадков и опасных явлений погоды по данным радиометра AVHRR c МИСЗ серии NOAA круглосуточно в автоматическом режиме // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т.10. № 3. С.66–74.
  2. Волкова Е.В. Определение сумм осадков по данным радиометров SEVIRI/Meteosat-9,10 и AVHRR/NOAA для Европейской территории России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т.11. № 4. С.163-177.
  3. Волкова Е.В. Оценки параметров облачного покрова и осадков по данным радиометра МСУ-МР полярно-орбитального метеоспутника “Метеор-М” № 2 для Европейской территории России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 5. С. 300–320.
  4. Волкова Е.В., Успенский А.Б. Оценки параметров облачного покрова и осадков по данным сканирующих радиометров полярно-орбитальных и геостационарных метеоспутников // Исследование Земли из космоса. 2015. № 5. С. 40–43.
  5. Волкова Е.В., Успенский С.А. Дистанционное определение температуры подстилающей поверхности, приземной температуры воздуха и эффективной температуры по спутниковым данным для юга Европейской территории России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т.13. № 5. С.291-303.
  6. Музылев Е.Л., Успенский А.Б., Старцева З.П., Волкова Е.В., Кухарский А.В., Успенский С.А. Использование данных дистанционного зондирования при моделировании компонент водного и теплового балансов территории Центрально-Черноземных областей России. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т.12. №.6. С.17-34.
  7. Музылев Е.Л., Старцева З.П., Успенский А.Б., Волкова Е.В., Василенко Е.В., Кухарский А.В., Зейлигер А.М., Ермолаева О.С. Использование данных дистанционного зондирования при моделировании водного и теплового режимов сельских территорий // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т.14. № 6. С.108-136.
  8. Музылев Е.Л, Старцева З.П., Зейлигер А.М., Ермолаева О.С., Волкова Е.В., Василенко Е.В., Осипов А.И. Использование спутниковых данных о характеристиках подстилающей поверхности и метеорологических характеристиках при моделировании водного и теплового режимов большого сельскохозяйственного региона // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т.16. № 3. С. 44-60. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-44-60.
  9. Muzylev E.L., Startseva Z.P., Uspensky A.B., Volkova E.V. Modeling Water and Heat Balance Components for Large Agricultural Region Utilizing Information from Meteorological Satellites // Water Resources. 2018. Vol. 45. No 5. P.672–684. © Pleiades Publishing, Ltd.
  10. Eugene Muzylev, Anatoly Zeyliger, Zoya Startseva, Elena Volkova, Eugene Vasilenko, Olga Ermolaeva. Modeling Processes of Water and Heat Regime Formation for Agricultural Region Area (Russia) Utilizing Satellite Data // Advances in Sustainable and Environmental Hydrology, Hydrogeology, Hydrochemistry and Water Resources, Advances in Science, Technology & Innovation. H.I.Chaminé et al. (eds.). Springer Nature, Switzerland AG. 2019. P. 37-40. https://doi.org/10.1007/978-3-030-01572-5_9.
  11. Startseva Z., Muzylev E., Volkova E., Uspensky A., Uspensky S. Water and heat regimes modelling for a vast territory using remote-sensing data // Int. J. Rem. Sens. 2014. Vol.35. No 15. P.5775-5799.
  12. Wolfgang Wagner, Sebastian Hahn, Richard Kidd, Thomas Melzer, Zoltan Bartalis, Stefan Hasenauer, Julia Figa-Saldan, Patricia de Rosnay, Alexander Jann, Stefan Schneider, Jurgen Komma, Gerhard Kubu, Katharina Brugger, Christoph Aubrecht, Johann Zuger, Ute Gangkofner, Stefan Kienberger, Luca Brocca, Yong Wang, Gunter Blosch, Josef Eitzinger, Klaus Steinnocher, Peter Zeil, Franz Rubel. The ASCAT Soil Moisture Product: A Review of its Specifications, Validation Results, and Emerging Applications. // Meteorologische Zeitschrift. 2013. Vol. 22. No 1. P. 5–33.
  13. Volkova E.V., Otsenki parametrov oblachnogo pokrova, osadkov i opasnykh yavlenii pogody po dannym radiometra AVHRR c MISZ serii NOAA kruglosutochno v avtomaticheskom rezhime (Automatic estimation of cloud cover and precipitation parameters obtained by AVHRR NOAA for day and night conditions), Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2013, Vol. 10, No. 3, pp. 66–74.
  14. Volkova E.V., Opredelenie summ osadkov po dannym radiometrov SEVIRI/Meteosat-9, -10 i AVHRR/ NOAA dlya Evropeiskoi territorii Rossii (Estimation of precipitation amount using SEVIRI/Meteosat-9 and AVHRR/NOAA data for the European territory of Russia), Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2014, Vol. 11, No. 4, pp. 163–177.
  15. Volkova E.V., Otsenki parametrov oblachnogo pokrova i osadkov po dannym radiometra MSU-MR polyarno-orbital’nogo meteosputnika “Meteor-M” No. 2 dlya Evropeiskoi territorii Rossii (Detection and assessment of cloud cover and precipitation parameters using data from MSU-MR radiometer of the polarorbiting “Meteor-M” No. 2 for the European territory of Russia), Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2017, Vol. 14, No. 5, pp. 300–320.
  16. Volkova E.V., Uspenskii A.B., Otsenki parametrov oblachnogo pokrova i osadkov po dannym skaniruyushchikh radiometrov polyarno-orbital’nykh i geostatsionarnykh meteosputnikov (Estimations of the cloud cover parameters and precipitation using data from scanning radiometers of the polar-orbiting and geostationary meteorological satellites), Issledovanie Zemli iz kosmosa, 2015, No. 5, pp. 40–43.
  17. Volkova E.V., Uspenskii S.A., Distantsionnoe opredelenie temperatury podstilayushchei poverkhnosti, prizemnoi temperatury vozdukha i effektivnoi temperatury po sputnikovym dannym dlya yuga Evropeiskoi territorii Rossii (Land surface, land air and effective temperature estimation for territories of Southern European Russia based on satellite data), Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2016, Vol. 13, No. 5, pp. 291–303.
  18. Muzylev E.L., Uspenskii A.B., Startseva Z.P., Volkova E.V., Kukharskii A.V., Uspenskii S.A., Ispol’zovanie dannykh distantsionnogo zondirovaniya pri modelirovanii komponent vodnogo i teplovogo balansov territorii Tsentral’no-Chernozemnykh oblastei Rossii (Utilization of remote sensing data for modeling water and heat balance components of the Russian Central Black Earth Region territory), Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2015, Vol. 12, No. 6, pp. 17–34.
  19. Muzylev E.L., Startseva Z.P., Uspenskii A.B., Volkova E.V., Vasilenko E.V., Kukharskii A.V., Zeiliger A.M., Ermolaeva O.S., Ispol’zovanie dannykh distantsionnogo zondirovaniya pri modelirovanii vodnogo i teplovogo rezhimov sel’skikh territorii (Using remote sensing data to model water and heat regimes of rural territories), Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2017, Vol. 14, No. 6, pp. 108–136.
  20. Muzylev E.L, Startseva Z.P., Zejliger A.M., Ermolaeva O.S., Volkova E.V., Vasilenko E.V., Osipov A.I., Ispol'zovanie sputnikovyh dannyh o harakteristikah podstilajushhej poverhnosti i meteorologicheskih harakteristikah pri modelirovanii vodnogo i teplovogo rezhimov bol'shogo sel'skohozjajstvennogo regiona (The use of satellite data on land surface and meteorological characteristics in modeling the water and heat regimes of large agricultural region), Sovremennye problemy distancionnogo zondirovanija Zemli iz kosmosa, 2019, Vol. 16. No. 3, pp. 44-60. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-44-60.
  21. Muzylev E.L., Startseva Z.P., Uspensky A.B., Volkova E.V., Modeling Water and Heat Balance Components for Large Agricultural Region Utilizing Information from Meteorological Satellites, Water Resources, 2018, Vol. 45, No. 5, pp. 672–684. © Pleiades Publishing, Ltd.
  22. Eugene Muzylev, Anatoly Zeyliger, Zoya Startseva, Elena Volkova, Eugene Vasilenko, Olga Ermolaeva, Modeling Processes of Water and Heat Regime Formation for Agricultural Region Area (Russia) Utilizing Satellite Data, Advances in Sustainable and Environmental Hydrology, Hydrogeology, Hydrochemistry and Water Resources, Advances in Science, Technology & Innovation, H.I.Chaminé et al. (eds.), Springer Nature, Switzerland AG, 2019, pp. 37-40. https://doi.org/10.1007/978-3-030-01572-5_9.
  23. Startseva Z., Muzylev E., Volkova E., Uspensky A., Uspensky S., Water and heat regimes modelling for a vast territory using remote-sensing data, Intern. J. Remote Sensing, 2014, Vol. 35, No. 15, pp. 5775–5799.
  24. Wolfgang Wagner, Sebastian Hahn, Richard Kidd, Thomas Melzer, Zoltan Bartalis, Stefan Hasenauer, Julia Figa-Saldan, Patricia de Rosnay, Alexander Jann, Stefan Schneider, Jurgen Komma, Gerhard Kubu, Katharina Brugger, Christoph Aubrecht, Johann Zuger, Ute Gangkofner, Stefan Kienberger, Luca Brocca, Yong Wang, Gunter Blosch, Josef Eitzinger, Klaus Steinnocher, Peter Zeil, Franz Rubel, The ASCAT Soil Moisture Product: A Review of its Specifications, Validation Results, and Emerging Applications, Meteorologische Zeitschrift, 2013, Vol. 22, No. 1, pp. 5–33.

Дистанционное зондирование растительных и почвенных покровов

439