Возможности дистанционного зондирования в задачах мониторинга засух для оценки уязвимости региона к стрессовому погодному воздействию

Увеличение экстремальных погодных явлений, усиление колебаний температуры и выпадения осадков, связанные с общемировыми процессами изменения климата, в последние десятилетия отмечаются на территории Казахстана. Одним из проявлений подобных явлений являются участившиеся засухи различной интенсивности и продолжительности, наблюдаемые практически ежегодно и приводящие к резкому снижению урожайности зерновых культур, нарушению режима функционирования пастбищ, причиняя значительный ущерб экономике республики.
На территории республики засухи устанавливаются достаточно часто. Вероятность установления засухи на преобладающей территории зерносеющей зоны Казахстана составляет 16%, т.е. она имеет вероятность повторения 1 раз в 7 лет. При этом, в основных зерносеющих областях на севере Казахстана вероятность повторения засухи колеблется в пределах 20–39%. Эти оценки меняются в сторону увеличения, как следствие процессов климатических изменений последнего десятилетия.
Разработка дистанционного метода выявления участков, на которых с высокой вероятностью отмечается повторение экстремальных погодных ситуаций, в частности, засух различной интенсивности, определение пространственно-временных особенностей динамики развития растительности, ранжирование засушливых условий на основе спутниковой информации является актуальной задачей. Наибольший интерес вызывают участки, локализованные на территории Северного и Центрального Казахстана, где расположены основные неполивные зерновые угодья страны и пастбища.
По прогнозам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), рассчитанным на основании моделей изменения климата, весь регион Центральной Азии, и, в частности Казахстан, сильно подвергнуты последствиям изменения климата. К 2050 г. ожидается сокращение объемов воды, вызванное таянием ледников и увеличением температуры воздуха, особенно в летние месяцы. Анализ совместного влияния ожидаемых изменений температуры и осадков показал, что в течение всего вегетационного периода будут ухудшаться условия увлажнения на фоне повышения температуры, сопровождаемое смещением границ природных зон по вертикали за счет расширения пустынных и степных экосистем. Задача адаптации к происходящим изменениям является актуальной и жизненно важной. К мерам по содействию национальной политике государств в отношении засухи для уменьшения уязвимости общества от этого природного явления относится развитие национальных систем раннего прогноза и детектирования предвестников засухи, а также средств массового оповещения населения. Особое внимание уделяется составлению карт районов, подверженных наибольшей опасности.
По данным спутниковой съемки в различных диапазонах спектра можно определить состояние растительного покрова по проективному покрытию и температурный режим района. В качестве исходных данных, получаемых из космической информации, используют вегетационные индексы. В данной работе используется набор дифференциальных и интегральных индексов: NDVI – нормализованный дифференциальный вегетационный индекс, VCI - индекс условий вегетации, IVI - интегральный вегетационный индекс, IVCI - интегральный индекс условий вегетации.
Территорией исследования выбраны области Северного Казахстана – Костанайская, Северо-Казахстанская, Акмолинская, расположенные практически во всех подзонах степной зоны: лесостепной, степной, сухостепной и полупустынной.
Используются данные низкого разрешения спутника Terra MODIS, продукт MOD09Q1, представляющий цифровые матрицы 8-дневных композитов 1 и 2 спектральных каналов, пространственное разрешение 250 м, синусоидальная проекция. Вся территория Казахстана покрывается шестью гранулами спутника MODIS. Обработка снимков и расчеты индексов вегетации реализованы в ПО ENVI.
Наличие временных рядов спутниковых данных для ранжирования каждого вегетационного сезона по степени засушливости/ увлажненности является обязательным условием. Накопление многолетних спутниковых данных различного пространственного разрешения позволяет оценить масштабы и тенденции изменений подстилающей поверхности.
Использование интегрального индекса условий вегетации IVCI при анализе временных изменений состояния растительного покрова является весьма эффективным, позволяя оценить временной тренд изменений, определить экстремальные вегетационные сезоны по степени влияния погодных условий на засушливость/увлажненность. Индекс IVCI является межсезонным аналогом индекса VCI, разработанным для описания наступления и развития засухи, оценки ее масштабов и интенсивности по спутниковым данным, позволяет ранжировать вегетационные сезоны по погодным условиям в многолетнем ряду данных. Значения IVCI<0,3 соответствуют засушливым условиям. По данным ДЗЗ к засушливым в различной степени можно отнести 2010, 2012, 2019, 2008, 2006, 2004 годы (по степени отклонения от значения 0,3).
Пороговое значение IVCI<0,3 принято для детектирования территорий, находившихся под стрессовым погодным воздействием в течение вегетационного сезона в целом. Визуализация цифровых карт индекса IVCI позволяет определить, какая часть территории находилась в засушливых условиях (IVCI<0,30).
Разработан алгоритм расчета цифровых карт частоты возникновения низких значений IVCI, которые могут быть интерпретированы, как карты частоты (вероятности) возникновения засух. Эти цифровые матрицы ежегодно актуализируются по окончании текущего сезона. На территории республики выделены постоянные участки с низкими многолетними значениями IVCI: 1) западная и южная части Костанайской области; 2) восточная часть Актюбинской области; 3) восточная часть Акмолинской области; 4) субмеридиональная территория, расположенная в Карагандинской области; 5) Прибалхашье.
Проведено районирование северных областей страны на уровне районов по значениям коэффициентов в уравнениях линейных трендов распределений IVCI, характеризующих скорость изменений в состоянии растительного покрова. Выделены районы, на территории которых изменения в состоянии растительного покрова более значимы. Они практически полностью расположены в засушливой и умеренно-сухой подзонах степной зоны Казахстана.
Универсальность разработанных методик и технологий определяет возможность их распространения за пределы Казахстана, в первую очередь, для использования в аридных регионах, подверженных частым засухам и, как следствие, опустыниванию.
Работа выполнена по проекту АР14871658 «Технология дистанционной оценки состояния растительности Центрального и Северного Казахстана в условиях засухи с учетом природно-климатических особенностей по многолетней спутниковой информации», выполняемого в рамках конкурса «Грантовое финансирование по научным и (или) научно-техническим проектам на 2022-2024 годы», объявленного Министерством науки и высшего образования Республики Казахстан.