Моделирование водного режима территории крупного сельскохозяйственного региона с использованием данных измерений геостационарных метеорологических спутников

Разработана модель взаимодействия поверхности суши с атмосферой, предназначенная для расчета составляющих водного и теплового балансов обширных покрытых растительностью территорий за вегетационный период. Модель рассчитана на использование оценок характеристик подстилающей поверхности (ПП) и метеорологических характеристик, полученных по спутниковым данным радиометров AVHRR/NOAA, MODIS/EOS Terra и Aqua, SEVIRI/Meteosat-9. Исследования проводились для участка территории Центрально-Черноземного региона (ЦЧР) Европейской части России площадью 227300 км2, содержащей 7 областей РФ, для сезонов вегетации 2009-2011 гг.
С помощью разработанных ранее методов тематической обработки спутниковых данных для исследуемой территории по данным AVHRR построены оценки температуры поверхности почвы Тsg и воздуха на уровне растительного покрова Ta, эффективной температуры подстилающей поверхности (ТПП) Ts.eff и ее излучательной способности E, нормализованного индекса вегетации NDVI, листового индекса LAI и проективного покрытия растительностью B, а по данным MODIS – оценки ТПП Тls, Е, NDVI, LAI.
Разработана и адаптирована применительно к рассматриваемой территории технология тематической обработки данных SEVIRI для определения Tls и Е в светлое и темное время суток. Метод использует данные SEVIRI в ИК каналах №№ 9 и 10 (10.8 и 12 мкм) за три последовательных срока (например, за 11.00, 12.00, 13.00 UTC) при отсутствии облачности. Достоверность оценок Tls подтверждена при сопоставлении с независимыми синхронными оценками этой величины, получаемыми по данным SEVIRI в LSA SAF - Прикладном центре анализа спутниковых данных о поверхности Земли, (Лиссабон, Португалия), или с оценками ТПП по данным MODIS, загружаемыми с веб-сайта LP DAAC (NASA). Значения усредненных за месяц среднеквадратических отклонений (СКО) оценок Tls(Планета) от Tls(LSA SAF) для июня - августа 2010-2011 гг. находятся в диапазоне 1.4-2.2°C. Сравнение с оценками ТПП по данным MODIS для летнего периода 2010 г. дает величины СКО не более 3.0°C, что свидетельствует о корректности оценок Tls(Планета). Предложен и испытан регрессионный метод определения по данным SEVIRI температуры воздуха на уровне растительного покрова Ta в светлое и темное время суток. Метод использует спутниковые оценки Tls(Планета) и регрессионную связь между Tls и результатами наземных измерений Ta. Сравнение спутниковых оценок Ta с результатами синхронных наземных наблюдений на сети метеорологических станций ЦЧР дает величины СКО не более 2.5°С для большинства сроков летнего периода 2009 г., что подтверждает работоспособность предложенного метода.
Разработка способов использования в модели данных дистанционного зондирования, представлявшая одну из целей исследования, включала следующие процедуры:
- замену определенных по данным наблюдений на агрометеостанциях значений LAI и B, являющихся параметрами модели, на их спутниковые оценки. Корректность такой замены подтверждена результатами сравнения временных ходов LAI, построенных по наземным и спутниковым данным, а также наземных и спутниковых оценок ТПП и измеренных и рассчитанных значений влагосодержания почвы W и суммарного испарения Ev;
- введение в модель в качестве входной переменной оценок ТПП по данным всех упомянутых спутников вместо ее оценок по наземным данным. Наличие данных SEVIRI с большой частотой съемки позволяет производить расчеты составляющих водного и теплового балансов с довольно высокой точностью, однако отсутствие длинных рядов непрерывных измерений (из-за облачности) существенно ограничивает подобную возможность;
- учет при расчетах составляющих водного и теплового балансов пространственной изменчивости полей характеристик растительности и метеорологических характеристик путем ввода в модель распределений по площади исследуемого региона значений LAI, B и ТПП, определенных по данным AVHRR, MODIS и SEVIRI, а также интенсивности осадков, температуры и влажности воздуха, полученных путем интерполяции данных сетевых наземных измерений.
- проведение расчетов суммарного испарения, влаго- и теплосодержания почвы и других составляющих водного и теплового балансов для исследуемой территории за сезоны вегетации 2009-2011 гг. при использовании полей значений LAI и B, построенных по спутниковым данным AVHRR и MODIS, и оценок ТПП, построенных по данным AVHRR, MODIS и SEVIRI, а также по данным наземных измерений, и представление результатов в виде распределений по площади рассматриваемого региона.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований – грант № 10-05-00807.