Модель взаимодействия поверхности суши с атмосферой, ориентированная на использование спутниковой информации: разработка и применение для оценки внутригодовой изменчивости составляющих водного и теплового балансов обширных территорий

Разработана физико-математическая модель взаимодействия поверхности суши с атмосферой (SDOLSM - Satellite Data Oriented Land Surface Model), предназначенная для расчета составляющих водного и теплового балансов территорий регионального масштаба и позволяющая использовать оценки характеристик подстилающей поверхности и снежного покрова, полученные по спутниковым данным. SDOLSM представляет собой систему моделей процессов влаго- и теплообмена в почве, растительности и снежном покрове в течение как теплого, так и холодного периодов года. Основу моделей составляют уравнения, описывающие процессы снегонакопления и снеготаяния, влаго- и теплопереноса в почве (при ее промерзании и оттаивании, а также в течение сезона вегетации), испарения, транспирации растительности и изменения запасов почвенной влаги. Испытания модели проводились для сельскохозяйственного региона с территорией площадью 227300 км2 в Центрально-Черноземной зоне Европейской части России. Для задания параметров модели, большая часть которых является измеряемыми характеристиками почв, растительного и снежного покровов, а также для ее калибровки и валидации привлекались данные наблюдений на агрометеорологических станциях региона за 21 год в период с 1971 по 2010 гг. Кроме того, для воспроизведения пространственной картины моделируемых процессов в качестве параметров или переменных модели использовались оценки характеристик подстилающей поверхности и снежного покрова, построенные по спутниковым данным с помощью усовершенствованных технологий тематической обработки информации AVHRR/NOAA (1999-2010), MODIS/EOS Terra и Aqua (2002-2010), AMSR-E/Aqua (2003-2004; 2009-2010) и SEVIRI/Meteosat-8, -9 (2009-2010). В число этих характеристик входят: температуры поверхности почвы и воздуха на границе растительного покрова, излучательная способность подстилающей поверхности и ее эффективная температура, вегетационный индекс NDVI, проективное покрытие растительностью B, листовой индекс LAI, площади покрытых снегом территорий, запасы воды в снежном покрове и т.д. Ассимиляция в модели названных данных дистанционного зондирования осуществляется путем использования спутниковых оценок LAI и B в качестве ее параметров и температуры подстилающей поверхности в качестве ее переменной вместо их значений, определенных по наземным измерениям. Привлечение спутниковых данных о заснеженности территории обеспечивает более надежную калибровку модели, а также позволяет учесть площадную неоднородность накопления и схода снега. Показано, что использование в модели спутниковой информации позволяет воспроизводить поля характеристик снежного покрова, суммарного испарения, влажности и температуры почвы на разных глубинах, потоков скрытого и явного тепла, температуры поверхности почвы и растительного покрова и других водных и тепловых характеристик для обширных сельскохозяйственных территорий особенно при недостатке данных наземных наблюдений.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований – грант № 10-05-00807.