Использование спутниковых данных о характеристиках подстилающей поверхности и снежного покрова при моделировании составляющих водного и теплового балансов обширных территорий сельскохозяйственного назначения

Описаны технологии тематической обработки спутниковой информации для оценки характеристик подстилающей поверхности (ПП) и снежного покрова (СП), а также способы усвоения полученных данных в модели взаимодействия поверхности суши с атмосферой (SDOLSM) для расчета составляющих водного и теплового балансов обширных сельскохозяйственных регионов. Исследования проводились на примере территории площадью 227300 км2, включающей 7 областей Центрально-Черноземной зоны Европейской части России. Значения характеристик ПП и СП определялись по данным измерений радиометров AVHRR/NOAA (1999-2010 гг.), MODIS/EOS Terra и Aqua (2002-2010), AMSR-E/Aqua (2003-2004; 2009-2010), и SEVIRI/Meteosat-8, -9 (2009-2010). Усовершенствованы и адаптированы к району исследований разработанные ранее методы тематической обработки данных AVHRR для 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. Так, для сезонов 2009-2010 гг. увеличен объем обучающих выборок и уточнены регрессионные алгоритмы построения таких оценок. Для проверки достоверности результатов дистанционного зондирования проанализирована статистика ошибок определения Тsg и Ta (путем сравнения с результатами наблюдений in-situ на метеостанциях региона). Оценки ТПП Тls, Е, NDVI, LAI по данным MODIS за соответствующие сезоны вегетации строились по информации из Интернета. При этом с веб-сайта LP DAAC (NASA) загружались два вида оценок Тls: продукты уровня 3 (MOD11В1) на квазирегулярной сетке с разрешением ~ 4.8 км и продукты уровня 2 (MOD11_L2) с разрешением ~ 1 км. Достоверность оценок Тls по данным MODIS подтверждена результатами их сравнения c аналогичными оценками по синхронным данным AVHRR и по наземным данным. Архив всех описанных оценок был дополнен оценками Тls и Е по данным SEVIRI, построенными с помощью разработанной оригинальной методики (без априорного задания Е), для нескольких 5-6-дневных интервалов июня-августа 2009 и 2010 гг. для светлого и темного времени суток. Точность полученных значений Тls проверена при сравнении с их синхронными значениями, определенными по данным SEVIRI в спутниковом центре EUMETSAT LSA SAF (Лиссабон, Португалия). Разработан новый подход, объединяющий спутниковые продукты MODIS и AMSR-E, который позволяет строить непрерывные в пространстве и времени карты снежного покрова. По обработанной информации MODIS и AMSR-E за 2002-2009 гг. были построены серии карт снежного покрова на изучаемую территорию за данные годы.
Для ассимиляции описанных данных дистанционного зондирования в модели SDOLSM были разработаны следующие процедуры: 1) замена оценок LAI и B по наземным данным, используемых в качестве параметров модели, на их спутниковые оценки с проверкой полученных результатов путем сравнения модельных значений ТПП со спутниковыми аналогами, а также рассчитанных и фактических значений влагосодержания почвы и суммарного испарения; 2) ввод в модель в качестве входной переменной оценок ТПП Ts.eff (Тls) по данным AVHRR, MODIS и SEVIRI вместо данных ее наземных измерений при соответствующей оценке точности расчетов влагосодержания и температуры почвы и суммарного испарения; 3) учет пространственной неоднородности характеристик растительного покрова и ТПП при введении в модель площадных распределений LAI, B и Ts.eff (Тls), построенных по всем упомянутым спутниковым данным; 4) использование спутниковых данных о покрытости исследуемой территории снегом для повышения точности калибровки модели и описания динамики снежного покрова в период снеготаяния. В результате выполненных процедур были получены адекватные оценки составляющих водного и теплового балансов (суммарного испарения, влаго- и теплосодержания почвы на различных глубинах, характеристик снежного покрова и т.п.) для всей исследуемой территории.
Авторы выражают благодарность Е.В.Волковой, А.В.Кухарскому и С.А.Успенскому за разработку программ тематической обработки спутниковых данных и проведение соответствующих расчетов.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований – грант № 10-05-00807.