Использование данных дистанционного зондирования при моделировании водного режима территории Центрально-Черноземных областей России

Разработана физико-математическая модель процессов влаго- и теплообмена покрытых растительностью участков суши с атмосферой для сезона вегетации, предназначенная для расчета запасов почвенной влаги, испарения, транспирации растительности и других характеристик водного режима, а также распределений температуры и влажности почвы по глубине с использованием данных дистанционного зондирования (ДЗ) с ИСЗ о состоянии подстилающей поверхности и метеоусловиях. Параметрами модели являются характеристики почв и растительности, а входными переменными – метеорологические характеристики, значения которых определяются по данным наземных наблюдений или по данным измерений радиометров AVHRR/NOAA, MODIS/EOS Terra и Aqua, SEVIRI/Meteosat-9, -10.
По данным AVHRR производились оценки температуры поверхности почвы Тsg и воздуха на уровне растительного покрова Та, эффективной температуры подстилающей поверхности (ТПП) Тs.eff, излучательной способности Е, нормализованного индекса вегетации NDVI, проективного покрытия растительностью B, листового индекса LAI и осадков, по данным MODIS – оценки ТПП Tls и LAI, по данным SEVIRI – оценки Tls, Ta, Е, LAI и осадков за сезоны вегетации 2009-2012 гг. В качестве исследуемой выбрана территория части Центрально-Черноземного региона (ЦЧР) России площадью 227300 км2. Разработанные ранее технологии получения перечисленных оценок по данным AVHRR были усовершенствованы и адаптированы к исследуемой территории. Для проверки достоверности полученных оценок Тs.eff и Ta за названные сезоны проанализирована статистика ошибок их определения (путем сравнения с результатами наблюдений на метеостанциях региона). Упомянутые продукты ДЗ по информации MODIS за те же сезоны вегетации строились с помощью данных, загруженных с веб-сайта LP DAAC (NASA). Достоверность оценок Тls по данным MODIS подтверждена результатами их сравнения c аналогичными оценками по синхронным данным AVHRR и SEVIRI и по наземным данным.
Для определения Tls и E по данным SEVIRI в светлое и темное время суток были разработаны новый метод и технология тематической обработки этих данных в ИК каналах №№ 9 и 10 (10.8 и 12 мкм) за три последовательных срока при отсутствии облачности. Эта технология также адаптирована к исследуемой территории части ЦЧР. Анализ достоверности оценок Tls проводился путем сопоставления с синхронными оценками Tls по данным SEVIRI, получаемыми в LSA SAF - Прикладном центре анализа спутниковых данных о земной поверхности (Лиссабон, Португалия) и с оценками Tls по данным MODIS/EOS Terra и Aqua. Величины усредненных за месяц среднеквадратических отклонений (СКО) оценок Tls от Tls (LSA SAF) для различных сроков светлого и темного времени суток за периоды с июня по август 2009-2012 гг. находятся в диапазоне 1.1-2.1ºC. Также разработаны и испытаны метод и технология определения по данным SEVIRI величин Ta в светлое и темное время суток. В методе используются спутниковые оценки Tls и регрессионная связь между Tls и результатами наземных измерений Ta. Сравнение спутниковых оценок Ta с данными синхронных срочных наземных наблюдений на сети метеостанций ЦЧР для стандартных сроков летних периодов 2009-2012 гг. дает величины СКО в диапазоне 1.8-2.9ºC. Сформированный архив спутниковых продуктов был также пополнен массивом оценок LAI за сезоны вегетации 2011-2012 гг., произведенных для исследуемой территории по данным SEVIRI в LSA SAF.
Показана возможность использования разработанной ранее комплексной пороговой методики автоматической классификации данных измерений AVHRR/NOAA и SEVIRI/Meteosat-9, -10 по каждому пикселу для детектирования зон осадков, определения их максимальной в пределах пиксела мгновенной интенсивности в круглосуточном режиме и последующей оценки суточных, месячных и годовых сумм осадков на исследуемой территории. При разработке процедуры использования в модели спутниковых оценок осадков за вегетационный период созданы алгоритмы и программы перехода от оценки интенсивности осадков к оценке их суточных величин. Произведено сравнение сумм осадков за сутки и за сезон вегетации, построенных по данным AVHRR и SEVIRI, с восстановленными по данным сетевых наземных наблюдений при использовании процедуры весовой интерполяции. Согласование всех трех оценок удовлетворительное.
Для усвоения в модели данных дистанционного зондирования разработаны процедуры: 1) замены используемых в качестве параметров модели оценок листового индекса LAI и проективного покрытия растительности B по наземным данным на их спутниковые оценки с проверкой полученных результатов путем сравнения рассчитанных и фактических значений влагосодержания почвы и суммарного испарения, а также модельных значений ТПП со спутниковыми аналогами; 2) ввод в модель в качестве входных переменных оценок ТПП по данным AVHRR, MODIS и SEVIRI и оценок осадков по данным AVHRR и SEVIRI вместо данных их наземных измерений при соответствующей оценке точности расчетов влагосодержания и температуры почвы и суммарного испарения; 3) учет пространственной изменчивости LAI, B, ТПП и осадков при введении в модель площадных распределений этих величин, построенных по данным всем упомянутых спутников.
Для сезонов вегетации 2009-2012 гг. проведены расчеты характеристик водного и теплового режимов исследуемого региона при использовании в модели спутниковых оценок характеристик растительности, ТПП и осадков. Результаты расчетов показывают, что расхождения значений как влагозапасов, так и суммарного испарения находятся в допустимых пределах.