Оценка составляющих водного и теплового балансов для крупного сельскохозяйственного региона с использованием информации с метеорологических и геостационарных ИСЗ

Музылев, Е.Л.; Старцева, З.П.; Волкова, Е.В.; Василенко, Е.В.

Авторы: Музылев Е.Л., Старцева З.П., Волкова Е.В., Василенко Е.В.
Сборник: Тезисы докладов Пятнадцатой Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
Тезисы
Год издания: 2017
Место издания: Москва
Первая страница: 378
Последняя страница: 378
Аннотация: Разработаны методы оценки составляющих водного и теплового балансов большого сельскохозяйственного региона за сезон вегетации с помощью физико-математической модели вертикального влаго- и теплопереноса в системе “почва-растительность-атмосфера” (LSM, Land Surface Model) (Кучмент и др., 1989; Kuchment, Startseva, 1991; Музылев и др., 2002), пригодной для использования спутниковой информации о состоянии подстилающей поверхности и метеоусловиях (Музылев и др., 2002, 2005, 2010; Gelfan et al., 2012; Startseva et al., 2014). Эта информация представлена данными измерений многозонального сканера МСУ-МР ИСЗ Метеор-М №2 (совместно с данными радиометров SEVIRI геостационарного ИСЗ Meteosat-10 и AVHRR ИСЗ NOAA). LSM предназначена для расчетов влагосодержания почвы, испарения, транспирации растительности, вертикальных тепловых потоков и других составляющих водного и теплового балансов, а также температуры подстилающей поверхности (LST) и распределений температуры и влажности почвы по глубине. В качестве параметров модели использовались характеристики почв и растительности, в частности, листовой индекс LAI и проективное покрытие B, значения которых определялись по данным как наземных, так и спутниковых измерений. Входными переменными модели являлись метеорологические характеристики, определявшиеся по данным стандартных срочных метеорологических наблюдений. Осадки и LST оценивались также по информации с ИСЗ. В качестве исследуемой была выбрана территория 7 областей РФ (Курской, Воронежской, Белгородской, Орловской, Липецкой, Тамбовской и Брянской) общей площадью 227300 км2, находящаяся в зоне лесостепи и являющаяся частью Центрально-Черноземного региона России (ЦЧР). По данным МСУ-МР/Метеор-М № 2 и AVHRR/NOAA для исследуемой территории были построены оценки осадков, температуры поверхности почвы Тsg и воздуха на границе растительного покрова Та (принимаемой за температуру растительности), эффективной LST Тs.eff, B и LAI. По данным SEVIRI/Meteosat-10 были получены оценки осадков, а также LST Тls и Та, B и LAI. Оценки количества осадков производились с помощью комплексной пороговой методики (КПМ) детектирования облачности, идентификации ее типов, выделения зон осадков и определения их интенсивности (Волкова, Успенский, 2010; Волкова, 2013, 2014, 2016; Волкова и др., 2015). Проверка достоверности оценки осадков по данным МСУ-МР с использованием КПМ производилась по данным наблюдений за количеством осадков, выпавших в течение суток на агрометеорологических станциях региона, а также путем сравнения с результатами расчетов по данным AVHRR и SEVIRI. Вероятность определения по спутниковым данным зон осадков, совпадающих с фактическими, при сопоставлении с данными наземных наблюдений составила для каждого из сенсоров, в том числе МСУ-МР, 75-85 % (Волкова, 2014, 2016; Волкова и др., 2015). Все оценки LST по информации AVHRR и SEVIRI были построены с помощью разработанных ранее методов и технологий тематической обработки данных измерений этих сенсоров (Успенский, Щербина, 1996; Uspensky, Shcherbina, 1998; Музылев и др., 2002; Соловьев, Успенский, 2009; Соловьев и др., 2010; Успенский и др., 2011). Оценки LST Ts.eff и Та по данным МСУ-МР были получены при использовании вычислительного алгоритма, разработанного на основе КПМ и опробованного для исследуемого региона на данных AVHRR и SEVIRI (Волкова, Успенский, 2016). Сравнение значений температур, определенных по данным наземных измерений, МСУ-МР, AVHRR и SEVIRI показало, что различия между всеми полученными оценками для подавляющего числа сроков наблюдений не превышало погрешности расчета данных величин по информации AVHRR (Музылев и др., 2016, 2017). Достоверность оценок В и LAI по данным всех сенсоров проверялась путем сравнения временных ходов LAI за сезон вегетации, построенных по этим данным, и результатам обработки данных наземных наблюдений. Она также обеспечивалась привлечением данных в канале 1.6 мкм SEVIRI. При диапазонах изменчивости В (0-100 %) и LAI (0-10) погрешности определения В и LAI не превышали 10 и 15 %, соответственно (Музылев и др., 2015). Адаптация модели ко всем перечисленным спутниковым продуктам осуществлялась путем перехода к вычислительной сетке размером 3х3 пиксела ИК каналов AVHRR (~7х5 км2), в узлах которой определялись значения параметров и входных переменных модели и проводились вычисления составляющих водного и теплового балансов, а также температуры поверхности растительного покрова Tf, почвы Tg и радиационной температуры поверхности Ts. Ассимиляция в LSM спутниковых оценок названных характеристик растительности и метеорологических характеристик производилась путем их ввода в модель на каждом временном шаге во всех узлах вычислительной сетки для расчета влагосодержания метрового слоя почвы W, суммарного испарения Ev, вертикальных потоков тепла и других составляющих водного и теплового балансов исследуемой территории. Все расчеты выполнены для сезонов вегетации 2014-2016 гг. Корректность полученных оценок W и Ev для всех вариантов вычисления LAI, B, Ts.eff, Tls, Ta и осадков по данным всех сенсоров, в том числе МСУ-МР, подтверждена результатами их сравнения между собой, а также с данными измерений на агрометеорологических станциях. Погрешность оценки W для подавляющего числа сроков наблюдений составила 10-15 %, а расхождения оценок Ev за пентаду находились в пределах нескольких мм (~ 20-25 %), что считается приемлемым результатом (Startseva, 2014; Музылев и др., 2015). Также исследованы возможности использования при моделировании оценок влажности поверхности почвы, полученных по данным скаттерометра ASCAT/MetOp-A,-B (Музылев и др., 2017; Muzylev et al., 2017). Проверка корректности таких оценок для рассматриваемой территории за сезоны вегетации 2014-2016 гг. производилась при их сравнении с результатами расчетов влажности поверхности почвы с помощью LSM, выполненных при использовании данных наземных наблюдений. Расхождения спутниковых и модельных оценок поверхностной влажности находились в допустимых пределах (± 0.05 см3/см3), что позволяет использовать данные ASCAT в LSM при задании начальных условий для уравнения вертикального влагопереноса в почве, а также для расчета испарения с поверхности почвы и последующего формирования верхнего граничного условия для этого уравнения. Предложенный подход представляется перспективным для оценки влагообеспеченности целых сельскохозяйственных регионов, особенно отличающихся дефицитом или отсутствием данных наземных наблюдений. Работа выполнена при поддержке РФФИ – грант № 16-05-01097 “Водопотребление агроценозов на “точечном” и “площадном” уровнях исследований”.
Добавил в систему: Василенко Евгений Валерьевич

	ИСТИНА	Войти в систему Регистрация
	ИПМех РАН
	Главная Поиск Статистика О проекте Помощь

ИСТИНА

ИПМех РАН

Прикрепленные файлы