Реферат
Введение 6
1 Спутниковые наблюдения их роль в диагнозе и прогнозе погоды 7
1.1 Виды спутниковой информации 7
1.2 Использование скаттерометров для дистанционного зондирования
Земли 8
1.3 Спутниковая система MetOp 10
1.4 Скаттерометр ASCAT 11
2 Характеристика района исследования 14
2.1 Физико-географическая характеристика США 14
2.2 Физико-географическая характеристика Тункинской котловины 23
3 Характеристика исходных данных 26
3.1 Спутниковые наблюдения 26
3.2 Станционные наблюдения 27
3.2.1 Исходные данные для территории США 27
3.2.2 Исходные данные для России (Тункинская котловина) 29
3.3 Приборы и методы измерения влажности почвы на станциях 30
3.3.1 Датчики влажности на станциях США 32
3.3.2 Прибор для измерения влажности почвы на территории
России (Тункинская котловина) 35
4 Обработка данных 38
4.1 Синхронизация данных 38
4.2 Пересчет спутниковых данных в объемные единицы 38
4.3 Фильтр, применяемый к спутниковым рядам наблюдений 39
4.4 Определение типа растительности 40
4.5 Расчет критериев оценки 41
5 Сравнение данных со спутника и прямых измерений 43
5.1 Сравнение данных для территории США 43
5.2 Сравнение данных для территории России 47
Заключение 51
Научные мероприятия и публикации по теме работы 54
Список использованной литературы 58
Приложение А. Фотографии измерительных площадок в Тункинской котловине 62
Приложение Б. Программа определения типа ландшафта для заданной точки 65
Влажность почвы определяет водный и тепловой режим почвы и прилегающих слоев атмосферы. Наблюдения за изменением влажности почвы имеют большое значение в разных отраслях науки и практики. Они необходимы в гидрологических (прогнозирование стока, раннее предупреждение наводнения), экологических (прогнозирование эрозии почвы), климатических исследованиях (мониторинг засухи), а также для сельского хозяйства. Учет запасов влаги в почве необходим и для прогноза погоды, в частности, влажность почвы используется как важный параметр физикоматематических моделей атмосферы, а точность прогноза зависит от полноты и качества исходных данных. К сожалению, на территории России густота сети метеорологических станций недостаточная, особенно в крайних северных и восточных районах. При этом влажность почвы на метеорологических станциях оценивается визуально, а инструментальные агрометеорологические наблюдения проводятся 1 раз в декаду, что также недостаточно.
Исследования, связанные с валидацией спутниковых наблюдений с использованием измерительной системы, установленной на спутниковой системы MetOp, проводятся с 2007 года. Определенные результаты получены для территории США, Европы, Центральной Азии, Западной части экваториальной Африки, юга Австралии за период с 2007 по 2011 годы [1]. В работе [2] рассматривался вопрос сравнения изменчивости влажности почвы для территории Аляски и северной части России за период с 2002 по 2013 гг.
В связи с отсутствием стандартных регулярных прямых наблюдений за влажностью почвы в России такие исследования практически отсутствуют.
Целью работы является оценка спутниковых измерений влажности почвы, при сопоставлении их с данными наземных наблюдений на территории США (5 сетей станций) за теплый период 2011 г. и на территории России (Тункинская котловина) за теплый период 2011 и 2012 гг.
В работе рассмотрены вопросы получения, интерпретации и валидации спутниковых измерений влажности приземного слоя с помощью скаттерометра, установленного на спутнике MetOp.
На основе данных наблюдений за поверхностной влажностью почвы, получаемых со спутника, и прямых измерений объемной влажности почвы в слое до 5 см специальных наблюдательных станций США, в слое до 15 см наблюдений измерительных площадок на территории России (Тункинская котловина) проведена обработка данных в соответствии с предложенной методикой. Обработано 524 станции за летний период 2011 г. для территории США и 10 точек наблюдений за летний период 2011-2012 гг. для территории России.
В процессе обработки данных были получены результаты взаимосвязи спутниковых и станционных измерений, которые показали, что для большинства из обработанных станций такая зависимость существует, она прямая. Произведена попытка оценить зависимость корреляции от вида подстилающей поверхности, выделенной по типу растительности.
Измерения влажности поверхностного слоя почвы с использованием прибора ASCAT показали хорошую согласованность с реальными данными прямых измерений влажности.
Анализ результатов оценки взаимосвязи спутниковых и станционных наблюдений для территории США показал, что теснота связи данных зависит от характера подстилающей поверхности, в частности от типа растительного покрова и топографии.
Самая тесная зависимость и наименьшая относительная ошибка характерна для станций с типом растительности - луг, пахотные земли, саванны. Точки сравнения имеют однотипную поверхность
Самую слабую связь и большую относительную ошибку имеют станции с типом растительности - открытая местность с кустарником. Точки сравнения с плохой зависимостью имеют неоднородную подстилающую поверхность, различия могут быть в рельефе, растительном покрове. Они располагаются в горных, предгорных и пустынных районах.
Для территории России 30% из рассматриваемых наземных измерительных точек показали удовлетворительный результат, для этих точек преобладали песчаные и супесчаные типы почв, разница высот между спутниковой и наземной точкой измерения менее 8 м, тип растительности: подросток сосны, луг и открытая песчаная поверхность среди соснового леса.
Неудовлетворительные результаты имели измерительные площадки, расположенные вблизи болот и на болотах, а также наземные точки, для которых разница высот со спутниковыми точками была значительная и превышала 8 м.
Результаты сравнения данных по влажности поверхностного слоя почвы с использованием прибора ASCAT показали удовлетворительную согласованность с реальными данными прямых измерений влажности, выполняемых на станциях и наземных измерительных площадках.
В результате проделанной работы получены навыки работы с зарубежной специальной литературой. Освоена методика статистической обработки длинных рядов данных.
Практическая значимость работы заключается в оценке природных условий на Земле (тип растительности, почвы, рельеф местности, климатические условия), которые способствуют удовлетворительной оценке влажности почвы с использованием ИСЗ.
Выполнены первые оценки качества определения влагосодержания почвы с помощью спутников на территории РФ.
Работа выполнялась совместно с кафедрой вычислительной математики и компьютерного моделирования механико-математического факультета ТГУ.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры вычислительной математики и компьютерного моделирования канд. ф.-мат. наук Н.Н.
Богословскому и магистранту С.И. Ерину за постановку задачи и всестороннее сотрудничество.
Автор также выражает благодарность сотрудникам ИМКЭС СО РАН канд. геогр. наук Н.Н. Воропай, канд. ф.-мат. наук Е.А. Дюкареву за предоставленные данные наблюдений за влажностью почвы в Прибайкалье и ценные консультации.
