Исследование пространственного распределения температуры воды Ладожского озера в районе Валаамского архипелага, на основе прямых измерений и данных дистанционного зондирования
Введение 4
1. Температура воды как экологический фактор 7
1.1 Температурная стратификация 8
1.2 Термический бар 11
2 Дистанционное зондирование Земли 12
2.1 Дистанционные методы измерения температуры воды 14
2.2 Программа Landsat 16
3. Физико-географическое описание района исследования 18
4 Материалы и методы исследования 21
4.1 Описание исходных данных 21
4.2 Методы прямого измерения температуры воды 24
4.3 Программное обеспечение, использованное для обработки исходных
данных 26
4.4 Определение температуры по данным спутниковых снимков 28
5 Пространственное распределение температуры воды Ладожского озера в
районе Валаамского архипелага летом 2016 года 30
5.1 Особенности вертикального распределения температуры воды в прибрежной зоне Валаамского архипелага 30
5.3 Оценка температуры верхнего термически однородного слоя воды на
основе данных дистанционного зондирования 36
5.4 Разработка модели анализа данных для автоматизированного вычисления температуры на основе данных дистанционного зондирования..39
Заключение 40
Список использованных источников
Температура — одна из важнейших характеристик, описывающая физические свойства воды. Это одна из самых распространённых измеряемых величин в водоёмах. Температура воды определяет распределение по плотности, и, следовательно, вертикальную устойчивость водной толщи пресного озера, возникновение различного рода циркуляционных течений, влияние на дрейфовые течения [1].
Также температура является важнейшим экологическим фактором, от которого зависит множество физических, химических и биологических процессов.
Изучение температуры важно для всех экологических исследований. Температура воды подлежит обязательному измерению при любых гидрохимических исследованиях и в момент отбора проб. Регулярное измерение температуры воды по глубине и на поверхности очень важно для мониторинга вод суши и составления статистической базы данных. Также данная характеристика относится к одному из важнейших параметров, которые необходимы для составления термогидродинамических уравнений и моделей, которые описывают состояние водоёма. Значения температуры на поверхности воды очень ценно, так как любое отклонение температуры поверхности водоёма от норм, которые определяются статистически, служит индикатором изменения подводной и окружающей среды.
Исследование методов измерения и мониторинга температуры, её пространственного распределения очень важно, так как изучение динамики температуры водоема предоставляет физическую основу для понимания ряда химических и биологических процессов [1], изучение которых нужно для оценки состояния водоёма и качества воды в нём. Особый интерес для исследований, связанных с оценкой продукционных параметров водоемов, представляет распределение температуры воды в фотической зоне - слое водной массы, в котором протекают процессы фотосинтеза.
Существует множество разных способов измерения температуры водной массы. Так, для измерения температуры поверхности воды используют электрические и жидкостные термометры. Обычно применяются ртутные термометры, так как у них наиболее широкий диапазон измерения. Для измерения низких температур (например, в полярных регионах) используют термометры с органическими жидкостями, такими как этиловый спирт. Для измерения температуры воды на разных горизонтах также применяют электрические и специальным образом сконструированные опрокидывающиеся термометры, дистанционные датчики температуры и датчики-самописцы.
Дистанционное измерение температуры воды основано на использовании специальных датчиков, расположенных в разных местах исследуемого водоёма, с помощью плавучих буёв, которые автоматически измеряют температуру воды с заданной периодичностью за определённый период времени. Также к дистанционному измерению температуры относится космическая съёмка поверхности Земли с помощью спутниковых систем. Определение температуры поверхности водоёма основано на измерении излучения в окнах прозрачности в ИК диапазоне спектра.
Объектом исследования данной работы является северная часть Ладожского озера в районе Валаамского архипелага.
Ладожское озеро является самым крупным пресным озером Европы. Оно - источник воды для жителей населенных пунктов и нужд промышленных предприятий. Фактически, Санкт-Петербург обеспечивается водой за счёт его вод, так как река Нева, откуда ведется забор воды городскими станциями «Водоканала», берет свой исток в Ладожском озере.
Предметом исследования является пространственное распределение температуры воды озера и его динамика. В работе рассматриваются различные методы измерения температуры воды: локальные и дистанционные.
Для работы были использованы данные дистанционного зондирования Земли, данные точечных измерений, предоставленные сотрудниками УНС «Валаам», а также собственные наблюдения и измерения, полученные в ходе учебно-производственной практики на острове Валаам.
Целью настоящей работы является исследование пространственного распределения температуры воды Ладожского озера в районе Валаамского архипелага.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
• Рассмотреть роль температуры как экологического фактора;
• ознакомиться с методами локального и дистанционного измерения температуры воды;
• оценить возможность использования данных дистанционного зондирования для определения температуры фотического слоя;
• разработать модель геоинформационного анализа данных дистанционного зондирования для автоматизированного построения карт пространственного распределения температуры воды.
Выполнение всех поставленных задач позволит единовременно оценить пространственное распределение температуры значительной части озера. А также получить инструмент, предоставляющий возможность оценить распределение температуры самой биологически активной части водной массы водоема - фотической зоны. Полученная информация может быть использована при гидрохимических и гидробиологических исследованиях, а также при моделировании водных экосистем и при проведении других исследований в которых необходимы данные о значениях температуры как одного из важнейших факторов среды.
Температура воды является важнейшим фактором среды, оказывающим непосредственное воздействие на жизнь водных организмов. Она воздействует на них как прямо, так и косвенно - через изменение плотности и растворимости солей и газов.
Данная работа была посвящена изучению методов оценки пространственного распределения температуры воды Ладожского озера в районе Валаамского архипелага.
В процессе выполнения работы была подробно рассмотрена роль температуры как экологического фактора, в результате чего определены особенности температурного режима, которым должно быть уделено особое внимание.
Также были рассмотрены способы дистанционного измерения температуры поверхности озера. Были изучены и описаны методы локального измерения температуры воды и рассмотрена взаимосвязь методов измерения температуры.
С использованием открытых данных дистанционного зондирования Земли и свободно-распространяемого программного обеспечения построена серия карт пространственного распределения температуры воды для исследуемой акватории. Результаты были сопоставлены с данными мониторинговых наблюдений, выполняющихся в рамках научных программ учебно-научной станции «Валаам» РГГМУ.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
Для оценки пространственного распределения температуры воды и создания наиболее информативной модели термического режима озера большой площади, при экологическом или гидрологическом моделировании, могут быть использованы совмещённые способы измерения температуры.
Данные, за определенные периоды года, полученные с помощью аэрокосмической съёмки можно эффективно использовать при проведении различных гидробиологических исследований, так как они единовременно дают представление о распределении температуры в поверхностном слое воды в любой точке исследуемой акватории.
Вся последовательность действий по построению карт распределения температуры поверхности на основе данных дистанционного зондирования была описана в виде модели анализа, реализованной в специальном модуле открытой ГИС системы - QGIS. Созданная модель может быть использована для построения подобных карт для любого участка водной поверхности, для которого существует набор снимков системы Landsat соответствующего качества.
Основные результаты работы:
1. На основе данных дистанционного зондирования Земли показаны закономерности прогрева верхнего слоя воды Ладожского озера в районе Валаамского архипелага;
2. Обработаны данные измерения температуры воды на различных горизонтах четырех станций, расположенных в разных частях исследуемой акватории и показаны закономерности прогрева воды;
3. На основе выявленных закономерностей прогрева водной массы, показано наличие возможности использования карт пространственного распределения температуры поверхности воды для оценки температуры фотического слоя;
4. Разработана модель анализа, позволяющая повторить всю последовательность действий по созданию карт температуры поверхности на любом наборе исходных данных.
Полученные результаты и выявленные закономерности можно использовать в дальнейшем для оценки значения температуры при проведении различных гидробиологических или гидрохимических исследованиях, при отсутствии прямых измерений температуры воды.
В дальнейшем, предложенный метод определения температуры может быть усовершенствован путем добавления в него блоков, учитывающих состояние атмосферы и ветровое воздействие.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
