Сравнение спутниковых данных измерений влажности почвы ASCAT с прямыми измерениями | Вестн. Том. гос. ун-та. 2014. № 380. DOI: 10.17223/15617793/380/30

Сравнение спутниковых данных измерений влажности почвы ASCAT с прямыми измерениями

Исследуется влагосодержание поверхностного слоя почвы, определяемого на метеорологических станциях, с использованием спутника MetOp. Выбраны станции, находящиеся на территории США и входящие в наблюдательную сеть AmeriFlux. Станции расположены в различных климатических зонах, выделенных по типу растительности, согласно классификации IGBP. Период исследований - 2007-2012 гг. Оценка выполнена для различных типов подстилающих поверхностей. Данные спутниковых наблюдений приведены к прямым измерениям, проведена оценка точности измерений. Показана хорошая согласованность с реальными данными прямых измерений влажности, что позволяет использовать данные спутниковых измерений влажности почвы в системах усвоения данных для численных моделей прогноза погоды. Результаты могут быть использованы и для территории России с аналогичными подстилающими поверхностями.

Defining characteristics of soil moisture from meteorological satellites.pdf Введение Современная метеорология характеризуется бурным развитием математических моделей атмосферы и их применением для проведения численных расчетов прогнозов погоды. Одним из механизмов повышения качества прогнозов является уточнение начальных полей метеовеличин. В системах усвоения данных наблюдений, наряду со станционными измерениями, все большее значение приобретают спутниковые данные измерений. Особенно это актуально для территории России, где густота наблюдательной сети недостаточная. Влажность почвы играет одну из важнейших ролей в формировании поверхностных потоков явного и скрытого тепла. В связи с этим точность задания начальных полей влагосодержания почвы существенно влияет на точность прогноза состояния атмосферы, особенно в пограничном слое. Однако измерения влажности почвы, выполняемые при метеорологических наблюдениях один раз в сутки в теплое время года, являются визуальными (оценивается степень увлажнения почвы в баллах, от 0 до 6). Инструментальные агрометеорологические наблюдения выполняются один раз в декаду [1]. Данные о влажности почвы получают по наблюдениям за осадками, что является весьма приближенным. Поэтому актуальной является задача оценки влагосодержания почвы с привлечением других наблюдений. В работе рассматривается сравнение влагосодержа-ния поверхностного слоя почвы, определяемого на метеорологических станциях США, с использованием спутника MetOp. Период исследований - 2007-2012 гг. Оценка выполнена для таких подстилающих поверхностей как вечнозеленые хвойные леса (ENF), листопадные широколиственные леса (DBF), смешанные леса (MF), закрытые кустарником (CSH), древесные саванны (WSA). Данные спутниковых наблюдений приведены к прямым измерениям и проведена оценка точности измерений. Указанные типы поверхностей наблюдаются и на территории России, поэтому результаты исследования актуальны для совершенствования прогностических моделей, адаптированных к территории нашей страны. Измерение влагосодержания поверхностного слоя почвы Исходными данными являются результаты измерения влажности поверхностного слоя почвы с помощью спутника и значения влажности почвы, полученные при систематических станционных измерениях на глубине до 5 см. Измерения на станциях проводятся каждые 30 мин. В качестве стационарных пунктов наблюдений выбраны станции, расположенные на территории США и входящие в наблюдательную сеть AmeriFlux. Использование для настоящего исследования американских станций обусловлено отсутствием для территории РФ синхронных инструментальных наблюдений за влажностью поверхностного слоя почвы. Станции расположены в различных климатических зонах, выделенных по типу растительности, согласно классификации IGBP [2]. Станции, данные которых включены в обработку, представлены в табл. 1. Координаты всех станций относятся к северной широте и западной долготе. Значения широты и долготы указаны в градусах и их долях. спутниковые данные измерений и метод пересчета влажностных характеристик Спутники серии MetOp оснащены современными системами дистанционного зондирования Земли. Данные спутники способны обеспечить полное покрытие земного шара. Они несут на борту восемь измерительных приборов, а также ряд коммуникационных и обслуживающих систем. Основной комплект приборов, предназначенных для зондирования и получения изображений Земли, идентичен комплекту приборов, установленному на спутниках NOAA. Важным прибором спутников данной серии является скаттерометр ASCAT. Одним из результатов обработки спутниковых измерений ASCAT является влажность поверхности почвы m(t). Измерения влажности поверхности почвы осуществляются в относительных единицах (процентах), но в прогностических моделях используется объемная характеристика влажности почвы, поэтому, прежде чем использовать данные спутниковых измерений в системе усвоения данных, необходимо преобразовать их в объемную влажность (м3/м3). Для пересчета значений использована линейная зависимость [3, 4]: = a + bm^ где m (t) - данные влажности почвы, полученные со спутника; Q ot(t) - значение влажности, полученное со спутника в объемных единицах, a и b - коэффициенты. Исходное уравнение используется для определения параметров a и b, которые изменяются в пространстве, но постоянны во времени. Предполагая, что в каждой точке сетки спутниковые измерения имеют такое же среднее значение по времени и дисперсию, как и измерения влажности почвы на станциях, получим следующие выражения для расчета коэффициентов a и b: b = Т а б л и ц а 2 коэффициент корреляции между прямыми данными измерений влажности поверхностного слоя почвы и спутниковыми данными измерений Название станции Тип растительности Коэффициент корреляции 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. За весь период WV - CanaanValley CSH 0,59 0,37 0,48 Valles Caldera National Preserve (Ponderosa pine) CSH 0,34 0,40 0,36 NH - BartlettExperimentalForest DBF 0,34 0,36 0,57 0,02 0,23 0,62 Chestnut Ridge DBF 0,55 0,55 NC - DukeForest-hardwoods DBF 0,50 0,50 IN - Morgan Monroe State Forest DBF 0,46 0,64 0,53 0,67 0,65 MO - MissouriOzarkSite DBF 0,63 0,55 0,54 0,79 OH - OakOpenings DBF 0,70 0,82 0,41 0,44 0,46 0,64 WI - WillowCreek DBF 0,37 0,27 0,38 0,54 m ь b = Q - bm . где стиМ - стандартное отклонение по данным станционных измерений;

Ключевые слова

numerical prediction models of atmosphere, data assimilation, численные прогностические модели атмосферы, satellite observations, soil moisture, усвоение данных, спутниковые наблюдения, влажность почвы

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Рудиков Дмитрий СергеевичТомский государственный университетмагистрант кафедры метеорологии и климатологииqwant@sibmail.com
Ерин Сергей ИгоревичТомский государственный университетстудент механико-математического факультетаsergei.erin@mail.ru
Кижнер Любовь ИльиничнаТомский государственный университетканд. геогр. наук, доцент кафедры метеорологии и климатологииkdm@mail.tsu.ru
Богословский Николай НиколаевичТомский государственный университетканд. физ.-мат. наук, доцент кафедры вычислительной математики и компьютерного моделированияbnn@math.tsu.ru
Бородина Ирина АндреевнаТомский государственный университетстудентка геолого-географического факультетаbia_5@mail.ru
Всего: 5

Ссылки

Wagner W. The ASCAT Soil Moisture Product: A Review of its Specifications, Validation Results, and Emerging Applications // Meteorologische Zeitschrift. February 2013. Vol. 22, № 1. Р. 5-33.
CERES: IGBP Land Classification // NCAR: Climate data guide. URL: http://climatedataguide.ucar.edu/guidance/ceres-igbp-land-classification (дата обращения: 14.11.2012).
Dharssi I., Bovis K., Macpherson B., Jones C. Assimilation of ASCAT surface soil wetness // Met Office, Exeter, UK Forecasting. Technical Report № 548. July, 2010.
Грингоф И.Г., Пасечник А.Д. Агрометеорология и агрометеорологические наблюдения. СПб. : Гидрометеоиздат, 2005.
 Сравнение спутниковых данных измерений влажности почвы ASCAT с прямыми измерениями | Вестн. Том. гос. ун-та. 2014. № 380. DOI: 10.17223/15617793/380/30

Сравнение спутниковых данных измерений влажности почвы ASCAT с прямыми измерениями | Вестн. Том. гос. ун-та. 2014. № 380. DOI: 10.17223/15617793/380/30