Дистанционное определение характеристик подстилающей

Дистанционное определение характеристик
подстилающей поверхности по данным сканирующих
радиометров спутников NOAA и EOS/Terra при
моделировании вертикальных потоков влаги и тепла с
речных водосборов
Е.Л.Музылев1, А.Б.Успенский2, З.П.Старцева1,
Е.В.Волкова2
1 Институт
водных проблем РАН, г. Москва
2Научно-исследовательский
центр космической
гидрометеорологии "Планета" Росгидромета,
г.Москва
Основные цели данной работы:
- разработка и испытание методов и алгоритмов тематической
обработки данных измерений радиометров AVHRR/NOAA и
MODIS/EOS Terra для дистанционного определения температуры Т g
и излучательной способности ε почвы, температуры воздуха у
поверхности растительного покрова Ta, эффективной радиационной
температуры подстилающей поверхности Ts.eff, облачности,
нормализованного индекса вегетации NDVI, листового индекса LAI
и проективного покрытия растительностью В с целью их
использования в модели вертикального тепло- и влагопереноса в
системе ”почва-растительность-атмосфера” (SVAT);
- разработка способов усвоения в модели полученных по
спутниковым данным оценок названых характеристик для ее
калибровки и верификации и проведения расчетов вертикальных
потоков тепла и влаги и других составляющих водного и теплового
балансов для речных водосборов
Исследования проводились на примере находящегося в лесостепной
зоне центральной части России водосбора р.Сейм (Курская обл.)
площадью 7460 км2 для сезонов вегетации 1997, 1999-2004 гг.
Метод определения температуры Тg и излучательной способности ε
почвы, температуры воздуха у поверхности растительного покрова
Ta, эффективной радиационной температуры подстилающей
поверхности Ts.eff, облачности, нормализованного индекса
вегетации NDVI, листового индекса LAI и проективного покрытия
растительностью В включает:
- подготовку архивов синхронных спутниковых и наземных
наблюдений;
- разработку автоматизированных пороговых алгоритмов
выделения безоблачных фрагментов на изображениях AVHRR;
- разработку алгоритма определения величины B;
- разработку алгоритма для определения величины ε;
- построение и испытание линейных регрессионных зависимостей
типа расщеплённого окна прозрачности для определения Ta, Тg и
Ts.eff;
- анализ статистики ошибок оценок Ta, Тg и Ts.eff путём сравнения с
данными наземных наблюдений.
Температура воздуха у поверхности растительного покрова
Ta=a1T4+a2(T4-T5)+a3
T4 и T5 – яркостные температуры поверхности, измеренные в 4-ом
(10,5-11,5 µm) и 5-ом (11,5-12,5µm) каналах радиометра AVHRR
Оценка температуры поверхности почвы по данным AVHRR
Tsg=b1T4+b2(T4-T5)+b3(ε4+ε5)/2+b4(ε4-ε5)+b5
ε4 и ε5 – оценки излучательной способности для 4-го и 5-го
каналов радиометра AVHRR, полученные с привлечением
априорных моделей ε, разработанных для 31-го и 32-го каналов
радиометра MODIS (EOS/Terra) для разных типов типичных
поверхностей, а также с использованием эмпирических
соотношений между ε и вегетационным индексом NDVI и/или
между ε и проективным покрытием В
Излучательная способность подстилающей поверхности
ε=εvB+εg(1-B)+0.06B(1-B)
εv и εg - “типичные”значения для различных почв и видов
растительности, B – проективное покрытие
Эффективная радиационная температура подстилающей
поверхности
Ts.eff=BTf+(1-B)Tg
При допущениях Tf=Ta and Tg=Tsg
Ts.eff=BTa+(1-B)Tsg
Проективное покрытие растительностью
B=(NDVI-NDVIg)/(NDVIv-NDVIg)
где NDVIv и NDVIg - вегетационные индексы для растительности и
голой почвы, определявшиеся как максимальное и минимальное
значения NDVI в пределах пиксела;
Вегетационный индекс
NDVI=(A2-A1)/(A2+A1)
A1, A2 – значения альбедо, измеренные в 1-ом и 2-ом каналах
радиометра AVHRR
Для разработки методов анализа спутниковых данных был создан
архив синхронных спутниковых и наземных наблюдений за периоды
вегетации 1997, 1999-2004 гг., который содержал данные измерений
радиометров AVHRR ИСЗ NOAA-12, -14, -16, -17 с разрешением 1′ по
широте и 1,5′ по долготе для территории, включавшей водосбор
р.Сейм, и материалы синоптических наблюдений за температурой
воздуха и поверхности почвы для шести находящихся на водосборе и
вблизи его границ агрометеостанций. Оценки NDVI, ε, B, Та, Тg, Ts.eff
выполнялись для фрагментов изображения размером 3х3 пиксела,
соответствовавших ячейке сетки модели SVAT площадью ≈ 5х7 км2.
Рассматривались только те случаи, когда количество безоблачных
пикселов в пределах выбранных фрагментов составляло не менее двух.
Количество дней, полностью или частично безоблачных в течение
сезона вегетации, для данного региона достаточно велико, поэтому
массивы использованных спутниковых данных для каждого из сезонов
содержали по несколько десятков изображений. Для оценки точности
дистанционного определения по данным AVHRR величин Та, Тsg, Ts.eff
использовалась выборка пространственно совмещенных и ближайших
по времени спутниковых и наземных измерений.
Таблица 1. Спутниковые оценки характеристик подстилающей
поверхности и статистика ошибок определения Ta , Ts.eff и Tsg для сезона
вегетации 2001 г.
Агрометеостанция
Количество
изобра
жений
NDVI
Курск
21
0,292
Обоянь
25
Поныри
Ta
B
Ts.eff
Tsg
Смщ
Ско
Сто
Смщ
Ско
Сто
Смщ Ско
Сто
0,38
-0,70
1,48
1,30
-0,14
2,58
2,58
0.34
4,26
4,25
0,309
0,42
-1,17
2,03
1,66
-1,75
3,10
2,56
-2,41
4,42
3,71
18
0,276
0,35
0,54
2,04
1,97
0,47
2,69
2,65
0,39
3,52
3,50
Тим
17
0,319
0,44
0,85
1,71
1,49
1,29
3,25
2,98
1,52
4,84
4,60
Нижнедевицк
15
0,317
0,43
-0,29
1,72
1,69
-1,63
3,04
2,56
-3,03
4,77
3,69
Σ
96
0,303
0,40
-0,25
1,80
1,79
-0,42
2,93
2,89
-0,98
4,34
4,29
Средние квадратические отклонения (ско) для Ta, Tsg и Ts.eff заключены в
пределах 1.5-2.0, 3.5-4.8 и 2.0-3.2°C, соответственно. Наибольшие
расхождения между наземными и спутниковыми оценками (особенно для
Тg) отмечались в жаркий период лета (конец июня - июль), что, повидимому, вызвано существенным (до + 60°С) локальным перегревом
поверхности почвы, разницей до полутора часов между спутниковыми и
наземными наблюдениями и генерализацией спутниковых данных.
Радиационные
данные, в том числе
A (для каждого
временного шага)
Входные
метеорологические
данные (для каждого
временного шага)
Характеристики
растительности, в
том числе LAI и B
Почвенные
характеристики
Измеренные профили
температуры и влажности
и почвы (только для
первого временного шага)
Тепловой блок
Уравнения теплового баланса
для почвы и растительности
Ts
Потоки
тепла
Профильтемпературы
температуры
Профиль
почвы почвы
Уравнение теплопроводности
Tg
Tf
H
Блок для оценки влажности почвы
и вертикальных потоков влаги
Формулы для расчета испарения
Вертикальные
потоки
Вертикальны
е влаги
потоки
Уравнение влагопереноса в почве,
учитывающее поглощение воды
корнями
Eg
Ef
Составляющие водного
и теплового балансов
Профиль
Профиль влажности
влажности
почвы
почвы
Tg и Tf – температуры
поверхности почвы и листьев
Ts – радиационная
температура подстилающей
поверхности
H – поток явного тепла и
другие составляющие
теплового баланса
Eg – испарение с голой почвы
Ef – транспирация
растьительности
растительности
W – изменения
влагосодержания почвы и
другие составляющие водного
баланса
W
БЛОК СХЕМА
МОДЕЛИ SVAT
Краткое описание модели SVAT
Суммарное испарение представляется суммой двух потоков испарения с голой почвы, Eg, и транспирации растительности, Ef
E g = ρ a ⋅ r ⋅ ( q * ( T g ) − q af ) / rag
E f = ρ a ⋅ ( q * ( Tf ) − q af ) ⋅ LAI /( ra + rs )
Относительная влажность воздуха на
границе почва – атмосфера
r = exp(
Уравнение влагопереноса в почве:
∂θ ∂ 
∂θ

=
D (θ)
- K (θ)  - S r (θ, z )

∂t ∂z 
∂z

Отсос почвенной влаги корнями растений
Гидравлическая
проводимость почвы
 θ − MH  n
K (θ) = K 0 ⋅ 

 P − MH 

S r ( θ, z ) = − K ( θ ) [ψ r − ψ ( θ) ] b ρ r ( z )
Водный потенциал листвы
ψ f = ψ r − rr E f
Ef = ρw
M g ψ( θ)
)
R w ( Tg + 273)
Z
max
∫ S r ( θ , z ) dz
0
Ψ ( WP )
log
MH
Ψ ( MH ) ⋅
P
m=
 P − MH 
log 

 WP − MH 
Водный потенциал почвы
 WP − MH 
Ψ ( θ ) = Ψ ( WP ) 

 θ − MH 
m
Коэффициент диффузии
D ( θ ) = K 0 ⋅ Ψ ( WP ) ⋅
n
m
 θ − MH   WP − MH 

 ⋅

θ − MH  P − MH   θ − MH 
Устьичное сопротивление
Аэродинамическое сопротивление
ψ ( WP ) − ς ψ f
rs = r0
ψ( WP ) − ψ f
ra = 1 /( C e U )
U – скорость ветра
Уравнение теплового баланса для верхнего слоя почвы
G = R
sg
+ R
lg
− LE
m
g
− H
g
Уравнение теплового баланса для растительного покрова
R sf + R lf = LEf − Hf
Турбулентные потоки явного тепла для почвы Hg и растительности Hf
ρ a c p ( T g − T af )
ρ a c p ( T f − Taf )
H g =
Hf =
r ag
raf
Уравнение теплопроводности для почвы
∂T
C eff
∂z
=
∂
∂z
 ∂T 
λ

 ∂z 
Верхнее граничное
условие
∂T
−λ
= α(Tm − Tz )
∂z
Уравнение для длинноволновой части радиационного баланса
σ T s 4 = R a − R lf − R lg
Ts - радиационная температура подстилающей поверхности
Ra – противоизлучение атмосферы
[
R a = N cl + (1 − N cl )k
0.08
q
2 a
]σ
T a4
Ncl – общая облачность
в долях единицы
Входными переменными модели являются температура, влажность
и давление воздуха, осадки, облачность, скорость ветра, суммарная
радиация, значения которых получают с помощью стандартных
сетевых метеорологических наблюдений.
Пространственная неоднородность подстилающей поверхности
учитывается в модели путем конечно-элементной схематизации
водосбора при задании для каждого элемента значений параметров
рельефа, почвенно-гидрологических характеристик, в том числе
коэффициента фильтрации, объемного веса, пористости,
максимальной гигроскопичности, наименьшей полевой
влагоемкости, а также характеристик растительности –
минимального устьичного сопротивления, LAI, коэффициента
шероховатости (зависящего от высоты растений). Значения
суммарного испарения и других составляющих водного баланса
для всего водосбора вычисляются как средневзвешенные с учетом
размеров площадей, занятых каждым видом растительности для
каждого из типов почв.
Конечно-элементная
схематизация водосбора
р.Сейм (а) и
распределение почв на
водосборе (b)
1-границы частных
водосборов;
2-русловая сеть;
3-гидрометрические посты;
4-агрометеорологические
станции;
5-8 – типы почв:
5-серые лесные почвы,
6-оподзоленные и
выщелоченные черноземы,
7-типичные и тучные
черноземы
8-пойменно-луговые почвы
2
kJ/m
day
2
RBmod
1.5
RBobs
1
0.5
0
19.04
29.04
9.05
19.05
29.05
8.06
18.06
28.06
8.07
18.07
28.07
7.08
17.08
27.08
6.09
16.09
26.09
Dates
Рассчитанные по модели RBmod и измеренные RBobs значения
радиационного баланса для участка с озимой пшеницей на
агрометеостанции Петринка для сезона вегетации 1999 г.
о
50
Temperature, С
Tg mod
Tg obs
40
30
20
10
0
19.04 24.04 29.04 4.05 9.05 14.05 19.05 24.05 29.05 3.06 8.06 13.06 18.06 23.06 28.06 3.07 8.07 13.07 18.07 23.07 28.07
Dates
Рассчитанные по модели Tgmod и измеренные Tgobs значения
температуры поверхности почвы для участка с озимой пшеницей
на агрометеостанции Петринка для сезона вегетации 1999 г.
Temperature, оС
40
Tf
Ta
30
20
10
0
19.04 24.04 29.04 4.05 9.05 14.05 19.05 24.05 29.05 3.06 8.06 13.06 18.06 23.06 28.06 3.07 8.07 13.07 18.07 23.07 28.07
Dates
Рассчитанные по модели значения температуры листовой
поверхности Tf и измеренные значения температуры воздуха Ta
для участка с озимой пшеницей на агрометеостанции Петринка
для сезона вегетации 1999 г.
E v , m m /5 da y s
25
1
2
20
3
15
10
5
0
5 . 04
26 . 05
1 6 .0 7
7 . 09
31 .1 0
D a te s
Суммарное испарение Ev для участка с многолетними травами на
агрометеостанции Нижнедевицк для сезона вегетации 2002 г.,
рассчитанные по модели с использованием значений LAI,
определенных по наземным (1) и спутниковым (2) данным.
Кривая (3) соответствует измеренным значениям Ev.
Распределение
температуры
растительного
определенной
данным
Distribution
of air foliage
temperatureпокрова,
over watershed
area on 23 по
June
2004 AVHRR, по
площади водосбора р.Сейм. 23 июня 2004 г., 15 ч. местного времени.
52.4
52.2
24.5
Ponyri
24
23.5
23
52
22.5
22
51.8
21.5
Kursk
21
20.5
Petrinka
20
Tim
19.5
51.6
19
18.5
18
51.4
17.5
17
16.5
16
51.2
Oboyan'
51
36
36.2
36.4
36.6
36.8
37
37.2
37.4
Карта эффективной температуры подстилающей поверхности Ts.eff, определенной
по данным AVHRR/NOAA-14 (a), и разности температур (dT = Ts.eff-Ts) (б) для
водосбора р.Сейм с пространственным разрешением ∼10 км для 12 мая 1997 г.
а)
б)
52.40
21.4
1.5
21.2
52.20
1.0
52.20
21.0
0.5
20.8
52.00
0.0
52.00
20.6
-0.5
20.4
51.80
-1.0
51.80
20.2
-1.5
20.0
-2.0
51.60
51.60
19.8
19.6
-2.5
51.40
-3.0
51.40
19.4
-3.5
19.2
51.20
-4.0
51.20
51.00
51.00
36.20
36.40
36.60
36.80
37.00
37.20
36.00
36.20
36 .40
36 .60
36 .80
37.00
37.20
LAI=-2.5*ln(1.2-2*NDVI) – для сельскохозяйственных культур
LAI=NDVI*1.71+0.48 – для травяных культур
5
LAI, m 2/m 2
4.5
1
4
2
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
8.04
8.05
8.06
8.07
8.08
8.09
8.10
Dates
Листовой индекс LAI, определенный по спутниковым (1) и
наземным (2) данным для участка с многолетними травами на
агрометеостанции Курск для сезона вегетации 2003 г.
Распределение листового индекса LAI, определенного по данным AVHRR, по площади
Distribution of LAI over watershed area on 23 June 2004
водосбора р.Сейм. 23 июня 2004 г., 15 ч. местного времени.
52.4
Ponyri
52.2
8
7.5
7
52
6.5
6
51.8
Kursk
5.5
5
4.5
Tim
51.6
4
3.5
Petrinka
3
51.4
2.5
2
51.2
51
36
1.5
Oboyan'
36.2
36.4
36.6
36.8
37
37.2
37.4
ПроективноеVegetation
покрытие
B,AVHRR-derived
определенное
с использованием
coverрастительностью
fraction B obtained using
estimates
(1) and ground
спутниковых
(AVHRR/NOAA)
данных
и данных наземных
наблюдений
observation
data on perennial(1)
grasses
(2) at agrometeostation
Kursk for vegetation
season (2) для
участка с многолетними травами на агрометеостанции
Курск, 1999 г.
1999
0.7
B, decimal fraction
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
1
2
0.1
0.0
1.04
18.04
8.05
28.05
B = 1 − exp( − p LAI )
18.06
7.07
29.07
18.08
8.09
30.09
Dates
Температура поверхности растительного покрова для сезона вегетации 2003 г.,
определённая по спутниковым данным, Ta (1) и вычисленная по модели, Tf с
использованием оценок LAI и B по спутниковым (2) и наземным (3) данным для участка с
многолетними травами на агрометеостанции Курск. Кривая (4) соответствует измеренной
температуре воздуха.
o
Temperature, C
1
35
2
30
3
25
4
20
15
10
5
0
26.04 6.05 3.06 27.06 29.06 26.07 28.07 10.08 15.08 6.09 9.09
Dates
а)
1999
0
Air foliage temperature, С
40
30
20
1
2
10
3
4
0
23.05 3.06
8.06 16.06 24.06 3.07
b)
9.07 14.07 29.08 3.09
2001
40
30
20
10
0
1.05 11.05 24.05 21.06 2.07 11.07 31.07 12.08 17.08 14.09
Dates
Температура поверхности
растительного покрова для
сезонов вегетации 1999 (а) и
2001 (б) гг., определённая по
спутниковым данным, Ta (1) и
вычисленная по модели, Tf с
использованием оценок LAI по
спутниковым данным и
рассчитанным (2) и
определенным по спутниковой
информации (3) B для участка с
многолетними травами. (4) –
измеренная температура
воздуха.
а)
So il s u rfa c e
te mp e r a tu re ,
70
o
1 9 99
C
60
50
40
30
1
2
3
4
20
10
0
23 .05
3 .06
8 .0 6
b)
16 .0 6 2 4.0 6
3 .0 7
9.0 7
1 4. 07 2 9 .08
3. 09
2001
70
60
50
40
30
20
10
0
1 .0 5 1 1 .0 5 2 4 . 0 5 2 1 .0 6
2.07
1 1 . 0 7 3 1 . 0 7 1 2 .0 8 1 7 . 0 8 1 4 . 0 9
D a te s
Температура поверхности
почвы для сезонов вегетации
1999 (а) и 2001(б) гг.,
определённая по
спутниковым данным, Tsg
(1), и вычисленная по
модели, Tg с использованием
оценок LAI по спутниковым
данным и рассчитанным (2)
и определенным по
спутниковой информации
(3) B для участка с
многолетними травами. (4) –
измеренная температура
поверхности почвы.
60
а)
Temperature,
0
1999
c)
2001
С
50
50
40
40
30
30
1
20
20
2
10
0
3
10
4
0
1.05
23.05 4.06 13.06 20.06 1.07
19.05
21.06
9.07
31.07
14.08
14.09
9.07 15.07 31.08
Dates
b)
2000
50
40
30
20
10
0
10.05 25.05
4.06
11.06 26.06 17.07
4.08
17.08 12.09
Радиационная температура
подстилающей поверхности для сезонов
вегетации 1999 (а), 2000 (б) и 2001 (в)
гг., определенная по спутниковым
данным, Ts.eff (1), и вычисленная по
модели, Ts : по спутниковым LAI и
рассчитанным B (2), по спутниковым
LAI и B (3), по наземным LAI и B (4) для
участка с многолетними травами для
агрометеостанции Курск
Значения температур поверхности растительного покрова Tveg,
поверхности почвы Tsoil, радиационной температуры подстилающей
поверхности Trad, определенных по данным AVHRR/NOAA и
аналогичной радиационной температуры, определенной по данным
MODIS/Terra Tmodis. Tair obs – наблюденная температура воздуха.
Агрометеостанция Нижнедевицк, участок с многолетними травами,
2003 г.
t0 C
40
35
30
25
20
15
10
5
0
t
t
t
t
t
ve g
ra d
s o il
mo dis
a ir o bs
6.05 14.05 9.06 14.07 15.07 30.07 3.08 4.08 14.08 19.08 14.09 15.09
даты
Значения радиационной температуры подстилающей поверхности,
определенной по данным AVHRR/NOAA, Tavhrr, и MODIS/Terra,
Tmodis и рассчитанной по модели при использовании значений LAI и
B, определенных по наземным и спутниковым данным, Trad cal1 и
Trad cal2. Tair obs – наблюденная температура воздуха для участка с
многолетними травами. Агрометеостанция Нижнедевицк, 2003 г.
40
35
30
t air ob s
t mo dis
t rad cal1
t rad cal2
t avhrr
25
20
15
10
5
0
-5
2 6.04 7 .0 5 24 .05 9 .0 6 14 .0 6 2 0.06 3 .0 7 1 5.07 21.07 30 .0 7 8.08 15.0 8 2 0.08 14.0 9 21 .0 9
Суммарное испарение Ev для участка с многолетними травами на
агрометеостанции Курск для сезона вегетации 2003 г., рассчитанное по
модели с использованием: оценок LAI и B по спутниковым данным (1),
таких же оценок LAI и рассчитанных по наземным данным оценок B (2),
рассчитанных по наземным данным оценок LAI и B (3).
12
10
Ev, mm/5d
1
2
3
8
6
4
2
0
-25.04 25.04 16.05 6.06 26.06 16.07 6.08 27.08 16.09 7.10 27.10
Dates
Влагосодержание метрового слоя почвы W, рассчитанное по
модели с использованием оценок LAI по спутниковым (1) и
наземным (2) данным. (3) – значения W, измеренные на
агрометеостанции Курск для сезона вегетации 2003 г.
35
W, s m
30
25
20
15
10
1
2
3
5
0
8.04
28.04
18.05
8.06
28.06
18.07
8.08
28.08
18.09
8.10
30.10
D a te s
Температура поверхности растительного покрова а), определенная
по данным радиометра AVHRR/NOAA для 13 (1) и 14 (2) ч. местного
времени, и рассчитанные по модели значения интенсивности
транспирации б) при использовании значений температур (1) и (2),
соответственно. Агрометеостанция Каменная степь, 2003 г.
а)
б)
1
2
25
20
15
10
5
1
0.060
Тра нс пира ция г/с м2 с
30
2
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
0.000
0
3.05
3.05
8.06
4.07 23.07 18.08 21.09
8.06
4.07
23.07 18.08 21.09
да ты
Температура поверхности растительного покрова, определенная по
данным радиометра AVHRR/NOAA для ячеек 3х3 пиксела,
окружающих агрометеостанцию Курск с севера (N), востока (W), юга
(S) и запада (W). 2003 г.
30
20
те мпе ра тура
о
С
25
15
tt2_N
tt2_E
10
tt2_S
tt2_W
5
0
26.04
6.05
3.06
13.06 16.07 26.07 28.07 14.08
6.09
9.09 25.09
да ты
Основными результатами настоящей работы можно считать:
•
•
1) предложенные методы тематической обработки данных измерений
радиометров AVHRR/NOAA и MODIS/Terra для оценки температур
поверхности растительного покрова Tа, поверхности почвы Tg,
радиационной температуры подстилающей поверхности Ts.eff,
листового индекса LAI и проективного покрытия растительностью B;
2) адаптированную к спутниковым оценкам названных величин
физико-математическую модель SVAT, предназначенную для расчета
вертикальных потоков влаги и тепла, профилей влажности и
температуры почвы, а также температур поверхности почвы и
растительности для различных сроков в течение сезона вегетации. В
рамках этого направления установлена возможность замены данных
наземных наблюдений при задании временного хода LAI и B,
используемых в качестве параметров модели, а также температур Tа,
Tg и Ts.eff на спутниковые оценки этих величин, подтвержденная
результатами сравнения значений спутниковых и модельных
радиационных и термодинамических температур. Полученные
небольшие расхождения спутниковых и модельных оценок этих
температур, не превышавшие величин погрешности их определения по
спутниковой информации, позволили использовать в модели SVAT
результаты оценки температур, LAI и B по спутниковым данным для
расчета компонент водного баланса речного водосбора.