это основные информационные ресурсы любой организации, он

XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учѐных
«Молодѐжь и современные информационные технологии»
___________________________________________________________________________
СРАВНЕНИЕ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ВЛАЖНОСТИ
ПОЧВЫ ASCAT С ПРЯМЫМИ ИЗМЕРЕНИЯМИ
С.И. Ерин, И.А. Бородина
Научные руководители: к.ф.-м.н., доцент Н.Н. Богословский, к.г.н., доцент Л.И. Кижнер
Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск,
sergei.erin@mail.ru
Введение
Космические средства дистанционного зондирования Земли в настоящее время получили очень
широкое применение во всем мире, выросло разнообразие аппаратов и общее их количество.
Спутниковая информация используется для решения многих хозяйственных и научных задач мониторинга окружающей среды.
К достоинствам спутников можно отнести
наличие современных систем дистанционного
зондирования, возможность наблюдения поверхности Земли в любое время суток, независимо от
состояния атмосферы, большую зону покрытия,
эффективную передачу данных и высокую густоту
наблюдений.
Одним из аспектов многочисленных видов
спутниковых наблюдений являются наблюдения
за влажностью почвы. Эти данные необходимы
для решения экологических задач, при прогнозе
урожайности сельскохозяйственных культур [1], в
прогнозе погоды.
Одной из важнейших и сложнейших проблем
для метеорологов является проблема повышения
точности прогнозирования. Для повышения качества численных прогнозов необходимо более полно учитывать фактическое состояние суши и атмосферы. Большое значение играет учет влажности почвы.
В европейском центре среднесрочных прогнозов в 1996 году наглядно показали, что ошибки в
задании влажности почвы оказывают значительное влияние на качество краткосрочного и среднесрочного численного прогноза погоды и даже оказывают влияние на сезонные прогнозы. Однако
прямые измерения влажности почвы выполняются
при метеорологических наблюдениях один раз в
сутки только в теплое время года и являются визуальными, оценивается степень увлажнения почвы в баллах. Инструментальные агрометеорологические наблюдения выполняются один раз в декаду [2].
Системы дистанционного зондирования
С учетом широкого применения спутникового
дистанционного зондирования для контроля
надежности этих наблюдений, большое значение
имеет калибровка данных со спутников и прямых
измерений.
Различные спутники оснащены разными системами дистанционного зондирования. Серия
MetOp – часть разрабатываемой Объединенной
Полярной Системы (Initial Joint Polar-Orbiting
Satellite System, IJPS). Спутники этой серии оснащены современными системами дистанционного
зондирования (ДЗ), которые обеспечивают метеорологов и климатологов широкими возможностями в области дистанционного зондирования Земли. Данные спутники способны обеспечить полное
покрытие земного шара. Спутники серии MetOp
имеют на борту восемь измерительных приборов,
а также ряд коммуникационных и обслуживающих систем. В таблице 1 приведены основные
характеристики спутников серии MetOp.
Таблица 1.
Основные характеристики системы MetOp
Масса спутника
4085 кг
Масса полезной нагрузки
931 кг
Носитель
Союз 2-1А
Космодром
Гарантированный полетный
ресурс (ГПР)
Тип орбиты
Байконур
5 лет
Параметры орбиты:
Солнечносинхронная
Высота
837 км
Наклонение
98.7°
Эксцентриситет
0.00245
Спутники серии MetOp оснащены измерительным приборами ASCAT. ASCAT (Advanced Scatterometer) – импульсная радиолокационная станция (РЛС). Это микроволновый датчик на борту
спутника MetOp, запущенного в октябре 2006 года.
Полосы обзора отделены друг от друга интервалом приблизительно 360 км и имеют ширину
550 км. Ежедневно общий охват территорий составляет 82%. Результаты измерений поставляются в двух разрешениях: 25 км и 50 км. Время повторного измерения (т.е. период, через который
спутник вновь измерит значение в точке) составляет 2-3 дня.
В работе рассматривается сравнение спутниковых данных измерений влагосодержания поверхностного слоя почвы с прямыми станционными
измерениями, для того чтобы проверить и показать согласованность измерений. Период исследований – 2007–2012 гг.
Методы пересчета
Спутниковые измерения влажности почвы
осуществляются в относительных единицах (%);
прежде чем использовать данные в сравнении,
142
XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учѐных
«Молодѐжь и современные информационные технологии»
___________________________________________________________________________
необходимо преобразовать их в объемную влажность (м3/м3). Для решения этой задачи используются методы пересчета, предложенные в работах
[3, 4]. Для пересчета значений используется следующая линейная зависимость:
где
– данные влажности почвы, полученные
со спутника;
– 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:
,
̅̅̅̅̅̅
̅̅̅̅,
где
– стандартное отклонение по данным
станционных измерений;
– стандартное отклонение по данным спутника; ̅̅̅̅̅̅ и ̅̅̅̅ – средние значения за рассматриваемый промежуток
времени для станционных и спутниковых измерений соответственно.
Результаты сравнения
Для первичной оценки взаимосвязи между измерениями, полученными с помощью спутника и
на станциях, были рассчитаны коэффициенты
корреляции, а также средняя абсолютная погрешность по данным станции и пересчитанным данным по спутнику. При расчетах использовался
коэффициент корреляции Пирсона, который рассчитывается для двух случайных величин (в данном случае для спутниковых и прямых измерений)
Для наглядности для станции Missouri Ozark
Site приведен график зависимости двух рядов
данных: измерений объемной влажности почвы
станционным методом и измерениями с помощью
спутника (рисунок 1). Станция находится в центральной области штата Миссури, в экологически
важной переходной зоне между областью лиственных лесов и областью пастбищ. Высота станции над уровнем моря 219 м. Для станции характерен субтропический средиземноморский климат.
В данном случае выпадающие осадки мало
влияют на синхронность данных по влажности для
рассматриваемых измерений.
В целом ход значений влажности достаточно
синхронный. При этом значения влажности по
спутникам более резко изменяются во времени по
сравнению со станционными данными.
Заключение
Результаты сравнения данных по влажности
поверхностного слоя почвы с использованием
прибора ASCAT показали хорошую согласованность с реальными данными прямых измерений
влажности, выполняемых на станциях. Для большинства станций коэффициент корреляции больше 0,5. Средняя абсолютная ошибка по всем станция не превышает 0,04 m3/m3. Это позволяет использовать данные спутниковых измерений влажности почвы в системах усвоения данных для численных моделей прогноза погоды. Соотношения,
полученные в результате настоящего исследования, могут быть распространены и на территорию
России, на регионы, имеющие сходные типы подстилающих поверхностей.
Дальнейшие исследования должны вестись в
направлении уточнения влияния атмосферных
явлений на результаты спутниковых наблюдений,
уточнении методики пересчета данных. Важно
также получить сравнительные данные для других
сезонов.
Результаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России (№ 5.628.2014/K)
Рис. 1. Ход объемной влажности почвы по
данным станции и измерений спутника.
Сумма осадков за 12 часов. Станция Missouri
Ozark Site, 2007 г.
Литература
1. Черенкова Е.А., Черенкова А.А. Возможности использования спутниковых данных влажности почвы при анализе урожайности яровой пшеницы (на примере Саратовской области) / Современные проблемы дистанционного зондирования
Земли из космоса. 2013. Т. 10. №1. С. 267–273.
2. Грингоф И.Г., Пасечник А.Д. Агрометеорология и агрометеорологические наблюдения.
СПб.: Гидрометеоиздат, 2005.
3. Dharssi I., Bovis K., Macpherson B., Jones C.
Assimilation of ASCAT surface soil wetness // Met
Office, Exeter, UK Forecasting. Technical Report №
548. July, 2010.
4. Wagner W. The ASCAT Soil Moisture Product: A Review of its Specifications, Validation Results, and Emerging Applications // Meteorologische
Zeitschrift. February 2013. Vol. 22, № 1. 5–33 p.
143