Аномалии влажности почвы на территории Северо-Западного Прикаспия по спутниковым данным в конце XX - начале XXI века Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2010, том 16, № 4 (44), с. 53-61 =—=— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ

УДК 551.579:551.583 (470.44/47)

АНОМАЛИИ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРОЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ В КОНЦЕ

XX - НАЧАЛЕ XXI ВЕКА1

© 2010 г. Е.А. Черенкова*, А.Н. Золотокрылин*, Н.М. Новикова**, А.А. Вышивкин'

* Институт географии Российской академии наук Россия, 119017 Москва, Старомонетный переулок, 29. E-mail: lcherenkova@marketresearch. ru Институт водных проблем РАН, Россия, 119333 Москва, ул. Губкина 3. E-mail: nmnovikova@gmail.com

Реферат. В статье исследовано воотроизведение аномалий спутникового индекса почвенной влаги по данным дистанционного зондирования на территории Северо-Западного Прикаспия ежемесячно с мая по август в период 1992-2008 гг. Выделены аномалии: периоды пониженного и повышенного влагосодержания относительно значения стандартного отклонения. Показано, что пространственное и временное распределение аномалий индекса почвенной влаги хорошо согласуется по знаку с аномалиями коэффициента атмосферного увлажнения К. Торнтвейта, полученного по данным 17-ти метеостаций на территории исследования. Проведено сравнение спутниковых и наземных данных влажности почвы в районе Джаныбекского стационара. Установлено, что спутниковые данные адекватно передают сезонную тенденцию изменения влажности почвы по наземным измерениям. Ключевые слова: влажность почвы, аномалия, коэффициент увлажнения, спутниковые данные.

Проблема мониторинга содержания влаги в почве в районах неустойчивого увлажнения всегда была и остается актуальной. Данные наблюдений за влажностью почв проводятся сетью агрометеорологических станций России, в основном, точечно и не достаточно регулярно. Кроме того, территория, охваченная этими наблюдениями, имеет ограниченную площадь. При недостатке данных представляется важным вопрос о возможности применения значений влажности почв, полученных с помощью методов дистанционного зондирования. Работа в этом направлении ведется с конца XX века, созданы и успешно применяются архивы спутниковых данных наблюдений влажности почв, полученных, например, со спутников AQUA AMSR-E, ERS, TRMM-TMI. Разрабатываются и дискутируются методологические аспекты применения таких данных (Bartalis et al., 2006; Crow et al., 2009; Kerr et al., 2001, Scipal et al., 2005; Wagner et al., 1999). Использование спутниковых данных имеет очевидное достоинство, заключающееся в широте охвата территории наблюдениями, частоте, однородности и высоком пространственном разрешении измерений. Однако, есть и недостатки, которые ограничивают применение архивов дистанционных данных. Главный недостаток - небольшой временной интервал наблюдения и проблематичность корректного сопоставления абсолютных значений спутниковых и наземных данных по причине несовпадения методов, единиц измерения и ограниченности территории наземных измерений. Исследования, проведенные в различных природных зонах, показали, что

1 Работа выполнена при поддержке Программы ОНЗ РАН №12 (проекты №13, 16).

Далее в тексте - коэффициент увлажнения или КУТ. In English below - Thornthwaite moisture index (TMI)

спутниковые данные влажности почв, демонстрируя хорошую пространственную корреляцию с наземными данными, в большинстве случаев завышают значения по сравнению с наземными измерениями in situ (Albergel et al., 2009; Gruhier et al., 2010; Naeimi et al., 2009; Njoku et al., 2003; Sinclair et al., 2010; Vischel et al., 2008; Wagner et al., 2008; Zhao et al., 2008). Дополнительную проблему создает нелинейность разности значений спутниковых и наземных данных в разных точках земного шара. В случае, если прямое использование измеренных значений спутниковых данных затруднительно, возникает вопрос о допустимости использования вместо них относительных величин - результатов оценки отклонений (аномалий) от средних значений измеренных данных. Целью статьи является оценка адекватности воспроизведения спутниковыми данными сезонных отклонений значений влажности почв от среднемноголетних, проведенная на основании их сравнения с ходом изменения значений коэффициента атмосферного увлажнения и данных прямых измерений почвенной влаги в полевых условиях.

Материалы и методы

Исследования проводились на примере Северо-Западного Прикаспия.

Исходные данные. Для оценки изменений влажности почв на этой территории использовался архив значений Soil Water Index (SWI) (спутникового индекса почвенной влаги) Технологического Института Вены (Австрия), доступный через Интернет (http://www.ipf.tuwien.ac.at/radar). Архивные значения SWI получены на основе дистанционных материалов, содержащих информацию о коэффициентах обратного рассеяния радиометров, установленных на спутниках ERS-1 и ERS-2. SWI показывает содержание воды в процентах в почвенной толще глубиной до 1 м. Архивные данные имеют разрешение 12.5 х 12.5 км и представлены подекадными временными рядами за каждый месяц с 1992 по 2008 гг., исключая 2001-2003 гг., когда по причинам технической неисправности спутника измерения не проводились.

Содержание влаги в почве, как известно, в наибольшей степени определяемое выпадающими осадками, зависит и от испаряющей способности подстилающей поверхности. Для исследования аномалий в работе был рассмотрен коэффициент увлажнения, количественно характеризующий соотношение тепла и влаги.

В работе использованы данные наблюдений за температурой воздуха и суммами осадков из архива ежемесячных данных ВНИИГМИ-МЦД (http://www.meteo.ru). По данным 17-ти метеостаций, находящихся на территории исследования или в непосредственной близости от ее границ, был рассчитан КУТ (Thornthwaite, 1931). Выбор коэффициента увлажнения для территории исследования был обоснован ранее (Черенкова, 2009).

Значение коэффициента за май, июнь, июль и август рассчитывали по формуле:

КУТ = Pi/E0i, (1)

где Pi - сумма осадков за i-й месяц года (мм), E0i - суммарная потенциальная испаряемость за i-й месяц года.

Измерение влажности почв в окрестностях Джаныбекского стационара, расположенного в северной части Прикаспийской низменности, на границе Палласовского района Волгоградской области с Казахстаном в пределах 49.35-49.43° с.ш. и 46.75-46.84° в.д. в условиях опустыненной степи с характерным для этого района солонцовым комплексом проводилось с 2008 г. регулярно в течение всего сезона активной вегетации. Образцы почв отбирались на микроповышениях и в западинах в процессе ручного бурения послойно в горизонтах с шагом в 10 см до глубины 1 м с четырехкратной повторностью и далее, до глубины 2 м - с двухкратной (Вышивкин, 2008; Новикова и др., 2010). Содержание влаги в образцах оценивалось термостатно-весовым методом и рассчитывалось в весовых процентах.

Запасы влаги рассчитывались также послойно, с шагом 10 см, и оценивались в сумме на глубину до 1 и 2 м. Исследованиями охвачена территория вдоль трансекты протяженностью около 2 км, что позволило учитывать влагу почв на участках с разной степенью пастбищной дигрессии.

Методика работы. Для всех точек наблюдений были рассчитаны среднемноголетние значения 8'1 и КУТ для каждого месяца (с мая по сентябрь) каждого года за период с 1992 по 2008 г. Далее оценивалось отклонение конкретных значений и КУТ от

среднемноголетних. Отклонение их значений от средних многолетних, превышающее величину стандартного отклонения в положительную сторону, принималось за аномалию, обозначающую повышенное атмосферное или почвенное увлажнение. Аналогичное отклонение в отрицательную сторону принималось за аномалию, обозначающую пониженное увлажнение.

На основании рассчитанных значений отклонений в точках была проведена интерполяция значений и построены парные карты изолиний, характеризующих аномалии почвенного и атмосферного увлажнения на исследуемой территории Северо-Западного Прикаспия для каждого месяца каждого года с 1992 по 2008 гг. Интерполяция была проведена методом кригинга. Карты построены с помощью ГИС Мар1пЮ.

Обсуждение результатов

При сравнении результатов полевых измерений влажности почвы и в окрестностях Джаныбекского стационара оказалось, что небольшое число полученных в одно и то же время спутниковых и наземных данных не позволяет провести достоверное сравнение их абсолютных значений. Однако, первичная оценка показала, что спутниковые данные адекватно передают сезонную тенденцию изменения влажности почвы, измеренной впрямую. Так, например, в июне 2008 г. средние значения измеренной влажности почвы в разной толще: 0-10 / 0-50 / 0-100 см, в весовых процентах составили соответственно 17.02/ 13.75/ 12.71%, а на этом участке изменялся в диапазоне 37.5-50%. Измеренная в августе влажность почв на тех же глубинах уменьшилась до 4.74/ 5.45/ 5.73%, диапазон значений также уменьшился до 12.5-25 %. При этом измеренные запасы влаги в метровом слое почвы в июне составляли 174 мм, а в августе - 80 мм.

На основании сопоставления отклонения значений коэффициента увлажнения от среднемноголетних значений были выделены периоды пониженного и повышенного атмосферного увлажнения. Пониженное увлажнение отмечалось в Северо-Западном Прикаспии: в июне 1992 г., в июле 1994 г., с мая по август в 1995 г., в 1996 г. (исключая июнь) и в 1998 г., в июне 1999 г. и 2004 г., в мае-августе 2005 г., в летние месяцы 2006 г. и в 2007 г., а также в июле и августе 2008 г. С этими периодами хорошо согласуются ранее установленные для этой территории атмосферные засухи (Черенкова, 2007). Повышенное атмосферное увлажнение наблюдалось с мая по август 1993 г., в мае и июле 1997 г., в мае и августе 1999 г., весь период наблюдений 2000 г., в июле 2004 г., в мае 2006 и мае 2008 гг.

Сравнительный анализ пространственного распределения изолиний, характеризующих отрицательные и положительные аномалии и КУТ, выявил хорошую согласованность в знаке аномалии в большинстве рассмотренных случаев. При этом изолинии КУТ имеют более обобщенный характер в сравнении с изолиниями Это связано с тем, что при

построении карт использовалось большее количество точек со значениями чем

коэффициента увлажнения. При анализе парных карт пространственного распределения аномалий и КУТ оказалось, что в период с мая по август с 1992 по 2008 гг. на

территории Серево-Западного Прикаспия преобладали отрицательные аномалии атмосферного и почвенного увлажнения. Рассмотрим подробнее несколько примеров, когда

45° Е

45° Е

45°N

45eN

КАСПИЙСКОЕ МОРЕ

45° Е

45CN

45°N

КАСПИЙСКОЕ МОРЕ

КАСПИЙСКОЕ МОРЕ

Рис.1. (начало) Отклонение от средних многолетних значений SWI (слева) и КУТ (справа) за период 1992-2008 гг. в: а) мае 1993 г., b) июне 1993 г., с) мае 1997 г., d) мае 2000 г., e) мае 2008 г. Аномалии показаны штриховкой. Fig.1. (beginning) The deviation from the average annual values of SWI (at left) and TMI (at right) for the period 1992-2008, in: a) May 1993, b) June 1993, c) May 1997, d) May 2000, e) May 2008. Anomalies are patterned.

45е Е

45е Е

45°N

45CN

45eN

(с)

45* Е

45°N

(d)

45е E

Рис.1. (продолжение). Fig.1. (following)

45е Е 45е Е

45°1М

45°N

(e)

Рис.1. (окончание). Fig.1. (the end)

в течение месяца в районе Северо-Западного Прикаспия одновременно соседствовали аномалии разного знака.

Как видно из рисунка 1 а, в мае 1993 г. на всей территории знак аномалии был преимущественно положительный, но тенденции изменения локальных аномалий обоих показателей, занимающих незначительные площади, на севере и юге несколько различаются. В июне 1993 г. и в мае 1997 г. знак аномалии и направленность изменений SWI и КУТ совпадают практически на всей территории (рис. 1, b и 1, с). На рисунке 1 d показано, что в мае 2000 г. на юге Северо-Западного Прикаспия наблюдалась аномалия одного знака для обоих показателей, а на севере между SWI и КУТ есть отличия в знаке аномалии. В мае 2008 г. в районе в целом преобладала положительная аномалия SWI и КУТ, за исключением небольших районов на севере и юге Астраханской области, где тенденции локальных аномалий SWI и КУТ различны (рис. 1, е).

Таблица 1. Число аномалий спутникового индекса почвенной влаги в период 1992-2008 гг. Table 1. Anomalies of soil moisture index in the period 1992-2008.

Район Астраханской области Аномалии

положительная отрицательная

май июнь июль август май июнь июль август

север 7 7 5 3 7 7 9 11

юг 9 8 4 4 5 6 10 10

Как следует из таблицы, по числу отрицательных и положительных аномалий 8'1 между севером и югом области нет сильного различия. Однако, на территории Астраханской области положительных аномалий в период 1992-2008 гг. было больше в мае и июне, а

отрицательные аномалии преобладали в июле и августе. Положительные аномалии индекса в мае, июне и августе встречались чаще на юге области, а отрицательные - на севере.

Любопытно отметить, что результаты сравнительного анализа аномалий SWI и КУТ косвенно свидетельствуют о большей инертности почвенного увлажнения в сравнении с атмосферным. Так, например, только в одном месяце - в июне 1996 г. и в августе 1999 г. в Северо-Западном Прикаспии преобладала положительная аномалия КУТ. В остальные рассмотренные месяцы этих двух лет отмечалось иссушение всей территории исследования. В эти же годы на карте SWI во все месяцы 1996 и 1999 гг. аномалия имела только отрицательный знак. В условиях дефицита влажности SWI и КУТ в мае 2006 г. на большей части рассмотренной территории, при изменении знака аномалии КУТ в остальные месяцы, изменение знака аномалии SWI произошло на месяц позже. Как видим, по сравнению с КУТ изменение в знаке аномалии SWI проявилось с «запаздыванием» на месяц.

Выводы

Сравнение спутникового индекса почвенной влаги (SWI) с данными наземных наблюдений в окрестностях Джаныбекского стационара в 2008 г. показало, что спутниковые данные адекватно отражают тенденцию сезонных колебаний данных полевых измерений.

Проведенный анализ пространственного распределения спутникового индекса почвенной влаги (SWI) из архива данных Технологического Института Вены (Австрия) и коэффициента увлажнения (КУТ) на основе наблюдений сети метеорологических станций на территории Северо-Западного Прикаспия с 1992 по 2008 гг. позволяет сделать следующие выводы:

- согласованность пространственного распределения знака аномалий (как положительного, так и отрицательного) обоих показателей, а также сходные тенденции пространственного изменения аномалий SWI и КУТ обосновывают возможность последующего корректного применения в исследовательских целях изменений и аномалий влажности почвы по спутниковым данным;

- выявленные кратковременные (не более одного месяца) аномалии значений КУТ не проявляются при исследовании аномалий SWI за аналогичный период, если во все остальные месяцы года доминирует аномалия противоположного знака.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Вышивкин А.А. 2008. Влажность почв и растительность солонцового комплекса в условиях разной пастбищной нагрузки // Сборник трудов 2 научной конференции «Водные ресурсы, экология,и гидрологическая безопасность». 15-18 декабря 2008 г. Отв. ред. Н.Н. Митина. М.: ИВП РАН. С. 165-169. Новикова А.Ф., Конюшкова М.В., Новикова Н.М., Климанов А.В., Вышивкин А.А. 2010. Засоление почв солонцовых комплексов Северной Калмыкии // Аридные экосистемы. Т. 16. № 1 (41). С. 98-110. Черенкова Е.А. 2007. Динамика опасной атмосферной засухи в Европейской России //

Метеорология и гидрология. №11. С.14-25. Черенкова Е.А. 2009. Сравнение показателей увлажнения суббореальных равнинных

ландшафтов России // Аридные экосистемы. Т. 15. №4(40). С. 5-12. Albergel C., Roudiger C., Carrer D., Calvet J.-C., Fritz N., Naeimi V., Bartalis Z., Hasenauer S. 2009. An evaluation of ASCAT surface soil moisture products with in-situ observations in Southwestern France // Hydrol. Earth Syst. Sci. Vol. 13. P. 115-124.

Bartalis Z., Scipal K., Wagner W. 2006. Azimuthal anisotropy of scatterometer measurements over land // IEEE T. Geosci. Remote. Vol. 44(8). P. 2083-2092.

Crow W. T., Ryu D. 2009. A new data assimilation approach for improving runoff prediction using remotely-sensed soil moisture retrievals // Hydrol. Earth Syst. Sci. Vol. 13. P 1-16.

Gruhier C., de Rosnay P., Hasenauer S., Holmes T., de Jeu R., Kerr Y., Mougin E., Njoku E., Timouk F., Wagner W., Zribi M. 2010. Soil moisture active and passive microwave products: intercomparison and evaluation over a Sahelian site // Hydrol. Earth Syst. Sci. Vol. 14. P. 141-156.

Kerr Y., Waldteufel P., Wigneron J.-P., Martinuzzi J.-M., Font J., Berger M. 2001. Soil moisture retrieval from space: The soil moisture and ocean salinity mission (SMOS) // IEEE T. Geosci. Remote. Vol. 39. P. 1729-1735.

Naeimi V., Bartalis Z., Wagner W. 2009. ASCAT soil moisture: An assessment of the data quality and consistency with the ERS scatterometer heritage // Journal of Hydrometeorology. Vol. 10. P. 555-563.

Njoku E., Jackson T., Lakshmi V., Chan T., Nghiem S. 2003. Soil moisture retrieval from AMSR-E // IEEE T. Geosci. Remote Vol. 41. P. 215-229.

Scipal K., Scheffler C., Wagner W. 2005. Soil moisture-runoff relation at the catchment scale as observed with coarse resolution microwave remote sensing // Hydrol. Earth Syst. Sci. Vol. 9. P. 173-183.

Sinclair S., Pegram G. G. S. 2010. A comparison of ASCAT and modelled soil moisture over South Africa, using TOPKAPI in land surface mode // Hydrol. Earth Syst. Sci. Vol. 14. P. 613626.

Thornthwaite C.W. 1931. The climates of North America // Geographical Review. Vol. 21 (3). P. 633-655.

Vischel T., Pegram G. G. S., Sinclair S.,Wagner W., Bartsch A. 2008. Comparison of soil moisture fields estimated by catchment modelling and remote sensing: a case study in South Africa // Hydrol. Earth Syst. Sci. Vol. 12. P. 751-767.

Wagner W., Lemoine G., Rott H. 1999. A Method for Estimating Soil Moisture from ERS Scatterometer and Soil Data // Remote Sens. Environ..Vol. 70. P. 191-207.

Wagner W., Pathe C., Doubkova M., Sabel D., Bartsch A., Hasenauer S., Bloschl G., Scipal K., Martinez-Fernandez J., Low A. 2008. Temporal stability of soil moisture and radar backscatter observed by the Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) // Sensors. Vol. 8 (2). P. 1174 - 1197.

Zhao D., Kuenzer C., Fu C., Wagner W. 2008. Evaluation of the ERS Scatterometer-Derived Soil Water Index to Monitor Water Availability and Precipitation Distribution at Three Different Scales in China // J. Hydrometeor. Vol. 9. P. 549-562.

ANOMALIES OF SOIL MOISTURE IN THE NORTH-WESTERN PRICASPIAN LOWLAND USING SATELLITE DATA IN THE END OF XX - BEGINNING OF XXI

CENTURY

© 2010. E. A. Cherenkova*, A. N. Zolotokrylin*, N. M. Novikova**, A. A. Vyshivkin**

* Institute of Geography, Russian Academy of Sciences

Russia, 119017Moscow, Staromonetnyiper., 29, E-mail: lcherenkova@marketresearch.ru Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences Russia, 119333 Moscow, Gubkina str., 3, E-mail: nmnovikova@gmail.com

Abstract. Anomalies of the Soil Water Index (SWI) of the remote sensing data in the NorthWestern Pricaspian Lowland from May to August of the period 1992 to 2008 were studied in the paper. Periods of low and high moistening were identified on base of Thornthwaite Moisture Index

(tmi).

It is shown that the spatial and temporal distribution of anomalies of the SWI is consistent in sign with the anomalies of TMI, obtained using 17 meteorological stations on the territory.

The deviation from the average annual values of SWI and TMI for the period 1992-2008, exceeding the positive standard deviation, characterizes the anomaly of increased air or soil moistening. A similar negative deviation characterizes the anomaly of low moistening (deficit).

There are the periods of low moistening of the North-Western Pricaspian Lowland: in June 1992, July 1994, from May to August 1995, at 1996 (excluding June) and 1998, in June 1999 and 2004, from May to August 2005, in the summer of 2006 and 2007, and in July and August 2008. The high air moistening was observed from May to August 1993, in May and July 1997, in May and August 1999, in the observation period in 2000, in July 2004, in May 2006 and May 2008.

Predominantly positive anomalies were observed in May 1993, trends in local anomalies indices differ in the north and south (Figure a)). The anomalies sign and trend of changes in SWI and TMI in June 1993 and May 1997 are the same (Figures b and c). Anomalies of one sign for both indicators was observed in the south of the North-Western Pricaspian Lowland in May 2000, the sign of anomaly of SWI and the anomaly of TMI do not coincide in the north (Figure d)). The positive anomaly of TMI prevailed in the region in May 2008. Trends in local anomalies of SWI varies in the north and south of Astrakhan region (Figure e)).

The quantity of negative and positive anomalies of SWI does not differ in the north and south of the region (Table). Positive anomalies of SWI are found more frequently in May and June in the period 1992-2008 in territory of the Astrakhan region and negative anomalies prevailed in July and August. Positive anomalies of an index were found more often in May, June and August in the south region, and negative - in the north.

Comparison of satellite and ground data of soil moisture in the Dzhanybek area region was conducted. It was found that the satellite data adequately reflect seasonal trend in soil moisture based on ground measurements.

Key words: Soil Water Index, anomaly, Thornthwaite Moisture Index, satellite data.