Моделирование ослабления радиоволн лесным пологом в глобальной модели радиоизлучения земной поверхности в l- и p- диапазонах Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСЛАБЛЕНИЯ РАДИОВОЛН ЛЕСНЫМ ПОЛОГОМ В ГЛОБАЛЬНОЙ МОДЕЛИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В L- И P- ДИАПАЗОНАХ

Ю.С. ГАЛКИН, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук,

А.Г ГРАНКОВ, ст. науч. сотр. ИРЭ РАН, д-р физ.-мат. наук,

А.А. МИЛЬШИН, ст. науч. сотр. ИРЭ РАН,

I АС. ШМАЛЕНЮК | , ст. науч. сотр. ИРЭ РАН, канд. физ.-мат. наук

При наблюдении климатических процессов и глобальных изменений методами СВЧ-радиометрии представляют интерес исследования отклика радиотеплового излучения земной поверхности на глобальные изменения в пространственных масштабах, принятых при изучении климата. В ряде современных климатических моделей расчеты выполняются на сетке 4° х 5°, 2,5° х 2,5° и 1° х 1° по широте и долготе. Глобальные атмосферные циркуляционные и другие модели (GCM) используются для решения климатологических задач. В СВЧ-радиометрии глобальное моделирование используется для исследования крупномасштабной пространственновременной динамики радиоизлучения Земли. Эти исследования важны для анализа потенциала перспективных спутниковых радиометров L- и Р-диа-пазонов с низким пространственным разрешением [1, 14] в климатологических задачах, для создания и проверки универсальных алгоритмов глобального мониторинга влажности почв в рамках проекта европейского космического агентства SMOS [15] и для совместного использования технологий моделирования (ГИМС) и СВЧ-данных. При моделировании и изучении глобального круговорота воды используется атмосферная общая циркуляционная модель. Одним из основных входных параметров модели является влажность почв земной поверхности, которая может быть определена дистанционными методами, использующими спутниковую СВЧ-радиометрию дециметрового диапазона. Лесные области занимают около трети поверхности суши. В дециметровом диапазоне лесной полог является полупрозрачной средой, что позволяет в будущем оценивать влажностный режим под лесным пологом спутниковыми методами. Такая задача решалась в работе [5] с использованием самолетной съемки на площади 540 км2, что соответствует пространственному разрешению спутникового радиометра. Для исследования эффективности СВЧ-радиометрического метода разрабатывается глобальная модель радиотеплового излучения зем-

ной поверхности в L- и Р-участках СВЧ-диапазона (15-100 см) [1, 14].

Общее описание радиационной модели

Микроволновая модель основана на теории переноса излучения в многослойной среде. Модель учитывает вклад радиотеплового излучения четырех уровней: суши (воды), растительного покрова, атмосферы (тропосферы и ионосферы) и галактического радиоизлучения. Моделирование радиояркостной температуры (ЯТ) выполнено для различных типов земной поверхности: пустынь, тундры, лиственных, хвойных и тропических лесов, саванны, степей, с учетом относительной доли площади почвы без растительности в ячейке 4° х 5° по широте и долготе. Модель излучения почвы учитывает длину волны, угол наблюдения, вид поляризации, коэффициент излучения, объемную влажность, плотность, состав, минерализацию, температуру поверхностного слоя почвы и ослабление излучения в растительном покрове и атмосфере. ЯТ растительного покрова определяется с учетом прямого и отраженного от почвы излучения слоя растительности и ослабления излучения атмосферой и радиогалактик. Значение интегрального ослабления пологом растительности определяется на основании данных о биомассе элементов растительного покрова, их влагосодержании, геометрии и физической температуры. В модели используется линейная зависимость между содержанием воды в растительности и оптической толщиной растительного слоя. Вклад излучения небосвода выполнен с учетом поглощения в кислороде и ионосфере с использованием модели глобального распределения электронной концентрации и отраженного от поверхности распределенного космического излучения, которые являются функциями географических координат. При моделировании ЯТ земной поверхности использовались архивные и климатические данные о типах почв и растительности, влажности и температуры почвы, биомассе растительности и метеорологических параметрах атмосферы

90

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рассмотрим конкретную реализацию радиационной модели. При спутниковых наблюдениях ЯТ системы «почва - растительность - атмосфера» (СПЛА) в дециметровом диапазоне может быть представлена в виде полуэмпирической модели

T BT = T BT + T BT + T BT (1)

Е S C SKY ’ ' '

где TB - радиоизлучение почвы, ослабленное растительным пологом и атмосферой:

T^ = (1 - rs)TseXP(-Tc - Та) = TS0BTeXP(-TC - ТА); (2) TsY'1 - прямое восходящее ТАт излучение атмосферы и отраженное излучение атмосферы Твт и космоса TCQSBT, ослабленное растительностью и атмосферой

TSKYBT = TABT + + TCOSBT exp(- Та)) X

X exp(-2TC - TA) (3)

TCBT - прямое и отраженное излучение растительности

TBT = TC(1 - юс)[1 - exp(- tc)] x

X [1 + r exp(- Tc)] exp(- Та) (4)

с температурой полога Tc и почвы TS; интегральным ослаблением пологом тс и атмосферой та; коэффициентом отражения почвы r s и альбедо растительной среды &с.

Излучение почв моделируется трехслойной средой (воздух - слой почвы толщиной 20 см - полубесконечный слой почвы) с шероховатой границей верхнего слоя с ЯТ

T нт = t BT + AT BT (5)

где TS]BT - яркостная температура, соответствующая излучению ровной поверхности и приращение ATSRBT, обусловленное наличием шероховатости.

Значение ATSRBT определяется через индикатрису обратного рассеяния D

T л/2 2п

ATR = TL jjDvh(P,0)sin0-d0-dq>. (6)

4п о о ,

Для функции корреляции шероховатости, описываемой соотношением R(x, y) = = exp(-(x2+y2) / r2), где r играет роль радиуса корреляции, выражение для индикатрисы рассеяния на горизонтальной поляризации имеет вид

Dh (Р,0) =

7 2 2 2 k a r п |

"(2^

1 - В0

|2 cos2 Pcos 0 X

exp(-(—) (sin 0- sin P) )

____________X_____________________

0, I T01 -a2(0)rh 23 (0)

cos0 + Js„, - sin 0---------523—

V S2 1 + а2(0К2з(0)

1

O, I ~Тв 1 -а 2(P)rh23(P)

cos P + JsS - sin p---------—-----

S S2 1 + а2(P)rh23(P)

(7)

X

X

2

Здесь rh23 - Френелевский коэффициент отражения на границе 2-ой и 3-ей среды на горизонтальной поляризации

r

’ h23

д/sS2 - sin2 р -д/ss3 - sin2 p Vss2 - sin2 P Wss3 - sin2 P

где а(Р) = exp(-ikhy]sS2 - sin2 p); h - толщина слоя;

P,0 - углы падения и отражения волны от вертикали.

Мы использовали модель комплексной диэлектрической проницаемости почвы из [16], которая учитывает объемные доли содержания песка и глины в почве.

Из соотношений (1-4) следует, что основным параметром, определяющим поглощение радиоволн лесным пологом, является интегральное поглощение тс, которое определяется поглощением в листьях, хвое, ветвях крон и стволах

т = т +т +т +т (8)

ЯТ радиоизлучения поверхности океана TCB’T определяется коэффициентом отражения R и температурой излучающего слоя T

TCBT = (1 - R) To =XJc- (9)

В случае шероховатой морской поверхности выражение для коэффициента отражения в рамках двухмасштабной модели имеет вид

Rp(0) = 4П

1 п п /2

— j j aP (0, 0s , 9s )sin(0S )d0Sd9s

0 0

cp = °p° + °p, P = h, v. (10)

Здесь a0, a1 - дифференциальные сечения рассеяния крупномасштабной и мелкомасштабной составляющих.

Для оценки величины ЯТ тропосферы в глобальной модели используется экспериментальная спектральная зависимость, которая описывается выражением дебаевского типа в диапазоне волн 20^70 см в зените с погрешностью, не превышающей 15 % [3]

rriBT

1T = а

v 2Av

v2 + Av2 ,

(11)

где а = 4,5 х 10-3 (К МГц -1), Av = 0,73 х 103 (МГц); v - частота (МГц).

TTBT - определяется эффективной температурой TTE и интегральным поглощением т Ttbt = TTE (1 - exp(- т)) « Ttet. (12)

Величину т можно определить из экспериментальной зависимости (11). Для модели средней (по широте) атмосферы с линейным тем-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

91

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

пературным профилем T(h) = Т - bh и углов в > 5° имеем

TtE = T - blo° + bao (/oo)csc(P), (13)

где в - угол места;

l°° - характеристическая высота;

Т - температура атмосферы у поверхности; а° - погонное поглощение в кислороде.

С учетом (11-13) глобальные вариации ЯТ тропосферы рассчитываются в модели путем введения из базы данных температуры приповерхностного слоя атмосферы T .

При расчете ЯТ ионосферы в начале определяется эффективная электронная температура Т„, а затем вычисляется ЯТ

E’

ТВ * Т (14)

Используя данные о толщине Al характерных слоев ионосферы D, E, F1, F2, о частоте соударения электронов и их концентрации из модели глобального распределения электронной концентрации, можно рассчитать значение интегрального поглощения т = 2вА1, где в - погонное поглощение.

Максимальное интегральное поглощение имеет слой F2

TFMax = KX2,

где K = 5-10-7 Нп/см2, X в см.

Поскольку поглощение в ионосфере мало, тМш << 1 и учет вариаций его представляют интерес главным образом при исследовании параметров океана, остановимся на проблеме, связанной с поворотом плоскости поляризации, или эффектом Фарадея. При прохождении радиоволн через ионосферу происходит поворот плоскости поляризации излучения за счет магнитного поля Земли.

Величина поворота плоскости поляризации QF зависит от электронной концентрации N (h, t), напряженности магнитного поля Земли H0(h), высоты h и ориентации 0В космического аппарата относительно силовых линий и растет обратно пропорционально квадрату частоты f

QF = k2 f-2 j Ne (h, t)H0(h)cos 0Bdl. (15)

В отсутствие деполяризации ЯТ среды определяется согласно (9), а эффект Фарадея приводит к появлению второй составляющей сигнала, и выражение для ЯТ будет иметь вид TPf) = [Х,соз2(ф + Х^т2(ф]То ТДф = [Xvcos2(Qf) + XhSm2(^F)]To, (16)

отсюда величина вариации ЯТ, обусловненная деполяризацией, составит

АТДф = ± [Xv - Xh] sm2(^F)To. (17)

Для тропических лесов и сплошных боре-альных лесов с высоким уровнем биомассы различие в коэффициентах излучения на ортогональных горизонтальной (ГП) и вертикальной (ВП) поляризациях xh, Xv практически отсутствует и влияние деполяризации несущественно. Для разреженных лесов, за счет влияния почвы, поляризационные различия для xh, Xv становятся весьма значительными и их необходимо учитывать.

Для ослабления влияния ионосферы необходимо применять в спутниковых радиометрах антенны с круговой поляризацией.

Космическое радиоизлучение состоит из распределенного радиоизлучения межзвездного газа; радиоизлучения дискретных источников с угловыми размерами от единиц угловых секунд до десятков угловых минут и монохроматического радиоизлучения нейтрального водорода. Для рассматриваемой задачи представляет интерес распределенное радиоизлучение, состоящее из изотропного реликтового излучения интенсивностью 2,7 К и распределенного радиоизлучения Галактики и Метагалактики, а также радиоизлучение дискретных источников - Солнца и Луны. В качестве исходных данных для расчета распределенного радиоизлучения используются результаты экспериментальных измерений ЯТ небосвода на частоте f = 404 МГц. Пересчет ЯТ на другие частоты f осуществляется с учетом известной в радиоастрономии частотной зависимости

TCOSm(f = TcoBfM ^ (18)

где спектральный индекс а может изменяться от

2,3 до 2,8.

Подсвет космического радиоизлучения без учета поглощения в атмосфере определяется для гладкой поверхности в виде

ATcoB = rTcoB^ ^ t), (19)

а для шероховатой поверхности зависит от индикатрисы рассеяния подстилающей поверхности:

ATcBT =j С (а, в, t)F(0,9)dQ

Q

где TCOSBT(a, в, t) - ЯТ распределенного космического излучения, которое является функцией экваториальных координат - прямого восхождения и склонения, а также времени;

F(0, ф) - индикатриса рассеяния.

При расчете поглощения радиоволн в поверхностном слое океана, почвы и в растительности нам необходимы знания комплексной диэлектрической проницаемости перечислен-

92

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ных природных сред. Для расчета комплексной диэлектрической проницаемости почвы (КДП) использовалась четырехкомпонентная модель из [16], полученная на основе модели Лоора для эффективной диэлектрической проницаемости матричной системы

s., = (3s + 2 V (s, - s ) + 2V. (s, - s ) x

M x s jwx fw s' bwx bw s'

x 2V (s - s )) / (3 + V (s / s~ - 1) +

a a s'' v jwx s fw '

+ Vw (s / s. - 1) + V (s / s - 1)), (20)

где индексы bw, fw, s, a относятся к связанной воде, свободной воде, скелету почвы и воздуху;

Vbw, Vv Va - плотности заполнения единицы объема, соответственно, связанной, свободной воды и воздуха.

Древесная растительность состоит из смеси воздуха, сухой древесины, связанной и свободной воды. КДП растительности sv в соответствии с теорией диэлектрических свойств смеси определяется как

sv = s. + sbwvbw + swV w (21)

где vbw, v^ - плотности заполнения единицы объема, соответственно, связанной и свободной водой;

sbw, s^ - КДП связанной и свободной воды;

sd = s’d +

диэлектрическая проницаемость сухой растительности. Для расчета КДП соленой воды s^, входящей в состав почвы, растительности и океана, используются релаксационные модели Дебая и Коула-Коула

s

w

s + js

ww

= s.

sn - s

+----V^ + j 60^0^, (22)

1 + (j v )1-a

A

где s0 и s^ - статическая и оптическая проницаемость;

У - релаксационная длина волны; a - параметр распределения времени релаксации молекулы воды, значение a = 0 соответствует модели Дебая; член 60aQA, описывает поправку на ионную проводимость раствора NaCl к мнимой части s’’w. Параметры s0, sm, Xs, а, а0 зависят от температуры и солености воды. Для модельных расчетов удобны аппроксимации Стогрина, дающие погрешность определения s’w, s’’w по модели Дебая порядка 1 % в диапазоне длин волн 0,2 г 200 см, температуры 0 г 40 °С и солености 0 г 40 г/л s0 = (t, N) = s0(t, 0) a (N) s0(t, 0) = 87,74 - 0,4008t +

+ 9,398 x10-4t2 - 1,410x10-6t3,

a (N) = 1,0 - 0,2551Ns +

+ 5,151 X10-2N2 - 6,889x10-3N3, sM(t) = 5,0 + 0,02t \(t, N) = \(t, 0)b(N)

\(t, N) = 3x[1,1109 - 3,824x10-2t +

* + 6,938x10-4t2 - 5,096 x10-6t3] b(N) = 0,1463 x10-2Nst + 1,0 - 0,04896Ns -- 0,02967N2 + *5,644x10-3 N3, aQ(t, Ns) = a0(25, N)[1,0 - 1,962x10-2A +

+ 8,08 x10-5 A2 - ANs(3,020x10-5 + 3,922x10-5A +

+ Ns(1,721x10-5 - 6,584 x 10-6A))] x 10-2, a0(25, Ns) = Ns(10,384 - 2,3776Ns +

+ 0,6825N2 - 0,1358N3 + 1,0086x10-2N4)

A = 25,0 - t,

где t - температура раствора в градусах Цельсия; Ns - нормальность раствора NaCl в г-экв/л, связанная с соленостью s соотношением Ns = s(1,707 x 10-2 + 1,205 x 10-5s + 4,058 x 10-9s2) Приведенные соотношения дают лишь общее, схематичное представление о глобальной модели радиотеплового излучения Земли в дециметровом диапазоне. Например, модель излучения ионосферы не сводится только к соотношениям (14-16), для описания ее используется несколько десятков формул и численных алгоритмов.

Выходные параметры глобальной модели представляют набор матриц с размерностью 46 x 72. Входные параметры имеют разное пространственное разрешение, и специальный блок модели выполняет интерполяцию входных данных.

Для исследования пространственно-временной динамики радиационных характеристик СПЛА на сезонных масштабах использовались архивные метеорологические данные, NCEP/ NCAR данные о влажности почв с разрешением 2,5° x 2,5°, классификация типов почв по схеме, принятой в FAO/UNESCO и карты типов растительности, полученные в рамках проекта ISLSCP - из глобальных наблюдений радиометром AVHRR спутника NOAA c пространственным разрешением 1° x 1°, карты изофот радиоизлучения космоса с разрешением 5° x 5°.

В качестве примера выходных графических данных глобальной модели приведены схемы распределения радиоизлучения Метагалактики на земную поверхность на волне 75 см (рис. 1), радиоизлучение ионосферы на волне 21 см (рис. 2) и радиоизлучение земной поверхности на волне 21 см (рис. 3). Отсутствие данных обозначено на рисунках ячейками с кругом внутри.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

93

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рис. 1. Пример радиоизлучения Метагалактики на земную поверхность на волне 75 см

Рис. 2. Пример радиоизлучения ионосферы на волне 21 см

Рис. 3. Радиоизлучение земной поверхности на волне 21 см

94

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Радиационная модель лесного полога

При глобальном моделировании эффективная ЯТ в пространственной ячейке Твт зависит от пространственного распределения (мозаичности) яркостных температур

N

TB = Z f/?T , (23)

j=1

где f, TBT - соответственно, относительные площади и яркостные температуры j-го типа поверхности (открытой почвы, почвы с растительностью, водной поверхности и т.п.) в ячейке.

При глобальном моделировании модель имитирует спутниковые наблюдения, когда радиометр принимает излучение, формируемое подстилающей поверхностью и атмосферой. Наиболее сложный вид подстилающей поверхности представляют лесные зоны, которые моделируются тремя средами: почвой, лесной растительностью и атмосферой. Существуют различные электродинамические модели лесной среды, ряд из них требует для функционирования до десятков параметров среды [4]. Такой подход неприемлем в силу сложности описания лесного полога, например, особенностью архитектоники тропического леса является отсутствие доминирующего типа растительности, на участке в 1 га может совместно произрастать до 100 типов различных видов деревьев с трех-четырех ярусной структурой.

Спектральная зависимость яркостной температуры СПЛА обусловлена наличием частотной зависимости параметров rjf), юс(Д TAf) и TCf) в приведенных соотношениях (1-4). Частотные зависимости коэффициента отражения почвы, альбедо растительности и поглощения в атмосфере имеют монотонный характер и слабо влияют на спектральный характер TEBTf).

Выбор модели для тс является ключевой задачей при глобальном моделировании и интерпретации экспериментальных данных по двум причинам. Во-первых, чтобы правильно моделировать спектры ЯТ в соответствии с (1). Во-вторых, что более важно для приложений, использующих как параметр биомассу леса, это определение спектральных связей между интегральным поглощением в (8) и биомассой лесной растительности. На фиксированной длине волны, как известно из теории и экспериментов, интегральное поглощение пропорционально биомассе

растительности и зависит также от влагосодержания, ориентации и геометрических размеров его составляющих, а также физической температуры.

Исследование вклада составляющей тт в общее интегральное поглощение (8) выполнялось рядом исследователей, обзор дан в [17]. В этих работах использовалась дискретная модель леса. Стволы моделировались вертикальными цилиндрами, веточки и ветви - хаотично ориентированными цилиндрами, листья моделировались дисками. Крона разделялась на несколько слоев. Модели учитывали механизм поглощения и рассеяния радиоволн элементами растительности. Моделирование показало, что основной вклад в общее излучение вносит крона и минимальный вклад приходится на долю стволов. Экспериментальные данные по ослаблению излучения кронами и стволами одиночных деревьев в горизонтальном направлении также указывают на значительную долю ослабления элементами кроны. Поэтому при моделировании мы должны уделять главное внимание ослаблению радиоволн кронами деревьев, т.е. составляющими т т тв в (8).

Рассмотрим, какие параметры лесного полога используются в глобальных циркуляционных моделях. Пространственное разрешение GCM по широте и долготе составляет от 4° х 5° до 1° х 1°. Во всех моделях имеются разные схемы распределения типов земной поверхности. В модели [5] приводятся также значения биомассы для всех типов растительности. В модели [6] имеются данные о листовом индексе и удельной площади растительности в ячейке. Но наиболее подходящей для наших целей является модель [19]. Параметры растительности, используемые при моделировании, были получены в экспериментальных работах ISLSCP (International Land Surface Climatology Project). Пространственное разрешение типов ландшафта по результатам обработки данных NDVI радиометра AVHRR составило 1° х 1° в проекте ISLSCP. В модели представлены данные о типах поверхности, о высоте лесного полога в верхней HT и нижней части HB, о массе стволов на единицу площади Q о ширине и длине листа и относительной доли растительности в ячейке (табл. 1).

В рамках простейшей дискретной модели леса элементы лесного полога моделируются диэлектрическими цилиндрами (хвоя, ветви) и дисками (листва).

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

95

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Таблица 1

Параметры растительности

Тип поверхности м Ширина листа, м Длина листа, м LAI Покрытие QT, кг/м2

Водная поверхность 0 0 0 0 0 0 0

Вечнозеленые смешанные леса 17 8.5 0,001 0,055 6 0,8 3.6

Вечнозеленые широколиственные леса 35 1 0,05 0,1 6 0,9 9

Смешанные листопадные леса 14 7 0,001 0,04 6 0,8 3,6

Широколиственные листопадные леса 20 11,5 0,08 0,15 5,97 0,8 6,2

Смешанный растительный покров 18,5 10 0,04 0,1 5,95 0,79 4,9

Лесистая местность 14,9 8,02 0,0195 0,1286 5,98 0,799 3,92

Лесистые пастбища 7,7 4,006 0,0187 0,2327 5,14 0,804 1,98

Сплошные кустарники 4,1 2,08 0,0065 0,1648 5,95 0,79 1

Редкие кустарники 0,45 0,063 0,0034 0,0437 5,92 0,27 0,03

Пастбища 0,5 0,01 0,01 0,3 2,16 0,8 0,02

Пахотные земли 0,5 0,01 0,01 0,3 5,95 0,824 0

Открытая почва 0 0 0,003 0,03 0,79 0,08 0

Населенная местность 2,05 1,022 0,0149 0,2415 5,17 0,73 0,49

В этом случае составляющие интегрального поглощения для кроны рассчитываются как

Т = ApkoSeC0Sv”tpQ / Р* (24)

где A - параметр, зависящий от геометрической

формы рассеивающих элементов растительности; k - волновое число;

o

0 - угол зондирования от надира;

Q - масса растительности на единицу площади;

pV - удельная плотность сырой растительности;

sV”- мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости растительности; tp - коэффициент пропускания листа или иголки; индекс p относится к горизонтальной или вертикальной поляризации.

Для расчета ослабления в листве и ветвях необходимы данные об их биомассе. Биомассу ветвей для лиственных и хвойных деревьев можно задать в виде QB = kBQT, где коэффициент kB находится из литературных источников [6, 7]. Расчет интегрального поглощения в листве выполняется с учетом LAI [8]

х, = A k sec0s ”t B x LAI / p... =

= A k sec0s”t B x LAI m / p (25)

p o p W

где B x LAI - масса листвы на единицу площади, пропорциональная листовому индексу; m - весовое влагосодержание растительности, находится из литературных источников; s” - КДП растительной влаги.

Листовой индекс LAI является наиболее доступным параметром, позволяющим оценивать листовую биомассу, и определяется из данных глобальных наблюдений радиометром AVHRR

с последующим пространственным (1° x 1°) и временным (месяц) осреднением. Значительную часть всех лесов составляют листопадные леса, и знание листового индекса может быть использовано для оценки глобальных сезонных вариаций биомассы леса, что важно при интерпретации спутниковых СВЧ-радиометрических измерений для контроля гидрологического режима лесных почв, оценки уровня пожарной опасности лесов и в других приложениях. Для анализа сезонной динамики состояния живой растительности в работе [8] использовались архивные данные за 1988 г. для двух лесных участков - смешанные хвойно-лиственные леса умеренно-континентального климата Московской области (55,7°N-39,5°E) и леса восточной части штата Оклахома (35°N-95°W) с короткохвойной корабельной сосной, дубово-сосновым и дубово-орешниковым древостоем. Нарастание листового индекса в весенне-летний период обусловлено главным образом процессами облиствления древостоя. Так, величина приращения LAI для Оклахомы составляет 3,2, а для Москвы около 2,8, что обусловлено зональным характером распределения лесов.

Модельные расчеты (1-25) позволяют получить количественные оценки взаимосвязи радиационных характеристик радиотеплового излучения системы почва-лес с изменениями биомассы, ее сезонными вариациями, температуры и влагосодержания лесного полога в мм, см и дм диапазонах, исследовать вариации ЯТ СПЛА на суточных и сезонных масштабах. Модели позволяют исследовать поляризационные свойства полога, оценить вклад в общее поглощение элементов полога. К недостаткам подхода следует

96

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

отнести необходимость знания глобального распределения биомассы и влагосодержания элементов лесного полога. Рассмотренный метод не подходит для исследования тропических лесов, которые моделируются слоистой случайно-неоднородной средой.

Для оценки интегрального поглощения

(8) в лесной растительности на волне 21 см используется эмпирическое соотношение [4, 15]

тс = bW, (26)

где W - влагозапас ветвей лесного полога в кг/м2; b = 0,33 - эмпирический коэффициент (удельное ослабление).

В глобальной модели [15] значение W для тропических, лиственных и хвойных лесов составило, соответственно, 6, 4 и 3 кг/м2. Соотношение

(6) можно представить в виде

Тс = YL, (27)

где у - погонное ослабление радиоволн растительностью;

L - высота лесного полога.

Зная величину у из экспериментов и высоту лесного полога L = HT - HB можно определить

В работе [4] приводится эмпирическая модель зависимости погонного ослабления

Y (дБ/м) от частоты f (МГц) в виде соотношения

Y = Afс, где A = 8х10-4, C « 0,8 для разных типов лесов (тропических, лиственных и хвойных) в диапазоне частот 30 - 9000 МГц.

Эмпирическая модель (26-27) лишена главного недостатка модели (24-25) - нет необходимости знания биомассы и влагосодержания лесного полога. Эта модель используется для расчета поглощения в тропических лесах.

При глобальном моделировании приходится использовать оба подхода, органично сочетая преимущества последних.

Обязательный этап в разработке глобальной модели связан с валидацией результатов моделирования. Мы затронем только часть вопросов, связанных с тестированием модели. Сложный характер зависимости радиационных характеристик от параметров среды обуславливает разработку различных подходов для валидации результатов моделирования излучения Земли. Отсутствие в настоящее время спутниковых СВЧ-радиометри-ческих данных дециметрового диапазона стимулирует использование для локальной валидации глобальной модели результатов полевых и самолетных экспериментов [9, 10], выполненных в

70-90-е годы исследователями России (СССР), США и Европы в различных географических зонах Северного полушария в весенне-летнеосенние сезоны. Для валидации коэффициента излучения системы почва-лес можно использовать результаты систематизации коэффициента излучения различных типов поверхностей, полученные в работе [9] и представленные в таб. 2. Значительный разброс коэффициентов излучения отражает различные режимы увлажнения; температурные вариации, связанные с сезонным ходом радиоизлучения земли; степень покрытия лесом и биомассу леса.

На основе упомянутой выше систематизации данных радиометрических измерений в работе [10] изучалась корреляционная связь между данными в сантиметровом диапазоне 2-6 см и данными в дециметровой области 18-50 см. Экспериментальные результаты указывают на высокую степень корреляции, и, следовательно, для валидации можно использовать корреляционный подход.

В отсутствие спутниковых экспериментальных данных в дм диапазоне для оценки эффективности глобальной модели радиотеплового излучения земной поверхности в L- и Р-диапазо-не [11] можно привлечь имеющиеся спутниковые экспериментальные данные на самой длинной волне в см диапазоне 4,5 см. Применение радиометрии для климатических исследований стало возможным после запуска в 1978 г. многоканального сканирующего радиометра SMMR на спутнике Nimbus-7. В работе [11] приводятся результаты анализа сезонной динамики среднемесячных значений ЯТ на частоте 6,6 ГГц на ВП и ГП для основных типов земной поверхности, используемых в климатических моделях: тропический лес, лиственный листопадный лес, смешанный лес, хвойный лес, лиственничный лес, саванна, трава, лиственные кусты с травой, лиственные кусты с открытой почвой, пустыня, тундра, возделываемые травянистые культуры и многолетние льды и ледники.

С этой целью выполнена обработка данных SMMR за май - сентябрь 1982 г., включающая накопление данных по ячейкам 4° х 5°, осреднение за месяц и селекцию по типам земной поверхности. Для каждого типа суши получены оценки математического ожидания, среднеквадратического отклонения и диапазона изменения ЯТ.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

97

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Таблица 2

Значения коэффициентов излучения поверхности для различных зон Северного полушария в L- и Р-диапазоне

Природные зоны и типы земной поверхности 1-r,

L-диапазон Р-диапазон

Тайга 0,84-0,93 -

Лесостепь 0,73-0,97 -

Степь. Аридные районы 0,79-0,87 -

Полупустыни и пустыни 0,85-0,96 -

Полупустыни и пустыни. Зона недостаточного увлажнения 0,74-0,91 0,75-0,94

Область высокой поясности. Зона переменного увлажнения 0,70-0,90 0,65-0,90

Смешанные и широколиственные леса 0,81-0,91 -

Смешанные и широколиственные леса. Торф 0,76-0,88 0,82-0,94

Смешанные и широколиственные леса. Гари торфяного и сфагнового болота 0,71-0,97 -

Переменно-влажные леса. Сельскохозяйственные поля 0,61-0,94 0,67-0,88

Сахель 0,56-0,92 -

Морской лед 0,55-0,93 -

На необходимость учета космического радиоизлучения при моделировании радиотеплового излучения лесов указывается в работах [12, 13].

Заключение

Соотношения (1-27) дают общее представление о радиационной модели земной поверхности.

Отметим особенности глобального моделирования ослабления растительностью:

- возможность моделирования в широком диапазоне мм, см и дм длин волн;

- размеры ячейки (пространственное разрешение) одинаковы на всех длинах волн;

- малый уровень мозаичности: два - четыре типа поверхности в ячейке;

- использование упрощенных моделей радиоизлучения поверхности;

- необходимость применения различных подходов (моделей) для описания элементов среды;

- глобальные модели наиболее адекватно отражают крупномасштабные пространственные процессы;

- возможность валидации результатов моделирования на волнах 0,8-4,5 см с использованием экспериментальных спутниковых данных;

- масштабы временной динамики определяются возможностями используемых баз данных геофизических параметров среды;

- отсутствие систематизированных баз данных по глобальному распределению биомассы растительности.

Полученные результаты представляют интерес при разработке радиофизических методов для дистанционного зондирования лесной

поверхности в сантиметровом и дециметровом диапазонах.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ, грант № 2059.

Библиографический список

1. Мильшин, А.А. Глобальная модель радиотеплового излучения земной поверхности в L- и Р-участках СВЧ-диапазона / А.А. Мильшин, А.Г. Гранков, Н.К. Шелоба-нова // LIII научная сессия РНТОРЭС им. А.С. Попова, 20-21 мая 1998г. - М., 1998. - С. 75-76.

2. Мильшин, А.А. Картирование температурно-влажностного режима лесных систем по данным самолетной фотосъемки, ИК-измерений и СВЧ-радиометрических измерений в L-диапазоне / А.А. Мильшин, А.Г Гранков, В.Г. Мишанин // Исслед. Земли из космоса. - 1999. - № 5. - С.85-93.

3. Хрулев, В.В. О спектре яркостных температур атмосферы в дециметровом диапазоне волн / В.В. Хрулев,

A. А. Петровский, П.А. Капустин // Изв. вузов. Радиофизика. - 1971. - Т 14. - № 1. - С. 15-17.

4. Чухланцев, А.А. Ослабление электромагнитных волн растительными покровами / А.А. Чухланцев, А.М. Шут-ко, С.П. Головачев // Радиотехника и электроника.

- 2003. - Т 48. - № 11. - С. 1285-1311.

5. Арманд, Н.А. Методы обработки данных радиофизического исследования окружающей среды / Н.А. Арманд,

B. Ф. Крапивин, Ф.А. Мкртчян. - М.: Наука, 1987. - 270 с.

6. Смирнов, В.В. Органическая масса в некоторых лесных фитоценозах Европейской части СССР / В.В. Смирнов.

- М.: Наука, 1971. - 362 с.

7. Алексеев, В.А. Световой режим леса / В.А. Алексеев.

- Л.: Наука, 1975. - 227 с.

8. Мильшин, А.А. Вариации радиотеплового излучения леса в L- и P-диапазоне с учетом сезонного хода LAI по данным радиометра AVHRR спутников NOAA / А.А. Мильшин // Проблемы экоинформатики (материалы 3-го международного симпозиума): сб. науч. тр.

- М.: ИРЭ РАН, ИПЭ РАЕН, 1998. - С. 84-88.

9. Мильшин, А.А. Экспериментальные значения радиояркостных температур земных покровов в L- и P-диапазоне / А.А. Мильшин, А.Г. Гранков, Л.А. Паршина // Проблемы экоинформатики (материалы 4-го междуна-

98

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007