CC BY
61
————== СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ======
УДК 551.5
СПУТНИКОВЫЙ ИНДЕКС КЛИМАТИЧЕСКИХ ЭКСТРЕМУМОВ
ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ
© 2012 г. А.Н. Золотокрылин, Т.Б. Титкова
Институт географии Российской академии наук Россия, 119017Москва, Старомонетный пер., 29.
E-mail: azolotokrylin1938@yandex.ru, ttitkova@yandex.ru
Поступила 09.03.2012
Предлагается спутниковый индекс для детектирования климатических экстремумов (Satellite Climatic Extremes Index, SCEI) - засух и переувлажнения после обильных осадков на засушливых землях. SCEI представляет собой сумму отклонений от многолетнего среднего влажности почвы, NDVI, альбедо, температуры поверхности, нормированных на среднее квадратическое отклонение. Обсуждаются особенности его использования для изучения динамики опустынивания на примере Северо-Западного Прикаспия. Ключевые слова: климатические экстремумы, альбедо, температура поверхности, NDVI, влажность почвы, MODIS, засушливые земли.
Экстремальность климата засушливых земель обусловлена в основном экстремальностью осадков. Она проявляется чаще всего в повторяющихся засухах и реже в обильных осадках, вызывающих кратковременное переувлажнение почвы. Пространственно-временная изменчивость этих экстремумов влияет на биофизические тенденции, которые наряду с социально-экономическими, важны для понимания причин опустынивания и его последствий.
Надежной информацией о климатических экстремумах становится спутниковый мониторинг таких биофизических параметров и их аномалий, как влажность почвы (Soil Water Index, SWI) , вегетационный индекс (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI), альбедо и температура поверхности. В настоящее время эти параметры, за исключением влажности почвы, регулярно вычисляются с 2000 г. по данным спутниковых наблюдений радиометром MODIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer). Спутниковый мониторинг данных SWI, начатый в Технологическом Университете Вены в 1992 г. продолжается по настоящее время, но к самим данным нет открытого доступа.
Опыт применения спутниковых биофизических параметров накоплен в основном для детектирования засух в региональном и глобальном масштабах. Дискуссия на эту тему в научных кругах ведется достаточно давно. Вначале был предложен индекс вегетационных условий (Vegetation Condition Index, VCI), как функция NDVI, а несколько позднее индекс температурных условий (Temperature Condition Index, TCI), как функция температуры поверхности, и, наконец, комбинация VCI и TCI - индекс состояния (здоровья) вегетации (Vegetation Health Index, VHI) (Kogan, 1990,1995). Вскоре стали известны другие индексы засухи, построенные на комбинации альбедо и температуры поверхности или NDVI и альбедо (Ghulam et al., 2004). Но до сих пор не было предложено универсального спутникового индекса для одновременного детектирования климатических экстремумов -засух и переувлажнений применительно к засушливым землям.
Цель работы состоит в обосновании спутникового индекса климатических экстремумов (Satellite Climatic Extremes Index, SCEI), который по физическому смыслу может быть как отрицательным (засуха) или положительным (локальное и кратковременное
переувлажнение). В работе предполагается детальное описание методики оценки SCEI и обсуждение особенностей его использования для изучения динамики опустынивания.
Применение индекса рассматривается на примере засушливых земель Северо-Западного Прикаспия. По данным спутниковых наблюдений радиометром MODIS за NDVI, альбедо и температурой поверхности в период 2000-2011 гг. предполагается на исследуемой территории: (1) оценить в заданные периоды вегетационного сезона распределение SCEI в 2010 г., известного как года с экстремальной засухой в Европейской России; (2) рассмотреть межгодовой ход SCEI и выявить многолетнюю его тенденцию; (3) установить районы с максимальной повторяемостью положительных и отрицательных значений SCEI в периоды 2000-2005 и 2006-2011 гг.
Обоснование индекса и методика его оценки
Пространственно-временное изменение биофизических параметров засушливых земель прямым или косвенным образом отражает экстремальность климата, которая проявляется в отклонениях (аномалиях) от многолетнего среднего значений влажности почвы (Soil Water Index, SWI), NDVI, альбедо и температуры поверхности. Например, на начальном этапе засухи возникает отрицательная аномалия влажности почвы и растения начинают испытывать недостаток влаги. На уровне растительной ассоциации из-за изменения физиологических процессов цвет ассимиляционных органов меняется в сторону пожелтения видов растений, наименее устойчивых к недостатку влаги. Возникает отрицательная аномалия NDVI, вызывающая положительную аномалию альбедо поверхности. Энергия, которая раньше тратилась на транспирацию и испарение почвы, расходуется на турбулентный прогрев воздуха и почвы. В результате формируется положительная аномалия температуры поверхности и воздуха. Таким образом, засуху можно выразить через индекс, который является отрицательной функцией аномалий биофизических параметров.
В период, когда осадки и влажность почвы выше среднемноголетних значений, для засушливых земель характерны положительные аномалии влажности почвы, NDVI и отрицательные аномалии альбедо и температуры поверхности. В этом случае индекс, как функция аномалий биофизических параметров становится положительным.
Изложенное выше качественное объяснение индекса климатических экстремумов засушливых земель может быть формализовано и представлено в виде:
SCEI ¡=-(ДА;/оА+ATsi/oTs)+ANDVIi/oNDVI+ASWIi/oSWI (1),
где AAi - аномалия альбедо за i год; оА - среднеквадратическое значение альбедо за базовый период (в данном случае за 2000-2011 гг.); ATsi - аномалия температуры поверхности за i год; oTs - среднеквадратическое значение температуры поверхности за базовый период; ANDVIi - аномалия NDVI за i год; oNDVI - среднеквадратическое значение NDVI за базовый период; ASWIi - аномалия влажности почвы за i год; oSWI -среднеквадратическое значение влажности почвы за базовый период.
Из-за неполноты данных о влажности почвы в работе использовалось выражение (1) в сокращенном виде:
SCEI i=-(AAi/oA+ATsi/oTs)+NDVIi/oNDVI (2).
Значения, полученные по формуле (2), нормировались на их среднеквадратическое отклонение, чтобы исключить незначимые («шумовые») значения индекса, т.е. значения лежащие в диапазоне среднеквадратического отклонения. В этом случае анализировались только значения индекса менее -1 (засуха) и более 1 (переувлажнение).
Территория исследования охватывает целиком Северо-Западный Прикаспий и часть Северного Прикаспия и ограничена 45-51° с.ш. и 44-51° в.д. Она состоит из российской части
(Калмыкия, Астраханская и южные районы Волгоградской и Саратовской областей, восточные районы Ростовской области и Ставропольского края), а также западных районов Казахстана. Территория представлена субгумидными, семиаридными и аридными землями. Согласно «Фитоэкологической карте Северного Прикаспия» здесь имеют зональное распространение средние (сухие) степи на каштановых почвах, южные (опустыненные) степи на светлокаштановых почвах, северные пустыни на бурых почвах и сельскохозяйственные земли на их месте (Сафронова, 2002).
В работе использованы данные альбедо, среднемесячной температуры поверхности, NDVI (https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/products/modis_products) Центра LP DAAC NASA: LAND PROCESSES DISTRIBUTED ACTIVE ARCHIVE CENTER. Все параметры имеют разрешение 0.05х0.05° (в среднем 5600х5600 м). Анализировались данные за сроки: 9-25 мая, 26мая-9 июня, 10-25июня, 26июня-11июля, 12-27июля, 28июля-12августа, 13-28августа для периода 2000-2011 гг.
Для альбедо (BRDF-Albedo Model Parameters 16-Day L3 0.05Deg CMG) бралась модель MCD43 C1 версии 005 с дискретностью 16 дней. В данной версии объединялись самые качественные данные спутников MODIS/Terra+Aqua BRDF/Albedo. Значения индекса растительности NDVI (Vegetation Indices Monthly L3 Global 0.05Deg CMG) были получены по данным MODIS/Terra модели MOD13C1 - 005 с шагом в 16 дней. Для среднемесячной температуры поверхности (Land Surface Temperature and Emissivity Monthly L3 Global 0.05 Deg CMG) использовалась модель MOD11 C2 версии 005, по данные спутника MODIS/Terra с периодичностью 8 дней. По двум 8 дневным срокам вычислялось среднее за период 16 дней, идентичным периодам для альбедо и NDVI.
В работе проведено сравнение нового индекса SCEI с применяемыми в практике Росгидромета России с показателями засухи (опасная атмосферная засуха, ОАЗ) и увлажнения (гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова, ГТК) (Золотокрылин и др., 2007; Черенкова, 2007). Согласно критерию Гидрометцентра России, ОАЗ возникает в сезон вегетации, когда в течение не менее 30 дней подряд при среднесуточной температуре воздуха выше 25°С осадки не превышают 5 мм в сутки. Иными словами ОАЗ формируется при длительной отрицательной аномалии осадков и положительной аномалии температуры воздуха. Для сравнения использовалась нормированная на среднеквадратическое отклонение аномалия ГТК, чтобы исключить зональное изменение ГТК (резкое уменьшение ГТК при переходе от сухих субгумидных земель к семиаридным и аридным). В этом случае экстремумами ГТК считались нормированные значения больше 1 (переувлажнение) или меньше -1 (засуха). Показатели ОАЗ и нормированная аномалия ГТК вычислялись для мая, июня, июля 2002 и 2010 гг. по данным 7 метеостанций. Затем строились карты этих показателей, которые сравнивались с соответствующими картами SCEI. Сравнение показало четкое совпадение знаков экстремумов, рассчитанных по SCEI и по станциям. Но конфигурация очагов экстремумов отличалась, поскольку для спутниковых данных пространственное разрешение было почти на порядок выше, чем для метеорологических данных. Также доверие к SCEI повышается в связи с тем, что спутниковые данные отражают зональные особенности растительного покрова.
Результаты
Распределение индекса SCEI на территории в мае и июне 2010 г. представлено на рисунке 1a, б, на котором светло-серым цветом выделены ареалы с засухой (индекс менее -1). Внутри ареалов с умеренной засухой интенсивным серым цветом выделены ареалы с сильной засухой (индекс менее -2). Серовато-черным цветом изображены ареалы переувлажнения (индекс более 1), а черным цветом ареалы сильного переувлажнения
(индекс более 2). Ареалы со значением аномалии индекса, меняющегося в пределах стандартного отклонения (от -1 до 1), не закрашены. Как видно из рисунка 1а, в период с 9 по 25 мая несколько очагов засухи возникло преимущественно в северных и восточных районах территории. Их общая площадь не превышала 20% от всей территории. Одновременно на территории наблюдались три крупных очага переувлажнения. Индекс был близок к норме в районе биосферного заповедника «Черные земли».
Рис. 1 а, б. Распределение индекса климатических экстремумов (SCEI) засушливых земель в мае и июне 2010 г., осреднение 0.25х0.25 град: а) 9-25 мая, б) 10-26 июня. Fig. 1 а, б. Distribution of dryland climatic extrema index (SCEI) in May and June 2010, resolution 0.25x0.25 degree: a) May 9-25, б) June 1026.
Площадь очагов засухи была примерно в два раза больше очагов переувлажнения. Соответственно площадь индекса, близкого к норме, составила около 70%. Площадь очагов с сильной засухой была больше площади с сильным переувлажнением, а их общая площадь не превышала 2%.
Через месяц (с 10 по 25 июня) засуха охватила уже 45% территории (рис. 1 б). Рост площади очагов с сильной засухой до 5% указывает на то, что возросла и ее интенсивность. Характерно, что северные и восточный очаги засух несколько уменьшились (мелкие очаги исчезли), но в то же самое время началось распространение засухи с южных и юго-западных районов территории. Засуха затронула и Черные земли. Одновременно до 44% сократилась территория индекса близкого к норме. Очаги переувлажнения в мае не сохранились.
Период с 12 июля по 28 июля характеризуется дальнейшим распространением засухи на север и объединением ее с северными очагами. Интенсивность засухи также повысилась. Сильная засуха отмечалась на территории биосферного заповедника «Черные земли». Своего апогея засуха достигла в период с 28 июля по 12 августа, а затем ее интенсивность стала снижаться во второй половине августа (с 13 по 28).
Таким образом, в мае засуха 2010 г. проявилась в виде очагов на севере и востоке территории. В июне она возникла в южных и юго-западных районах и стала распространяться на север, где произошло объединение с оставшимися северными очагами. В июле засуха охватила большую часть территории.
Межгодовой ход индекса 8СБ1 на территории за период 2000-2011 гг. (с 9 по 25 мая) представлен на рисунке 2 (а, б). Площадь, затрагиваемая засухой, в большинстве лет не превышает 37%. При этом доля сильных засух составляет 7%. Максимальные по площади засухи наблюдались в 2003 и в 2009 гг. Они занимали соответственно 37 и 29% от всей территории. Группировка засух, с охватом более 20% территории, отмечалась в период с 2007 по 2011 гг. В первую половину периода (2000-2005 гг.) средняя площадь с засухами составляла 12%, а во вторую половину (2006-2011 гг.) повысилась до 20%. Положительная динамика площади с засухами в последние 6 лет подтверждается линейным трендом (рис. 2а, б).
Рис. 2 a, б, в, г. Межгодовой ход площади в % индекса климатических экстремумов SCEI засушливых земель на территории 45-51° с.ш., 44-51° в.д. за период 2000-2011 гг.: а) и б) - 9-25мая; в) и г) - 10-25 июня. Fig. 2 a, б, в, г. Dynamics of dryland climatic extrema index (SCEI), 45-51° N, 44-51° E, by years 2000-2011: а) and б) May 9-25; в) and г) June 10-25.
Картина межгодового хода переувлажнения зеркальна по отношению к засухам (рис. 2a, б). Очень влажный май наблюдался в 2000 г. Переувлажнение отмечалось на 45% территории, в том числе сильное - на 4%. В остальные годы площадь переувлажнения не превышала 23%. В первую половину периода средняя площадь с переувлажненными землями составляла 19%, а во вторую половину - 14%. Таким образом, в мае положительная
динамика площадей с отрицательным индексом и отрицательная с положительным свидетельствуют о слабовыраженной тенденции возрастания засушливости территории.
В июне (10-25) обширные засухи с охватом более 40% территории были в 2007, 2009 и 2010 гг. (рис. 2 в, г). Группировка засух с минимальным распространением (менее 7%) наблюдалась в 2002-2006 гг. Если в первую половину периода средняя площадь охвата засухой составляла 3%, то во вторую половину превышала 30%. Во втором периоде отмечались две обширные засухи (2009-2010 гг.) подряд. Положительная динамика повторяемости засух стала более выраженной.
Увеличение засушливости второго периода по сравнению с первым подтверждает межгодовой ход площадей с положительным индексом. Средняя площадь переувлажненных земель в первый и второй период составляла соответственно 24% и 4%. Таким образом, признаки роста засушливости климата в июне 2006-2011 гг. проявились в положительной динамике засух и отрицательной динамике переувлажненных земель.
Рассмотрим изменение повторяемости засух и переувлажнений на территории за май-июнь 2000-2005 и 2006-2011 гг. (рис. 3а, б, в, г). Как видно из рисунка 3а, засухи концентрируются в северной и восточной частях, а также на юго-западе территории. Между ними проходит полоса, в которой засухи почти не наблюдались. Основной очаг максимальной повторяемости засух (24%) расположен в Среднем Поволжье. От него в юго-восточном направлении тянется цепочка маленьких очагов с повторяемостью 24%.
Во втором периоде засухи на всей территории участились (рис. 3 б). Основной очаг с максимальной повторяемостью засух (40%) покрыл южную часть Волгоградской области и Калмыкию. Отдельные небольшие очаги отмечались в Астраханской области. Таким образом, во втором периоде повторяемость засух возросла, а очаг с максимальной повторяемостью переместился со Среднего Поволжья на юг Волгоградской области и Калмыкию.
В первый период почти на всей территории отмечались локальные переувлажнения земель хотя бы один раз за 10 лет (рис. 3 в). Лишь локальные участки земель имели повторяемость переувлажнения 40%. Территория с переувлажненными землями резко сократилась во второй период (рис. 3 г). Максимальная повторяемость упала до 24% и ее очаги переместились на северо-запад территории.
Обсуждение результатов
Важен вопрос влияния климатических экстремумов на динамику очагов опустынивания. В работе (Золотокрылин, Титкова, 2011) были выявлены особенности динамики Черноземельского очага опустынивания антропогенного происхождения и Хаки-Сорского очага, преимущественно природного происхождения. Особенность поведения этих очагов заключалась в том, что Черноземельский очаг сокращался в последние годы, а Хаки-Сорский очаг расширялся и объединялся с другими локальными очагами. Результаты данной статьи пополняют объяснение динамики очагов в период 2000-2004 гг. по сравнению с периодом 2005-2009 гг. Теперь сокращение Черноземельского очага в последнее пятилетие можно считать следствием не только ослабления перевыпаса и его прекращения в заповедной зоне, но и локализацией в мае-июне в этом районе положительных климатических экстремумов. Обострение и расширение Хаки-Сорского подтверждено новым результатом: локализацией западнее солончака Хаки-Сор сильных отрицательных экстремумов в мае-июне.
В заключение отметим, что 8СБ1 - это региональный показатель. Эффективность его применения особенно высока в субгумидных, семиаридных и аридных землях умеренных и тропических широт.
Рис. 3 а, б, в, г. Изменение повторяемости в (%) засух (индекс климатических экстремумов SCEI < -1) и переувлажнений (SCEI >1), осреднение 0.25x0.25 град., май-июнь: а) < -1 - 2000-2005 гг., б) < -1 - 2006-2011 гг., в) > 1 2000-2005 гг., г) >1 2006-2011 гг. Fig. 3 а, б, в, г. Dynamics of droughts (SCEI < -1) and over-humidification (SCEI >1), resolution: 0.5x0.5 degree, May-June: а) < -1 - 2000-2005, б) < -1 - 2006-2011, в) > 1 - 2000-2005, г) >1 - 2006-2011.
Выводы
Применение спутникового индекса климатических экстремумов SCEI на примере Северо-Западного Прикаспия позволяет уменьшить неопределенность в понимании современной тенденции динамики регионального климата и опустынивания. При этом становится уже не критичным заметная разреженность метеорологической сети.
Во-первых, экстремальная засуха 2010 г. в Европейской России полностью проявилась на территории Северо-Западного Прикаспия только к середине лета, в то время как в Поволжье и Заволжье она наблюдалась уже в мае. В конце весны на значительной части территории наблюдалась обширная положительная аномалия влажности.
Во-вторых, более прозрачным стал вопрос о возможной тенденции засушливости Северо-Западного Прикаспия. Увеличение площадей с отрицательными климатическими экстремумами и сокращение площадей с положительными в период 2006-2011 гг. по сравнению с периодом 2000-2005 гг. повышает вероятность развития фазы иссушения, что необходимо учитывать в планировании устойчивого развития территории.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Золотокрылин А.Н., Виноградова В.В., Черенкова Е.А. 2007. Динамика засух в Европейской России в ситуации глобального потепления // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. С.-П.: Гидрометеоиздат. Т. XXI. С. 160-182. Черенкова Е. А. 2007. Динамика опасной атмосферной засухи в Европейской России //
Метеорология и гидрология. № 11. С. 14-24. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б. 2011. Новый подход к мониторингу очагов опустынивания
// Аридные экосистемы. Т. 17. № 3(48). С. 14-22. Ghulam A., Qin Q., Wang L., Zhan Z., Wang D. 2004. Development of Broadband Albedo Based Ecological Safety Monitoring Index // IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). September 20-24, 2004. Anchorage, Alaska, Egan Convention Center. USA.Vol. VI. P. 4115-4118. Kogan F.N. 1990. Remote sensing of weather impacts on vegetation on in non-homogeneous areas
// International Journal of Remote Sensing. N 11. P. 1405-1419. Kogan F.N. 1995. Application of vegetation index and brightness temperature for drought detection // Advances in Space Research. N 15. P. 91-100.
SATELLITE CLIMATIC EXTREMES INDEX OF DRYLAND
© 2012. A.N. Zolotokrylin, T.B. Titkova
Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences
Russia, 119017Moscow, Staromonetnyi per. 29. E-mail: azolotokrylin1938@yandex.ru, ttitkova@yandex.ru
Satellite index for detecting climatic extremes, such as droughts and over-humidification after heavy precipitation at drylands, have been suggested. Satellite Climatic Extremes Index (SCEI) calculated as summed deviations from the long-term average values (normalized SD) of soil moisture, NDVI, albedo, surface temperature. Peculiarities of SCEI in case of studying desertification dynamics in the North-West Caspian region are discussed.
Keywords: climatic extremes, albedo, surface temperature, NDVI, soil moisture, MODIS, dryland.
