Особенности яркостных характеристик территории юга Западной Сибири и Северного Казахстана в период таяния снежного покрова, измеряемых космическим аппаратом SMOS

Результаты исследований процессов замерзания-оттаивания земных покровов востребованы при решении задач климатологии и метеорологии. По причине глобального характера решаемых задач главным средством мониторинга поверхности являются спутниковые технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Достоинство микроволновых радиометрических методов, по сравнению с другими методами мониторинга, заключается в возможности получения информации об относительно толстом поверхностном слое почв. Спутник SMOS является одним из немногих аппаратов ДЗЗ, имеющим на борту микроволновый радиометр [1].

Яркостная температура почвы определяется выражением вида

Тя = Тэфф -X где Tэфф – эффективная температура почв, зависящая от функций изменения термодинамической температуры и комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) с глубиной; χ – коэффициент излучения. Изменение температуры почвы приводит как к изменению Tэфф, так и χ. Наибольшие изменения χ наблюдаются при температуре фазового перехода почвенной влаги.

Раздел 1. Радиолокационная поляриметрия и интерферометрия. Радиометрия земных покровов

Промерзание почвы при температуре воздуха немногим ниже 0 °C будет отличаться тем, что вся свободная вода в пределах замерзшего слоя замерзнет, а большая часть связанной воды будет находиться в жидком состоянии [2]; по мере роста глубины промерзания Т я вначале монотонно увеличивается, затем, осциллируя, стремится к значению, соответствующему почве, промерзшей до глубины, превышающей глубину зондируемого слоя радиометра [3]. Величина перепада Т я между значениями в талом и замерзшем состоянии в большей степени определяется влажностью почв перед промерзанием и может достигать величин от единиц кельвин для малоувлажненных почв до десятков кельвинов для сильно влажных (рис. 1). В силу климатических и географических особенностей юга Западной Сибири величина Т я поверхности перед промерзанием велика, что затрудняет отслеживание процесса промерзания почв с помощью спутника SMOS (рис. 1, а ).

В замерзшем состоянии изменения Тя обусловлены дальнейшим понижением термодинамической температуры почвы, слабым увеличением коэффициента излучения вследствие постепенного замерзания связанной воды, а также ростом толщины снежного покрова на поверхности почвы. Эксперимент, проведенный в январе 2013 г., показал, что вариации Тя почвы, покрытой слоем снега в 25 см, не превышали 2 К. При этом термодинамическая температура снега в его толще изменялась на 15 К, а температура поверхности почвы на 10 К. Объяснить такой факт, на наш взгляд, можно взаимной компенсацией влияния роста коэффициента излучения и падения термодинамической температуры почвы.

В процессе анализа радиометрических данных SMOS в зимний период использовались данные, усредненные в диапазоне углов зондирования в 40,5º–42,5º (данные, полученные для этих углов зондирования, встречаются чаще всего). Вариации Т _я, в отличие от наземных измерений, были более существенными, но не коррелировали с эффективной температурой ( Т эфф ), приведенной в SMOS Level 2 (рис. 2, а ). При этом корреляция между температурой воздуха и Т _э фф почвы была несколько лучше (рис. 2, б ).

а

б

Рис. 1. Результаты наземных ( 1 ), спутниковых ( 2 ) измерений Т _я почв под углом зондирования 30º, а также временной ход температуры воздуха ( 3 ) на момент измерений в 2011 г. ( а ) и 2012 г. ( б )

а

б

Рис. 2. Зависимости радиояркостной ( Т _я), эффективной ( Т _э фф ) и термодинамической ( Т ) температур для одного из пикселей радиометрического снимка в период осень 2012 – зима 2013 гг.

Рис. 3. Временной ход яркостной температуры для углов зондирования 40,5°–42,5°, полученной усреднением значений для пикселей с широтой 53,5° с. ш. ( 1 , 3 ) и 55,5° с.ш. ( 2 , 4 ) в диапазоне долгот от 70° до 76° в. д. для азимутальных углов зондирования 0° ( 1 , 2 ) и 180° ( 1 , 2 )

Таяние снега сказывается на величине Т я , измеренной SMOS, в гораздо большей степени. В данных SMOS направление от спутника к зондируемому участку, совпадающее с направлением на географический юг, принимают за азимутальный угол, равный 0°. Анализ радиометрических данных показал: между значениями Т я , полученными при азимутальных углах 0º и 180º в момент таяния снега, имеются достоверные различия, которые нельзя свести к ошибкам работы аппаратуры (рис. 3) [4; 5]. На наш взгляд, различия в Т я можно объяснить влиянием крупномасштабных неровностей поверхности. Однако объяснить поведение Т я , наблюдаемое на приведенном графике, простым затенением северных склонов не представляется возможным, поскольку азимутальному углу зондирования в 0° (зондированию северного склона) соответствует более ранний минимум (раннее окончание таяния), по сравнению с данными для азимутального угла зондирования в 180° (зондирова-нию южного склона). Более развернутое объяснение эффекта требует дополнительных исследований.

Таким образом, проведенные исследования и анализ данных показали, что радиометрические данные SMOS не позволяют достоверно определять момент начала промерзания. Процессы таяния сказываются на временном ходе Т я , измеренной аппаратом SMOS, в гораздо большей степени. Найденные различия Т _я, полученные при разных азимутальных углах, в моменты таяния снега требуют дополнительного анализа.