THE ACTIVE LAYER OF THE ARCTIC TUNDRA SOILS TEMPERATURE SOUNDING ON THE BASIS OF L-BAND RADIOMETRIC OBSERVATIONS

Full Text

Наиболее значительные результаты в области дистанционного зондирования температуры почвы арктической тундры, с использованием микроволнового радиометра AMSR-E, обсуждены в работе [1]. Для восстановления температуры почвы использовалась эмпирическая линейная связь между излучательной способностью на H- и V-поляризациях, при этом яр-костная температура измерялась радиометром AMSR-E в диапазоне частот от 6,9 ГГц до 89,0 ГГц при фиксированном угле наблюдения 55°. Данный подход позволил измерить эффективную температуру почвы с погрешностью 3,9 и 10,5 °С для талой и мерзлой почвы, соответственно [1]. В отличие от радиометра AMSR-E, радиометр космического аппарата (КА) SMOS позволяет измерять радиояркостную температуру на H- и V-поляризациях в диапазоне углов 0° до 60° на частоте 1,4ГГц [2]. Ожидается, что радиояркостная температура, измеренная радиометром SMOS в более широком диапазоне углов, позволит уменьшить погрешность восстановления температуры мерзлой почвы по сравнению с достигнутой на данный момент погрешностью. Кроме того, данные SMOS до настоящей работы не были использованы для измерения температуры почвы арктической тундры. В качестве тестового участка была выбрана территория Северного склона Аляски в районе расположения биосферной метеостанции оз. Туулик (68° 37' 22,9" с. ш., 149° 36' 35,4" з. д.). По данному участку доступны усредненные за сутки значения температуры и влажности деятельного слоя почвенного покрова в слое толщиной 0,98 м [3], а так же данные диэлектрической проницаемости верхнего горизонта почвы в широком диапазоне весовой влажности от 0,0 г/г до 0,98 г/г и температуры от -30 до +25 °С [4]. Данные радиояркостной температуры КА SMOS были получены для пиксела, содержащего координату метеостанции, каждый 1-й, 10-й и 20-й день месяца за период с 18.06.2010 по 01.06.2011 гг. (в период с 26.12.2010 по 08.02.2011 гг. доступных данных не оказалось). Территория тестового участка представляет собой коч-карниковую тундру с бедной растительностью и слабым снежным покровом. 6 Раздел 1. Радиолокационная поляриметрия и интерферометрия. Радиометрия земных покровов і наблюдения а наблюдения, б Рис. 1. Угловая зависимость радиояркостной температуры, измеренная SMOS (1), (2) и восстановленная (3), (4) в ходе решения обратной задачи, на вертикальной (1), (3) и горизонтальной (2), (4) поляризациях: а) 20.12.2010, Pr = (2,34; 1,63; -0,66; 0,59; 0,63; 0,92; -9,49); б) 26.12.2010, Pr = (1,10; 1,99; -1,99; 0,71; 0,34; 0,44; -10,07) Модель микроволнового излучения почвы. В качестве первого шага в данном исследовании эффектами объемного рассеяния и затухания волн, связанными со снежным и растительным покровом, прене-брегалось. Яркостная температура на горизонтальной T^h (θ) и вертикальной TBhV (θ) поляризациях, в случае, когда почва непокрыта снежным покровом и растительностью, может быть рассчитана на основе по-луэмпирической L-MEB модели [2] по следующим формулам: TtBh p (θ ) = η p (θ ) · Ts (1) ηp(θ) = {1 -[1 -Q]Гp X X ( εs (Ts , ^ ρ^ f X Hr , Np,q ) + + QГq (θ,(Ts, mv, Pd, f ), Hr, Np q )} ,q ( εs (Ts , mV , Pd , f X Hr , Np,q ) = = \Rp,q ( εs (Ts ,mV, P^ f ))2 X X exp(-Hr cosNp’q θ), (2) Г (3) где θ - угол наблюдения; p - H или V поляризации; q - V или H поляризации; Q - межполяризационный фактор (изменяется от 0 до 1); η^θ) - излучательная способность почвы; Г„ диэлектрическая проницаемость почвы рассчитывалась на основе обобщенной рефракционной диэлектрической модели смеси для органической почвы, образец которой был взят в районе биосферной станции оз. Туулик и содержал по весу 87 % органического вещества, 8 % кварца и 5 % кальцита (модель была создана на основе измерений образцов почвы, находящихся в процессе замерзания). Метод измерения температуры почвы по данным радиометра SMOS. Метод основан на решении обратной задачи - восстановления параметров модели L-MEB: Pr = (Hr, NH, Nv, Q, mV, pd, Ts) при минимизации функционала следующего вида: i=1 Tm. h (θi ) η h (θ,·) TBi.v (θ, ) η V (θ, ) (4) ^(Ts, mV, pd, f, Hr, Np,q) отражательная способность; εs(Ts, mV, pd, f) -комплексная диэлектрическая проницаемость почвы; Ts - температура почвы, mV - объемная влажность почвы, см3/см3; pd - плотность сухого сложения почвы, г/см3; f - частота электромагнитного поля; Rm^, ε^, mV, pd, f)) - коэффициент отражения Френеля; Hr - фактор шероховатости поверхности почвы; Npq - степень влияния фактора шероховатости поверхности почвы от угла наблюдения. Комплексная где TBmH (θ, ), TBmv (θ, ) - яркостная температура на горизонтальной и вертикальной поляризациях, измеренные КА SMOS при угле наблюдения θ7; N - общее число углов наблюдения. Задача минимизации функционала (4) решалась на основе алгоритма Левенберга-Марквардта [5]. Измеренные и восстановленные угловые зависимости радиояркостной температуры для двух дней наблюдения (20 и 26 декабря 2010 г.) приведены на рис. 1. Аналогично была решена обратная задача для 16 дней в период с 10 октября 2010 г. по 10 мая 2011 г., средние значения восстановленных параметров (Pr) модели L-MEB за данный период оказались равны: Hr = 2,51 ± 0,59, Nh = 1,22 ± 0,64, Nv = -1,22 ± 0,99, Q = 0,53 ± 0,24, mV = 0,60 ± 0,20 см3/см3, pd = 0,83 ± 0,34 г/см3, Ts = -10,17 ± 2,03 °С. Отметим, что восстановленное среднее значение влажности почвы из анализа данных SMOS, близко к средней объемной влажности почвы 0,48 см3/см3, измеренной [3] в районе оз. Туулик метеостанцией, до замерзания почвы. Временной ход 7 Вестник СибГАУ. № 5(51). 2013 Дата Рис. 2. Временные ряды температуры почвы: 1) измеренные метеостанцией на глубине 8,7 см; 2) 16,0 см; 3) 23,6 см; 4) 46,3 см; 5) восстановленные по данным SMOS Дата Рис. 3. Временной ход температуры почвы, восстановленной по данным SMOS (1) и средней температуры слоя толщиной 0,27м по данным метеостанции (2). Среднеквадратичное отклонение 2,4 °С, коэффициент Пирсона 0,67 восстановленных значений температуры почвы Ts и измеренных метеостанцией температуры почвы на различных глубинах изображен на рис. 2. На основе измеренных метеостанцией профилей температуры были найдены толщины слоев, средняя температура в которых равна соответствующим значениям восстановленной температуры почвы Ts по данным SMOS. Средняя толщина излучающего слоя оказалась равной 0,27 ± 0,17 м. Временной ход средней температуры слоя толщиной 0,27 м по данным метеостанции и восстановленные значения температуры почвы по данным SMOS представлены на рис. 3. В результате корреляционного анализа установлено, что значения температуры измеренные по данным SMOS со среднеквадратичным отклонением 2,4 °С совпадают со средней температурой слоя почвы толщиной 0,27 м, измеренной метеостанцией в районе оз. Туулик. В результате проведенного исследования было показано следующее. Полуэмпирическая модель L-MEB [2] c использованием диэлектрической модели органической почвы [4] хорошо описывает угловые зависимости радиояркостной температуры, измеренные радиометром КА SMOS над территорией Северного склона Аляски со слабым растительным и снежным покровом. Использование диэлектрической модели [4] арктической тундровой почвы позволяет восстанавливать не только температуру поверхностного слоя почвенного покрова, но и проводить оценки объемного содержания влаги и плотности верхнего горизонта почвы. Для практического использования данного алгоритма необходима его дополнительная валидация над другими территориями арктической тундры. Дальнейшая модификация данного алгоритма будет применена для восстановления профиля температуры поверхностного слоя почвы арктической тундры.

About the authors

K. V. Muzalevskiy

Institute of Physics named after L. V. Kirenskiy of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

Email: rsdkm@ksc.krasn.ru
50/38 Akademgorodok st., Krasnoyarsk, 660036, Russia; 31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia

V. L. Mironov

Institute of Physics named after L. V. Kirenskiy of the Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

Email: rsdkm@ksc.krasn.ru
50/38 Akademgorodok st., Krasnoyarsk, 660036, Russia; 31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia

A. A. Shvaleva

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

Email: rsdkm@ksc.krasn.ru
31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia

References

Supplementary files