![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
В настоящее время в науках о Земле тепловые космические снимки применяются достаточно широко, однако в направлении использования их для климатического районирования и создания климатических карт пока сделаны только первые шаги. Для расчёта значений температуры земной поверхности тепловые космические снимки высокого пространственного разрешения стали использоваться сравнительно недавно, т.к. в уравнении пересчёта присутствует излучательная способность объектов земной поверхности, различная у разных объектов и, соответственно, заранее неизвестная. Тем не менее, в настоящее время существует некоторое количество методик расчёта значений температуры земной поверхности по тепловым космическим снимкам, различающихся количеством используемых параметров и точностью. Проводятся попытки сопоставления рассчитанных значений температуры земной поверхности и измеренных с помощью метеоприборов значений температуры приземного слоя атмосферного воздуха. Динамические характеристики интенсивности теплового излучения и температуры используются в геоэкологическом районировании в качестве дополнительных параметров (в частности, при составлении так называемых карт "земных покровов и использования земель" - land cover/land use). Однако целостной методики, включающей расчёт значений температуры земной поверхности, сопоставление их с измеренными значениями температуры приземного слоя атмосферного воздуха, расчёт полей температуры воздуха на основе выявленных зависимостей и дифференциацию видов динамики интенсивности теплового излучения и температуры для последующего составления климатических карт, в настоящее время не разработано. Значительные территории нашей страны не охвачены сетью метеорологических наблюдений с разрешением, достаточным для детализации важных локальных и местных климатических особенностей, что приводит к отсутствию информации о климатических характеристиках больших по площади районов. Такая информация необходима для оценки природных ресурсов, при проектировании хозяйственных объектов и выборе вариантов их размещения с точки зрения финансовых затрат и сохранения окружающей среды. Разработка методики использования тепловых космических снимков высокого пространственного разрешения в климатическом картографировании на местном и локальном масштабных уровнях в сочетании с применением результатов детализированного климатического моделирования позволит получать детальную информацию о климатических характеристиках, представленную в виде климатических карт, актуальную при разработке стратегий освоения территорий. Совместное использование в климатическом картографирования результатов климатического моделирования и спутниковых данных позволит повысить качество результата.
Currently, in Earth sciences, thermal infrared satellite images are used quite widely, but in the direction of their use for climatic zoning and creating climatic maps, only the first steps have been made. To calculate the values of the land surface temperature, thermal infrared satellite images began to be used rather recently, because in the conversion equation there is the emissivity of the objects of the Earth's surface, that is different for various objects. Nevertheless, at the present time, there are a number of methods for calculating the values of the land surface temperature from thermal infrared satellite images, which differ in the number of parameters used and in their accuracy. Attempts are made to compare the calculated values of the land surface temperature and the temperature values of the surface layer of atmospheric air, measured by weather stations. The dynamic characteristics of the intensity of thermal radiation and temperature are used in geoecological zoning as additional parameters (in particular, when drawing up the so-called "land cover / land use" maps). However, an integral methodology including the calculation of the values of the land surface temperature, their comparison with the measured temperature values of the surface layer of atmospheric air, the calculation of the air temperature fields based on the revealed dependencies and the differentiation of the types of the thermal radiation and temperature intensity dynamics for the subsequent compilation of climatic maps, is not yet developed. Significant areas of our country are not covered by a dense network of weather stations; that leads to the lack of information on the climatic characteristics for large areas. Such information is necessary for the assessment of natural resources, in the design of economic facilities and the choice of the most successful option for their location in terms of financial costs and environmental control. The development of the methodology of the use of thermal infrared satellite images of high spatial resolution in climate mapping at local climate and microclimate levels will allow to obtain detailed information (presented on the climatic maps) relevant to work-out the territorial development strategies.
Предлагаемая методика позволит составлять детальные карты климатической тематики на масштабных уровнях, соответствующих понятиям "местный климат" и "микроклимат". Это позволит расширить научные знания о местном климате и микроклимате, получить детальную информацию о климатических характеристиках небольших участков земной поверхности. Такие карты могут быть использованы в сельском и лесном хозяйстве для оценки состояния насаждений и организации рационального использования земель, в градостроительстве при реконструкции районов городов и строительстве новых кварталов, при освоении природных ресурсов в малонаселённых районах нашей страны, а также для организации систем рационального природопользования.
Руководителем разработана методика дешифрирования многовременных разносезонных тепловых космических снимков с целью картографирования природных и антропогенных территорий. Методика опробована на таких антропогенных территориях, как Москва, Ульяновск, Нижний Новгород; и на таких природных территориях, как ООПТ регионального значения Вулкан Менделеева (Южно-Курильский район Сахалинской области РФ) и Алтачейский природный заказник федерального значения (Мухоршибирский район Республики Бурятия РФ). Для исследования городских островов тепла на основе тепловых космических снимков и результатов наземных измерений температуры воздуха изучены методы атмосферной коррекции тепловых космических снимков с использованием моделей переноса излучения (RTTOV). В Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН разрабатываются методы восстановления температуры подстилающей поверхности по спутниковым данным для водных объектов, методы определения состояния ледяного покрова, восстановление атмосферных характеристик. В частности, разработана новая методика определения состояния морского ледяного покрова по радиотепловым данным и методика восстановления полей ветра в прибрежной зоне по данным оптических каналов. В 2013-2017 гг. участник проекта М.И. Варенцов принимал активное участие в первой в России экспериментальной компании по изучению микроклимата арктических городов. М.И. Варенцов имеет большой опыт работы с многолетними рядами метеорологических наблюдений и их анализа для изучения микроклиматических и мезоклиматических особенностей урбанизированных территорий. Является опытным пользователем модели COSMO-CLM, использование которой предполагается в данном Проекте.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Разработка методики использования тепловых космических снимков высокого пространственного разрешения в климатическом картографировании на местном и локальном масштабных уровнях. Этап 1 |
Результаты этапа: Проведён анализ ключевых участков: территорий городов Москва, Краснодар, Апатиты, Надым, Воркута, Салехард; акватории Горьковского водохранилища; территории Южно-Курильского района Сахалинской области. Проведена усешнная адаптация региональной климатической модели к ключевым участкам. Проведены тестовые численные эксперименты для отдельных сезонов. Для всех участков проведены подбор космических снимков и обработка данных наземных измерений. Для Москвы проведено сопоставление температурных данных космических снимков со спутника Landsat 8 с результатами наземных измерений и с температурными данными съёмочной системы MODIS. Для территории города Краснодара составлена и проанализирована карта тепловой структуры, визуализирующая сезонную изменчивость интенсивности теплового излучения городских объектов. Для городов Надым, Салехард, Воркута, Апатиты проведено сопоставление температурных данных со спутника Landsat 8 с данными наземных измерений, в результате чего выявлено относительно хорошая согласованность космических и наземных температурных данных (в первую очередь, для Надыма) для начала февраля. Для Горьковского водохранилища сопоставление космических (по данным спутника Landsat 8) и наземных температурных данных не позволило выявить выраженной закономерности. Для территории Южно-Курильского района выявлена выраженная зависимость между космическими (по данным спутника Landsat 8) и наземными температурными данными, однако небольшое количество пар данных не даёт возможность провести полноценный статистический анализ. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Разработка методики использования тепловых космических снимков высокого пространственного разрешения в климатическом картографировании на местном и локальном масштабных уровнях. Этап 2 |
Результаты этапа: Работа в рамках проекта за 2019 г. велась по следующим направлениям. Для городов Арктической зоны РФ (Апатиты, Воркута, Салехард, Надым, Новый Уренгой) проведена систематизация данных наблюдений сети UHIARC (UrbanHeatIslandArcticResearchCampaign) весь период доступных наблюдений, с 2016 по 2019 гг. Ведутся работы по выявлению взаимосвязей между температурой поверхности по данным космических снимков Landsatи температурой воздуха по данным измерений UHIARC для зимних условий. Для Московского мегаполиса проведено детальное сравнение температуры поверхности по данным космических снимков MODISи Landsat, температуры воздуха по данным наблюдений на сети метеостанций Росгидромета и Мосэкомониторинга и температуры как воздуха, так и поверхности по данным мезомасштабного моделирования с моделью COSMO-CLM для летнего и зимнего сезонов. Установлено, что согласие между рассматриваемыми видами данных зимой, особенно в условиях морозной погоды, значительно выше, чем летом. При этом модель значительно лучше воспроизводит городской остров в поле температуры воздуха, нежели в поле температуры поверхности. Предположительно, это связано с неточностью задания теплофизических характеристик городской поверхности в модели. На примере Горьковского водохранилища показало, что при восстановлении температуры поверхности по тепловым космическим снимкам существенную роль играет излучательной способность водной поверхности, значение которой может варьироваться в зависимости от различных факторов. Соответственно, задание излучательной способности воды как константы не является корректным, такой упрощенный подход может является причиной возникновения существенных ошибок относительно данных наблюдений. В течение 2019 г. была выполнена оценка точности спутниковых измерений (для аппаратуры Landsat-8/OLI) температуры подстилающей поверхности на основе наземных измерений. В качестве ключевых участков были использованы разные районы острова Кунашир как прибрежные, так и расположенные в глубине острова. На каждом ключевом участке в период с 2015 г по 2019 г. были установлены датчики для измерений температуры. За этот же период был проанализирован архив космических снимков со спутника Landsat 8, в результате чего отобрано 28 безоблачных изображений на остров Кунашир. На основе теплового канала (10,60-11,19 мкм) были рассчитаны значения температуры поверхности острова Кунашир. Атмосферная коррекция выполнялась с применением атмосферного калькулятора NASA, позволяющего получать значения восходящего и нисходящего излучения радиации, зональный коэффициент пропускания атмосферы для указанных широты, долготы и времени. Из набора наземных измерений, частота которых составляет 1 час, выбирались те значения, которые были близки к времени выполнения космической съемки. Затем формировалась выборка из спутниковых и наземных измерений. Статистический анализ показал хорошую корреляцию наземных и спутниковых измерений. Было получено уравнение регрессии – y=0,9421x-0,5219, R2 равен 0,986, СКО=0,95. | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Разработка методики использования тепловых космических снимков высокого пространственного разрешения в климатическом картографировании на местном и локальном масштабных уровнях. Этап 3 |
Результаты этапа: Для городов Арктической зоны РФ, по данным анализа большей выборки спутниковых снимков высокого разрешения Landsatи низкого разрешения MODIS, подтверждены ранее сделанные гипотезы о взаимосвязи пространственных аномалий температуры воздуха и поверхности в высоких широтах в зимних условиях. На примере Московского региона более комплексно исследована взаимосвязь температуры поверхности, восстанавливаемой по спутниковым данным, с фактическими измерениями температуры воздуха и поверхности на метеостанциях. Показано отсутствие взаимосвязи между пространственными аномалиями этих трех величин в пределах региона для летних условий, и лишь слабая связь между пространственным распределением температуры воздуха и поверхности зимой. В рамках анализа данных для Московского региона также были привлечены результаты детализированного моделирования метеорологического режима в рамках модели COSMO с параметризацией городской среды TERRA_URB. Показано, что воспроизводимая моделью пространственная картина температуры поверхности на качественном уровне согласуется со спутниковыми данным. Выполнена работа по оценке точности спутниковых измерений температуры подстилающей поверхности по данным наземных измерений. Для территории Южно-Курильского района Сахалинской области установлено, что разность между наземными и спутниковыми измерениями для большинства точек не превышает 1 гр., коэффициент R2 равен 0,98. Для территории города Краснодара спутниковые измерения температуры существенно превышают наземные, что объясняется способностью земной поверхности сильно нагреваться в условиях отсутствия растительности. При этом наблюдается сильная корреляция между наземными и спутниковыми измерениями, коэффициент R2 равен 0,95. С использованием данных спутниковых и судовых измерений проведен анализ пространственно-временной изменчивости температуры воды Горьковском водохранилище. Разработана методика оценки эмиссий парниковых газов из небольших водных объектов по данным спутниковых скатерометров. Разработана методика определения параметра шероховатости и коэффициентов обмена для небольших неглубоких водоемов и для оценки потоков явного и скрытого тепла для небольших водоемов с использованием спутниковой информации. Устанoвлена зависимoсть параметра шерoхoватoсти oт скoрoсти ветра и егo увеличение в режиме свoбoднoй кoнвекции. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".