УДК 556.166"321":551.507.362.2
Использование спутниковой информации для предвычисления гидрографа талого стока
Л. С. Кучмент*, А. Н. Гельфан*, В. Н. Демидов*, П. Ю. Романов**
Предложена методика предвычисления гидрографа талого стока на основе физико-математических моделей формирования речного стока, имеющихся стандартных данных наземных гидрометеорологических измерений и спутниковых измерений состояния земной поверхности. Расчеты проводились для двух регионов, включающих бассейны рек Вятка и Дон. Показано, что спутниковые измерения снежного покрова, несмотря на возможные погрешности и пропуски в зависимости от метеорологических условий, могут быть важным дополнением к наземным измерениям для воспроизведения пространственной картины формирования стока. Использование физико-математических моделей формирования стока позволяет уменьшить ошибки спутниковых данных о снежном покрове и обеспечить пространственно-временную непрерывность его мониторинга.
Введение
Форма гидрографов талого стока предопределяется пространственным распределением снежного покрова в период снеготаяния, и от качества информации об этом распределении значительно зависит предсказуемость характеристик весенне-летних половодий. Наземные измерения характеристик снежного покрова требуют больших материальных затрат, и за последние 15—20 лет эти измерения в России были существенно сокращены. В то же время за эти годы в мире достигнуты заметные успехи в разработке методов измерения характеристик снежного покрова из космоса. В первую очередь здесь следует выделить определение запасов воды в снеге и покрытости территории снегом. Однако ошибки спутниковых измерений характеристик снежного покрова значительно зависят от метеорологических условий, поэтому в этих данных часто бывают пропуски, пока все же точность спутниковой информации оказывается для расчетов гидрографа стока недостаточной, в особенности для залесенных водосборов.
Карты покрытости территории снегом для земного шара выпускаются HACA (США) с 2000 г., с максимальным пространственным разрешением 500 м и максимальным временным разрешением — раз в сутки. При построении карт покрытости территории снегом используются данные измерений радиометром MODIS отражательной способности земной поверхно-
* Институт водных проблем Российской академии наук; e-mail: hydrowpi@aqua.laser.ru.
**Институт климатических исследований, Мэрилендскийуниверситет, США.
сти в двух диапазонах длин волн. Точность таких измерений для открытого пространства при ясной погоде весьма велика (93% по данным [11]), и в ряде работ эти измерения используются при расчетах спадовой части гидрографа стока в качестве основной входной информации (например, [8, 9, 12]). Однако для лесных участков или при большой облачности эта информация ненадежна.
С 2002 г. HACA выпускает ежедневные карты запасов воды в снеге для всего земного шара AE-DySno с разрешением 25 км. Эти карты строятся по разности величин радиояркостной температуры в двух частотных спектрах, измеренных с помощью радиометра AMSR-E, установленного на спутнике "Aqua" Глобальной наблюдательной системы. Погрешность определения запасов воды в снеге с помощью этого метода оценивается его авторами в 25% [7], причем для залесенных территорий, и когда снег насыщается талыми водами, она может быть существенно большей [10]. Сравнение запасов воды в снеге, полученных по ежедневным картам AE-DySno и по данным наземных измерений в нескольких районах европейской территории России, показало, что ошибки спутниковых измерений запасов воды в снеге могут доходить до 200% [6].
Одной из возможностей получения более надежных данных о характеристиках снежного покрова и обеспечения их непрерывности во времени и пространстве является совместное усвоение наземных и спутниковых измерений характеристик снега в физико-математических моделях снежного покрова и снеготаяния. Наземные измерения, несмотря на их ограниченный объем, позволяют произвести калибровку этих моделей, а затем по спутниковым и наземным измерениям с помощью откалиброванных моделей можно рассчитывать пространственные поля характеристик снежного покрова через заданные интервалы времени. При этом спутниковые измерения характеристик снежного покрова могут быть уточнены путем учета в этих моделях факторов, уменьшающих точность измерений со спутника. В работе [5] такой подход был реализован для построения ежедневных полей запасов воды в снеге на примере территории около 200 тыс. км2, включающей бассейн р. Вятка. Целью данной работы была оценка возможностей применения таких полей запасов воды в снеге и спутниковых измерений покрытости территории снегом для предвычисления и уточнения гидрографа талого стока. Исследование проводилось на примере бассейнов р. Вятка до г. Вятские Поляны (площадь водосбора 124 тыс. км2) и р. Дон до ст. Казанская (площадь водосбора 102 тыс. км2).
Рельеф бассейна р. Вятка представляет собой плоскую равнину с лесистостью от 20—30% на юге до 80—90% на севере. Устойчивый снежный покров образуется в среднем в первой декаде ноября и сохраняется около пяти месяцев. Снеготаяние обычно начинается в третьей декаде марта и продолжается до мая. Рельеф рассматриваемой части бассейна р. Дон — холмистая равнина с большим числом речных долин, оврагов и балок. Лес занимает не более 10% площади водосбора и сосредоточен в основном в северной части водосбора. Устойчивый снежный покров сохраняется около 3—4 месяцев на севере бассейна и около 2—3 месяцев на юге. В течение зимы нередки продолжительные оттепели, которые могут приводить к полному сходу снега на значительных территориях. Снеготаяние начинается в первой декаде марта и продолжается в среднем до конца марта.
Исходная информация и расчет изменений пространственного распределения запасов воды в снеге
во времени
Исходная спутниковая информация включала карты запасов воды в снеге AE-DySno, а также ежедневные данные о покрытости территории снегом с пространственным разрешением 0,01° по широте и долготе и измерения температуры поверхности, полученные по измерениям радиометром MODIS со спутника "Тегга" дважды в сутки. В дополнение к регулярно получаемым данным использовались также карты типов подстилающей поверхности, вида и густоты лесной растительности, построенные в HACA по данным измерений радиометром AVHRR. Наземная информация включала 6-часовые данные измерений температуры и влажности воздуха, осадков, облачности и скорости ветра по наблюдениям на метеорологических станциях, а также ежедневные измерения высоты снежного покрова (плотность снега считалась мало изменяющейся по площади, и ее временной ход задавался по наблюдениям на одной из станций).
Построение ежедневных полей запасов воды в снеге производилось путем ассимиляции спутниковой и наземной информации в физико-математической модели снежного покрова и снеготаяния, описанной в [5]. Модель позволяет воспроизводить изменения высоты и плотности снежного покрова от начала зимы до окончания снеготаяния в результате поступления твердых и жидких осадков, воздействия растительного покрова, фазовых переходов в толще снега, задержания талой воды, уплотнения снега под действием собственного веса.
Для бассейна р. Вятка модель снежного покрова и снеготаяния калибровалась по данным наблюдений за высотой снежного покрова 19 метеорологических станций за период с 1 ноября 2001 г. по 30 мая 2002 г. Для проверки модели использовались данные измерений высоты снежного покрова за такие же периоды в 2002—2005 гг. Среднеквадратическая ошибка расчета высоты снежного покрова по всем 19 метеорологическим станциям получилась для периода калибровки равной 7 см, а для периода, используемого для проверки модели, — 9 см. Калибровка модели снежного покрова и снеготаяния для бассейна р. Дон проводилась по данным наблюдений 42 метеостанций за период с 1 ноября 2001 г. по 31 мая 2002 г., а ее проверка — по данным наблюдений за аналогичные периоды в 2002— 2004 гг. Среднеквадратическая ошибка расчета высоты снежного покрова по всем 42 метеорологическим станциям для периода калибровки получилась равной 6 см, а для периода проверки — 8 см.
С помощью откалиброванной модели с использованием спутниковых данных была рассчитана динамика полей запасов воды в снеге в период снеготаяния. Расчет производился для каждой ячейки пространственной сетки размером 0,01 х 0,01° и начинался с наиболее ранних дат начала снеготаяния по имеющимся наблюдениям на рассматриваемых водосборах (1 марта для бассейна Вятки и 20 января для бассейна Дона). Начальные значения запасов воды в снеге в ячейках сетки с открытой местностью задавались по картам AE-DySno. Для залесенных ячеек сетки производился
расчет начальных значений запасов воды в снеге с помощью следующего алгоритма. Вначале в каждую из таких ячеек интерполировались значения запасов воды в снеге, определенные по картам AE-DySno на открытых ячейках, ближайших к залесенной ячейке. Интерполированное значение запасов воды в снеге на каждой залесенной ячейке рассчитывалось при этом как средневзвешенное значение запасов воды в снеге на открытых ячейках, причем вес убывал обратно пропорционально квадрату расстояний между залесенной и открытыми ячейками. Рассчитанные таким образом начальные значения запасов воды в снеге в каждой залесенной ячейке умножались на коэффициент снегонакопления кс, представляющий собой характерное для данной территории отношение максимальных запасов воды в снеге в лесу к аналогичным значениям на окружающей лес открытой местности. Это отношение зависит от вида и густоты елового леса и, как показывают натурные наблюдения, а также численные эксперименты, коэффициент вариации кс от года к году в несколько раз меньше вариаций значений запасов воды в снеге. Соответствующие таблицы изменения коэффициента кс были получены на основании натурных наблюдений и численных экспериментов с помощью физико-математической модели снежного покрова для характеристик елового леса для рассматриваемой территории.
Используя начальные значения запасов воды в снеге, рассчитанные по картам AE-DySno с помощью изложенного алго
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.