ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 5, с. 16-29
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОСТОЯНИЯ МЕРЗЛЫХ ПОЧВОГРУНТОВ ПОЛУОСТРОВА ЯМАЛ И ЕЕ КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА НА МАТЕРИАЛЕ АРХИВА ДАННЫХ АМ8Я-Е 2003-2010 гг. © 2015 г. В. В. Мелентьев1, 2*, И. В. Мателенок1
1Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения 2Международный центр содействия реализации программ и проектов ЮНИДО Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Санкт-Петербург *Е-таИ: vv.melentyev@mail.ru Поступила в редакцию 09.07.2014 г.
Предложен и практически реализован двухпараметрический метод количественной оценки межгодовой изменчивости состояния мерзлых почвогрунтов, основанный на использовании усредненных за январь—февраль значений термодинамической температуры деятельного слоя почвогрунтов и продолжительности периодов внутригодовой изменчивости их состояния, получаемых по данным спутниковой СВЧ-съемки. Для восстановления значений указанных параметров разработан специализированный алгоритм, валидация которого выполнена на материале архива данных СВЧ-радио-метра АМ^Я-Е для трех тестовых тундровых участков, расположенных на севере Европейской территории России, Западной и Восточной Сибири, с привлечением в качестве опорной информации данных ГМС и геокриологических стационаров. В ходе апробации метода обнаружено, что на исследованном временном интервале 2003—2010 гг. для 81% территории п-ова Ямал коэффициенты линейного тренда термодинамической температуры почвогрунтов для стабильно мерзлого их состояния имеют отрицательный знак, при этом для 98% территории коэффициент детерминации Я2 не превышает значения 0.1. Также выявлена тенденция к смещению времени начала весенне-летних циклических процессов оттаивания-замерзания в сторону более ранних сроков на 4.8 сут/год (Я2 = 0.27).
Ключевые слова: деятельный слой, многолетнемерзлые почвогрунты, промерзание-оттаивание, ра-диояркостная температура, СВЧ-радиометрия, состояние почвогрунта, температура почвогрунта
Б01: 10.7868/80205961415030070
ВВЕДЕНИЕ
В условиях современных климатических изменений особую роль приобретает оперативный мониторинг состояния многолетнемерзлых почвогрунтов (ММП), позволяющий на ранних стадиях обнаружить процессы деградации мерзлых толщ и предупредить возможные катастрофические последствия для экосистем и хозяйственных объектов (Израэль и др., 1999). Действующие сети геокриологических стационаров (ГКС) для режимных наблюдений за состоянием ММП не обеспечивают необходимый охват обширных труднодоступных территорий северных регионов. Для оперативного мониторинга почвогрунтов в пределах деятельного слоя оптимальным представляется использование методов спутникового СВЧ-зондирования, позволяющих получать информацию о подстилающей поверхности независимо от ее освещенности и присутствия облачности. При этом, согласно развиваемой нами идеологии (Копёга1уеу й а1., 1996), количественную
оценку долговременной изменчивости состояния мерзлых почвогрунтов целесообразно выполнять с использованием многолетних ежедневно пополняемых архивов мультиспектральных данных со спутниковых СВЧ-радиометров.
Спутниковые СВЧ радиометрические измерения в настоящее время проводятся с осреднением от 3500 до 15 км2, что не позволяет исследовать локальную картину пространственных вариаций параметров состояния почвогрунтов и затрудняет валидацию результатов восстановления их значений с опорой на данные контактных измерений. С другой стороны, это дает возможность использовать радиояркостную температуру Тя в качестве интегрального климатологического показателя, характеризующего сочетание свойств слоев различных многослойных сред (почвогрунтов, растительности, снежного покрова), находящихся в поле обзора ИСЗ (Ме1еПуеу е! а1., 2005; Ме1еПуеу, Ма!е1епок, 2012). Вместе с тем спутниковая СВЧ-радиометрия позволяет непосредственно
получать информацию лишь о состоянии почво-грунтов в пределах деятельного слоя, что требует применения косвенных методов оценки состояния нижележащих толщ ММП (МагеИепко, 2009).
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Пилотные эксперименты по картированию области распространения ММП с помощью аэрокосмической СВЧ-аппаратуры относятся к началу 1970-х годов, когда на орбиту были запущены первые отечественные искусственные спутники Земли (ИСЗ), оснащенные многоканальными СВЧ-радиометрами ("Космос-243" и "Кос-мос-384"). В результате этих исследований были получены, по-видимому, первые в мире спутниковые СВЧ-карты, по которым определено положение границ областей сплошной и прерывистой мерзлоты (Белич и др., 1978). На протяжении 1970-1980-х годов комплексные исследования излучательных свойств подстилающих поверхностей суши в средних и высоких широтах проводились ведущими научными коллективами из ГГО, ИРЭ, ИНОЗ, ИКИ (Богородский, Козлов, 1989; Кондратьев и др., 1992; Шутко, 1986).
За два последних десятилетия список частных задач мониторинга почвогрунтов арктического и субарктического региона, решаемых средствами спутниковой СВЧ- радиометрии, был существенно расширен. Так, в работах (Chang, Cao, 1996; Zhang, Armstrong, 2001; Zuerndorfer et al., 1990) предложены подходы к обнаружению процессов таяния почвогрунтов и снежного покрова по СВЧ радиометрическим данным на основе спектрального градиента Тя, позволившие исследовать глобальное распределение областей таяния и промерзания. В работах (Бобров и др., 2006; Комаров, Миронов, 2000) подробно рассмотрены вопросы учета особенностей химического и гранулометрического составов почвогрунтов, свойств грунтовой влаги при восстановлении значений влажности и термодинамической температуры почвогрунтов Тф в мерзлом и талом состоянии по СВЧ-данным. В работах (Melentyev et al., 2002, 2005) предложен новый подход к оценке тенденций долговременной изменчивости состояния сезонно-мерзлых почвогрунтов (СМП) и ММП, основанный на анализе контрастов Тя по специально отобранным пространственным трансектам и определении сумм Тя в период стабильно мерзлого состояния почвогрунтов. В исследованиях (Fily et al., 2003; Jones et al., 2007) разработаны алгоритмы восстановления Тгр на основе поляризационных различий излучательных свойств подстилающей поверхности по данным с сенсоров AMSR-E и SSM/I. В недавней работе (Музалевский и др., 2013) восстановление значений Тгр тундровых почвогрунтов выполнено на материале съемки
СВЧ-радиометра L-диапазона SMOS-MIRAS f= = 1.4 ГГц) с использованием полуэмпирической модели распространения излучения. Перспективы развития исследований в рассматриваемой области связываются с моделированием термического режима толщ ММП по восстанавливаемым по спутниковым данным значениям Тгр (Langer et al., 2013; Marchenko, 2009). Однако все разработанные на сегодняшний день "глобальные" алгоритмы и методики определения состояния почвогрунтов имеют существенные региональные ограничения.
Важным этапом развития спутниковых исследований ММП стало создание в 2009 г. глобальной системы мониторинга DUE permafrost (Heim et al., 2011), обеспечивающей оперативное комплекси-рование разнородной информации о динамике параметров почвогрунтов, полученной с помощью спутниковых скаттерометров, РСА и спек-трорадиометров, и предоставленной сетями контактных измерений GTN-P и CALM.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы являются совершенствование методологии спутниковой СВЧ-диагностики мерзлых почвогрунтов и исследование возможности количественной оценки их межгодовой изменчивости по данным спутниковых СВЧ-изме-рений. В ходе работы проводится комплексный анализ спутниковой СВЧ-информации для специально отобранных тестовых тундровых участков, расположенных на Европейской территории России (ЕТР), в Западной и Восточной Сибири, и данных контактных измерений с ГКС и ГМС, находящихся в подспутниковых областях. Решаются задачи по выявлению особенностей внутриго-довой изменчивости физических и радиофизических характеристик почвогрунтов и установлению связей между ними, разработке двухпараметриче-ского метода количественной оценки изменчивости состояния мерзлых почвогрунтов и созданию специализированного алгоритма для восстановления значений показателей состояния почво-грунтов по СВЧ-данным. Апробация предлагаемого метода осуществляется на материале архива съемки п-ова Ямал 2003—2010 гг. с СВЧ-радио-метра AMSR-E.
ИССЛЕДУЕМАЯ ОБЛАСТЬ
В качестве исследуемой области выбран п-ов Ямал, целиком находящийся в тундровой ландшафтной зоне. Географическое положение полуострова детерминирует специфические климатические и геокриологические условия, отличающие его от других областей распространения ММП.
Прежде всего, равнинная территория полуострова подвержена циклонической активности и
Таблица 1. Местоположение тестовых участков У1, У2, У3 (координаты центров)
Град У1 У2 У3
С.ш. 70.73 67.89 69.00
В.д. 70.07 64.48 161.75
открыта действию арктических воздушных масс, преобладающих здесь в летний период. Его прибрежные районы обеспечены притоком тепла за счет Ямальского течения и выноса теплых речных вод р. Обь (Сиско, 1977). Вкупе с существенной межгодовой изменчивостью ледовых условий в Карском море все это создает предпосылки для высокой чувствительности геоэкосистем полуострова к глобальным изменениям климата. С особенностями климатических условий региона связана малая протяженность области непрерывного распространения ММП с севера на юг по сравнению с восточно-сибирским сектором СПО: южная ее граница находится на широте 67° с.ш. Специфическими чертами ММП п-ова Ямал являются повышенная льдистость и засоленность, что связано с историческими геологическими особенностями формирования мерзлых толщ данных территорий (Brown et al., 1998). Увеличенная минерализация поровых растворов в ММП обусловливает низкую температуру их замерзания даже при малых значениях среднегодовой температуры и высокой льдистости. Все это делает ММП рассматриваемой области чувствительными к изменениям климата (Ершов, 1989; Изра-эль и др., 1999) и требует приоритетного внимания к их мониторингу (Мелентьев, Мателенок, 2013; Melentyev et al., 2
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.