ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
МНОГОЛЕТНИЕ ТРЕНДЫ NDVI И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЮГЕ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
© 2012 г. А. П. Шевырногов13*, М. Ю. Чернецкий1, Г. С. Высоцкая2
1 Институт биофизики СО РАН, Красноярск 2 Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск 3 Сибирский федеральный университет, Красноярск *Е-таИ: ap_42@mail.ru Поступила в редакцию 26.12.2011 г.
Найдено, что, начиная с 1999—2000 гг., нелинейный тренд N0^ горной тайги юга Красноярского края сменил направление с положительного на отрицательное. Сравнение с бореальным поясом Северной Евразии показало, что хотя смены направления тренда еще не произошло, наблюдается явное снижение скорости роста, т.е. выход на "плато". Анализ трендов радиационной температуры поверхности показал, что для выделенного района горной тайги тренд температуры снижается, в то время как для Северной Евразии повышается. Для того чтобы исключить ошибку предварительной обработки данных, было проведено сравнение с данными температуры воздуха метеостанции "Ер-маковское". Регрессионный анализ показал достаточно высокую степень связи. Также была найдена довольно высокая степень связи между временными рядами и трендами температуры воздуха и N0^1. Тренды температуры воздуха Северной Евразии по данным МСБР-ВОБ Яеапа1уз18 2 также подтверждают тренд, найденный на основе спутниковых данных.
Ключевые слова: N0^1, МОБК, ЛУИЯЯ, 01ММ$, температура воздуха, радиационная температура поверхности, тренды, Северная Евразия, Ермаковский район
ВВЕДЕНИЕ
Последнее десятилетие характеризуется многими крупномасштабными изменениями, в том числе изменением биоразнообразия лесных экосистем. В связи с этим особый интерес представляют таежные леса бореальной зоны. Они играют важную роль в глобальной газодинамике и в последнее время подвергаются интенсивной антропогенной нагрузке (вырубки, пожары и т.д.). В данной работе исследуются леса горно-таежного пояса Западного Саяна. Леса исследуемого района представляют собой часть лесов бореального лесного пояса Северной Евразии. В нашей предыдущей работе (СИетейзЫу е! а1., 2011) был предложен метод угловых коэффициентов, с помощью которого можно определять скорость весенней вегетации. С помощью этого метода были найдены районы лесов юга Красноярского края с относительно стабильным весенним развитием в течение 10 лет. Весеннее развитие растительности является важным индикатором климатической изменчивости и состояния экосистем в целом. Можно предположить, что трендовая динамика, полученная на основе найденных районов, будет являться показателем развития стабильных лесных экосистем и их реакцией на изменчивость климата.
Существует достаточно большое количество исследований, посвященных изучению трендов бореальных лесов (Huttich et al., 2006; Suzuki et al., 2001; Shabanov, 2002; Soja et al., 2007; Lopatin et al., 2006). Однако в большинстве работ используются достаточно короткие промежутки времени, т.е. или 1982—2000 гг. или годы, начиная с 2000 г. по настоящее время. Кроме того, даже на достаточно больших промежутках времени (1982—2008 гг.) обычно рассматриваются линейные тренды, которые не дают объективной картины реальных изменений (Berner et al., 2011; Lopatin et al., 2006). Полученные результаты, при их верификации наземными данными, зачастую очень неоднозначны. Это говорит о недостатке знаний в области экологии лесов, о трудности верификации многолетних спутниковых данных, о неприменимости линейных моделей для определения зависимостей в сложных системах. Также неоднозначность результатов говорит о том, что точечные наземные измерения не дают возможности оценить картину в целом. Отсюда можно сделать вывод о недостатке знаний и необходимости исследований в области многолетней трендовой динамике лесов.
В данной работе оценивались нелинейные тренды в период 1982—2010 гг. Причем используемые методы позволяют учесть тренды, фенологию и шумы. Исследования проводились на при-
Данные метеостанции "Ермаковское"
Средняя месячная и годовая температурa воздуха на метеостанции "Ермаковское"
Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
18.4 -16.6 -7.4 2.8 10.4 16.4 18.5 16.0 9.6 2.0 -8.1 -16.2
Год
0.8
Среднее месячное и годовое количество осадков на метеостанции "Ермаковское"
Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
22.0 17.8 18.9 36.3 61.2 68.4 86.9 77.0 62.0 41.3 35.2 28.0
Год
555.0
мере участка, расположенного на территории Ер-маковского района, находящегося в южной части Красноярского края. Большая часть территории района расположена в центре Западно-Саянских гор. Высота над уровнем моря в северной части района колеблется от 200 до 400 м. В южной части располагаются высокие горные хребты Западных Саян. Их средняя высота составляет 1000—1500 м. Территория Ермаковского района почти не затронута хозяйственной деятельностью.
На территории района представлены такие природные зоны, как степи и лесостепи равнинных территорий и природные зоны горных районов. Леса на территории района составляют 80% площади и приурочены к Саянам. На территории гор представлены следующие высотные пояса: степной, лесостепной, черневой, таежный, субальпийский, альпийский. К основным сообществам относятся черневые леса — кедровники, пихтарники; таежные леса — кедровники, пихтарники, редколесья; кустарниковая растительность; тундры — кустарниковые, моховые и лишайниковые, луга — субальпийские и альпийские (Чулочникова и др., 2005).
Климат района — резко континентальный, засушливый: с холодной малоснежной зимой и теплым летом. Амплитуды годового хода, характеризующие континентальность климата, достигают 37—40°С, в горных районах — 31—34°С, в местностях, расположенных в глубоких котловинах, - 43—45°С.
Даты устойчивого перехода среднесуточных температур на метеостанции "Ермаковское" через 0°С: при повышении среднесуточной температуры — 5 апреля, при понижении среднесуточной температуры — 26 октября (таблица).
На равнинах, в котловинных местностях годовое количество осадков меньше 400 мм, вблизи горных отрогов — от 450 до 650 мм, в горных районах — от 800 до 1300 мм. В годовом ходе максимум осадков выпадает в основном в июле. Осадки холодного периода очень незначительны в равнинных местностях, в защищенных горами кот-
ловинах. В горах же, напротив, в первую половину холодного периода осадки могут быть очень существенными, сравнимыми по величине с летними (таблица).
МЕТОДЫ И ДАННЫЕ
Самым ранним источником архивных данных о поверхности Земли являются данные NOAA/AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Временной ряд AVHRR начинается с 1982 г. Одним из наиболее корректных наборов данных AVHRR является GIMMS (Global Inventory Modeling and Mapping Studies). Данные GIMMS представляют собой временной ряд NDVI (Normalize Difference Vegetation Index) за 25-летний период. GIMMS был создан в рамках международного проекта по спутниковому изучению климатологии земной поверхности (International Satellite Land Surface Climatology Project (ISLSCP)). Этот набор данных является улучшенной версией данных AVHRR, с корректировками, учитывающими геометрию изображения, вулканические аэрозоли и другие эффекты не связанные с изменением растительности (Tucker et al., 2005, 2004; http://gis-lab.info/qa/ gimms.html). Данные GIMMS доступны в виде 16-дневных композитных изображений с разрешением 8 км.
Архив данных GIMMS достаточно часто используется для исследования трендов NDVI (Fensholt et al., 2009; Julien, Sobrino, 2009; De Jong et al., 2011).
В настоящее время наиболее используемым источником данных для изучения поверхности Земли на глобальном и региональном уровне является спектрорадиометр MODIS, находящийся на борту спутников Terra и Aqua.
В данной работе используется продукт MODIS MCD43A4. Этот продукт представляет собой BRDF-корректированный коэффициент спектральной яркости, т.е. данные корректируются с использованием функции распределения двунаправленного отражения (Bidirectional Reflectance
Distribution Function — BRDF). Значения моделируются, таким образом, как если бы съемка проводилась в надир (Salomon et al., 2006; Román, 2009). BRDF-корректированные данные представляют собой 16-дневные композитные снимки с разрешением не выше 500 м. На основе MCD43A4 был рассчитан нормализованный вегетационный индекс (NDVI) за период 2000-2009 гг.
В качестве источника информации о температуре поверхности Земли был использован продукт MOD11A2. Данный продукт является набором 8-дневных композитных снимков MO-DIS/TERRA с разрешением 1000 м.
Региональная температура воздуха определялась по данным метеостанции "Ермаковское".
Температура воздуха Северной Евразии была получена на основе метеорологических данных NCEP-DOE Reanalysis 2 (Kanamitsu et al., 2002; http:// www.cpc.ncep.noaa.gov/products/wesley/reanalysis2/ kana/reanl2-1.htm).
Для выделения бореальных лесов Северной Евразии использовалась карта наземных экосистем северной Евразии — TerraNorte (Барталев и др., 2004).
Подробное описание метода угловых коэффициентов есть в работе (Chernetskiy et al., 2011). Метод основан на определение углового коэффициента регрессионной линии, найденной на основе кривой вегетационного индекса. Используется только участок кривой, соответствующий весеннему росту.
Для декомпозиции временных рядов была использована нелинейная процедура Seasonal-Trend Decomposition Procedure Based on Loess (STL) — процедура сезонно трендовой декомпозиции, основанная на Лессе. STL является процедурой фильтрации для разложения сезонных временных рядов на три компоненты: сезонную, трендо-вую и остаточную (шум). Сущность метода состоит в ряде применений Loess-сглаживаний (Loess smoother) (Cleveland et al., 1990).
Другим современным нелинейным методом декомпозиции временных рядов является сингулярный спектральный анализ (ССА, "Гусеница"). Этот метод был разработан и обоснован в Санкт-Петербургском государственном университете. Метод основан на анализе главных компонент и позволяет исследовать стационарные и нестационарные временные ряды (Главные компоненты..., 1997; Голян-дина, 2004). "Гусеница" позволяет выделить
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.