научная статья по теме ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ АНОМАЛИЯМИ NDVI И СООТНОШЕНИЯ ТЕПЛА И ВЛАГИ НА РАВНИНАХ РОССИИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ АНОМАЛИЯМИ NDVI И СООТНОШЕНИЯ ТЕПЛА И ВЛАГИ НА РАВНИНАХ РОССИИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 1, с. 66-73

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

УДК 528.813

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ АНОМАЛИЯМИ ШУ1 И СООТНОШЕНИЯ ТЕПЛА И ВЛАГИ

НА РАВНИНАХ РОССИИ

© 2007 г. А. Н. Золотокрылин*, К. В. Коняев**, В. В. Виноградова*, Т. Б. Титкова*

*Институт географии РАН, Москва **Акустический институт, Москва *Е-таи^^то@го1.т Поступила в редакцию 27.03.2006 г.

Исследуется связь между NDVI-индикатором продуктивности ландшафтов и радиационным индексом Будыко и его модификацией на равнинах России за 1983-1991 гг. Выявлена значимая связь между показателями в большинстве зональных (подзональных) ландшафтов. NDVI-индикатор более чувствителен к модифицированному индексу, чем к радиационному индексу сухости. Положительная связь возрастает в бореальных ландшафтах с максимумом в южнотаежных ландшафтах. Севернее и южнее теснота связи падает и становится отрицательной в субарктических, в сухостепных и полупустынных ландшафтах. Для моделирования реакции растительности на изменения климата показано преимущество применения зависимости продуктивность - соотношение тепла и влаги по отношению к зависимостям, учитывающим только температуру и осадки.

ВВЕДЕНИЕ

В системе показателей функционирования ландшафтов геофизические показатели отражают процессы обмена веществ и энергии между компонентами ландшафтов. Важную роль в этом обмене играет тепло- и влагообмен. Итогом вещественно-энергетического взаимодействия биоты с другими компонентами ландшафта является годичная первичная биологическая продуктивность.

Начало поиску связи между продуктивностью зональных ландшафтов в разных термических поясах суши и геофизическими показателями положили авторы [1]. Они показали, что зональная продуктивность в каждом поясе соответствует определенным значениям годового радиационного баланса поверхности суши и соотношения между радиационным балансом и энергетическим эквивалентом годовых осадков (радиационному индексу сухости Будыко). Позднее к этой теме возвращались многие исследователи, выделяя области существования основных зональных растительных формаций, а также оптимальные условия их максимального продуцирования в координатах годовых геофизических показателей [2-7].

Недостаточное число синхронных экспериментальных оценок продуктивности и радиационного баланса в большинстве зональных ландшафтов, а также несовершенство методов расчета радиационного баланса, суммарного испарения долгое время не позволяло получить корреляционную оцен-

ку связи и распределение коэффициентов корреляции по территории.

В настоящее время накоплены временные ряды геофизических показателей, которые получены из спутниковых наблюдений за состоянием земной поверхности (радиационный баланс), данных реанализа (поток скрытого тепла), данных метеосети (осадки). Кроме того, развивается метод индикации такого показателя растительного покрова, как продуктивность (годовой прирост зеленой фитомассы) с помощью нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI). Анализ синхронных временных рядов NDVI-индикато-ра продуктивности и геофизических показателей позволяет оценить связи между ними на обширной территории с учетом временного фактора [8].

В данной статье исследуется связь аномалий NDVI-индикатора продуктивности зональных ландшафтов с аномалиями соотношения тепла и влаги с целью выявления зональных особенностей функционирования равнинных ландшафтов России. Под функционированием понимается жизнедеятельность ландшафтов, а продуктивность выступает в качестве показателя функционирования. Работа направлена на понимание формирования зонального географического пространства и его границ в связи с глобальным потеплением и деятельностью человека. Особое внимание уделяется оценке тесноты связи и ее дифференциации по территории, а для оценки связи применяются не только годовые геофизические показатели, но и

Рис. 1. Распределение нормализованного NDVI за летний период 1982-2001 гг. и зональных равнинных ландшафтов по [13]. Зональные ландшафты: суббореалъные (7В - пустынные северные, 2 - полупустынные, 3 - степные, 4 - лесостепные, 5 - широколиственно-лесные); бореалъные (6 - подтажные, 6А - южно-таежные, 6В - среднетаежные, 6С -северо-таежные); субарктические (7 - лесотундровые, 8 - тундровые).

вычисленные за более короткие промежутки года (вегетационный сезон, месяц).

ОПИСАНИЕ ДАННЫХ И МЕТОДИКА РАБОТЫ

База данных включает следующие биогеофизические показатели функционирования ландшафтов на территории, ограниченной 40°-70° с.ш. и 30°-90° в.д., за период 1983-1991 гг.: месячный радиационный баланс ^) с разрешением 2.5° х х 2.5°, вычисленный по данным наблюдений со

спутников [9], месячный поток скрытого тепла (ЪЕ, где L - скрытая теплота испарения воды), с разрешением 2.5° х 2.5° из данных реанализа [10], месячная сумма осадков (г), определенная по суточным метеосетевым данным [11]. Продуктивность растительного покрова оценивается с помощью принятого в лесоводственной методике показателя годичного прироста фитомассы. В качестве индикатора годичного прироста зеленой массы применяется средний за летний период КБУ1, распределение которого на равнинах России за период 1982-2001 гг. дано на рис. 1. Исходные

данные месячного NDVI с разрешением 1° х 1° представлены в Интернет-сайте [12]. Поскольку перечисленные исходные показатели имеют разное разрешение в пространстве, они были интерполированы в одноградусную сетку.

В работе анализируется соотношение тепла и влаги, которое характеризуется радиационным индексом сухости Будыко ^/Ьг) и предложенным автором [5] индексом R/LE. Индексы рассчитывались в целом за год, а также за вегетационный сезон (май-сентябрь) периода 1983-1991 гг. Географическое распределение индексов интерпретируется совместно с картой зональных ландшафтов на Русской (в пределах России) и Западно-Сибирской равнинах (рис. 1) [13].

Из описаний исходных месячных величин NDVI, R, LE, г следует, что максимальная абсолютная погрешность их вычисления не превышает соответственно 0.01, 10 и 40 Вт/м2, 1 мм/сут. Наши оценки стандартной ошибки исходных данных за период май-сентябрь 1983-1991 гг. для территории исследования показывают, что она составляет: для NDVI - 0.005; для R - 0.4 Вт/м2; ЬЕ - 2 Вт/м2; г -0.2 мм/сут. Погрешности индексов R/Lг и R/LE определяются максимальной погрешностью одного из составляющих. В итоге относительная погрешность индекса R/Lг была оценена как не хуже 10%, а индекса R/LE - 20%.

Дополнительно исследовалась пространственная связь среднемноголетнего NDVI (период июнь-август 1982-2001 гг.) с годичным приростом зеленой фитомассы, полученной за последние 50 лет на 35-и пробных площадках. Так как данные о годичном приросте на исследуемой территории локальны, то значения NDVI в одноградусных квадратах подбирались в соответствии с координатами пробных площадок. Коэффициент детерминации статистического оценивания связи равнялся 0.8 при доверительной вероятности 0.95.

Все данные интерполируются по времени в сетку с шагом 0.1 мес. для более детального расчета функций корреляции. После интерполяции отсчеты NDVI заполняют интервал длительностью 4 мес. от середины мая, где помещается исходная средняя за май величина аномалии NDVI, до середины сентября, где помещается исходный сентябрьский отсчет аномалии NDVI.

В рядах индексов R/Lг и R/LE выделяются такие же интервалы только теплых месяцев, аномалии остальных месяцев приравниваются к нулю. Полные изменения характеризуются аномалиями за теплый период каждого года. Внутригодовые изменения вычисляются как разность между исходными аномалиями и средними годовыми их величинами. Ряды аномалий состоят из 1080 отсчетов с шагом 0.1 мес. и охватывают 9 лет со 120 отсчетами в году, из которых только 40 (4 мес.) отличны от нуля. Из-за прерывистого характера

рядов максимальный сдвиг по времени ограничен 20 отсчетами (2 мес.).

Связь между NDVI и индексами анализируется на уровне аномалий. Переход к аномалиям упрощает применение при анализе традиционного аппарата функций корреляции, так как аномалии сравнительно однородны по времени и в каждой точке территории имеют хорошие статистические свойства, поскольку их распределения вероятностей близки к нормальным с нулевым средним. Связь определяется отдельно для каждой точки (квадрата) территории с помощью функции корреляции между аномалиями NDVI и аномалиями индексов R/Lг и R/LE в данной точке. Анализ проводится в двух вариантах - для исходных и внутригодовых аномалий.

Для перехода от ряда NDVI к его аномалиям вычисляется средний сезонный ход NDVI за все время наблюдения, значение которого затем вычитается из исходного ряда NDVI. Аналогичным образом вычисляются аномалии индексов R/Lг и R/LE.

У рядов аномалий NDVI прерывистый вид, так как NDVI имеет смысл только для теплых месяцев года. Промежутки между теплыми периодами в этих рядах заполняются нулевыми отсчетами. Аналогичным образом учитываются только аномалии индексов для теплых месяцев года и приравниваются к нулю аномалии для остальных месяцев. Прерывистый характер временных рядов ухудшает возможность обнаружения статистической связи между ними. Ряды охватывают 45 мес. (теплые месяцы 9 лет). Казалось бы, такой длины достаточно для вычисления функции корреляции в диапазоне сдвигов в несколько месяцев. Однако действующая длина рядов определяется не общим количеством месяцев, а количеством месяцев теплого (вегетационного) периода. Таких месяцев пять, так что сдвиг рядов при вычислении функции корреляции следует ограничить, скажем, двумя месяцами с тем, чтобы ошибки при оценивании функции корреляции не были слишком велики.

Существование связи определяется на основании распределения вероятностей для экстремумов функции корреляции. В каждой точке пространства вычисляется функция корреляции и находится экстремум. При отсутствии связи распределение вероятностей для экстремумов должно быть симметричным относительно нуля. Отклонение от симметрии можно воспринимать как существование связи между сравниваемыми рядами, причем знак связи определяется знаком несимметрии. Однако это з

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.

Показать целиком