РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 55, № 4, с. 424-431
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ^^^^^^ РАДИОВОЛН
УДК 528.813+631.4
СУТОЧНАЯ ДИНАМИКА РАДИОЯРКОСТНЫХ ТЕМПЕРАТУР ПОЧВ НА ЧАСТОТАХ 1.4 И 6.9 ГГц В ПРОЦЕССАХ ПРОМЕРЗАНИЯ
И ОТТАИВАНИЯ © 2010 г. П. П. Бобров, В. Л. Миронов, А. С. Ященко
Поступила в редакцию 09.06.2008 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований и моделирования суточной динамики радио-яркостных температур почв на частотах 1.4 и 6.9 ГГц под углом 45° к надиру в циклических процессах промерзания и оттаивания. Дистанционным радиометрическим методом определена толщина промерзающего слоя, и обнаружены эффекты неизотермического переноса влаги в поверхностных слоях почвы. Установлено, что толщина переходного слоя между промерзшим слоем и нижележащей незамерз-шей почвой увеличивается при увеличении глубины промерзания. Показано, что можно изучить гидрофизические характеристики почв дистанционным радиометрическим методом.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование процессов промерзания-оттаивания земных покровов представляет большой научный интерес при решении таких задач, как построение моделей климата, изучение потоков тепла и влаги между подстилающей поверхностью и атмосферой. Обширные территории и длительность протекания указанных процессов определяют вид методов, применяемых для мониторинга поверхности Земли. Для указанных целей наиболее перспективными и оперативными являются дистанционные методы исследования. Они позволяют получать информацию об обширных площадях за относительно короткий промежуток времени вне зависимости от удаленности участка поверхности от населенных пунктов.
Дистанционному исследованию процессов промерзания и оттаивания микроволновыми методами посвящено небольшое число работ. Это связано с определенными трудностями в проведении натурных экспериментов. Влияние промерзания одновременно на яркостную температуру и коэффициент обратного рассеяния впервые изучено авторами работы [1]. Там же было показано, что скорость изменения радиояркостной температуры при промерзании различна на разных длинах волн.
Контраст радиолокационных и радиояркостных изображений замерзших и незамерзших почв снижается при уменьшении влажности почвы. Если в почве отсутствует свободная вода, то диэлектрическая проницаемость почвы изменяется только за счет замерзания связанной воды, которое начинается при температуре —4...- 5°С и происходит не так резко, как замерзание свободной воды. В работе [2] исследуются критерии, по которым можно определить зоны промерзания малоувлажненных почв радиометрическим методом. На основании проведен-
ного кластерного анализа выявлены условия для дистанционного определения промерзших областей и их отделения от сухих непромерзших.
Однако не менее важным является исследование динамики процессов промерзания-оттаивания, поскольку в этих процессах изменяются не только диэлектрические характеристики почв, но и характер переноса тепла и влаги в почвенном профиле. В работе [3] представлена модель движения тепла и влаги в почве и рассчитаны временные зависимости радиояркостной температуры на частотах 19.35, 37.0, и 85.5 ГГц. Указано, что на высоких частотах практически невозможно восстановление влажности почв из-за сильного влияния поверхностной шероховатости.
Трудность разделения влияния влажности почвы и поверхностной шероховатости на радиояркост-ную температуру является серьезной проблемой в радиометрии. И хотя решению этой проблемы посвящен ряд исследований (см. например, [4, 5]), разработанные методы учета шероховатости пригодны лишь для тех длин волн и типов почв, которые использовались в экспериментах. Поэтому мы исследовали процессы промерзания-оттаивания либо в почвах с гладкой поверхностью, либо с поверхностью, параметры шероховатости которой оставались неизменными во время проведения эксперимента.
В работах [6, 7] приведены результаты экспериментального исследования динамики радиояр-костной температуры в процессах промерзания и оттаивания специально подготовленных почвенных участков, имеющих гладкую поверхность и однородную плотность сухого сложения. Показано, что при помощи временного ряда данных о радиояркостной температуре на длинах волн X = 3.6, 5 и 11 см возможно восстановление толщины промерзшего слоя в пределах максимально возможной
Таблица 1. Гранулометрический состав почвы тестового участка
Размеры частиц, мм 1...0.25 0.25.0.05 0.05.0.001 0.01.0.005 0.005.0.001 <0.001
Содержание частиц, % 13.1 36.84 11.98 8.06 10.04 19.98
Таблица 2. Значения объемной влажности (в см3/см3) почвогрунтов, восстановленные в процессе моделирования
Слой 10.10.2007 г. 11.10.2007 г. 12.10.2007 г. 13.10.2007 г.
0. 1 см 0.346* 0.352 0.367 0.374 0.397* 0.385
1. 2 см 0.337* 0.313 0.313 0.297 0.280* 0.274
2. 5 см 0.252* 0.267 0.256 0.256 0.228* 0.240
Примечание: звездочками отмечены данные, полученные экспериментальным путем.
на этих длинах волн глубины зондирования (~0.5А,), а также определение максимального количества связанной воды в почве (при условии, что почва содержит некоторое количество свободной воды). При моделировании радиояркостной температуры почвы с использованием рефракционной модели можно оценить диэлектрическую проницаемость связанной воды.
Европейское космическое агентство в ноябре 2009 г. осуществило запуск космического аппарата (КА) с радиометром на длину волны 21 см (частота 1.4 ГГц) [8], аналогичный аппарат планирует запустить и NASA [9]. Кроме того, на существующих КА Aqua имеются многоканальные радиометры с каналом 6.9 ГГц, пригодным для исследования почв.
Для сопоставления данных наземных и космических наблюдений был изготовлен радиометрический комплекс с рабочими частотами 1.4 и 6.9 ГГц. Ниже приведены результаты суточных измерений радиояркостной температуры почв на этих частотах.
1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерения проводили в течение 2007 г. на тестовом участке, расположенном на территории стационара Института леса СО РАН "Погорельский бор". Излучение почв измеряли под углом 45° от надира. Флуктуационная чувствительность радиометров была не хуже 0.3 К при времени накопления т = 1 с. Ширина полосы пропускания трактов составляла 60 МГц у радиометра c частотой 1.4 ГГц и 200 МГц у радиометра с частотой 6.9 ГГц. Ширина главного лепестка антенн по уровню —3 дБ составляла около 22°.
Эталонами для калибровки радиометров служили металлический лист, отражающий излучения неба, и гладкая водная поверхность. Экспериментальные измерения проводили с периодич-
ностью от 7 мин при исследовании временного хода радиояркостной температуры Тя в процессах промерзания-оттаивания до 60 мин. при снятии суточного хода Тя в процессе испарения. Метеопараметры атмосферы, а также профили влажности и температуры тестовых участков измеряли при помощи метеорологического комплекса производства Campbell Scientific Inc с периодичностью в 1 мин. С целью контроля показаний метеорологического комплекса одновременно определяли влажность почвы термостатно-весовым способом. Тестовый участок представлял собой почву естественного сложения, содержание гумуса в которой составляло 6.03%, максимальное количество связанной воды — 13%, содержание солей (сухой остаток) — 0.032%. Гранулометрический состав почвы приведен в табл. 1, а данные о влажности — в табл. 2.
На рис. 1 приведен временной ход радиояркостной температуры Тя, полученный в результате экспериментальных измерений в осенне-зимний период 2007 г. Резкие колебания в период с 09.10.07 г. по 13.10.07 г. связаны с процессами промерзания и оттаивания при отсутствии осадков. В период с 15.10.07 г. 20:00 по 16.10.07 г. 9:30 наблюдали колебания радиояркостной температуры, связанные с выпадением влажного снега, его замерзанием и оттаиванием. Поскольку выпадение осадков изменяло характеристики лишь тонкого поверхностного слоя, колебания были наиболее заметны на частоте 6.9 ГГц.
Следующий пик яркостной температуры, отмеченный 17.10.07 г., заметный как на 6.9 ГГц, так и на 1.4 ГГц, связан с замерзанием почвы, находящейся под снегом, на глубину до 5 см. С 22.10.07 г. начинается процесс стабильного промерзания. Наибольший интерес для анализа представляют процессы циклического промерзания и оттаивания, происходившие в начальной стадии эксперимента.
Т, к
230
200 -
170 -
140
9.10 11.10 13.10 15.10 17.10 19.10 21.10 Дата
Рис. 1. Временной ход радиояркостной температуры в период с 9.10.07 г. по 24.10.07 г. Кривая 1 — частота 6.9 ГГц, горизонтальная поляризация, 2 — частота 6.9 ГГц, вертикальная поляризация, кривая 3 — частота 1.4 ГГц, горизонтальная поляризация, 4 — частота 1.4 ГГц, вертикальная поляризация.
Рис. 2. Зависимость коэффициента излучения (%1) на частоте 1.4 ГГц от коэффициента излучения (%2) на частоте 6.9 ГГц . Темные квадратики — промерзание, горизонтальная поляризация, светлые кружки — оттаивание, горизонтальная поляризация, светлые квадратики — промерзание, вертикальная поляризация, крестики — оттаивание, вертикальная поляризация, светлые треугольники — промерзание, вертикальная и горизонтальная поляризация на моменты осцилляций радиояркостной температуры, сплошные линии — аппроксимация полиномами второй степени.
Сравнительный анализ данных, полученных на двух длинах волн, выявил различия в скорости изменения Тя в процессах промерзания и оттаивания. На рис. 2 приведены данные о коэффициентах излучения, определяемых как х = Т/Т, где Т- термодинамическая температура почв. Эти данные получены в пяти циклах промерзания и четырех циклах оттаивания на двух поляризациях. Значения коэффициентов излучения в момент осцилляций, отмеченные на рис. 2 треугольниками, приведены лишь для одного (5-го) цикла промерзания. Из-за различной глубины зондирования на начальном этапе промерзания коэффициент излучения на частоте
6.9 ГГц увеличивается быстрее, чем на частоте 1.4 ГГц. В процессе оттаивания изменение коэффициента излучения на частоте 1.4 ГГц происходит быстрее, чем при промерзании, так как оттаивание промерзшего слоя происходит сверху и снизу и обе отаявшие среды находятся в пределах глубины зондирования.
2. МОДЕЛЬ ИЗЛУЧЕНИЯ
С целью
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.