Лёд и Снег • 2014 • № 1 (725)
УДК 551.578.42
Возможность использования продукта MODIS «snow cover» для характеристики пространственной структуры снежного покрова Предбайкалья
© 2014 г. Е.А. Истомина, Е.В. Максютова
Институт географии имени В.Б. Сочавы СО РАН, Иркутск emaksyutova@ irigs.irk.ru
Статья принята к печати 22 июля 2013 г.
Валидация, данные гидрометеостанций, космические снимки, появление и сход снега, толщина снега, устойчивый снежный покров, MODIS «snow cover».
MODIS «snow cover», snow appearance and melt, snow depth, space images, stable snow cover, validation, weather stations data.
Для территории Предбайкалья проведено сравнение дистанционных данных MODIS «snow cover» и материалов наблюдений сети гидрометеорологических станций (ГМС) за толщиной снежного покрова в зимы 2000/01, 2007/08, 2008/09 гг. разной снежности. На снимках MODIS «snow cover» с 80%-й достоверностью фиксируется снежный покров при толщине снега более 2 см, при этом несоответствия дешифрирования приходятся в основном на май и октябрь. Материалы космической съёмки дополняют и расширяют точечную информацию сети ГМС о пространственном распределении снега, особенно для горной части территории Предбайкалья, не охваченной наземными наблюдениями. По материалам дистанционного зондирования установлено, что снег раньше появляется и позже сходит на горных участках территории. Равнинные и котловинные участки отличаются более поздним появлением снежного покрова и ранним его сходом.
Введение
Для исследования пространственной структуры снежного покрова на региональном уровне традиционно используют данные гидрометеорологических станций (ГМС). Однако в условиях горных территорий материалов ГМС недостаточно, поэтому в последние годы активно внедряются методы дистанционного исследования снежного покрова по космическим снимкам. В последние 20 лет появился большой объём картографических материалов планетарного уровня, полученных с помощью космических снимков и отражающих характеристики снежного покрова. Съёмочные системы MODIS установлены на спутниках TERRA и AQUA системы исследования Земли NASA. Система ведёт одновременную съёмку в 36 каналах спектра - от 0,4 до 14,4 мкм [7]. На основе данных MODIS создаётся множество производных продуктов, среди которых: температура поверхности Земли; характеристика снежного покрова; классификация типов земной поверхности и их изменение и др.
К одному из наиболее ранних и широко используемых относится продукт «снежный покров», полученный на основе снимков MODIS (The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). Он создаётся с использованием автоматического алгоритма, основанного преимущественно на вы-
числении нормализованной разницы между яркостью в видимом и коротковолновом диапазонах, а также на пороговых критериях, и отображает наличие или отсутствие снежного покрова на территории [9]. В свободном доступе на сайте National Snow and Ice Data Center (NSIDC, http://www.nsidc. org) есть эти данные с 2000 г. с пространственным разрешением 500 м и временным разрешением один или восемь дней, а также с пространственным разрешением 0,05° и временным разрешением один месяц. Апробирование продукта MODIS «snow cover» проводилось разными авторами [8,9, 11—15]. В этих исследованиях данные MODIS сопоставлялись с материалами ГМС и дистанционными данными других съёмочных систем для различных территорий; при этом обосновывалось их хорошее соответствие (в среднем 80—90%).
Для гидрологического моделирования и прогнозирования стока важны такие характеристики, как запасы воды в снеге к началу весеннего снеготаяния, которые определяют объёмы весеннего речного стока. В Интернете доступен продукт «водный эквивалент снега» («snow water equivalent»), создаваемый на основе радиолокационных снимков AMSR-E/AQUA с временшлм разрешением один, пять дней или один месяц и пространственным разрешением 25 км (имеются данные с 2007 г.). Однако такое пространственное разре-
шение недостаточно для исследований на региональном уровне. Отметим, что в настоящее время не существует методов, позволяющих определить водный эквивалент снега с точностью, необходимой для гидрологического моделирования. Для этих целей можно использовать дистанционные данные о покрытых снегом территориях вместе с данными ГМС и наземных измерений толщины снежного покрова [10].
Постановка проблемы
В качестве объекта исследования выбрана территория Предбайкалья, которая относится к географическому региону Южной Сибири и расположена в пределах 50—64° с.ш. и 95—118° в.д. Территория Предбайкалья характеризуется континентальным климатом, который обусловливает большие амплитуды температур воздуха и неравномерное распределение атмосферных осадков по сезонам года. В холодный период года она находится в области действия сибирского антициклона, поэтому здесь выпадает мало осадков (15—35%) и снежный покров незначителен.
Согласно климатическому районированию М.И. Будыко, на рассматриваемой территории зима умеренно суровая и малоснежная: средняя температура в январе ниже -32 °С, а наибольшая средняя декадная толщина снежного покрова меньше 50 см. Продолжительность залегания снежного покрова в среднем составляет 180 дней в году, а в некоторых районах — 200 дней и более. В конце августа — первой половине сентября снежный покров появляется в высокогорных районах, но на большей части территории первый снег отмечается в первой — второй декаде октября, а на севере территории — в конце сентября — первой половине октября. Устойчивый снежный покров, который сохраняется в течение всей зимы или имеет перерывы не более трёх дней подряд в течение месяца, образуется через 10—15 дней после первых снегопадов на севере и через 20—30 дней на юге территории [6]. В 1961—2010 гг. отмечалась значительная изменчивость толщины снежного покрова и снегозапасов на уровне биогеографических областей и провинций [3].
Быстрее всего толщина снега увеличивается в ноябре—декабре, когда повторяемость циклонической погоды ещё значительная. Своей максимальной величины снежный покров достигает в феврале-марте, а на хр. Хамар-Дабан - в начале апреля. Основная часть территории освобождается от снега к концу апреля, а на севере и в гор-
ных районах — в первой половине мая. Территория исследования характеризуется наличием равнин (абсолютные высоты 200—500 м), плато и горных хребтов (1500—2000 м и более), глубоко врезанных речных долин разной ширины и ориентации, водной массы оз. Байкал.
Ландшафтная структура территории Предбайкалья — сложная и контрастная. Здесь контактируют два крупных региона — Байкало-Джугджур-ская и Южно-Сибирская физико-географические области; сочетаются три типа природной среды: тундровый, таёжный и степной; отмечается широкий спектр ландшафтов: гольцовые, подгольцовые, горно-таёжные, горно-лесные, горно-лесостепные (подтаёжные), горно-степные, горно-сухостепные и опустыненно-степные [5]. Более 90% территории, покрытой древесной растительностью, занимают таёжные и подтаёжные ландшафты [2].
Основная особенность Предбайкалья, как и других горных территорий, — контрастность условий, разнообразие ландшафтов и сложность их пространственно-временной организации. Это обусловливает большой разброс количественных характеристик ландшафтных выделов, в том числе и характеристик снежного покрова, что позволяет на примере относительно небольшой территории провести сравнительный анализ и систематизацию сильно отличающихся природных объектов. Цель работы — на основе материалов наблюдений ГМС за толщиной снежного покрова для различных по снежности зим в период 2000—2010 гг. и дистанционных данных MODIS «snow cover» определить их соответствие для территории Предбайкалья, а также выявить пространственные особенности формирования и разрушения здесь снежного покрова.
Методика исследований
В качестве исходных наземных данных использовались материалы наблюдений на 74 гидрометеорологических станциях (ГМС) Иркутского управления гидрометеослужбы и частично Бурятского республиканского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ГМС Баргузинский заповедник и Большой Ушканий остров) за средней декадной толщиной снежного покрова по постоянной рейке [4]. При анализе рассматривалась средняя месячная толщина снежного покрова. Регулярные ежедневные наблюдения за снежным покровом в сети ГМС Росгидромета предусматривают фиксацию следующих характеристик: даты появления и схода; даты
Число несоответствий данных MODIS «snow cover» и наблюдений на гидрометеостанциях
Наличие снега по данным MODIS Наличие снега Месяц
по данным ГМС IX X XI XII I II III IV V
2000/01 г. — неустойчиво-снежный тип зимы
Нет Есть 9 10 2 0 0 0 0 1 24
Есть, снег выше 2 см 1 3 1 0 0 0 0 0 2
Есть Нет 10 2 0 1 0 0 0 0 6
Покрыто более 50% площади пиксела 0 0 0 0 0 0 0 0 1
2007/08 г. — среднеснежный тип зимы
Нет Есть 1 22 4 0 0 0 2 14 26
Есть, снег выше 2 см 0 3 0 0 0 0 1 8 14
Есть Нет 6 1 0 0 0 0 2 0 7
Покрыто более 50% площади пиксела 0 0 0 0 0 0 2 0 0
2008/09 г. — многоснежный тип зимы
Нет Есть 4 18 3 2 0 0 0 4 27
Есть, снег выше 2 см 2 2 0 0 0 0 0 3 9
Есть Нет 12 3 0 1 1 1 0 2 3
Покрыто более 50% площади пиксела 1 0 0 0 1 1 0 1 0
образования и разрушения устойчивого снежного покрова; толщины снега. День со снежным покровом считается, когда более половины видимой окрестности ГМС покрыто снегом. При этом залегание его может быть как устойчивым, так и неустойчивым. Под устойчивым понимается снежный покров, который держится непрерывно в течение зимы или с перерывами не более трёх дней подряд или в отдельности в течение 30 дней его залегания. Раннее установление снежного покрова предохраняет почву от глубокого промерзания. Это способствует раннему почвенному оттаиванию и впитыванию большего количества влаги весной.
За период 2000—2010 гг. были выбраны годы, отличающиеся по динамике снежного покрова в зависимости от типа зимы. В процессе исследования использована схема Н.Н. Галахова [1], согласно которой мало- или многоснежной считается зима, когда средние декадные
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.