УДК 556.512.001.572:551.508.826
Моделирование гидрологического цикла речных
водосборов с использованием синхронной спутниковой информации высокого разрешения
Е. Л. Музылев», А. Б. Успенский**, Е. В. Волкова**, 3. П. Старцева*
Представлены результаты моделирования составляющих гидрологического цикла для водосбора р. Сейм (Курская область) с использованием оценок температуры подстилающей поверхности (ТПП), полученных по данным измерений радиометра А УНЯЛ ИСЗ "МОЛА ". Изложен метод построения полей ТПП, разработанный для условий безоблачного неба, который базируется на алгоритме "расщепленного окна прозрачности " и спутниковых оценках излучатепьной способности почвы и растительности. Модель гидрологического цикла описывает процессы вертикального тепло- и влагопере-носа в системе почва —растительность — атмосфера, а также процессы формирования стока с учетом пространственной неоднородности почвенного и растительного покровов. Приведены результаты исследования чувствительности модели к вариациям значений характеристик растительности. Спутниковые оценки ТПП использованы для валидации модели и уточнения начальных условий, что привело к определенному повышению точности расчетов суммарного испарения.
1. Введение
В решении проблемы воздействия человека на биосферу и климат особую актуальность приобретает моделирование гидрологического цикла крупных участков суши, представляющее разработку корректного описания процессов тепло- и влагообмена для разных пространственных масштабов с учетом разнообразия форм рельефа, почвенного и растительного покровов, а также пространственной изменчивости метеорологических величин. Трудности моделирования этих процессов связаны с выбором степени их генерализации для разных по размерам территорий, т. е. с вопросом об агрегации гидрометеорологических величин и характеристик подстилающей поверхности, рассматриваемых в качестве входных переменных и параметров модели, при переходах от микро- к мезо- и макромасштабу. Использование данных регулярной спутниковой съемки с высоким пространственным разрешением в видимом и инфракрасном диапазонах спектра (например, данных ИСЗ "Ж)АА") значительно расширяет возможности адекватного описания процессов, составляющих гидро-
* Институт водных проблем Российской академии наук.
** Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета ".
логический цикл, позволяя получать информацию о температурном режиме подстилающей поверхности и состоянии растительного покрова с теми же, что и в модели, пространственно-временными шагами. Определение эффективной температуры Tstff и излучательной способности е подстилающей поверхности, индекса вегетации NDVI и доли покрытия поверхности суши растительностью В по спутниковым данным, а также других параметров модели (таких как относительная площадь листьев LAI, альбедо почвенного и растительного покровов Ash Aj) является существенным для калибровки и верификации модели, для выявления связей Tseff с составляющими гидрологического цикла и характеристиками растительного покрова и, в конечном счете, для повышения точности оценки вертикальных потоков тепла и влаги.
Основные цели работы — создание метода оценки Tiejr по данным сканирующего радиометра AVHRR ИСЗ "NOAA" и последующее применение результатов зондирования для валидации модели гидрологического цикла, учитывающей неоднородности подстилающей поверхности. Исследования выполнялись на примере водосбора р. Сейм (Курская область), находящегося в лесостепной зоне, площадью (до замыкающего створа гидропоста Рышково) 7460 км2. На территории водосбора расположена Курская биосферная станция Института географии РАН, на базе которой проводились международные полевые гидролого-атмосферные эксперименты КУ-РЭКС-88 и КУРЭКС-91 [13].
2. Модель гидрологического цикла для речного водосбора
Модель гидрологического цикла [10, 11] содержит блок вертикального тепло- и влагопереноса в системе почва — растительность — атмосфера (SVAT), блок формирования дождевого стока и процедуру осреднения составляющих гидрологического цикла по площади водосбора. Модель SVAT [5, 6, 11, 12] предназначена для расчета суммарного испарения и профилей влажности и температуры почвы для любого интервала времени в течение периода вегетации. Она позволяет оценивать испарение с голой почвы, транспирацию, перемещение влаги в корнеобитаемой зоне, определять температуру поверхности почвы и растительного покрова и влажность воздуха под пологом растительности.
Отметим основные особенности модели, существенные для постановки задачи настоящего исследования. Суммарное испарение с покрытой растительностью поверхности земли представляется в виде двух потоков — испарения с голой почвы Eg и транспирации растительности Е/.
r> r4(Tg)-q4 _ q\Ts)-qaf т Af г г +r
ag 'a i
где q*(Tg) и q'(Tf) — удельные влажности насыщения при температуре поверхности почвы Tg и поверхности листьев 2/соответственно; qaf— удельная влажность воздуха в межлистном пространстве; г — относительная влажность воздуха на поверхности почвы; rag и га — аэродинамические сопротивления между поверхностью земли и поверхностью листьев и поверх-
ностью листьев и атмосферой соответственно; rs — устьичное сопротивление растительности, ря — плотность воздуха.
Влагоперенос в почве описывается уравнением диффузии влаги с учетом поглощения воды корнями растений. Верхнее граничное условие определяется уравнением водного баланса для поверхности почвы. На нижней границе поток влаги принимается равным гидравлической проводимости. Капиллярно-сорбционный потенциал и коэффициент диффузии почвенной влаги, а также гидравлическая проводимость рассчитываются по эмпирическим формулам [4] с использованием натурных данных о почвенно-гид-рологических константах.
Подстилающая поверхность представляется в модели совокупностью покрытых растительностью и оголенных участков почвы. Температурный режим деятельного слоя почвы описывается с помощью уравнения теплопроводности. В качестве верхнего граничного условия для этого уравнения используется уравнение теплового баланса для поверхности почвы, не покрытой растительностью. На нижнем уровне деятельного слоя почвы интенсивность теплопереноса задается градиентом температуры между этим уровнем и постоянной глубиной, на которой температура почвы не меняется в течение теплого периода года. Тепловой режим слоя растительности описывается с помощью уравнения теплового баланса в пренебрежении теплосодержанием самого слоя. Численное решение начально-краевой задачи для названных уравнений позволяет определять значения Tg и Т/ для каждого временного шага.
При описании пространственной неоднородности характеристик водосбора сначала с помощью метода медиан производилось деление водосборной площади на тяготеющие к конкретным метеостанциям части, внутри каждой из которых метеорологические величины считались постоянными. Затем каждая из этих частей была поделена на элементарные участки, которым соответствовали определенные типы почв, типы землепользования и виды растительности, внутри которых пространственные изменения метеовеличин и характеристик водосбора не рассматривались. Были выделены четыре основные группы почв: выщелоченные и оподзо-ленные черноземы, типичные черноземы, пойменно-луговые и серые лесные почвы и десять основных видов угодий (групп растительности). Различия типов почв учитывались в модели с помощью следующих параметров: объемного веса, пористости, максимальной гигроскопичности, наименьшей полевой влагоемкости и гидравлической проводимости почвы при насыщении Ко (коэффициента фильтрации). Для описания особенностей растительного покрова использовались такие характеристики, как минимальное устьичное сопротивление rQ, LAI и коэффициент шероховатости, зависящий от высоты растений.
В качестве входных данных в модель SVAT вводятся результаты стандартных сетевых наблюдений за температурой и влажностью воздуха, осадками, скоростью ветра, облачностью, давлением воздуха, а в качестве начальных — вертикальные распределения влажности и температуры почвы, полученные по данным измерений на агрометеостанциях, находящихся на водосборе. Расчетный шаг по времени — сутки.
Модель формирования дождевого стока [4] служит для расчета стска-ния воды по склонам и в русловой сети с помощью уравнений кинемати-
ческой волны, численное интегрирование которых производится методом конечных элементов. Разбиение речной сети на конечные элементы проводится с учетом ее структуры, данных морфометрических и гидрометрических измерений, а также наличия боковой приточности. Оценки потерь на инфильтрацию воды в почву выполняются с помощью уравнения влаго-переноса. Модель используется для проверки расчета влажностного режима на водосборе.
Калибровка и верификация модели SVAT проводились с использованием материалов наблюдений на 5 агрометеостанциях водосбора, результатов измерений во время экспериментов КУРЭКС, а также с привлечением данных о стоке [10, И]. Верификация модели включала сравнение фактических и вычисленных значений суммарного испарения, сопоставление измеренных и рассчитанных вертикальных профилей влажности почвы, а также сопоставление фактических и рассчитанных гидрографов стока в замыкающем створе исследуемого водосбора (гидрологический пост Рышко-во). Наиболее значимыми параметрами модели являются К0, г0 и LAI. Их значения были подобраны: К0 — при сравнении профилей влажности почвы и суммарного испарения и результатов расчетов стока [10, 11]; г0 — по результатам проводившейся ранее оптимизации и измерений суммарного испарения [5, 11, 12], LAI — по данным экспериментов КУРЭКС и литературным данным [2].
Определение средних по площади водосбора значений суммарного испарения и других составляющих гидрологического цикла производилось с учетом различий почв и растительности на основе описанной процедуры деления водосбора на элементарные пространственные ячейки. Значения этих составляющих для всего водосбора рассчитывались как средневзвешенные с учетом площади, занятой каждым типом почвы и видом растительности в пределах каждой ячейки.
Исследов
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.