исследование климата лесных экосистем

ИССЛЕДОВАНИЕ КЛИМАТА
ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ
СПУТНИКОВЫМИ СВЧРАДИОМЕТРИЧЕСКИМИ
МЕТОДАМИ
Н.А. Арманд, А.Г. Гранков, А.А. Мильшин,
Ю.Г. Тищенко, Н.К. Шелобанова
Институт радиотехники и электроники РАН
www.ire-ras-lab208.narod.ru
Эксперимент "Зонд-ПП" на базе
микроплатформы "Карат"
Унифицированная
космическая
платформа
"Карат" - базовая
космическая
платформа для
создания МКА
научного
назначения ФГУП
НПО им. С.А.
Лавочкина
2-х лучевой Lрадиометр ФГУП
СКБ ИРЭ РАН
Основные характеристики
КА
Масса, кг
120
Масса полезной нагрузки, кг
40
Высота орбиты, км
Наклонение орбиты, град
650/664
82.5
Точность ориентации, угл. мин.
10
Точность стабилизации, град/с
4 ×10-3
Объем бортового ЗУ
Скорость передачи научной информации
на пункт приема
Объем информации за сутки
Среднесуточная мощность, Вт
Срок активного cуществования, лет
не менее 5 Гбайт
> 3 Мбит/с
не менее 5 Гбит
100-150
5
Основные характеристики СВЧ радиометра
Количество лучей
2
Полоса обзора, км
0.9 Н
Поляризация
Средняя частота, МГц
линейная
1415
Полоса принимаемых частот, МГц
20
Флуктуац. чувствительность, К
0.3
Диапазон измеряемых сигналов, К
10 - 320
Уровни выходных сигналов, В
0-5
Потребляемая мощность, ВА
< 60
Масса, кг
Габариты, мм блок СВЧ
антенна
< 13
400х300х50
800х510х40
Цели эксперимента
Разработка алгоритма определения влажности
почв под пологом леса и определение условий
применимости алгоритма.
Оценка возможности определения количества
дождевой влаги, задержанной лесным пологом.
Исследования механизма взаимосвязи
характеристик радиотеплового излучения
системы «атмосфера - лес - поверхность» в
дециметровом диапазоне и радиационного
индекса сухости, потоков явного и скрытого
тепла лесных экосистем.
Сравнительный анализ возможностей методов
миллиметрового, сантиметрового и
дециметрового диапазонов.
Решаемые задачи и подходы
Экспериментальные
и теоретические
спутниковые исследования взаимосвязи
характеристик радиотеплового излучения
системы «лесной полог - почва» в дм
диапазоне с влажностью почв, радиационным
индексом сухости, потоками явного и
скрытого тепла, количеством дождевой влаги,
задержанной лесным пологом для различных
географических зон на синоптических и
сезонных масштабах.
Оценка эффективности использования Lрадиометра при исследовании температурновлажностного режима системы «лесной полог
- почва» в климатических задачах.
Создание информационной среды.
Пространственное распределение радиотеплового
излучения лесного полога по данным
моделирования на волне 21 см в июле 1992 г.
0.22
ñ.ø ., êì
0.19
0.16
0.13
0.10
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
65
70
. .,
Распределение объемной влажности в г/см3 в
поверхностном слое почвы Ржевского полигона по
результатам дистанционных измерений на волне 21 см
Сезонные изменения радиационного баланса и
радиационного индекса сухости лесов Московской
области для сезонов с различной степенью ПО: 1990
г. - низкий уровень, 1992 г. - высокий уровень
R
160
1990
1992
140
R/LP
1990
1992
120
8
100
4
80
60
2
40
4
5
6
7
Месяцы года
8
9
0
R/LP
R, Вт/м
2
6
Moscow Region (55.7°N, 39.5°E)
DMSP F08 SSM/I Data
87V
87H
37V
22H
19V
19H
280
37H
180
270
160
260
140
120
250
100
240
R = 0.995
230
80
60
220
40
210
20
200
0
Jan
Feb
Mar
Apr
Year 1988
May
Jun
Net Radiation (NR), W/m**2
Brightness Temperature (BT), K
Взаимосвязь сезонных изменений радиояркостных
температур и радиационного баланса лесов
Московской области
Взаимосвязь экспериментальных радиояркостных
температур системы почва-лес-атмосфера в мм и см
диапазоне с радиационным индексом сухости
Mos cow Re gion (55.7°N, 39.5°E)
DMSP F08 S SM/I Da ta
J uly
Brightne s s Te mpe ra ture (K)
275
Ma y
270
265
J une
260
Augus t
Se pte mbe r
255
87V
22H
250
87H
19V
37V
19H
37H
245
April
240
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Ra dia tion Inde x of Dryne s s
3,0
3,5
Взаимосвязь модельных и экспериментальных
радиояркостных температур системы почва-лес на
волне 21 см с радиационным индексом сухости
Microwave Emission from Soil-Forest System at L-Band
300
August
Brightness Temperature, K
280
July
September
Kaluga Region
May
Vladimir
Region
October
260
June
Moscow
Region
Tver
Region
240
220
April
200
Model
180
March
Experiment
160
0,0
0,5
1,0
1,5
Radiation Index of Dryness
2,0
2,5
Сезонная динамика среднемесячных потоков явного Н
и скрытого Е тепла леса Московской области
1990, E
1992, E
Climatic E
1990, H
1992, H
Climatic H
Latent and sensible heat flux, W/m**2
Moscow region (55.7°N, 39.5°E)
120
100
80
60
40
20
0
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Яркостна я те мпе ра тура , К
Спектральная зависимость приращения ЯТ лесного
полога при различных значениях задержанных
кронами осадков, кривые: 1 – 0.2 мм, 2 – 0.4 мм,
3 – 1 мм, 4 – 2 мм, 5 – 5 мм.
200
1
2
3
4
5
160
120
80
40
0
1
10
Длина волны, см
100
Валидация данных
Глобальный
архив среднемесячных
параметров атмосферы, океана и суши
NCEP/NCAR Reanalysis Data Sets (1982 - 2000)
Глобальный архив радиояркостных
температур СВЧ-радиометра SSM/I спутников
DMSP F08, F10, F11, F13; за 1987-1996 гг.
(Маршалльский центр космических полетов)
Глобальный архив радиояркостных
температур СВЧ-радиометра SMMR спутника
Nimbus-7 за 1978-1985 гг., архивные данные
радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua
Для валидации данных измерений
радиояркостных температур радиометром КА
МКА-ФКИ №1 будут привлекаться данные
европейского L-радиометра MIRAS.
Ожидаемые результаты
По результатам моделирования и
экспериментов будут:
определены функциональные связи между
характеристиками радиоизлучения системы
«лесной полог - почва» в дм диапазоне с
влажностью почв, радиационным индексом
сухости, потоками явного и скрытого тепла;
предложена схема выделения зон выпавших
осадков в лесных экосистемах;
выполнен сравнительный анализ
возможностей радиометрических методов см
и дм диапазонов при решении
перечисленных задач.