Способ определения влажности почвенного покрова

 

Изобретение позволяет определять на контролируемой глубине влажность почвенного покрова в периоды выпадения конвективных осадков. Способ заключается в том, что перед проведением измерения с искусственного спутника Земли радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, дополнительно проводят две последовательные спутниковые съемки облачности над почвенным покровом и прилегающими к нему территориями в интервале времени от 4-х до 24-х ч и ± 3 ч соответственно, наземные измерения влажности не менее чем в одном локальном участке каждого типа почвенного покрова на контролируемой глубине не более чем за 24 ч до начала измерения радиолокационного сигнала и суммарного количества выпавших осадков за 12 и 24 ч. 1 ил.

Изобретение относится к определению агрометеорологических параметров посредством дистанционного зондирования с помощью электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона, а точнее с использованием способов дистанционного зондирования с аэрокосмических носителей совместно со способами наземных измерений, и наиболее эффективно может быть использовано для определения влажности верхнего слоя пахотных почв на заданной глубине в периоды весеннего и осеннего сева при выпадении мезомасштабных конвективных осадков, которые в большинстве случаев не регистрируются относительно редкой сетью наземных агрометстанций и постов.

Известен способ определения влажности почвенного покрова, заключающийся в ежедневном измерении на глубинах 0-2 и 10-12 см степени увлажнения почвы вблизи агрометстанции или агрометпоста и измерении осадков за предшествующие 12 и 24 ч, по результатам которых судят о влажности почвенного покрова вне районов измерений [1] Недостатком известного способа является низкая достоверность определения влажности вне районов измерений, особенно в периоды выпадения мезомасштабных конвективных осадков, которые могут пройти вблизи участка, где производятся измерения и, следовательно, не будут зарегистрированы при измерениях на агрометстанции.

Известны способы определения влажности почвенного покрова, заключающиеся в измерении характеристик радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом в обратном направлении, по значению которых с учетом эмпирических регрессионных соотношений судят о влажности почвы [2] [3] Недостатком этих способов является их низкая (по сравнению с наземными данными агрометсети) достоверность определения (наиболее значимых для посевов с/х культур) значений влажности на глубине 10-12 см в периоды после выпадения конвективных осадков. Основной причиной низкой достоверности является то, что априорно предполагается одинаковость влажности почвы в рассеивающем слое (толщиной менее 1 см) и на глубине 10-12 см, что в большинстве случаев не выполняется после выпадения конвективных осадков.

Известен способ определения влажности почвенного покрова, заключающийся в измерении со спутника интенсивности радиолокационного сигнала СВЧ-диапазона, рассеянного почвенным покровом в обратном направлении [4] Недостатком такого способа является низкая достоверность определения влажности почвы на глубине 10-12 см в периоды после выпадения конвективных осадков.

Цель изобретения повышение достоверности определения влажности почвы на глубине 10-12 см в периоды после выпадения конвективных осадков.

Это достигается тем, что при способе определения влажности почвенного покрова, заключающемся в измерении с искусственного спутника Земли интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом в направлении, противоположном зондированию, согласно изобретению, дополнительно в оптическом диапазоне частот проводят две последовательные спутниковые съемки поля облачности над почвенным покровом и прилегающими к нему территориями, причем первую съемку осуществляют в интервале времени от четырех до 24 ч перед измерением интенсивности радиолокационного сигнала, а вторую в интервале ±3 ч относительно этого же момента времени, по которым определяют время выпадения и количество выпавших на почвенный покров осадков на момент проведения измерений интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, проводят наземные измерения влажности почвенного покрова не менее чем в одном локальном участке каждого типа почвенного покрова на контролируемой глубине, например 10-12 см, не более чем за 24 ч до начала проведения измерения интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, и измеряют суммарное количество выпавших на почвенный покров осадков за 12 ч и 24 ч до начала проведения измерения интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, определяют зависимость влажности почвенного покрова на контролируемой глубине от количества выпавших на почвенный покров осадков, по результатам всех проведенных измерений определяют значение влажности почвенного покрова на контролируемой глубине (для каждого типа почвенного покрова).

Известно, что активность развития посевов зависит от влажности почвы на глубине залегания основной части их корневой системы, которая по мере роста смещается от уровня 10-12 см в период сева до 15-20 см и более. Поэтому измерения влажности по мере развития корневой системы целесообразно проводить на все больших глубинах.

Увлажнение почвы дождем приводит к тому, что наиболее влажным оказывается самый верхний слой почвы, от которого и формируется основное рассеяние радиолокационного сигнала. Статистическая связь влажности этого слоя с влажностью на большей глубине сложным образом зависит от количества выпавших осадков, скорости и времени их выпадения, а также от предшествующих осадкам значений влажности почвы на поверхности и на заданном уровне. Учитывая это, для более точного определения текущего значения влажности почвы на заданной глубине необходимо дополнительно определять все перечисленные параметры.

Наиболее эффективно дополнительные параметры могут быть определены, если использовать две последовательные спутниковые съемки поля облачности над почвенным покровом и прилегающими к нему территориями (лучше всего в инфракрасном диапазоне спектра 10-12 мкм) и отдельные локальные измерения влажности почвы на контролируемой глубине (например, 10-12 см), а также соответствующие этим локальным участкам значения выпавших осадков за предшествующие 12 и 24 ч. При этом указанные ограничения на время дополнительных измерений необходимы для того, чтобы обеспечить наименьшую погрешность определения влажности на заданной глубине.

На чертеже представлены графики экспериментальных значений степени увлажнения почвы: 1а-в графически представлена используемая для определения влажности поверхностного слоя почвы (в градациях по степени увлажнения [1]) 0-2 см, ее зависимость от количества выпавших осадков и времени их выпадения; г-е аналогичная зависимость, но для слоя почвы на глубине 10-12 см. При этом цифрами обозначены следующие градации состояния почвы по степени увлажнения: 1 текучее; 2 липкое; 3 мягкопластичное; 4 твердопластичное; 5 сухое.

В предшествующий срок степень увлажнения слоя почвы была: сухая ( ° ), твердопластиная ( Δ), мягкопластичная (+), липкая ( x ) и текучая ( · ).

Рассмотрим конкретный пример реализации способа на основе использования информации функционирующих в штатном режиме радиолокаторов бокового обзора ИСЗ типа "Океан" или "Космос-1500" [4] сканеров инфракрасного (ИК) диапазона (10-12 мкм) ИСЗ типа "NOAA-10", обеспечивающих съемку поля облачности независимо от времени суток, а также результатов измерений наземной агрометсети.

Способ осуществляют следующим образом. Вначале к запланированному моменту съемки РЛС БО из всей поступающей в Гидрометцентр спутниковой метеорологической информации отбирают результаты двух последовательных съемок поля облачности над исследуемым с помощью РЛС БО районом и вне его. Для этого могут быть использованы два снимка в ИК-диапазоне с американского ИСЗ "NOAA-10", полученных соответственно за интервалы 4-24 ч (например, за 12 ч) и ±3 ч (например, за 1 ч) до запланированной съемки с помощью РЛС БО известной территории. Поскольку каждый снимок имеет географическую привязку, то выделяя на них запланированный район съемки РЛС БО и облачное поле, которое проходило либо находится, либо пройдет над этим районом, рассчитывают скорость смещения облачности над выделенным районом: V ΔL/Δt, где ΔL среднее смещение (в км) облачности за интервал времени Δt (ч) между двумя отобранными съемками поля облачности.

Из всех последних телеграмм, поступивших в Гидрометцентр с наземных агрометстанций (АМС), отбирают только те, которые соответствуют запланированному району съемки РЛС БО, а из них считывают результаты измерений степени увлажнения почвы (на глубине, например, 10-12 см) и предшествующие ночные и суточные осадки. Поскольку наземные измерения на АМС проводятся ежесуточно, то разница между временем последних наземных измерений и моментом съемки РЛС БО не превысит 24 ч.

После того, как РЛС БО океанографического ИСЗ проведет съемку заданного района и эта информация об интенсивности радиолокационного сигнала, рассеиваемого почвенным покровом в направлении, противоположном зондированию, поступит по каналу связи в Гидрометцентр, она визуализируется в виде радиолокационного изображения, например, на экране монитора персональной ЭВМ (типа IBM PC/АТ). По представленным (при визуализации) значениям электрических сигналов затем распознают районы повышенного увлажнения верхнего слоя (0-2 см) почвенного покрова осадками, выпавшими не более чем за 36 ч до момента съемки РЛС БО. Для распознавания могут быть использованы количественные критерии либо сравнение с предшествующим аналогичным снимком РЛС БО того же района, но соответствующим сухому состоянию самого верхнего слоя почвы (т.е. когда осадки не наблюдались по крайней мере в течение 48 ч до момента съемки). В последнем случае районы увлажнения почвы осадками распознаются по увеличенному (не менее чем на 1-2 дБ) значению текущих электрических сигналов относительно предшествующих, так как у сухих почв изменение увлажнения поверхностного слоя оказывается достаточно большим (см. чертеж а-в).

После распознавания районов увлажнения почвы осадками определяют время их наиболее вероятного выпадения. Для этого на первом и втором снимках облачности выделяют наиболее светлые участки облачного покрова, проходившие над распознанными по снимку РЛС БО районами выпадения осадков, и методом интерполяции между временами съемки облачности с учетом скорости смещения облаков рассчитывают время выпадения осадков.

При осадках из конвективных ячеек среднее количество осадков, выпавших из конвективных ячеек в выявленных районах, можно оценить по следующей формуле: QB˙ I (B)/V, где В диаметр ячейки выпадавших осадков (км), определяемый по снимку РЛС БО; I(B) зависимость средней интенсивности осадков (мм/ч) от диаметра В; V скорость перемещения облачности (км/ч) с конвективной ячейкой. Например, при В 8 км (что определяется по ширине полосы либо пятна увлажнения почвы дождем), I≈10 мм/ч (Z 35-40 дБ), V 36 км/ч получаем Q ≈2 мм.

По аналогичным эмпирическим зависимостям для каждого типа почвы определяют приращение влажности, на которое выпавшие осадки могут увеличить значение влажности почвы, полученное в процессе предшествующего наземного измерения на заданной глубине. Рассчитанное (с учетом этого приращения) новое значение влажности почвы на момент радиолокационной съемки наносится на уточненную карту влажности почвы на заданной глубине. При этом границы районов, где влажность почвы повышается на рассчитанную величину, устанавливаются по границам районов, которые на снимке РЛС БО соответствуют увлажнению верхнего слоя почвы осадками.

Например, на снимке РЛС БО выделены две области черноземных почв, верхний слой которых увлажнен осадками. При этом осадки выпали через 1 ч после наземных измерений на АМС и за 3 ч до съемки РЛС БО. Анализ двух снимков поля облачности дал следующие оценки количества осадков для первой и второй областей: 2 и 10 мм соответственно. В пределах каждой из таких областей оказалось расположено по одной АМС, с которых поступила следующая информация: за прошедшие день и ночь осадков не наблюдалось, а влажность почвы (южный чернозем) на глубине 10-12 см соответствует твердопластичному состоянию (т.е. весовое содержание воды в указанном слое почвы близко к (20 ±4% ). Используя график г, получаем, что в первой области, где Q 2 мм на момент радиолокационной съемки и даже через 12 ч после него (е), влажность почвы на глубине 10-12 см практически не изменится, т.е. будет продолжать сохраняться твердопластичное состояние. Во второй области (где Q≥10 мм) к моменту съемки РЛС БО состояние почвы на глубине 10-12 см может измениться от твердопластичного до мягкопластичного и даже липкого (фиг.г). Однако через 12 ч (е) наиболее устойчивым будет мягкопластичное состояние (влажность ≈25±3 мас.

По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет не только повысить (за счет учета непостоянства профиля влажности) достоверность определения влажности почвенного покрова на заданной глубине в периоды выпадения конвективных осадков, но и обеспечить получение краткосрочного (на 12-24 ч) прогноза влажности почвы в заданном слое, что особенно важно в периоды весеннего и осеннего сева сельхозкультур.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА, заключающийся в измерении с искусственного спутника Земли интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в периоды выпадения конвективных осадков и возможности определения влажности на глубине, перед проведением измерения интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, осуществляют с искусственного спутника Земли в оптическом диапазоне частот первую и вторую съемки облачности над почвенным покровом и прилегающими к нему территориями в интервале времени от 4 до 24 ч и ±3 ч соответственно до начала проведения измерения интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, по которым определяют время выпадения и количество выпавших на почвенный покров осадков на момент проведения измерений интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, проводят наземные измерения влажности почвенного покрова не менее чем в одном локальном участке каждого типа почвенного покрова на контролируемой глубине, например 10 12 см, не более чем за 24 ч до начала проведения измерения интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, и суммарного количества выпавших на почвенный покров осадков за 12 ч и 24 ч до начала проведения измерения интенсивности радиолокационного сигнала, рассеянного почвенным покровом, по которым определяют зависимость влажности почвенного покрова на контролируемой глубине от количества выпавших на почвенный покров осадков и по результатам всех проведенных измерений определяют значение влажности почвенного покрова на контролируемой глубине.

РИСУНКИ

Рисунок 1