Способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков
Владельцы патента RU 2617452:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (RU)
Изобретение относится к области гидрометеорологического моделирования и может быть использовано для создания картосхем распределения твердых атмосферных осадков. Сущность: на основании гравиметрических данных спутниковых измерений GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) получают аномалии водного эквивалента массы. На основании аномалий водного эквивалента массы, учитывая рельеф местности, рассчитывают среднее количество твердых атмосферных осадков. Создают картосхемы пространственного распределения твердых атмосферных осадков с учетом рельефа местности. Детализируют картосхемы пространственного распределения твердых атмосферных осадков, используя редукционные коэффициенты. Технический результат: повышение пространственного разрешения картосхем. 2 ил.
Изобретение относится к гидрологии суши и может быть использовано для определения ежегодного количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков в таежной зоне Приенисейской Сибири.
Известен способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков посредством интерполяции данных регулярной сети метеорологических станций. На территории Приенисейской Сибири такая сеть редка, а рельеф местности, определяющий их пространственную дифференциацию, достаточно сложен, поэтому данный способ не позволяет получать адекватные данные пространственно-распределенных значений твердых атмосферных осадков.
Цель данного изобретения - определение количества и повышение точности характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков на территории таежной зоны Приенисейской Сибири и снижение трудоемкости за счет исключения необходимости получения наземной информации.
Для примера работа представлена на территории тестового участка в южной части Приенисейской Сибири (92-96° в.д., 56-58° с.ш.).
Способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков предполагает два этапа. На первом этапе работ осуществляется создание растрового изображения (картосхемы) пространственного распределения твердых атмосферных осадков с использованием спутниковых данных низкого пространственного разрешения (1 градус), второй этап заключается в детализации полученной картосхемы и увеличении пространственного разрешения до 90 м.
Работы первого этапа.
Первый этап предлагаемого способа определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков основан на использовании аномалий водного эквивалента массы, полученных на основе гравиметрических данных спутниковых измерений GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) Tellus [6], и параметров рельефа местности. Спутники-близнецы GRACE, разработанные NASA, измеряют локальные колебания гравитационного поля Земли. Величины аномалий гравитационного поля переводятся в эквивалентный уровень водных масс суши и океана, которые используются для оценки пространственно-временных вариаций водных запасов [5, 1]. Каждый пиксель GRACE учитывает изменения надземных и подземных водных масс. Массы воды в атмосфере в данном продукте исключены. Данные со спутника GRACE представляют ежемесячные аномалии водного эквивалента массы, рассчитанные по отношению к среднему значению массы воды с января 2004 по декабрь 2009 гг., и доступны за каждый месяц с 2002 года по настоящее время (2015 г.) на всю территорию земного шара и имеют пространственное разрешение 1 градус [6].
На основе экспериментальных и метеорологических данных для каждого пикселя GRACE получены зависимости средней для пикселя величины твердых атмосферных осадков, от параметров рельефа (абсолютная высота над уровнем моря, угол наклона поверхности и показатель, отражающий почвенно-грунтовый сток) и значений аномалий водного эквивалента массы, полученных на основе данных GRACE.
В качестве метеорологических данных использовались значения твердых атмосферных осадков сети метеостанций в районе исследований. В качестве экспериментальных данных выступали данные снегомерных съемок на снегомерных пунктах. Снегомерные наблюдения проводились с 2000 по 2013 гг. в период максимальных снегозапасов (первая-вторая декада марта). Количество твердых атмосферных осадков рассчитывалось как сумма снегозапасов с величиной зимнего испарения с поверхности снежного покрова и суммарной величины твердых атмосферных осадков, выпавших до установления устойчивого снежного покрова и после проведения снегосъемок. Сведения о твердых осадках, выпавших до установления устойчивого снежного покрова и после проведения снегосъемок, определялись по данным с ближайших метеорологических станций. Величина зимнего испарения оценивалась по методике М.И. Ивероновой [2].
Учет влияния параметров рельефа, определяющих миграцию почвенно-грунтовой влаги, позволяет устранить несоответствие величины выпавших твердых атмосферных осадков, формирующих снежный покров, аномалиям водного эквивалента массы, отражающего как надземную, так и подземную его составляющую.
Для расчета абсолютной высоты местности и угла наклона поверхности использовали цифровую модель рельефа SRTM [7], имеющую пространственное разрешение 90 м. Показатели рельефа и величина твердых атмосферных осадков рассчитывались в границах пикселя GRACE.
Величина твердых атмосферных осадков определялась с использованием функции множественной регрессии в пакете статистического анализа данных STATISTICA7 согласно следующей формуле:
где Xn- среднее количество твердых атмосферных осадков n-го года, мм;
GRn - разница значений аномалий водного эквивалента массы октября (n-1)-го года и марта месяца n-го года, см;
H - средняя абсолютная высота над уровнем моря, м;
Sl - средний угол наклона поверхности, град;
А - показатель, отражающий суммарный сток [4], который рассчитывается на основе цифровой модели рельефа как сумма весов всех ячеек (пикселей цифровой модели рельефа), сток из которых поступает в пиксель GRACE;
SH40° - площадь пикселя GRACE, с абсолютной высотой над уровнем моря, превышающей 400 м, %;
R2 - коэффициент множественной детерминации;
σ - среднеквадратическая ошибка определения величины твердых атмосферных осадков, мм;
213,76; 1,68; 0,41; 18,42; 0,01*10-6; 2,86 - эмпирические коэффициенты, определенные вследствие эксперимента.
Используя предлагаемую формулу, цифровую модель рельефа и материалы спутниковых наблюдений GRACE возможно ежегодно генерировать растровые изображения распределения твердых атмосферных осадков с пространственным разрешением 1 градус на исследуемую территорию без привлечения наземной информации.
Работы второго этапа.
Второй этап предполагает детализацию пространственного распределения твердых атмосферных осадков внутри каждого из пикселей GRACE с учетом орографических эффектов, которые определяют контрасты пространственного распределения атмосферных осадков. Такие контрасты обусловлены абсолютной высотой местности, увеличением осадков на наветренных склонах и уменьшением их величины на склонах, находящихся в ветровой тени [3]. С целью повышения технологичности перехода от генерализованных величин твердых атмосферных осадков, полученных на первом этапе работ, к детальной картине пространственного распределения осадков предлагается использовать редукционные коэффициенты. Редукционные коэффициенты являются мерой отклонения значения атмосферных осадков каждого пикселя детальной картосхемы от среднего их значения, рассчитанного в границах пикселей GRACE.
Эти коэффициенты идентифицированы для каждого пикселя размером 90×90 м, в соответствии с размером пикселя используемой цифровой модели рельефа SRTM [7]. Значения коэффициентов определены в соответствии с известным характером пространственного распределения атмосферных осадков [3], представленным на фиг. 1. Фиг. 1 иллюстрирует среднемноголетнее количество и характер пространственного распределения твердых атмосферных осадков на территорию таежной зоны Приенисейской Сибири. На фиг. 2 представлено распределение редукционных коэффициентов на исследуемую территорию.
Детализация пространственного распределения осадков осуществляется путем перемножения генерализованных величин осадков, полученных на первом этапе работ, на редукционные коэффициенты.
Предлагаемый способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков может быть реализован посредством географических информационных систем, общедоступных данных GRACE, цифровой модели рельефа и разработанной регрессионной модели. Для детализации пространственного распределения осадков используются редукционные коэффициенты.
Заявленный способ позволяет получать детальную картосхему ежегодного распределения твердых атмосферных с пространственным разрешением до 90 м на территорию таежной зоны Приенисейской Сибири. Он отличается тем, что для оценки величины и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков отпадает необходимость инструментального определения их величины.
Анализ пространственного распределения твердых атмосферных осадков со средним пространственным разрешением обеспечивает решение ряда практических задач, в том числе прогноз паводков, оценку условий зимней миграции диких животных, заснеженность транспортных магистралей, оценку величины весеннего увлажнения территорий, влияющего на урожайность культур и пожарную опасность в лесах.
Литература
1. Зотов Л.В., Носова С.А., Баринов М.В. Многоканальный сингулярный спектральный анализ данных по гравитационному полю Земли со спутников GRACE // Труды 37-го международного семинара им. Успенского. - ИФЗ РАН, Москва, 2010. - С. 25-29.
2. Иверонова М.И. К вопросу об испарении со снежного покрова на большей части территории СССР. / Роль снежного покрова в природных процессах. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - С. 36-53.
3. Онучин А.А., Данилова И.В. Орографические эффекты распределения атмосферных осадков на юге Приенисейской Сибири // География и природные ресурсы - 2012. - №3. - С. 85-92.
4. ArcGIS Spatial Analyst. Руководство пользователя-2001. - 216 с.
5. Felix W. Landerer, Jean О. Dickey and Andreas 
Terrestrial water budget of the Eurasian pan-Arctic from GRACE satellite measurements during 2003-2009 // Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume 115, Issue D23115, December 2010.
6. GRACE MONTHLY MASS GRIDS http://grace.jpl.nasa.gov.
7. SRTM 90m Digital Elevation Data http://srtm.csi.cgiar.org.
Способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков на территории таежной зоны Приенисейской Сибири, заключающийся в создании ежегодных картосхем величин твердых атмосферных осадков, отличающийся тем, что вместо данных метеостанций используют аномалии водного эквивалента массы, полученные на основе гравиметрических данных спутниковых измерений GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) Tellus низкого пространственного разрешения, и разработанную модель характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков с учетом рельефа местности, позволяющие с использованием редукционных коэффициентов детализировать распределение осадков и повысить пространственное разрешение картосхем до 90 м без применения наземных наблюдений.
