Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 2. С. 61-71
Микроволновый радиометрический метод измерения температуры поверхности почвы арктической тундры
В.Л. Миронов
1, 2 , К.В. Музалевский
1 , З. Ружичка
1 1 Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск, Россия
2 Сибирский государственный аэрокосмический университет им. М.Ф. Решетнева, Красноярск
Одобрена к печати: 20.03.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-2-61-71
В данной работе представлены результаты дистанционного зондирования температуры почвенного покрова на тестовом участке п-ва Ямал с использованием угловых зависимостей радиояркостной температуры, наблюдаемых космическим аппаратом SMOS на частоте 1,4 ГГц. Расположение пикселя зондирования космического аппарата SMOS было выбрано в районе между метеостанциями Марресале и Васькины дачи на п-ве Ямал. Исследование охватывает период с 22 октября 2012 г. по 10 мая 2014 г. для мерзлого состояния почвенного покрова. Метод восстановления температуры почвы основан на решении обратной задачи путем минимизации нормы невязки между наблюдаемыми и рассчитанными значениями радиояркостной температуры. Расчет радиояркостной температуры производился с использованием полуэмпирической модели, учитывающей затухание волны в снежном покрове, диэлектрическую проницаемость почвенного покрова, на основе модели комплексной диэлектрической проницаемости почвы с высоким содержанием органического вещества. Модель комплексной диэлектрической проницаемости почвенного покрова была создана в лабораторных условиях с использованием методов диэлектрической спектроскопии с использованием почвенных образцов отобранных на тестовом участке п-ва Ямал. Среднеквадратическое отклонение и коэффициент детерминации между восстановленными и измеренными значениями температуры почвы оказались равны 4,5°С и 0,59 соответственно. Полученный результат указывает на перспективность использования поляриметрических угловых наблюдений радиояркостной температуры на частоте 1,4 ГГц для измерения температуры арктической тундровой почвы.
Ключевые слова: микроволновая радиометрия, температура почвы, арктическая зона
Полный текстСписок литературы:
- Bobrov P.P., Krivaltsevich S.V., Mironov V.L., Yaschenko A.S. The Effect of Frozen Soil Layer Thickness On Thermal Emission at the wavelength 3.6–11 cm // Russian Physics Journal. 2006. Vol. 49. No. 9. P. 907–912.
- Bobrov P.P., Mironov V.L., Yashchenko A.S. Diurnal Dynamics of Soil Brightness Temperatures Observed at Frequencies of 1.4 and 6.9 GHz in the Processes of Freezing and Thawing // Journal of Communications, Technology and Electronics. 2010. Vol. 55. No. 4. P. 395–402.
- FAO/IIASA/ISRIC/ISSCAS/JRC, 2012. Harmonized World Soil Database (version 1.2). FAO, Rome, Italy and IIASA, Laxenburg, Austria.
- Hachem S., Duguay C.R., Allard M. Comparison of MODIS-derived land surface temperatures with ground surface and air temperature measurements in continuous permafrost terrain // The Cryosphere. 2012. No. 6. P. 51–69.
- Jones L.A., Kimball J.S., McDonald K.C., Chan S.T.K., Njoku E.G., Oechel W.C. Satellite Microwave Remote Sensing of Boreal and Arctic Soil Temperatures From AMSR-E // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2007. Vol. 45. No. 7. P. 2004–2018.
- Kerr Y.H., Waldteufel P., Wigneron J.-P., Delwart S., Cabot F., Boutin J., Escorihuela M.-J., Font J., Reul N., Gruhier C., Juglea S.E., Drinkwater M.R., Hahne A., Martin-Neira M., Mecklenburg S. The SMOS Mission: New Tool for Monitoring Key Elements of the Global Water Cycle // Proceedings of the IEEE. 2010. Vol. 98. No. 5. P. 666–687.
- Mialon A., Coret L., Kerr Y.H., Secherre F., Wigneron J.-P. Flagging the Topographic Impact on the SMOS Signal // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008. Vol. 46. No. 3. P. 689–694.
- Mironov V.L., Fomin S.V. Temperature Dependable Microwave Dielectric Model for Moist Soils // Proceedings of PIERS. 2009. P. 831–835.
- Mironov V.L., De Roo R.D., Savin I.V. Temperature-Dependable Microwave Dielectric Model for an Arctic Soil // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2010. Vol. 48. No. 6. P. 2544–2556.
- Mironov V.L., Muzalevskiy K.V., Savin I.V. Retrieving Temperature Gradient in Frozen Active Layer of Arctic Tundra Soils From Radiothermal Observations in L-Band-Theoretical Modeling // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2013. Vol. 6. No. 3. P. 1781–1785.
- Mironov V.L., Savin I.V., Muzalevskiy K.V. A Temperature-Dependent Multi-Relaxation Spectroscopic Dielectric Model for Thawed and Frozen Organic Soil at 0.05-15 GHz // In: Proceedings of the IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). 2015a. Vol. 83–84. P. 2031–2034.
- Mironov V., Savin I. A Temperature-Dependent Multi-Relaxation Spectroscopic Dielectric Model for Thawed and Frozen Organic Soil at 0.05–15 GHz // Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. 2015b. P. 57–64.
- Mironov V.L., Molostov I.P., Scherbinin V.V. Dielectric model of a mineral arctic soil thawed and frozen at 0.05–15 GHz// Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 2015c. P. 1–7.
- NOAA's National Centers for Environmental Information. (2015). [Online]. WMO Weather Station Database. Available: ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod/.
- Pavlov A.V. Active layer monitoring in northern West Siberia // Proceedings of the Permafrost Seventh International Conference. 1998. P. 101–110.
- Permarfrost Laboratory University of Alaska. (2015). [Online]. Marresale database. Available: http://permafrost.gi.alaska.edu/site/ms1 (/ms2, /ms3, /ms5).
- Toolik-Arctic Geobotanical Atlas. (2016). [Online]. Geobotanical Atlas. Available: http://www.arcticatlas.org/maps/catalog/.
- Wigneron J.P., Kerr Y.H., Waldteufel P., Saleh K., Escorihuela M.-J., Richaume P., Ferrazzoli P., de Rosnay P., Gurney R., Calvet J.C., Grant J.P., Guglielmetti M., Hornbuckle B., Matzler C., Pellarin T., Schwank M. L-band microwave emission of the biosphere (L-MEB) model: Description and calibration against experimental data sets over crop fields // Remote Sensing of Environment. 2007. Vol. 107. P. 639–655.
- Wigneron J., Chanzy A., Kerr Y.H., Lawrence H., Jiancheng Shi, Escorihuela M.J., Mironov V., Mialon A., Demontoux F., de Rosnay P., Saleh-Contell K. Evaluating an Improved Parameterization of the Soil Emission in L-MEB // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2011. Vol. 49. No. 4. P. 1177–1189.
- Wigneron J.P., Chanzy A., Kerr Y.H., Lawrence H., Jiancheng Shi, Escorihuela M.J., Mironov V., Mialon A., Demontoux F., de Rosnay P., Saleh-Contell K. Correction to ”Evaluating an improved parameterization of the soil emission in L-MEB [Apr 11 1177-1189]” // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2013. Vol. 51. No. 5. P. 3200–3200.
- Ye N., Walker J.P., Guerschman J., Ryu D., Gurney R.J. Standing water effect on soil moisture retrieval from L-band passive microwave observations // Remote Sensing of Environment. 2015. Vol. 169. P. 232–242.
- Zhao S., Zhang L., Zhang T., Hao Z., Chai L., Zhang Z. An empirical model to estimate the microwave penetration depth of frozen soil // Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). 2012. P. 4493–4496.