ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

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 текст

Список литературы:

  1. 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.
  2. 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.
  3. FAO/IIASA/ISRIC/ISSCAS/JRC, 2012. Harmonized World Soil Database (version 1.2). FAO, Rome, Italy and IIASA, Laxenburg, Austria.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Mironov V.L., Fomin S.V. Temperature Dependable Microwave Dielectric Model for Moist Soils // Proceedings of PIERS. 2009. P. 831–835.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. NOAA's National Centers for Environmental Information. (2015). [Online]. WMO Weather Station Database. Available: ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod/.
  15. Pavlov A.V. Active layer monitoring in northern West Siberia // Proceedings of the Permafrost Seventh International Conference. 1998. P. 101–110.
  16. Permarfrost Laboratory University of Alaska. (2015). [Online]. Marresale database. Available: http://permafrost.gi.alaska.edu/site/ms1 (/ms2, /ms3, /ms5).
  17. Toolik-Arctic Geobotanical Atlas. (2016). [Online]. Geobotanical Atlas. Available: http://www.arcticatlas.org/maps/catalog/.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.