Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 5. С. 346-356
Дистанционное зондирование и аналитическое моделирование температурного режима реки Енисей в нижнем бьефе Красноярской ГЭС
А.К. Матузко
1 , Н.Я. Шапарев
1 , О.Э. Якубайлик
2 1 Институт вычислительного моделирования СО РАН, Красноярск, Россия
2 Красноярский научный центр СО РАН, Красноярск, Россия
Одобрена к печати: 03.09.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-5-346-356
Зарегулирование стока реки Енисей Красноярской ГЭС привело к значительным изменениям гидротермического режима в нижнем бьефе. Существующая система мониторинга температуры воды, основанная на дискретных измерениях на гидропостах, не обеспечивает достаточной пространственно-временной детализации, необходимой для современных задач социально-экономического развития бассейна Енисея и арктических территорий Красноярского края. В данной работе предложен комплексный подход, сочетающий методы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и аналитического моделирования для оценки температурного режима реки. В качестве данных ДЗЗ использованы материалы тепловой инфракрасной съёмки Landsat-8/-9 C2 L2SP (англ. Collection 2 Level 2 Science Product), обеспечивающие высокую точность за счёт учёта атмосферных параметров. Аналитическое моделирование гидротермического режима выполнено на основе решения уравнения теплопроводности, где учитывались солнечная и тепловая инфракрасная радиация, конвекция и испарение. Морфометрические характеристики русла получены по спутниковым снимкам высокого разрешения QuickBird. Результаты показали высокую степень согласованности расчётной температуры данным гидропостов, а также результатам вычислений температуры воды по спутниковым данным Landsat. Предложенный подход позволит существенно улучшить пространственно-временное разрешение мониторинга температурного режима реки. Вместе с тем был выявлен ряд ограничений, связанных периодичностью спутниковой съёмки, облачностью и пространственным разрешением тепловых каналов Landsat.
Ключевые слова: температура воды, Енисей, Landsat-8/-9, ДЗЗ, гидропосты, аналитическое моделирование
Полный текстСписок литературы:
- Белолипецкий В. М., Генова С. Н., Туговиков В. Б., Шокин Ю. И. Численное моделирование задач гидроледотермики водотоков. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1993. 138 с.
- Космаков И. В. Термический и ледовый режим в верхних и нижних бьефах высоконапорных гидроэлектростанций на Енисее. Красноярск: Кларетианум, 2001. 143 с.
- Ложкин Д. М., Шевченко Г. В. Сравнительный анализ температуры поверхности Охотского моря по данным спутниковых наблюдений и реанализа ERA5 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 183–192. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-183-192.
- Пармузин Е. И., Лёзина Н. Р., Агошков В. И. Исследование влияния ассимиляции мгновенных данных наблюдений со спутников на воспроизведение температуры поверхности моря в модели динамики Чёрного и Азовского морей // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 2. С. 61–69. DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-2-61-69.
- Рис У. Г. Основы дистанционного зондирования. М.: Техносфера, 2006. 338 с.
- Степаненко В. М., Репина И. А., Медведев А. И., Романенко В. А. Воспроизведение моделью LAKE температуры поверхности крупнейших озёр Земли: система автоматической калибровки по данным MODIS // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 6. С. 267–283. DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-6-267-283.
- Шапарев Н. Я., Андрианова А. В. Показатели устойчивого водопользования р. Енисей // География и природные ресурсы. 2018. № 4. С. 47–56. DOI: 10.21782/GIPR0206-1619-2018-4(47-56).
- Шапарев Н. Я., Шокин Ю. И. Моделирование летнего гидротермического режима в нижнем бьефе Красноярской ГЭС // Вычисл. технологии. 2018. Т. 23. № 6. С. 107–114. DOI: 10.25743/ICT.2018.23.6.0010.
- Caissie D. The thermal regime of rivers: A review // Freshwater Biology. 2006. V. 51. P. 1389–1406. DOI: 10.1111/j.1365-2427.2006.01597.x.
- Dingman S. L. Physical hydrology. 3rd ed. Long Grove: Waveland Press, 2015. 670 p.
- Handcock R. N., Gillespie A. R., Cherkauer K. A. et al. Accuracy and uncertainty of thermal-infrared remote sensing of stream temperatures at multiple spatial scales // Remote Sensing of Environment. 2006. V. 100. P. 427–440. DOI: 10.1016/j.rse.2005.07.007.
- Jimenez-Munoz J. C., Cristobal J., Sobrino J. A. et al. Revision of the single-channel algorithm for land surface temperature retrieval from Landsat thermal-infrared data // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2009. V. 47. Iss. 1. P. 339–349. DOI: 10.1109/TGRS.2008.2007125.
- Kirner D., Laska K., Stachon Z. Assessment and validation of Land Surface Temperature retrieval algorithms using Landsat 8 TIRS data in Antarctic ice-free areas // Polar Science. 2024. V. 42. Article 101127. DOI: 10.1016/j.polar.2024.101127.
- Li Z.-L., Tang B.-H., Wu H. et al. Satellite-derived land surface temperature: Current status and perspectives // Remote Sensing of Environment. 2013. V. 131. P. 14–37. DOI: 10.1016/j.rse.2012.12.008.
- Ling F., Foody G. M., Du H. et al. Monitoring thermal pollution in rivers downstream of dams with Landsat ETM+ thermal infrared images // Remote Sensing. 2017. V. 9. Iss. 11. Article 1175. DOI: 10.3390/rs9111175.
- Lyapustin A., Wang Y., Korkin S., Huang D. MODIS Collection 6 MAIAC algorithm // Atmospheric Measurement Techniques. 2018. V. 11. Iss. 10. P. 5741–5765. DOI: 10.5194/amt-11-5741-2018.
- Malakar N. K., Hulley G. C., Hook S. J. et al. An operational land surface temperature Product for Landsat thermal data: Methodology and validation // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2018. V. 56. Iss. 10. P. 5717–5735. DOI: 10.1109/TGRS.2018.2824828.
- Matuzko A. K., Yakubailik O. E. Monitoring of land surface temperature in Krasnoyarsk and its suburban area based on Landsat 8 satellite data // J. Siberian Federal University. Engineering and Technologies. 2018. V. 11. No. 8. P. 934–945. DOI: 10.17516/1999-494X-0115.
- Montanaro M., Levy R., Markham B. On-orbit radiometric performance of the Landsat 8 Thermal Infrared Sensor // Remote Sensing. 2014. V. 6. Iss. 12. P. 11753–11769. DOI: 10.3390/rs61211753.
- Parastatidis D., Mitraka Z., Chrysoulakis N., Abrams M. Online global land surface temperature estimation from Landsat // Remote Sensing. 2017. V. 9. Iss. 12. Article 1208. DOI: 10.3390/rs9121208.
- Sekertekin A. Validation of physical radiative transfer equation-based land surface temperature using Landsat 8 satellite imagery and SURFRAD in-situ measurements // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2019. V. 196. Article 105161. DOI: 10.1016/j.jastp.2019.105161.
- Shaparev N. Modelling summer water temperature on the Yenisei River // Thermal Science. 2019. V. 23. P. 607–614.
- Shaparev N., Shokin Y., Yakubailik O. Modelling and remote sensing of water temperature of the Yenisei River // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2018. V. 211. Article 012022.
- Simon R. N., Tormos T., Danis P.-A. Retrieving water surface temperature from archive Landsat thermal infrared data: Application of the mono-channel atmospheric correction algorithm over two freshwater reservoirs // Intern. J. Applied Earth Observation and Geoinformation. 2014. V. 30. P. 247–250. DOI: 10.1016/j.jag.2014.01.005.
- Sinokrot B. A., Stefan H. G. Stream temperature dynamics: Measurements and modeling // Water Resources Research. 1993. V. 29. Iss. 7. P. 2299–2312.
- Vanhellemont Q. Automated water surface temperature retrieval from Landsat 8/TIRS // Remote Sensing of Environment. 2020. V. 237. Article 111518. DOI: 10.1016/j.rse.2019.111518.
- Wang F., Qin Z., Song C. et al. An improved mono-window algorithm for land surface temperature retrieval from Landsat 8 Thermal Infrared Sensor data // Remote Sensing. 2015. V. 7. Iss. 4. P. 4268–4289. DOI: 10.3390/rs70404268.
- Wawrzyniak V., Piégay H., Poirel A. Longitudinal and temporal thermal patterns of the French Rhône River using Landsat ETM+ thermal infrared images // Aquatic Sciences. 2012. V. 74. P. 405–414.
- Webb B. W., Hannah D. M., Moore R. D., Brown L. E., Nobilis F. Recent advances in stream and river temperature research // Hydrological Processes. 2008. V. 22. Iss. 7. P. 902–918.
- Yang D., Liu B., Ye B. Stream temperature changes over Lena River basin in Siberia // Geophysical Research Letters. 2005. V. 32. Iss. 5. Article L05401. DOI: 10.1029/2004GL021568.
- Yu X., Guo X., Wu Z. Land surface temperature retrieval from Landsat 8 TIRS — Comparison between radiative transfer equation-based method, split window algorithm and single channel method // Remote Sensing. 2014. V. 6. Iss. 10. P. 9829–9852. DOI: 10.3390/rs6109829.