Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследования по дистанционному мониторингу засух проводились на территории западных районов Алтайского края. Этот стратегически важный аграрный регион характеризуется засушливым климатом. Проблема прогнозирования интенсивности засух стоит очень остро. 1. Для оценки влияния засух на лесные массивы изучена многолетняя сезонная динамика термодинамической (Т) и радиояркостной (Тя) температуры реликтового ленточного бора. Установлены тренды Т(JD) и Тя(JD), аппроксимированные прямыми линиями (JD – юлианский день, отсчитываемый от 01.01.2012). Тя определялась по данным спутника SMOS (продукт L1C). Для оценки Т использовались данные измерений на ближайшей метеостанции. Реальная температура дерева (сосны) измерялась в течение года на поверхности ствола и на глубине 15 см (в центре ствола) с помощью разработанного устройства. Разница Т внутри и на поверхности дерева достигала 10 градусов. 2. Для исследования гидрологической засухи в качестве основного объекта выбрано Кулундинское озеро, усыхающее в течение летнего сезона на 15-25%. Для сравнения изучались вариации Тя(JD) крупных минеральных озер Северной Евразии (Каспийское море, западная и северная части высохшего Аральского моря, озеро Сарыкамышское). Совместный анализ спутниковых данных SMOS L1C, MODIS позволил выявить заметные различия Тя(JD). Для минеральных озер с сезонным ледовым покровом на зависимости Тя(JD) выделено 4 временных интервала, в каждом из которых Тя зависит от скоростей образования или таяния льда, изменения температуры и минерализации воды. 3. В качестве основных объектов для исследования почвенной засухи выбраны тестовые территории в западных (степных) районах Алтайского края. Основным ландшафтом являлись распаханные поля с посадками сельскохозяйственных культур. На основе установленных трендов Т(JD) и Тя(JD) (2012-2021) выявлены различия сезонной динамики Тя для тестовых участков. По результатам лабораторных измерений диэлектрических характеристик почв рассчитаны зависимости коэффициентов излучения (χ) от объемной доли воды (W) для 12 тестовых участков. Важным параметром является объемная доля связанной воды (Wt), характеризующая доступность воды в почве для растений (Wt близка к влажности устойчивого завядания, ниже которой растение засыхает и погибает от недостатка влаги). Зависимости W(χ) для почв с разными Wt заметно различаются. Коэффициенты излучения сухих почв (χ0) и максимально увлажненных почв (χmax) имеют близкие значения. Коэффициенты излучения (χt) при W=Wt заметно отличаются. Почвенная засуха наступает при W ≤ Wt (в почве присутствует связанная вода). Величина χt выступает радиофизической характеристикой засухи. Режимы увлажнения почвы: 1) χt ≤ χ ≤ χ0 – недостаток воды в почве – засуха; 2) χmax <χ ≤ χt – количество воды, достаточное для растений. Условия засухи реализуются при χt ≤ χ. Для оценки степени увлажненности почвы введен дистанционный микроволновый индекс засухи (Remote Microwave Soil Drougt Index – RMSDI) как отношение длин интервалов в разных диапазонах влажности. Изучены сезонные вариации W и RMSDI в 2012 г. Разработаны и апробированы методики дистанционного определения W и RMSDI. Построены карты-схемы пространственного распределения W и RMSDI. 4. Анализ процессов аридизации территорий, основанный на спутниковых данных, проводился на трансекте «Пустыня Аралкум - Приобское плато». Трансекта пересекает 4 ландшафтных зоны, для которых установлены индексы NDVI: ≤0.1–пустынные; 0.2-0.3 – полупустынные; 0.4-0.5 – степные; 0.6-0.7 – лесостепные. Общий тренд NDVI показывает увеличение с 0,13 до 0,54 в направлении с юго-запада на северо-восток – от пустыни до лесостепи. Минимальные значения NDVI относятся к сухостепным аккумулятивно-денудационным аллювиальным равнинам. Максимум значений NDVI относится к интразональным типам ландшафта (сухостепным аккумулятивно-денудационным озерно-аллювиальным равнинам) и лесостепным. Наблюдается четкое разделение максимального и минимального значений NDVI по ландшафтным зонам внутри вегетационного периода. Для пустынных и полупустынных территорий максимум приходится на вторую половину мая и первую половину июня. Для пустынных территорий значения NDVI меняются незначительно в течение всего сезона. Для сухостепных территорий максимальные значения характерны во второй половине мая и весь июнь. Максимум в лесостепных ландшафтах приходится на конец июня-начало июля. Для количественной оценки процессов аридизации выявлены тенденции изменения климатических параметров метеостанций Алтайского края за период 1966-2018 гг. Минимальные значения NDVI приходятся на 2000, 2008, 2020 годы. Абсолютные минимумы зафиксированы в 2012 году. Эти значения совпадают с официальными данными об атмосферной и почвенной засухах, суховеях на территории Алтайского края и Восточного Казахстана. Для оценки гидротермических условий (сочетания температуры и осадков) использовался гидротермический коэффициент (ГТК) Г.Т. Селянинова. Выявлены изменения повторяемости очень сильных и сильных засух. Градации ГТК: ≤0,3 очень сильные засухи; 0,31-0,6 сильные засухи; 0,61-0,8 средние засухи; ≥0,81 слабые засухи. Наибольшее число отмечено на метеостанциях в степной зональной области: Камень-на-Оби и Славгород – 49,1% лет с сильными засухами и 3,8% с очень сильными. Для метеостанций Ребрихи и Рубцовска за исследуемый период очень сильных засух не отмечено, сильных засух – 28,3% и 35,8% соответственно. Отмечены сильные изменения температур, гидротермических характеристик и значений индекса NDVI переходных сезонов – май и сентябрь. Значительное снижение индекса NDVI отмечено для большинства точек трансекты с мая по первую половину июля. В отношении влагообеспеченности отмечается аридизация климата. 5. Изучены возможности использования радиотехнических устройств на территории Алтайского края для непрерывного мониторинга Т и W почвы и деревьев. Осуществлено проектирование и монтаж печатных плат образцов датчиковой сети. Разработан алгоритм построения самоорганизующейся датчиковой сети на основе технологии LoRaWAN. Изготовлены макеты радиотехнического устройства для полевых измерений Т и W почвы в слое 0-1 м, предназначенные для территорий с разной степенью освоенности (наличие сети Интернет, наличие только сотовой связи, возможность использования только спутниковой связи). Разработан протокол маршрутизации, подходящий под поставленную цель. Спроектированы несколько версий базовых станций для территорий с разной освоенностью. Радиотехнические устройства установлены на тестовом участке, начата обработка данных с этих устройств. Разработано серверное программное обеспечение для приема, хранения и обработки данных с радиотехнического устройства. 6. На основе спутниковых данных и результатов полевых исследований выявлены экологические угрозы для степных территорий Алтайского края. Из анализа 10-летних трендов Т(JD) и Тя(JD) тестовых участков установлено возрастание Т и уменьшение Тя. Уменьшение Тя может быть связано с ростом засоленности почвы. Экологическая опасность для аграрных территорий заключается в атмосферном переносе с поверхности высохших озер и солончаков мелкодисперсных фракций токсичных минеральных солей, накопление которых повышает засоленность почвы. Почвенная вода, представляющая собой раствор солей, оказывается непригодной для растений даже при ее достаточном количестве. К объектам, способным привести к росту засоленности почвы, обострению засухи, могут быть отнесены песчано-солончаковая пустыня Аралкум, возникшая на месте катастрофически высохшего Аральского моря, а также сезонно-пересыхающие минеральные озера и солончаки, расположенные в пределах Алтайского края или вблизи от границы. 7. В качестве краткосрочного предвестника почвенной засухи (до 10-15 дней) выступает скорость возрастания Тя (dTя/dJD), зависящая от начальной влажности почвы и скорости высыхания. Для суглинистых почв уменьшение W на 0.01 см3/см3 ведет к возрастанию Тя на 3.5 К. Для прогнозной оценки (dTя/dJD) могут быть использованы ежедневные спутниковые данные микроволнового диапазона (например, продукт SMOS L1C).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. При оценке научных результатов, достигнутых в 2023 году, следует отметить, что проведенные исследования явились логическим продолжением работ, начатых в 2022 году. Был доработан и апробирован на юге Западной Сибири (на территории, значительно превышающей Кулундинскую равнину и западную часть Алтайского края) дистанционный микроволновый индекс почвенной засухи. Результаты исследований опубликованы в международном журнале (A. N. Romanov, I. V. Khvostov, I. V. Ryabinin, D. N. Troshkin and D. A. Romanov, "Remote Microwave Soil Drought Index Considering Dielectric Properties of Soil," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 61, pp. 1-8, Oct. 2023, Art. no. 4408208, doi: 10.1109/TGRS.2023.3314463 ). 2. В 2023 году исследовали поведение микроволнового излучения подстилающей поверхности засоленных почв и солончаков. Выявлены особенности микроволнового излучения солончака в сантиметровом диапазоне в летний период, связанные с появлением поверхностного подсушенного слоя почвы и возникновением интерференции микроволнового излучения. В холодный период возможна интерференция микроволнового излучения солончака при образовании льда и сезонно-мерзлого слоя (при глубине промерзания, меньшей скин-слоя). Процессы промерзания засоленной и незасоленной почвы зависят от засоленности и типа почвенного засоления. Дистанционный микроволновый мониторинг и картирование засоленных почв возможны при отрицательной температуре окружающей среды и глубине промерзания большей толщины мерзлого слоя. В этом случае радиояркостная температура засоленной почвы зависит от диэлектрических характеристик мерзлой почвы. Для дистанционного мониторинга засоленных почв исследовали годовую динамику радиояркостных температур (использовали данные спутника SMOS) тестовых участков. Термодинамическую температуру поверхности определяли по данным MODIS. В лабораторном эксперименте измеряли диэлектрические характеристики почв. Результаты исследований находятся на стадии подготовки научной статьи. 3. Дистанционный микроволновый мониторинг лесов 3.1. Радиояркостные температуры (Tя) применяются для мониторинга динамики растительного покрова, оценки пожарных рисков, смертности деревьев от водного стресса и засухи. Ослабление микроволнового излучения растительностью учитывается путем расчета оптической толщины растительного слоя (Vegetation Optical Depth). VOD используется для повышения точности дистанционного определения влажности лесной почвы под слоем растительности, оценки содержания воды в растительности и биомассы. Для дистанционного мониторинга леса и лесной почвы разработан метод определения VOD, основанный на учете фазового состава и диэлектрических характеристик воды в живых деревьях. Исследовали зависимость VOD от объемной доли (W) и диэлектрических характеристик воды в ветках и хвое сосны. Установлены зависимости VOD(W) для разных элементов деревьев учитывающие фазовый состав и диэлектрические свойства воды в живом дереве. Описанный подход может быть использован при дистанционном микроволновом мониторинге леса в летний период. 3.2. В периоды засух существенно возрастает вероятность лесных пожаров. Значительная часть исследований была связана с изучением сезонной динамики радиояркостных температур лесов (летний период). В качестве тестовых территорий выбраны Приобский бор, сосновый бор (Сросты), сосновый бор (Абайская область, Республика Казахстан). В период наблюдений на двух тестовых территориях произошли крупные лесные пожары. Исследовали сезонную динамику радиояркостных температур (данные спутника SMOS, продукт L1C). Температуру подстилающей поверхности определяли по данным MODIS (продукт MYD11A1_061). В подспутниковом эксперименте измеряли температуру растительности, лесной подстилки и почвы, проводили отбор образцов почвы, веток, хвои, листьев для определения влажности гравиметрическим методом в лабораторных условиях. По результатам комплексных исследований построены зависимости радиояркостных температур Тя от количества суток (D), прошедших с начала теплого сезона до пожара, которые могут быть использованы для оценки пожарной опасности леса. Возрастающие тренды Тя(D) указывают на уменьшение суммарной увлажненности территории и создании благоприятных условий для лесного пожара. Значения Тя, зависящие от температуры и суммарной увлажненности территории, могут быть использованы для косвенной оценки потенциальной опасности возгорания и угрозы пожара, а скорости изменения (dТяv/dD) и (dТян/dD) – для прогнозирования даты, начиная с которой в лесном массиве возникнут условия (высокая температура и малая влажность), необходимые для возгорания горючих лесных материалов. Наличие в живом дереве разных категорий воды соответствует разным уровням сухости леса. Для оценки пожарной опасности леса предложен новый подход, основанный на использовании ежедневных спутниковых данных микроволнового диапазона. Предложены новые дистанционные микроволновые индикаторы сухости/влажности леса, основанные на использовании спутниковых измерений радиояркостных температур в микроволновом диапазоне и лабораторных измерений диэлектрических характеристик живого дерева, позволяющие учесть фазовый состав и диэлектрические свойства древесной воды и сухой древесины. 3.3. Оценка состояния лесного массива (соснового бора) по данным Landsat, MODIS. Для трех участков леса находящихся в разных природно-климатических зонах рассчитаны нормализованный вегетационный индекс (NDVI) за 2000-2022 гг. и индекс листовой поверхности (LAI) за 2020-2023 гг. Для разработки комбинированного способа оценки индекса сухости лесного массива использован индекс условий вегетации (VCI). Согласно расчётам, значения, находящиеся ниже 0,3 характеризуют стрессовое состояние растительности и указывают на очаги засухи; 0,3-0,7 – удовлетворительное состояние растительности, близкое к среднемноголетним значениям; выше 0,7 – здоровая растительность, характерная для благоприятных погодных условий. Рассчитаны вегетационные индексы для ленточных боров Алтайского края по данным MODIS за вегетационный период 2000-2022 годов, установлена их связь с климатическими параметрами (осадки, температура, ГТК им. Селянинова). Отмечается общий тренд снижения ГТК территории за исследуемый период. 4. Проанализированы результаты 10-летних (2012-2022 годы) исследований радиоизлучательных характеристик Кулундинского озера, расположенного на юге Западной Сибири. Анализ сезонной динамики радиояркостных и термодинамических температур водной поверхности озера выполнен с использованием продуктов L1С SMOS и MOD11A1 MODIS. По результатам лабораторных измерений диэлектрических характеристик воды из Кулундинского озера и донного грунта установлены зависимости коэффициентов излучения водной поверхности и осушенного дна от температуры. По данным Sentinel 2 выявлена цикличность (2-4 года) усыхания озера, которая может быть связана с неравномерным распределением осадков в течение года. Совместный анализ спутниковых данных SMOS, MODIS, наземных и лабораторных измерений, осуществленный на примере Кулундинского озера, позволил выявить значительные сезонные вариации микроволнового излучения мелководных минерализованных озер. Показано, что скорость усыхания водоема и площадь водного зеркала могут быть оценены по изменению радиояркостных температур подстилающей поверхности. На этой основе предложен алгоритм дистанционной оценки площади усыхания минерализованного озера и разработан дистанционный микроволновый индекс гидрологической засухи. По результатам исследований подготовлена статья: Романов А.Н., Хвостов И.В., Рябинин И.В., Романов Д.А. К разработке дистанционного микроволнового индекса гидрологической засухи (на примере сезонного усыхания гипергалинного озера)//Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 6. С. 93–104).