Дистанционные радиофизические предвестники засух в стратегически важных аграрных регионах России (на примере Алтайского края)

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-20041

НазваниеДистанционные радиофизические предвестники засух в стратегически важных аграрных регионах России (на примере Алтайского края)

Руководитель Романов Андрей Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук , Алтайский край

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые слова дистанционное зондирование, СВЧ-радиометрия, дистанционные радиофизические индексы засухи, индикаторы сухости леса, засуха, мониторинг, предвестники засухи, прогнозирование

Код ГРНТИ37.27.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Засухи, относящиеся к опасным природным явлениям, происходящие с разной периодичностью, интенсивностью в разных регионах Земного шара, представляют реальную угрозу жизнедеятельности населения тех регионов, где происходят, оказывают опосредованное негативное воздействие на Природу и Общество, так как способствуют изменению устоявшихся взаимосвязей между природными системами, опустыниванию территории, деградации почв и растительности, обостряют социально-экономические отношения населения, так как ведут к заметному снижению урожаев, удорожанию продукции растениеводства и угрожают продовольственной безопасности. Во многих странах мира, испытывающих проблемы с засухами, на исследование засух, поиск предвестников, предикторов, индикаторов засух выделяются значительные финансовые средства, но несравненно большие финансовые и материальные ресурсы тратятся на ликвидацию негативных последствий засух. В настоящее время прогнозирование засух основано на использовании многочисленных дистанционных и наземных индексов засух, их комплексирования. В последние 10-15 лет получили развитие дистанционные микроволновые методы мониторинга засух, основанные на использовании спутниковых данных сантиметрового и дециметрового диапазонов и ставшие возможными в результате запуска спутников, оснащенных радиометрическими системами (AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer), SSM/I (Special Sensor Microwave Imager) SSMIS (Special Sensor Microwave Imager Sounder), MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis) и др. К настоящему времени разработаны и апробированы в разных регионах мира более 170 индексов засухи, но ни один из них не гарантирует точного прогноза масштабов, сроков, продолжительности, интенсивности засух, более того, уже многократно апробированные в разных регионах мира, индексы засухи дают сбои в условиях изменяющегося климата и возрастающего антропогенного воздействия на экосистемы. Таким образом, достоверное, высокоточное прогнозирование засух остается в настоящее время нерешенной научной проблемой. В данном проекте будут изучены принципиально новые подходы к дистанционному мониторингу засух, основанные на анализе ежедневных спутниковых данных дециметрового диапазона, выявлены и экспериментально и теоретически обоснованы дистанционные предвестники и индексы засух. Разработанные дистанционные индексы засух будут адаптированы к географическим, климатическим, ландшафтным условиям, а также к физическим характеристикам почв (гранулометрический состав, засоленность, содержание связанной и свободной воды) степной части Алтайского края, как стратегически важного аграрного зерносеющего региона Российской Федерации. Для дистанционного определения увлажненности исследуемой территории, подверженной засухам, оценки масштабов и интенсивности засух, будут разработаны: 1) новый дистанционный радиофизический метод определения засоленности почвы; 2) уточненный дистанционный радиофизический метод определения объемной влажности почвы (на примере засоленных и незасоленных земель сельскохозяйственного назначения); 3) дистанционный радиофизический метод определения площади усыхания водоемов (на примере Кулундинского озера); 4) дистанционный радиофизический метод определения индекса сухости леса (водного стресса) (на примере реликтового ленточного бора). Помимо применения для оценки засух и скоростей аридизации территории, разработанные способы могут быть использованы в других областях науки и техники, в частности, в почвоведении при определении засоленности и влажности почв, в гидрологии, при определении состояния внутренних водоемов, в климатологии, географии климата (аридизация климата), лесоведении, при оценке пожарной опасности лесных массивов и обнаружении очагов сухости. Соответственно, полученные результаты будут важными для этих научных направлений. В качестве дистанционных радиофизических предвестников и индексов засухи будут изучены, экспериментально и теоретически обоснованы следующие характеристики подстилающей поверхности: 1) скорости изменения радиояркостных температур, определенных по данным спутникового зондирования, и рассчитанные на их основе объемные влажности, а также объемные доли свободной воды, доступной для растений; продолжительности периодов резкого или плавного изменения радиоизлучательных характеристик подстилающей поверхности (почвенного покрова с растительностью, акватории усыхающего водоема, лесного массива), характеризующие суровость засухи и др. Объектами исследования являются почвы (включая земли сельскохозяйственного назначения с зерновыми культурами), соленые и пресноводные озера, лесные массивы. Предметом исследования являются закономерности сезонной и межгодовой многолетней динамики радиояркостных температур и определенные на их основе закономерности изменения объемной влажности почвы, солености воды и площади усыхающих водоемов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Романов Д.А., Рябинин И.В., Романов А.Н. Сезонные изменения температуры в стволе живого дерева (на примере сосны) Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2022, 19(2), с. 142-154 (год публикации - 2022)
10.21046/2070-7401-2022-19-2-142-154

2. Романов А.Н., Хвостов И.В., Рябинин И.В., Романов Д.А. Анализ гидрологических изменений минеральных озер в Северной Евразии по данным спутника SMOS Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, №6. Т. 19. С. 222–233 (год публикации - 2022)
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-6-222-233

3. Романов Андрей Николаевич*, Рябинин Иван Валерьевич, Хвостов Илья Владимирович, Трошкин Дмитрий Николаевич, Романов Дмитрий Андреевич Remote Radio-Physical Harbingers of Drought in Steppes of the South of Western Siberia Remote sensing, 14, 6141. (год публикации - 2022)
10.3390/rs14236141

Публикации

1. Романов А.Н., Хвостов И.В., Рябинин И.В., Трошкин Д.Н., Романов Д.А. Remote Microwave Soil Drought Index Considering Dielectric Properties of Soil IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 61, pp. 1-8, Art no. 4408208 (год публикации - 2023)
10.1109/TGRS.2023.3314463

2. 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, том 20, № 6, стр. 93-104 (год публикации - 2023)
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-6-222-233

3. Романов А.Н., Хвостов И.В., Рябинин И.В., Романов Д.А.,Трошкин Д.Н. Дистанционные микроволновые индикаторы сухости леса Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, №1. Т. 21. С. 197–209 (год публикации - 2024)
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-1-197-209

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Исследование засоленных почв и солончаков 1.1. Впервые экспериментально обнаружено явление интерференции микроволнового излучения на длине волны 2.3 см на основе суточной динамики радиояркостной температуры содового солончака, образующегося на осушенном дне гиперсоленого озера. Установлено, что радиояркостная температура зависит от суммарного изменения температуры, влажности, засоленности грунта, а также от соотношения между скин-слоем и толщиной пленки соли, образующейся на поверхности солончака. Данное явление может быть использовано при разработке дистанционных методов мониторинга засоленных почв и солончаков, для повышения точности дистанционного определения степени и скорости усыхания минерализованных озёр, экологического мониторинга территорий, подвергнувшихся почвенному засолению. 2. Оценка процессов аридизации с помощью дистанционных индексов Осуществлён дистанционный мониторинг процессов аридизации территории с использованием вегетационных индексов на основе спутниковых данных видимого и инфракрасного диапазонов. Для оценки отклика растительности на климатические изменения проанализированы степные участки с ограниченным воздействием человека на примере особо охраняемых природных территорий и с/х полей. Общий ход NDVI на пашне соответствует вегетационным особенностям растительности. Минимальные значения приходятся на май (посев и всходы) и август-сентябрь (созревание и уборка урожая), а максимальные – на июль (фаза кущения). В качестве обобщающего индекса (состояние растительности и содержание в ней влаги) выбран NDMI. Для древесной растительности характерна наибольшая разница в значениях NDMI в мае, накопление влаги в течение всего вегетационного сезона (для сосновых боров максимум приходится на сентябрь, для смешанных лесов – на июль (добавляется вегетация лиственных пород). Минимальные значения NDMI в мае указывают на возможность засухи в конце июня начале июля. Лугово-степная растительность характеризуется отрицательными значениями NDMI в мае (снег, вода, открытая почва), иногда в первой половине июня (засуха). Пик значений индекса приходится на июль и совпадает с вегетационным пиком развития степной растительности. В течение исследуемого периода отмечается разница между первой и второй половинами месяца. Это обусловлено наличием/отсутствием осадков. Засухи отмечены в 2001, 2004-2006, 2008, 2010, 2012 и 2019-2022 гг. Использование дистанционных наблюдений за степной (травянистой) растительностью в качестве индикаторов засух наиболее перспективно, так как она менее устойчива к изменениям погодных условий. Древесная растительность (особенно смешанные леса) более устойчива к изменениям температуры и осадков, отклик на них может проявляться через 2-3 года. Осуществлён анализ почвенной засухи на основе гидротермического коэффициента увлажнения Селянинова. На всех без исключения метеостанциях (МС) Алтайского края отмечается повышение среднегодовой температуры воздуха. Меняется средняя температура воздуха по сезонам года, особенно «теплеют» зима и весна. Наблюдается уменьшение годовой суммы осадков, что на фоне повышения температуры указывает на аридизацию климата. Выявлены изменения повторяемости сильных и очень сильных засух. Отмечены значительные изменения температур, гидротермических характеристик, вегетационных индексов, особенно переходных сезонов (май, сентябрь). В отношении влагообеспеченности отмечается аридизация климата. 3. Диэлектрические характеристики древесной и травянистой растительности 3.1. Исследована оптическая толщина древесной растительности с учетом диэлектрических характеристик воды в живых растениях. Предложен новый подход к оценке оптической толщине растительности (Vegetation Optical Depth – VOD) с учетом различий диэлектрических характеристик (ДХ) воды в ветвях, хвое и листьях живых деревьев. Экспериментально установленные на частоте 141 ГГц зависимости коэффициента поглощения от объемной доли воды (W) позволяют выделить три категории древесной воды с различными ДХ в ветвях хвойных (сосна) и лиственных (береза) деревьев. Установленные зависимости VOD(W) для различных элементов дерева учитывают диэлектрические свойства воды, присутствующей в живом дереве, а также биомассу и ДХ растительной ткани. Разработанный метод оценки VOD учитывает высоту дерева, объемные доли и диэлектрические характеристики ветвей, листьев и хвои. 3.2. Исследована оптическая толщина травяной растительности с учетом диэлектрических характеристик воды в живых растениях. Микроволновое излучение почвы с растительностью зависит от ДХ как почвы, так и растительности. В лабораторных условиях измеряли ДХ различных элементов надземной части хлебных зерновых культур (листьев, стеблей, колосьев) пшеницы, овса, ржи, находящихся на разных стадиях вегетации. Для зерновых культур экранирующее влияние растительности на микроволновое излучение почвы начинает проявляться с объемной долей (Р) растительности больше 0.001. Установлены экспериментальные зависимости оптической толщины от объёмной доли воды в растениях (на примере зерновых культур – пшеницы, овса, ржи). С использованием измеренных ДХ рассчитаны значения оптической глубины растительности. На примере зерновых злаков (пшеницы) показано, что при развитом растительном покрове и высоком содержании воды в растениях определение влажности почвы становится проблематичным. 4. Разработан новый способ дистанционной оценки влагозапаса почвы в метровом слое по данным спутника SMOS. Разработанный способ основан на экспериментально установленных статистически значимых корреляционных связях между влагозапасами соседних слоёв почвы от поверхности до глубины 1 метр. На основе этих связей установлены линейные зависимости, позволяющие рассчитать влагозапас каждого 10-см слоя, основываясь на влагозапасе вышележащего 10-см слоя. При этом поверхностный 10-см слой определен на основе данных о влагозапасе 5-см на основе дистанционных измерений радиояркостных температур со спутника SMOS. Из анализа спутниковых, полевых и лабораторных данных следует, что наблюдается удовлетворительное соответствие влагозапасов в почвенном слое 0-100 см, определенных контактным (термостатно-весовым) и дистанционным (радиофизическим) способами. Сезонная динамика влагозапаса почвы в метровом слое, определенная по данным дистанционного микроволнового зондирования, может быть использована в качестве радиофизического предвестника засух. 5. Создана пилотная Интернет-страница https://iwep.ru/structure-institute/scientific-division/laboratory-of-physics-of-atmospheri-and-hydrosphere-processes/metodicheskoe-posobie-po-distanczionnomu-monitoringu-territorij-podverzhennyx-zasuxam/

Публикации

1. Анализ гидрологических изменений в минеральных озерах Северной Евразии на основе спутниковых данных SMOS Analysis of Hydrological Changes in Mineral Lakes in Northern Eurasia Based on SMOS Satellite Data Cosmic Research, Vol. 61, Suppl. 1, pp. S80–S88. (год публикации - 2024)
DOI: 10.1134/S0010952523700648

2. Романов А.Н. Оптическая толщина растительности с учётом диэлектрических характеристик воды в живых растениях Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, № 2. Т. 21. С. 223–234 (год публикации - 2024)
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-2-223-234

3. Романов А. Н., Хвостов И. В. , Рябинин И.В., Романов Д. А. Дистанционная оценка влагозапаса почвы в метровом слое по данным спутника SMOS Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, № 4. Т. 21. С. 209–222 (год публикации - 2024)
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-4-209-222

4. Романов А.Н., Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Хвостов И.В., Трошкин Д.Н., Пеленева М.П, Казанцев В.А. Козлов А.К., Орлов А.О. On some features of diurnal dynamics of solonchak emissivity in summer International Journal of Remote Sensing, 1-9 pp (год публикации - 2024)
doi.org/10.1080/01431161.2024.2429780

5. А.Н. Романов, Д.М. Ермаков, В.В. Тихонов, Е.В. Пашинов, Т.Г. Плуталова, И.В. Хвостов, Д.А. Романов, И.В. Рябинин, А.В. Евтюшкин Технологии дистанционного мониторинга засух Издательство Алтайского государственного университета (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта вполне очевидное: 1) часть радиотехнических систем с температурными и влажностными датчиками, измеряющими температуру и влажность почвы послойно в метровом слое через 10 сантиметров, была установлена на фермерском поле с передачей данных по сотовой связи на компьютер. Это можно рассматривать как внедрение и апробацию, а также как взаимодействие с будущими возможными заказчиками подобных радиотехнических систем. 2. Радиометрическая система, размещённая в стволе дерева (сосна), передавала бесперебойно информацию в течение года по сотовой связи на компьютер. Это прообраз системы наблюдения за состояние деревьев в лесных массивах, подверженных засухам и с высокой пожароопасностью лесов. 3. Разработанные радиометрические системы для автономных измерений в течение года температуры и влажности почвы в метровом слое, с записью информации на сим-карту являются прообразами системы сбора информации и могут быть использованы для научных исследований последующих периодов.