Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Температура – один из ключевых показателей окружающей природной среды – может быть измерена наземными методами или на основе спутниковых данных. Методы дистанционного зондирования обеспечивают получение данных о температуре на регулярной сетке с высоким пространственным разрешением, с несопоставимо большей детальностью по сравнению с данными нескольких нерегулярно расположенных в городе метеостанций официальных служб.

Первые изображения Земли из космоса в тепловом инфракрасном диапазоне были получены американскими метеорологическими спутниками в 1960-е гг. Несмотря на то, что эти спутниковые данные имели низкое пространственное разрешение и практическое применение, они показали принципиальную возможность решения целого ряда задач в области исследований окружающей среды методами дистанционного зондирования [1].

В настоящее время одним из наиболее интересных спутников, который ведет регулярную съемку поверхности Земли в тепловом инфракрасном (ИК) диапазоне, является Landsat-8. Регистрируемые данные ИК-диапазона имеют высокое пространственное разрешение 100 метров на пиксел, а повторяемость съемки составляет 16 дней. Это означает, что для заданной исследуемой территории, за вычетом снимков с высоким процентом облачности, можно рассчитывать не менее чем на десяток «безоблачных» снимков в год.

В статье представлена методика мониторинга температуры поверхности Земли по данным 10-го канала Landsat-8. На основе этих спутниковых данных ниже будут рассмотрены методы оценки температуры поверхности Земли, проведен анализ полученных температурных аномалий в г. Красноярске и его окрестностях. Красноярск – город с населением более миллиона человек и крайне неблагоприятной экологической обстановкой, входящий в число самых загрязненных городов России. Анализ и моделирование загрязнения атмосферного воздуха осложняется рядом факторов – значительной неравномерностью рельефа в пределах города, температурным режимом разрезающей город пополам реки Енисей, который обусловлен расположенной в 40 км от города Красноярской ГЭС. Вода в Енисее не замерзает зимой даже при запредельно низких зимних температурах –40 °C и в то же время очень холодная в жаркие летние месяцы. В этом контексте методы дистанционного зондирования на основе данных ИК-диапазона приобретают особый интерес.

Обзор решения проблемы на мировом уровне

Оценка температуры земной поверхности по спутниковым данным выполняется с 1960-х гг. Для этого используются данные дистанционного зондирования теплового инфракрасного (ИК) диапазона, на основе которых вычисляется температура поверхности Земли. В частности, с 1970 г. функционируют спутники серии NOAA (США), на которых устанавливается сканирующий радиометр высокого разрешения AVHRR, измеряющий отражательную способность Земли в 5 спектральных диапазонах, в том числе в инфракрасном тепловом. Основное назначение – мониторинг облачного покрова и измерение исходящего теплового излучения Земли [2].

Широко используются данные спектрорадиометра MODIS, установленного на американских спутниках Terra и Aqua. Он осуществляет ежедневную съемку с пространственным разрешением 1000 м в 36 спектральных каналах, среди которых – каналы теплового ИК-диапазона [3]. Температура поверхности Земли (LST – Land Surface Temperature) – один из стандартных информационных продуктов MODIS.

Американская программа Landsat начала свое существование в 1972 г., с этого времени было запущено восемь спутников. С момента запуска в 1982 г. Landsat-4 спутники этой программы осуществляют съемку в тепловом инфракрасном диапазоне [4].

Данные дистанционного зондирования теплового ИК-диапазона в настоящее время широко используются для изучения природных и антропогенных объектов и процессов, мониторинга неблагоприятных природных явлений, оценки состояния геосистем [5, 6].

Материалы и методы исследования

Температура поверхности Земли характеризует взаимодействие между атмосферой и поверхностью. Знание температуры поверхности Земли требуется для разнообразных научных исследований, включая климатологию, гидрологию и экологию. В частности, данные о температуре необходимы при решении таких задач, как оценка влажности почвы, обнаружение и прогноз заморозков, мониторинг состояния зерновых культур. Температура поверхности Земли является также одним из индикаторов антропогенного влияния на природные ресурсы [7]. Регулярный мониторинг температуры позволяет проанализировать температуру поверхности и оценить ее изменчивость.

Дистанционное зондирование – единственное средство получения долговременных однородных рядов данных о температуре регионального и глобального покрытия. Необходимость получения регулярных спутниковых данных о температуре земной поверхности диктуется тем, что сеть наземных наблюдений достаточно редкая.

По значениям тепловых каналов можно определить радиационную температуру поверхности. Теоретически точность оценки температуры около 0,5 °С, однако дымка в атмосфере занижает значения на несколько градусов. Исходными данными для определения температуры служат значения интенсивности излучения, пришедшего на сенсор спутника и зарегистрированного соответствующим тепловым каналом. На основе значений тепловых каналов вычисляется значение температуры поверхности Земли, используя формулу [2]:

(*)

TB – температура спектральной яркости излучения (K); λ – длина волны света, λ = 10,8 µm для 10-го канала Landsat-8; c2 = h*c/s = 1,4388*10-2m K; c2 = 14388 µm K; e – коэффициент эмиссии.

Значения коэффициентов e представлены в табл. 1, и они зависят от типа поверхности Земли (используемые значения являются ориентировочными, поскольку коэффициент излучения каждого материала должен быть получен из полевого обследования).

Термальный инфракрасный диапазон особенно полезен для определения разности температур между городом и прилегающими к нему сельскими районами и для изучения феномена городского острова тепла. Исходными данными для определения температуры земной поверхности Земли является архив спутниковых снимков Landsat-8. Программное обеспечение: QGIS 2.18.1 с плагином Semi-Automatic Classification Plugin (SACP) [8].

Результаты исследования и их обсуждение

Температура поверхности Земли вычисляется по формуле (*). Переводим полученные значения температуры в градусы Цельсия и на основе полученных значений, составляем температурную карту поверхности Земли в окрестностях города Красноярска (рис. 1).

Изображение показывает, что температура реки значительно ниже, чем температура поверхности земных территорий, хотя весной в естественной среде температура воды в реке обычно выше, чем температура воздуха. Строительство гидроэлектростанции возле Красноярска оказало большое влияние на распределение сезонных температур [9].

Изменения теплового режима реки в результате строительства гидротехнических сооружений по сравнению с природными условиями влияют на работу не только самой гидроэлектростанции, но и объектов управления водными ресурсами, водного транспорта, а также качества воды и климата. Таким образом, ниже по течению от гидроэлектростанции, независимо от периода годового цикла, характерные изменения температуры воды происходят ниже по течению. А именно, температура воды в Енисее в районе города летом на 8–10 °C ниже, чем до регуляции реки, и, наоборот, увеличивается на 4–5 °C в осенние месяцы, что создало определенные трудности в развитии прилегающей территории и оказало значительное влияние на климат Красноярска [10].

Целью работы является сравнение результатов, полученных по спутниковым данным с наземными данными автоматических метеостанций (АМС). По описанной выше методике было обработано 10 спутниковых снимков, полученных в летне-осенний период за временной интервал с 2013 по 2016 гг. На основе данных, на спутниковых изображениях и от АМС составим сводную таблицу по трем контрольным точкам в городе. АМС на Дудинской, Минусинской и в Роевом Ручье.

По данным, представленным в табл. 2, составим диаграммы для каждой из исследуемых территорий отдельно. На диаграммах видно, что температура, полученная на основании космических снимков, чаще незначительно выше значений, которые были получены на АМС, чем ниже (рис. 2).

Для отсечения артефактов на поверхности Земли, которые точечно могут влиять на результаты вычислений, усредним значения полученных температурных значений до 100*100 м (рис. 3). Получив температурную карту г. Красноярска, на рис. 2 видим самые теплые участки в городе. Сравним местонахождение этих участков по десяти снимкам, рассмотренным ранее.

Для нахождения максимальных температурных значений в пределах города, все снимки были распределены по сезонам: лето, весна и осень. Для отслеживания максимальных температурных значений рассматривались шесть летних снимков.

По результатам анализа летних тепловых многовременных космических снимков на территории города Красноярска было выделено несколько тепловых зон разной природы. Так, на летних снимках максимальную температуру поверхности имеют такие зоны, как природные возвышенности, торговые центры, промышленные кварталы.

На фрагментах карты отмечены распределения максимальных температур по анализу шести космических снимков Landsat-8. Так, в Железнодорожном районе г. Красноярска наибольшую температуру поверхности имеет Покровская гора, за счет открытых от растительности склонов и негустого покрытия ландшафта травой (рис. 4, а).

На рис. 4, б, видно, что самые максимальные температуры, наблюдаемые на коллекции летних снимков, находятся на правом берегу г. Красноярска, где преобладает промышленная зона города.

В Советском районе города, расположенном на левом берегу, также максимальные температуры преобладают в промышленной зоне города, но также и в местах скопления торгово-развлекательных центров. На рис. 4, в, видно, что форма тепловых пятен соответствует форме торговых центров: ТРЦ «Планета», «Лента», «Июнь», «Автосалоны», ТЦ «Авиатор».

Заключение

Проведенные исследования показали, что разница между температурой воздуха по данным метеостанций и температурой поверхности Земли, вычисленной на основе спутниковых данных, может достигать нескольких градусов. Следует отметить, что иногда эта разница может быть значительной, поскольку мы сравниваем две разные температуры в разных местах (метеостанции находятся на высоте около 2 м от поверхности Земли). Но несмотря на разницу в измерениях, данная методика открывает неограниченные возможности для исследования территорий, которые не оснащены метеостанциями, но находятся в зоне покрытия Landsat-8.