RU
EN
Номер: 22-17-20041
Название: Дистанционные 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
Годы выполнения при поддержке РНФ: 2022 - 2024
Конкурс: Конкурс 2021 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 ГРНТИ: 37.27.29
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.
Ожидаемые результаты:
В ходе выполнения проекта будут получены следующие основные результаты:
1. На основе использования ежедневных спутниковых данных дециметрового, оптического инфракрасного диапазонов, будут выявлены территории на юге Западной Сибири, наиболее подверженные процессам аридизации, оценены сезонные и многолетние тренды и определены скорости аридизации, выявлены районы, наиболее подверженные засухам. Эти данные имеют важное социально-экономическое значение, так как позволяют своевременно выработать стратегию развития растениеводства в нескольких стратегически важных российских регионах-производителях сельскохозяйственной продукции (Алтайском крае, Новосибирской и Омской областях), учитывающую климатические изменения и антропогенное воздействие на природные системы.
2. Экспериментально и теоретические обоснованные дистанционные радиофизические предвестники и предикторы засух, основанные на анализе ежедневных спутниковых данных дециметрового диапазона, позволяющие осуществить прогноз засухи, мощность и интенсивность засухи, а также определить даты начала и окончания засухи. В качестве данных величин предполагается рассмотреть скорости изменения радиоизлучательных и радиояркостных характеристик подстилающей поверхности, а также скорости изменения рассчитанных на их основе влажностных характеристик подстилающей поверхности. Выявленные дистанционные радиофизические предвестники засух и разработанные на их основе дистанционные радиофизические методы мониторинга засух могут быть использованы для прогнозирования засух, оценки последствий, а также для подтверждения страховых случаев засух с целью выплаты пострадавшим растениеводам денежных компенсаций за гибель урожая от засухи.
3. Впервые разработанный дистанционный радиофизический способ определения засоленности почв по данным дистанционного спутникового зондирования в дециметровом диапазоне, который можно будет использовать для картирования засоленных почв в любых регионах мира, подверженных сезонным процессам промерзания почвы.
4. Впервые разработанный уточненный дистанционный радиофизический способ определения объемной влажности засоленной почвы, учитывающий физические свойства конкретных почв (гранулометрический состав, тип и степень засоленности). Данный способ, апробированный на территории Алтайского края, может быть использован в других регионах мира после установления экспериментальных зависимостей коэффициента излучения или комплексной диэлектрической проницаемости конкретных почв от объемной влажности.
5. Разработанный уточненный дистанционный радиофизический способ определения площади усыхания озера, учитывающий различие радиоизлучательных характеристик водной поверхности и обсохшего дна водоема, применимый как для пресноводных, так и для соленых и горько-соленых водоемов.
6. Разработанный дистанционный радиофизический способ определения индекса сухости леса, апробированный на реликтовом ленточном бору.
7. Разработанная методика дистанционного мониторинга природных объектов, размеры которых меньше разрешающей способности спутникового радиометра. Данная методика может быть применена для валидации спутниковых данных при дистанционном зондировании природных или искусственных площадных объектов с разными радиоизлучательными и радиояркостными характеристиками в тех случаях, когда их площадь меньше пикселя спутникового радиометра. Методика может быть использована для калибровки и валидации спутниковых данных как существующих, так и разрабатываемых радиометрических систем.
