СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА И ХАРАКТЕРА ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
METHOD FOR DETERMINING NUMBER AND CHARACTER OF SOLID PRECIPITATION SPACE DISTRIBUTION

Изобретение относится к гидрологии суши и может быть использовано для определения ежегодного количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков в таежной зоне Приенисейской Сибири.
Известен способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков посредством интерполяции данных регулярной сети метеорологических станций. На территории Приенисейской Сибири такая сеть редка, а рельеф местности, определяющий их пространственную дифференциацию, достаточно сложен, поэтому данный способ не позволяет получать адекватные данные пространственно-распределенных значений твердых атмосферных осадков.
Цель данного изобретения - определение количества и повышение точности характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков на территории таежной зоны Приенисейской Сибири и снижение трудоемкости за счет исключения необходимости получения наземной информации.
Для примера работа представлена на территории тестового участка в южной части Приенисейской Сибири (92-96° в.д., 56-58° с.ш.).
Способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков предполагает два этапа. На первом этапе работ осуществляется создание растрового изображения (картосхемы) пространственного распределения твердых атмосферных осадков с использованием спутниковых данных низкого пространственного разрешения (1 градус), второй этап заключается в детализации полученной картосхемы и увеличении пространственного разрешения до 90 м.
Работы первого этапа.
Первый этап предлагаемого способа определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков основан на использовании аномалий водного эквивалента массы, полученных на основе гравиметрических данных спутниковых измерений GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) Tellus [6], и параметров рельефа местности. Спутники-близнецы GRACE, разработанные NASA, измеряют локальные колебания гравитационного поля Земли. Величины аномалий гравитационного поля переводятся в эквивалентный уровень водных масс суши и океана, которые используются для оценки пространственно-временных вариаций водных запасов [5, 1]. Каждый пиксель GRACE учитывает изменения надземных и подземных водных масс. Массы воды в атмосфере в данном продукте исключены. Данные со спутника GRACE представляют ежемесячные аномалии водного эквивалента массы, рассчитанные по отношению к среднему значению массы воды с января 2004 по декабрь 2009 гг., и доступны за каждый месяц с 2002 года по настоящее время (2015 г.) на всю территорию земного шара и имеют пространственное разрешение 1 градус [6].
На основе экспериментальных и метеорологических данных для каждого пикселя GRACE получены зависимости средней для пикселя величины твердых атмосферных осадков, от параметров рельефа (абсолютная высота над уровнем моря, угол наклона поверхности и показатель, отражающий почвенно-грунтовый сток) и значений аномалий водного эквивалента массы, полученных на основе данных GRACE.
В качестве метеорологических данных использовались значения твердых атмосферных осадков сети метеостанций в районе исследований. В качестве экспериментальных данных выступали данные снегомерных съемок на снегомерных пунктах. Снегомерные наблюдения проводились с 2000 по 2013 гг. в период максимальных снегозапасов (первая-вторая декада марта). Количество твердых атмосферных осадков рассчитывалось как сумма снегозапасов с величиной зимнего испарения с поверхности снежного покрова и суммарной величины твердых атмосферных осадков, выпавших до установления устойчивого снежного покрова и после проведения снегосъемок. Сведения о твердых осадках, выпавших до установления устойчивого снежного покрова и после проведения снегосъемок, определялись по данным с ближайших метеорологических станций. Величина зимнего испарения оценивалась по методике М.И. Ивероновой [2].
Учет влияния параметров рельефа, определяющих миграцию почвенно-грунтовой влаги, позволяет устранить несоответствие величины выпавших твердых атмосферных осадков, формирующих снежный покров, аномалиям водного эквивалента массы, отражающего как надземную, так и подземную его составляющую.
Для расчета абсолютной высоты местности и угла наклона поверхности использовали цифровую модель рельефа SRTM [7], имеющую пространственное разрешение 90 м. Показатели рельефа и величина твердых атмосферных осадков рассчитывались в границах пикселя GRACE.
Величина твердых атмосферных осадков определялась с использованием функции множественной регрессии в пакете статистического анализа данных STATISTICA7 согласно следующей формуле:
n
где X- среднее количество твердых атмосферных осадков n-го года, мм;
n
GR - разница значений аномалий водного эквивалента массы октября (n-1)-го года и марта месяца n-го года, см;
H - средняя абсолютная высота над уровнем моря, м;
Sl - средний угол наклона поверхности, град;
А - показатель, отражающий суммарный сток [4], который рассчитывается на основе цифровой модели рельефа как сумма весов всех ячеек (пикселей цифровой модели рельефа), сток из которых поступает в пиксель GRACE;
H40°
S - площадь пикселя GRACE, с абсолютной высотой над уровнем моря, превышающей 400 м, %;
2
R - коэффициент множественной детерминации;
σ - среднеквадратическая ошибка определения величины твердых атмосферных осадков, мм;
-6
213,76; 1,68; 0,41; 18,42; 0,01*10; 2,86 - эмпирические коэффициенты, определенные вследствие эксперимента.
Используя предлагаемую формулу, цифровую модель рельефа и материалы спутниковых наблюдений GRACE возможно ежегодно генерировать растровые изображения распределения твердых атмосферных осадков с пространственным разрешением 1 градус на исследуемую территорию без привлечения наземной информации.
Работы второго этапа.
Второй этап предполагает детализацию пространственного распределения твердых атмосферных осадков внутри каждого из пикселей GRACE с учетом орографических эффектов, которые определяют контрасты пространственного распределения атмосферных осадков. Такие контрасты обусловлены абсолютной высотой местности, увеличением осадков на наветренных склонах и уменьшением их величины на склонах, находящихся в ветровой тени [3]. С целью повышения технологичности перехода от генерализованных величин твердых атмосферных осадков, полученных на первом этапе работ, к детальной картине пространственного распределения осадков предлагается использовать редукционные коэффициенты. Редукционные коэффициенты являются мерой отклонения значения атмосферных осадков каждого пикселя детальной картосхемы от среднего их значения, рассчитанного в границах пикселей GRACE.
Эти коэффициенты идентифицированы для каждого пикселя размером 90×90 м, в соответствии с размером пикселя используемой цифровой модели рельефа SRTM [7]. Значения коэффициентов определены в соответствии с известным характером пространственного распределения атмосферных осадков [3], представленным на фиг. 1. Фиг. 1 иллюстрирует среднемноголетнее количество и характер пространственного распределения твердых атмосферных осадков на территорию таежной зоны Приенисейской Сибири. На фиг. 2 представлено распределение редукционных коэффициентов на исследуемую территорию.
Детализация пространственного распределения осадков осуществляется путем перемножения генерализованных величин осадков, полученных на первом этапе работ, на редукционные коэффициенты.
Предлагаемый способ определения количества и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков может быть реализован посредством географических информационных систем, общедоступных данных GRACE, цифровой модели рельефа и разработанной регрессионной модели. Для детализации пространственного распределения осадков используются редукционные коэффициенты.
Заявленный способ позволяет получать детальную картосхему ежегодного распределения твердых атмосферных с пространственным разрешением до 90 м на территорию таежной зоны Приенисейской Сибири. Он отличается тем, что для оценки величины и характера пространственного распределения твердых атмосферных осадков отпадает необходимость инструментального определения их величины.
Анализ пространственного распределения твердых атмосферных осадков со средним пространственным разрешением обеспечивает решение ряда практических задач, в том числе прогноз паводков, оценку условий зимней миграции диких животных, заснеженность транспортных магистралей, оценку величины весеннего увлажнения территорий, влияющего на урожайность культур и пожарную опасность в лесах.
Литература
1. Зотов Л.В., Носова С.А., Баринов М.В. Многоканальный сингулярный спектральный анализ данных по гравитационному полю Земли со спутников GRACE // Труды 37-го международного семинара им. Успенского. - ИФЗ РАН, Москва, 2010. - С. 25-29.
2. Иверонова М.И. К вопросу об испарении со снежного покрова на большей части территории СССР. / Роль снежного покрова в природных процессах. - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - С. 36-53.
3. Онучин А.А., Данилова И.В. Орографические эффекты распределения атмосферных осадков на юге Приенисейской Сибири // География и природные ресурсы - 2012. - №3. - С. 85-92.
4. ArcGIS Spatial Analyst. Руководство пользователя-2001. - 216 с.
5. Felix W. Landerer, Jean О. Dickey and Andreas  Terrestrial water budget of the Eurasian pan-Arctic from GRACE satellite measurements during 2003-2009 // Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume 115, Issue D23115, December 2010.
6. GRACE MONTHLY MASS GRIDS http://grace.jpl.nasa.gov.
7. SRTM 90m Digital Elevation Data http://srtm.csi.cgiar.org.