Usowicz B., Marczewski W., Sławiński C., Łukowski M., Usowicz J.B., Wilgotność gleb na obszarze Polski z pomiarów satelitarnych, Problemy Ekologii Krajobrazu, T. XXXIII. 153-161. Wilgotność gleb na obszarze Polski z pomiarów satelitarnych 1* Soil moisture from satellite measurements on territory of Poland Bogusław Usowicz 1, Wojciech Marczewski 2, Cezary Sławiński 1, Mateusz Łukowski 1, Jerzy Bogdan Usowicz 3 1 Instytut Agrofizyki, Polska Akademia Nauk, ul. Doświadczalna 4, 20-280 Lublin, tel.: (81) 744 50 61, fax: (81) 744 50 67, e-mail: usowicz@ipan.lublin.pl 2 Centrum Badań Kosmicznych, Polska Akademia Nauk, ul. Bartycka 18A, 00-716 Warszawa 3 Centrum Astronomii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, ul. Gagarina 11, 87-100 Toruń Abstract: The water in oceans, rivers, lakes and soil is a very important factor affecting the natural environment, both at the global and local scales. The knowledge of the soil moisture content is needed for prediction and prevention of adverse phenomena, such as floods, droughts and soil erosion. Nevertheless, the quantitative knowledge water resources, in particular for close to surface zones and its spatial distribution is still very uncertain. The aim of this research was to engage novel data sources on soil moisture which are available from ESA Mission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). New methods are necessary for determining relations between the soil moisture and soil physical properties mainly for sake of assessing the hydrological environment on large regional scales. Spatial variability of soil moisture, heterogeneity of the soil texture, porosity and the vegetation cover make water related assessments very difficult for cumulative long term effects which cannot be reliably managed without satellite remote sensing means. SMOS is a kind of mission employing the observational method based on microwave radiometry performed in the hydrogen spectral band (1.400-1.427 GHz) investigating the natural emission of electromagnetic noise from the ground, including soil, vegetation and atmospheric air layers, all covering water. Natural target media determines the Brightness Temperature variable measured from the orbit in a polarization way. Results obtained from SMOS data are correlated with drought and flood related conditions on the ground. Słowa kluczowe: wilgotność gleby, temperatura jasnościowa, pomiary satelitarne Key words: soil moisture, brightness temperature, satellite measurements 1 * Praca częściowo finansowana w ramach projektu Programme for European Cooperating States (PECS), No. 98084 SWEX-R Soil Water and Energy Exchange/Research, AO3275.
154 Usowicz B. et al. Wstęp Zasoby wody zawartej w glebie na lądach, ale także w rzekach, jeziorach, morzach i oceanach stanowią o stanie środowiska przyrodniczego. O tym świadczy klimat, jaki ustala się i ewoluuje w swoich zmiennościach czasowych i przestrzennych. Można mówić o klimacie miejscowym, ale nie można prowadzić ocen związanych z klimatem lookalnym bez związku z szerszym otoczeniem, od skal regionalnych, przez kontynentalną, aż po globalną (Kundzewicz i in. 2006). Wilgotność gleby wraz z temperaturą są zmiennymi kluczowymi, decydującymi o wymianie wody i energii na powierzchni Ziemi. Wymiana wody podlega dużej zmienności w czasie i przestrzeni. Zmienności sezonowe są dość dobrze rozpoznawane i uchwytne w zmiennych fizycznych i chemicznych, ale o wiele mniej uchwytne w skutkach ilościowej wymiany wody, zwłaszcza wraz z rosnącą skalą przestrzenną. Zróżnicowanie wilgotności gleby zależy nie tylko od sumy i rozkładu opadów, lecz także od różnorodności własności fizycznych gleby i zmieniającej się zawartości roślinnej i nierównomiernie zmiennych warunków meteorologicznych. Polska ma dość ograniczone zasoby wód powierzchniowych, co często objawia się suszami rolniczymi, a przy intensywnych opadach również występowaniem warunków powodziowych (Górski i in., 2008, Kozyra i in. 2009, 2009a). Ten zasób wody warunkuje też skutki erozji gleby i szereg innych efektów działalności gospodarczej człowieka. Przewidując efekty antropogeniczne nie można nie liczyć się ze zmiennością zasobu wody. Dlatego trzeba ten zasób wody oceniać na podstawie modeli hydrologicznych integrujących efekty wielu zmiennych, z gospodarką wodną włącznie. Odpowiednie uwilgotnienie pól uprawnych jest niezbędne do prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin. Dla określania warunków różnorodności fizycznej, biologicznej i środowiskowej wód, oceny są zawsze niepewne z przyczyn metodologicznych. Duża zmienność wilgotności gleby nie pozwala na dokładne oszacowanie zasobu wody w przypowierzchniowej warstwie gleby rozległego obszaru jedynie na podstawie pomiarów naziemnych. Trudność nie leży w samej statystyce, ani w precyzji techniki (np. TDR), lecz w połączeniu z fizyką przez modelowanie i wykorzystanie obu aspektów tak, aby zachowana została reprezentatywność statystyczna i fizyczna. Metody tradycyjne, jak np. grawimetryczne pomiary wilgotności gleb, muszą dawać metodom statystycznym odpowiednie odniesienia referencyjne, a modelom pozostawiać kwestie związków między istotnymi procesami fizycznymi. Do metodologicznych aspektów trzeba zaliczać również konieczność korzystania z wielu źródeł danych w różnych skalach czasowych. Miary mezo-skalowe, na dużych obszarach muszą respektować metody określania trendów długoterminowych i wynikające ze statystyki metody oceny radzenia sobie z niespójnościami czasowo- -przestrzennymi danych. Celem tej pracy było rozpoznanie rozkładu przestrzennego wilgotności gleb w Polsce (w skali kraju) przy wykorzystaniu danych SMUDP2 z misji satelitarnej ESA SMOS (European Space Agency, Soil Moisture and Ocean Salinity), dla ocen długoterminowych, a w pierwszej kolejności dla zmian sezonowych. Metodyka badań Metodyka badań polegała na łączeniu wykorzystania danych naziemnych z wykorzystaniem danych SMOS SMUDP2, zawierających już dane fizyczne SM (Soil Moisture). SM to jedna z wielu zmiennych ECV (Environment Climate related Variable), rekomendowana przez GCOS (Global Climate Observing System) i IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) do ocen skutków zmiany klimatu. Dla obszarów morskich stosuje się drugą zmienną SSS (Sea Surface Salinity), obie są celem obserwacji Ziemi przez SMOS. SMOS (Ryc. 1a), dostarcza danych SM w cyklu 3-dniowym, z przelotów ASC (ascending) i DSC (descending). Raz na 3 dni ASC (rano o wschodzie słońca) i DSC (wieczorem o zachodzie słońca),
Wilgotność gleb 155 śladem pasma ok. 1000 km szerokości, przy precyzji pomiaru wilgotności powierzchniowej w warstwie ok. 5 cm grubości, z respektowaniem udziału roślinności ok. 0.04 m3m-3 2 *. Pomiary są akumulowane i udostępniane od początku roku 2010. W czasie około 3 dni prawie 100% powierzchni globu jest pokryte pomiarami. Oznacza to, że zebrane dane mogą wykazywać trendy tygodniowe (2 próbki na okres zmian trendu) oraz dłuższe. Dane zbierane są w siatce stałej, geolokowanej w tzw. układzie DGG (Discrete Global Grid) w systemie ISEA4H9, opisanej w literaturze (Kotarba, 2010). W porze wschodu i zachodu słońca dla ustalonego czasu lokalnego (orbita słonecznie synchroniczna), warunki wymiany energii na Ziemi są najbardziej ustabilizowane (np. gradient temperatury w glebie zmienia znak). O tej porze dnia temperatury termodynamiczna i radiacyjna gleby są stabilne, ponieważ nie zachodzą jeszcze intensywne proces wymiany energii. W tym czasie wartości temperatury jasnościowej (BT) są bliskie wartościom oczekiwanym dobowym i wolno zmienne. Obserwacja SMOS na średnich szerokościach geograficznych w porze zmierzchu wykazuje szybsze tempo zanikania procesów wymiany energii i dlatego jest mniej korzystna. Anteny satelity SMOS (w sumie 69) są zamontowane na trzech ramionach w kształcie litery Y (ryc. 1b). Odbierają one sygnały z różnych głębokości gleby, przy czym promieniowanie z warstw głębszych jest tłumione przez warstwy płytsze, dlatego też ich udział w sygnale odbieranym jest mniejszy, niż z warstw powierzchniowych. To co widzi SMOS i z jakiej głębokości mierzy promieniowanie, zależy od wielu czynników, takich jak zawartość wody w glebie i rodzaj gleby. Jak do tej pory, nie zostało to dokładnie zbadane, ale przyjmuje się, że jest to mniej niż 5 cm (Escorihuela i in. 2010). SMOS do oceny wilgotności gleby wykorzystuje pomiar temperatury jasnościowej w paśmie mikrofalowym L (1.4 GHz). Tej częstotliwości odpowiada długość fali ok. 21 cm i jest ona mało wrażliwa na warstwę roślin porastającą daną glebę. Temperatura jasnościowa (BT) jest miarą radiometryczną i określa natężenie emisji szumu naturalnego gleby. Ta temperatura ma związek z temperaturą termodynamiczną poprzez prawo Plancka, określające jasność ciała doskonale czarnego. Związek temperatury jasnościowej z zawartością wody polega na tym, że woda i jej transport należą do czynników najbardziej determinujących ustalanie się temperatury termodynamicznej. Co więcej, gleba nie jest ciałem doskonale czarnym i jej temperatura jasnościowa zależy nie tylko od temperatury termodynamicznej, ale i od wielu innych czynników, w tym od zawartości wody poprzez stałą dielektryczną gleby. Woda ma bardzo dużą stałą dielektryczną, więc stała dielektryczna gleby jest silnie skorelowana z jej wilgotnością. Wilgotność gleby w misji SMOS jest oszacowywana z temperatury jasnościowej na drodze odpowiednich przekształceń z zastosowaniem modelu CMEM z pakietu programowego CMEM (Community Microwave Emission Modelling Platform) przygotowanym razem z grupą roboczą ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Model CMEM korzysta z szeregu zmiennych środowiskowych, zwanych w skrócie ECV (Environmental Climate related Variables). 2 * tzn. metr sześcienny wody na metr sześcienny gleby
156 Usowicz B. et al. a. b. Ryc. 1. (a) Widok satelity SMOS; (b) szkic konfiguracji radiometrycznego pomiaru temperatury jasności BT (http://www. esa.int/specials/smos/). Fig. 1. (a) The view of SMOS satellite; (b) configuration sketch for BT radiometric measurement (http://www.esa.int/ SPECIALS/smos/)
Wilgotność gleb 157 Są to zmienne, m.in.: temperatura gleby, typ pokrycia terenu, mikrorelief, temperatura powietrza i właśnie wilgotność gleby. Model ten wymaga też zgrubnej oceny składu granulometrycznego gleby, z podziałem na piasek, pył i ił (według USDA), podanej w rozkładzie przestrzennym. Odpowiednio przygotowane mapy dla Polski są już dostępne (Usowicz i in. 2002, 2009). Model CMEM wykorzystuje w modelowaniu temperatury jasnościowej dane o typie pokrycia terenu, czerpane z ECOCLIMAP (A Global Database of Land Surface Parameters at 1-km Resolution in Meteorological and Climate Models), która jest uniwersalną bazą archiwalnych danych środowiskowych, pozwalającą na rozróżnianie 216 klas ekosystemów. CMEM transformuje wiele zmiennych środowiskowych w uporządkowaniu przestrzennym do wielkości instrumentalnie obserwowanej przez SMOS temperatury jasnościowej. Wynik obserwacji SMOS dla wilgotności gleby wymaga użycia modelu odwrotnego. Transformacja jest prowadzona na drodze metody iteracyjnego wieloparametrowego dopasowania produktu modelu do produktu pomiaru; zmieniana jest wilgotność gleby w modelu CMEM do momentu, aż wychodząca z modelu temperatura jasności nie będzie dostatecznie bliska wartości zmierzonej przez SMOS. Użytkownik danych SMOS nie musi korzystać z modelu CMEM, bo proces wydobycia danych fizycznych SM odbywa się po stronie produkcji danych. Mikrofalowe pomiary satelitarne (w tym SMOS) prawie nie zależą od przesłaniania celu obserwacji chmurami, są natomiast podatne na inne czynniki. Satelita SMOS mierzy bardzo słaby, naturalny szum mikrofalowy gleby w zakresie 1.4 GHz, dlatego też jest on bardzo wrażliwy na sztuczną emisję z Ziemi w tym paśmie częstotliwości. Ponieważ jest to pasmo zastrzeżone, to też ta sztuczna emisja pochodzi najczęściej z nielegalnych źródeł i nosi nazwę zakłóceń RFI (Radio Frequency Interference) (Oliva i in. 2011). Zakłócenia RFI widoczne są na obrazach SMOS jako rozbłyski, które bardzo mocno zniekształcają rejestrowaną temperaturę jasnościową, nie tylko w pikselu, w którym leży źródło emisji, ale często również na szerokich obszarach sąsiednich. Skutkuje to zazwyczaj zawyżeniem wilgotności gleby. Tego typu zakłócenia są monitorowane przez specjalny program dostarczony przez firmę Brockmann Consult i z chwilą wystąpienia zakłócenia dane są filtrowane: ujawnia się to zazwyczaj na obrazach brakiem danych w miejscach wystąpienia zakłóceń. Prowadzone są dalsze prace nad poparwieniem algorytmu filtracji oraz wygaszeniem kontaminacyjnych emisji radiowych (Oliva i in. 2011). Wyniki badań Przestrzenne rozkłady wilgotności powierzchniowej warstwy gleby (0-10 cm), w wartościach średnich tygodniowych, z satelity SMOS, są systematycznie gromadzone od 2010 roku w skali Europy. Największe wartości wilgotności gleb są osiągane na Litwie, Polesiu (pogranicze Polski, Białorusi i Ukrainy) oraz w Irlandii. (Ryc. 2).
158 Usowicz B. et al. Ryc. 2. Przestrzenny rozkład wilgotności gleby w Europie w dniu 26 marca 2010 r. (Usowicz i in 2012). Fig. 2. Spatial distribution of surface soil moisture in Europe on 26 March 2010 (Usowicz i in. 2012). Rozkład wilgotności gleby wczesną wiosną w Polsce, 26 marca 2010 i w skali Europy przedstawia Ryc. 3. Widać tu wyraźnie znaczne zróżnicowanie wilgotności gleb w wartościach tygodniowych. W centralnej części Polski wartości mieszczą się w zakresie od około 0.05 do 0.2 m3 m-3. Wartości wysokie, do 0.5 m3 m-3, można zaobserwować w regionach granic północno-wschodnich i zachodnich. Ryc. 3. Przestrzenny rozkład wilgotności gleby w regionie Polski, Słowacji i sąsiadów z dnia 26 marca 2010 r. (Usowicz i in 2012) Fig. 3. Spatial distribution of surface soil moisture in the region of Poland, Slovakia and neighbors of 26 March 2010 (Usowicz i in. 2012).
Wilgotność gleb 159 W tej pracy przedstawiono również rozkłady wilgotności przy powierzchniowej z czerwca 2011 roku (Ryc. 4) gdy postępowała susza, w lipcu po miejscowych intensywnych opadach (Ryc. 5), i w listopadzie z najsuchszego dnia roku (Ryc. 6). Niskie wartości wilgotności gleb rozciągają się od południowego wschodu, poprzez centralną część Polski w kierunku północno-wschodnim (Ryc. 4). Nieco większe wartości wilgotności gleb obserwowano w tym czasie na Lubelszczyźnie. Północno-zachodnia część Polski pozostawała wtedy bardziej wilgotna. Opady deszczu w lipcu we wschodniej części Polski powodowały znaczący wzrost wilgotności gleby (Ryc. 5). W tym czasie, w północno-zachodniej części Polski obserwowano zmniejszenie i wyrównanie się wilgotności gleby. Brak opadów w następnych miesiącach w 2011 roku spowodował znaczące obniżenie się wilgotności gleby, poniżej 0.05 m 3 m -3, na całym obszarze Polski (Ryc. 6) z niewielkimi obszarami o zwiększonej wilgotności do około 0.2 m 3 m -3 na północy Polski. Ryc. 4. Rozkład wilgotności gleby w czasie postępującej suszy w dniu 19.06.2011. Fig. 4. Distribution of soil moisture at the time of progressive dried on 19.06.2011. Ryc. 5. Rozkład wilgotności gleby po opadach w dniu 14.07.2011. Fig. 5. Distribution of soil moisture after rainfall on 14.07.2011
160 Usowicz B. et al. Ryc. 6. Rozkład wilgotności gleby w czasie najsuchszego dnia roku 01.11.2011. Fig. 6. Distribution of soil moisture during the driest day of the year 01.11.2011. Mapy rozkładu wilgotności gleb w Polsce w roku 2010 i 2011 wykazują liczne obszary braku danych SMOS. W tych miejscach mapa jest podkładem standardowego tła ze zdjęć optycznych jakie stosuje Google Maps. Są to obszary intensywnie zakłócone, sygnałami naziemnych radarów. W warunkach zakłócenia pomiar SMOS jest zniszczony. Pasmo obserwacji SMOS, tzw. okno wodorowe, jest całkowicie chronione międzynarodowym prawem telekomunikacyjnym na całym świecie, lecz prawo to jest łamane. Polska należy do krajów o bardzo dużym zanieczyszczeniu elektromagnetycznym w zakresie 1.400-1.427 GHz. Podsumowanie Pomiary wilgotności gleb prowadzone przez SMOS są spójne czasowo, obszarowo (tzn. kontekstowo) i przestrzennie, w stopniu niedostępnym innym metodom obserwacji wilgotności gleb. Pomimo dotkliwych strat danych w wielu miejscach Polski, z powodu silnych zakłóceń RFI (Radio Frequency Interference), w Polsce są one najbardziej reprezentatywnym źródłem bieżącej informacji o przypowierzchniowym zasobie wody (w warstwie gleby 0-10 cm), ważnym dla upraw rolnych i życia biologicznego w środowisku. Zasługują na wykorzystanie statystyczne, zwłaszcza dla oceny i prognozowania warunków występowania susz rolniczych i występowania warunków powodziowych. Otrzymane rozkłady powinny służyć nie tylko lepszemu rozumieniu procesów wymiany masy i energii między lądem a atmosferą, lecz i dla obserwacji ewolucji klimatu. Dane ze SMOS-u mogą również poprawić prognozowanie zmian pogody, a zwłaszcza służyć modelowaniu klimatu. Najbardziej bezpośrednie zastosowania tych danych powinny znaleźć się w hydrologii dla zarządzania zasobami wodnymi. Literatura CMEM Community Microwave Emission Model, ECMWF http://www.ecmwf.int/research/esa_projects/ SMOS/cmem/cmem_index.html
Wilgotność gleb 161 ECMWF. http://www.ecmwf.int/research/esa_projects/smos/ecoclimap. A Global Database of Land Surface Parameters at 1km Resolution in Meteorological and Climate Models. Escorihuela M., Chanzy A., Wigneron J., and Kerr Y. 2010. Effective soil moisture sampling depth of L-band radiometry: A case study, Remote Sens. Environ., 114, 995 1001, 2010. 9981 GCOS UN Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), Background Documents http://ioc3. unesco.org/oopc/documents/background.php Systematic Observation Requirements for Satellitebased Products for Climate: Supplemental details to the satellite-based component of the GCOS IP (September 2006), GCOS-107.pdf Google Earth. Strona internetowa http://www.google.com/intl/pl/earth/index.html Górski T., Kozyra J., Doroszewski A. 2008. Field crop losses in Poland due to extreme weather conditions: case studies. W: The influence of extreme phenomena on the natural environment and human living conditions. Pr. Zbior. Red. S. Liszewski. Łodź. ŁTN s. 35 49. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). http://www.ipcc.ch/ Kotarba A., 2010. Siatka DGG ISEA4H9 dla obszaru Polski, Grupa GMES, Centrum Badań Kosmicznych PAN, 2010 strona internetowa: http://swex.cbk.waw.pl/index.php?option=com_content&view=articl e&id=59:3&catid=58:siatka-dgg&itemid=77 Kozyra J., Doroszewski A., Nieróbca A. 2009. Zmiany klimatyczne i ich przewidywany wpływ na rolnictwo w Polsce. Studia i Raporty IUNG-PIB, Puławy, z. 14, 243-257. Kozyra J., Doroszewski A., Stuczyński T., Jadczyszyn J., Łopatka A., Pudełko R., Koza P., Nieróbca A., Mizak K., Borzęcka-Walker M. 2009a. Agricultural Drought Monitoring Systems (ADMS) including crop specific requirements and soil map for the detection of areas affected by drought in Poland. [w:] Eitzinger, J., Kubu, G. (eds.), (2009): Impact of Climate Change and Adaptation in Agriculture. Extended Abstracts of the International Symposium, University of Natural Resources and Ap-plied Life Sciences (BOKU),Vienna, June 22-23 2009. BOKU-Met Report 17, ISSN 1994-4179 (Print), ISSN 1994-4187 (Online) http://www.boku.ac.at/met/report., 2009, 37-39. Kundzewicz Z., Szwed M., Radziejewski M. 2006. Zmiany globalne i ekstremalne zjawiska hydrologiczne: powodzie i susze. W: Długookresowe przemiany krajobrazu Polski w wyniku zmian klimatu i użytkowania ziemi. Pr. zbior. Red. M. Gutry-Korycka, A. Kędziora, L. Starkel, L. Ryszkowski. Poznań. Komitet Narodowy IGBP s. 169 180. Oliva R., Daganzo-Eusebio E., Kerr Y.H, Mecklenburg S., Nieto S., Richaume P., Gruhier C., 2011. SMOS Radio Frequency Interference Scenario: Status and Actions Taken to Improve the RFI Environment in the 1400 1427-MHz Passive Band, Geoscience and Remote Sensing, Vol. 50, Nr. 5-1 (2012), p. 1427-1439. Usowicz B., Marczewski W., Lipiec J., Usowicz J.B., Sokołowska Z., Dąbkowska-Naskręt H., Hajnos M., Łukowski M.I., 2009. WODA W GLEBIE POMIARY NAZIEMNE I SATELITARNE W BADANIACH ZMIAN KLIMATU. Fundacja Rozwoju Nauk Agrofizycznych Komitet Agrofizyki PAN, Lublin 2009, Monografia, s.1-171, ISBN: 978-83-60489-14-7. Usowicz Ł.B., Usowicz B., 2002. Spatial Variability Of Soil Particle Size Distribution In Poland. 17th World Congress Of Soil Science, 14-20 August 2002, Bangkok, Thailand, Symposium No.48, Paper 274, 1-10, 2002. Usowicz B., Marczewski W., Majerčák J., Lipiec J., Łukowski M.I., Usowicz J.B. 2012. Spatial distribution of surface soil moisture from satellite measurements on territory of Poland and Slovakia. 20th International Poster Day Transport of Water, Chemicals and Energy in the System Soil-Plant- Atmosphere, A. Čelková (Ed.), Bratislava. 15.11.2012.