Calibration and Validation of NASA (SMAP) Satellite for the Retrieval of Soil Moisture and the Application to Environmental Modeling in Kuwait (Phase 2)

قُسّم مشروع "معايرة القمر الصناعي SMAP التابع لوكالة ناسا والتحقق من صلاحيته فيما يتعلق باستعادة رطوبة التربة وتطبيق النمذجة البيئية في الكويت" على مرحلتين [المرحلة الأولى - المشروع رقم 2012141301 (من 1 يناير 2013 حتى 1 أغسطس 2015 - مع تمديد لمدة 8 أشهر) والمرحلة الثانية - المشروع رقم P21544SP01 (من 9 يوليو 2015 حتى 8 يناير 2018 - مع تمديد لمدة 6 أشهر)] وقامت مؤسسة الكويت للتقدم العلمي (KFAS) بتمويل المشروع الذي أقيم بالتعاون مع مؤسسة وطنية ودولية. أجرى فريق SMAP العلمي الكويتي حوالي 78 رحلة ميدانية جُمعت خلالها عينات من موقع اختبار القمر الصناعي SMAP (ضمن مساحة 36 كم x 36 كم) في الصحراء المفتوحة غرب مدينة الكويت (منطقة السالمي) خلال ثلاث سنوات، من ديسمبر 2014 حتى ديسمبر 2017. إن الفروقات الحجمية لنسبة رطوبة التربة خلال فصلي الشتاء والصيف وقيم جذر متوسط التربيع لجميع قياسات حقل التربة توضح تجانس موقع اختبار القمر الصناعي SMAP من حيث تباين رطوبة التربة. ويوفر موقع شبكة القمر الصناعي SMAP في الكويت (والذي يمثل الموقع الوحيد في الشرق الأوسط) موقعاً ممتازاً لمعايرة بيانات رطوبة التربة التي قدمها القمر الصناعي SMAP والتحقق منها. وقد تمّ تثبيت حوالي 6 محطات للطقس على موقع اختبار شبكة القمر الصناعي SMAP، ونقلت البيانات في الوقت الفعلي تقريبًا إلى ناسا NASA FTP، وبالتالي وضعت هذه البيانات للنشر تحت اسم "التحقق من صحة نتائج القمر الصناعي SMAP حول رطوبة التربة السطحية في مواقع التحقق الأساسية". وأقيمت رحلات ميدانية عالية الدقة (3 كم) وجمعت 322 عينة من التربة عبر شبكة الاختبار. يبلغ متوسط رطوبة التربة 0,044 م3م-3 لفئات التربة الثلاثة الرئيسية في موقع اختبار القمر الصناعي SMAP مع انحراف معياري يبلغ 0,0155 م3 م-3. وتُظهر هذه النتائج تجانساً استثنائياً عبر اختبار شبكة القمر الصناعي SMAP. وتبين من نتائج التقييم أنّ عدد المحطات الممثلة للقمر الصناعي SMAP (دقة 36 × 36 كم) يمكن أن يبدأ بـ 4 محطات طقس مؤتمتة على الأقل. كما أجريت دراسة للتفاوت المكاني والزماني على شبكة الاختبار ووجد الاستقرار المكاني والزماني لرطوبة التربة في موقع الاختبار. وكذلك أعطى تحليل كثافة العينات لبيانات الرحلة الميدانية المكثفة نتائج مماثلة أيضًا، مما يثبت بالتالي تجانس موقع الاختبار. كما تم قياس الاختلاف المكاني لرطوبة التربة وأثره على الارتفاع وتبين عدم وجود ارتباط واضح بين رطوبة التربة وطوبوغرافيا موقع الاختبار. ويتأثر نموذج محاكاة درجة حرارة السطوع في الغالب برطوبة التربة وذلك بعد حساب تأثيرات خشونة السطح ودرجة حرارة التربة. وتتوافق درجات حرارة السطوع التي سجلها القمر الصناعي SMAP والتي تبلغ 1,4 جيجا هرتز مع درجات حرارة السطوع المحاكاة من النموذج الأمامي في كلّ من حالتي الاستقطاب الرأسي والأفقي. ويمكن لجهاز قياس الإشعاع في القمر الصناعي SMAP الكشف عن تداخل الترددات الراديوية RFI والتخفيف منها وبالتالي فهو أقل تأثراً. ويظهر الميكروويف ذو التردد المنخفض نطاقًا ديناميكيًا أكبر وتوافقاً مع درجات حرارة السطوع المصطنعة وستعطي قياسات ميدانية للموقع. وتتأثر قياسات القمر الصناعي SMOS على ما يبدو بقيم تداخل الترددات الراديوية RFI ولديها درجات حرارة سطوع أعلى بكثير. وعند ترددات الميكروويف AMSR2 متوسطة المدى، لا ترتبط قياسات القناة الرأسية بالنماذج الشبيهة الأمامية وإنما ترتبط جيداً مع قياسات القمر الصناعي ذات الاستقطاب الأفقي. في أعلى ترددات جهاز قياس الاشعاع المتقدم للميكروويف 2 (AMSR2) وجهاز استشعار أو تصوير خاص بالميكروويف (18.7 و 19 جيجا هرتز على التوالي)، حتى بالنسبة للتربة الجافة، لا يمكن لقياسات الأقمار الصناعية في كلا الاستقطابين تتبع التغيرات في رطوبة التربة السطحية بسبب حساسية النموذج وتأثير الغلاف الجوي. تم استخدام هذه البيانات والنتائج الإحصائية في نص "المحاكاة الأمامية لدرجات حرارة سطوع الموجات الأصغرية متعددة الترددات فوق التربة الصحراوية في الكويت والمقارنة مع مشاهدات الأقمار الصناعية". دراسة حول تأثيرات دوران نسيم البحر على درجة حرارة التربة فوق الكويت باستخدام بيانات المستشعر وإدراجها في النص "تأثيرات دوران نسيم البحر على درجة حرارة التربة على الكويت باستخدام مشاهدات الحالة ونموذج المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى ECMWF". أجرى فريق الكويت العلمي للقمر الصناعي SMAP التابع لوكالة ناسا دراسة مقارنة لبيانات مستشعرات محطات الطقس الستة مع القيم الحجمية لرطوبة التربة في الموقع خلال فترة التحقق من مايو 2015 وحتى ديسمبر 2017. كما أجريت دراسة مقارنة أخرى لاسترجاع رطوبة التربة في صحراء الكويت باستخدام الأقمار الصناعية مثل SMAP وSMOS. وأظهرت نتيجة المقارنة بين SMAP وأجهزة استشعار المحطة قيمة انحراف جذر متوسط التربيع RMSD من 0,047 م3 م-3. وهي قريبة جداً من القيمة 0,045 م3 م-3 قيمة انحراف جذر متوسط التربيع عند مقارنة بيانات رطوبة التربة للقمر الصناعي SMOS مع قياسات المحطة. استخدمت هذه البيانات في نص "التحقق من صحة بيانات القمر الصناعي لناسا SMAP في موقع اختبار الصحراء في الكويت". وهناك دراسة لحالة موازية أخرى حول تأثير الدوران متوسط المدى على رطوبة التربة في الكويت خلال فصل الصيف تُظهر أن زيادة رطوبة التربة خلال فصل الصيف من المحتمل أن يكون سببها الدوران متوسط المدى خلال هذا المشروع. وللدوران متوسط المدى فوق الكويت تأثير مهم على التغيرات في درجة حرارة التربة الإقليمية. يقدم هذا المشروع ميزتين شائعتين في الغلاف الجوي خلال فصل الصيف تربط الكويت بدورة الرياح ودرجات حرارة التربة. نستخدم نماذج (CERA-SAT) متعددة المجموعات، ونموذج إعادة التحليل المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF) (ERA-Interim). أظهرت النتائج أن التدرج القوي للضغط سيؤدي إلى هبوب رياح شمالية قوية على الكويت، في حين تؤدي قوة التدرج الضعيف للضغط الكلي على الكويت في الصيف إلى هبوب رياح شرقية خفيفة من الخليج، بما يتسق مع الدوران الميزوسكالي الذي قد يؤثر على رطوبة التربة.

NASA has successfully launched its Soil Moisture Active Passive (SMA P) satellite in January 31, 2015. The SMAP has two microwave sensors, one active (Radar) and one passive (Radiometer). Radiometer operating at L band (1 .4 I GHz) and Synthetic Aperture Radar operating at L-band (1 .20 GHz).The SMAP mission science requirements include specifications on accuracy, spatial resolution , and temporal revisit for the soil moisture measurements as i t is a key parameter for the evolution of weather and climate particularly over continental regions. In Kuwait, these observations are critical for several applications, like dust storm prediction and monitoring, a ir quality and human health. This project was divided into two Phases. During Phase I of this project, pre-launch activities of SMAP was done in Kuwait for cal/val activity and conducted field work activities throughout 2013-2014. The field work activities indicate TOR measurements and variation of volumetric soil from 0.17 m3 m-3 in January, 2014 to 0.015 m3 m-3 in June, 20 14. Soil roughness was estimated using a pin profilometer and was found to vary from 0.2 to 0.7 RMS with a correlation length ranging from 91 cm to 93 cm. Volumetric soil moisture data from several satellites such as SMOS, Aqua and GCOMW-1 were analyzed and compared with field work data. MODIS images over the SMAP grid cells in Kuwait were obtained from the ROPME Ground Station, which indicate greater homogeneity over Kuwait desert. Now we aregoing to start Phase 2 to verify and improve the performance of algorithms and validate the accuracy of soil moisture retrieval in the post-launch part. Scatterometer, radiometer, Laser Profilometer, automated weather stations, and soil moisture networks will be used for the validation/calibration of SMAP Satellite data.