Общее понятие о системе климатического мониторинга

 

Систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой было предложено называть мониторингом (Munn R.E., 1973).

Функционирование системы глобального и регионального климатического мониторинга, служб сбора климатических данных необходимо для практического использования представляемой информации о климате при ведении и развитии хозяйства, изучении климата и его возможных изменений и колебаний, для целей оптимизации взаимодействия человека с природой.

Такие данные уже длительное время собираются и представляются заинтересованным организациям и лицам многими национальными метеорологическими службами. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) обеспечивает международный обмен этими данными и способствует их использованию в практической деятельности.

Исполнительный Комитет ВМО в 1977 и 1978 гг. (на XXIX и XXX сессиях), обсуждая Всемирную климатическую программу, в качестве первой задачи намечаемой программы назвал климатический мониторинг и представление климатических данных (Сокращенные отчеты XXIX и XXX сессий Исполнительного Комитета Всемирной Метеорологической Организации с резолюциями, 1977, 1978).

Определив мониторинг природной среды как информационную систему, позволяющую выделить изменения состояния биосферы под влиянием антропогенной деятельности, под термином «климатический мониторинг» будем понимать информационную систему, позволяющую выделять антропогенные изменения и колебания климата.

Очевидно, что для выделения антропогенных составляющих изменений и колебаний климата необходимы наблюдения, оценка и прогноз таких антропогенных изменений.

Если климат рассматривается как совокупность состояний атмосферы, повторяемость условий погоды, его можно описать набором статистических характеристик возможных состояний атмосферы. Состояние атмосферы определяется набором метеорологических величин, характеризуется совокупностью атмосферных явлений и процессов, поэтому наблюдения, измерения характеристик состояния атмосферы, осредненные за определенный интервал времени, будут непосредственно соответствовать мониторингу климата.

Состояние атмосферы, характер протекающих в ней процессов зависят от физических свойств и состава атмосферы, от воздействующих на нее факторов и могут существенно меняться в результате взаимодействия атмосферы со всеми элементами биосферы и в первую очередь с подстилающей поверхностью.

Именно поэтому для понимания изменений и колебаний климата необходимы данные о состоянии климатической системы атмосфера - океан - поверхность суши (с реками и озерами) - криосфера - биота и о взаимодействии элементов этой системы за длительный период времени, т.е. осуществление климатического мониторинга.

Очевидно, что для выделения антропогенных изменений и колебаний климата необходимо также тщательно изучить естественную изменчивость климата.

Сбор данных о климатах прошлого также можно отнести к климатическому мониторингу - для этой цели требуется создать систему сбора и изучения ископаемых и других косвенных данных о возможных колебаниях и изменениях климата за последние столетия, тысячелетия и более отдаленные интервалы времени (анализ колец деревьев, в том числе и давно погибших, образцов донных отложений, моренных отложений, колонок льда, пыльцевой анализ и т.п.). Все это позволит изучить влияние изменений климатической системы на климат в прошлом.

Для того чтобы изучить антропогенные изменения климата необходимо изучить влияние изменений характеристик подстилающей поверхности за счет антропогенного воздействия (строительства крупных гидротехнических сооружений, изменений площади лесных насаждений, строительства городов), изучить антропогенные изменения состава и оптических свойств атмосферы (за счет выброса аэрозольных частиц и различных газовых примесей), а также возможное влияние интенсивных тепловых выбросов. Оценка глобального атмосферного загрязнения и его влияния на климат признана ЮНЕП одной из целей Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) (Материалы Межправительственного совещания по мониторингу, 1974).

Естественные и антропогенные изменения климата могут в свою очередь повлиять на состояние биосферы, вызывая различные экологические последствия, на нормальное функционирование отдельных популяций растений и животных, а также, причем существенно, на хозяйственную деятельность человека и в конечном итоге на его здоровье и благосостояние. Это может повлечь за собой экономические и социальные последствия (Федоров Е.К., 1979).

Этот раздел мониторинга является частью экологического мониторинга. Для его осуществления необходима организация специальной системы наблюдений: изучение воздействия на экологические системы в различных регионах, по-видимому, потребует комплексных наблюдений в зонах, не возмущенных локальной антропогенной деятельностью, типа биосферных заповедников.

Климатический мониторинг и службы получения климатических данных могут быть направлены на решение различных практических и научных задач. Так, решение множества практических прикладных задач - в сельском хозяйстве, водном хозяйстве, энергетике, строительстве, морских отраслях и других видах хозяйственной деятельности человека - требует обширной климатической информации. Служба сбора климатических данных для этих целей представляется необходимой, хотя очевидно, что такая служба выходит за рамки мониторинга антропогенных изменений климата.

Обширный набор данных об отдельных характеристиках элементов биосферы, о процессах, определяющих изменчивость климата, необходим для изучения изменений и колебаний климата, понимания таких изменений, выделения антропогенных составляющих. Это в первую очередь относится к изучению пространственно-временной изменчивости климата различного масштаба.

Прогноз сезонных и межгодовых колебаний климата требует организации специальной глобальной системы наблюдений, неравномерной в пространстве и во времени.

Очевидно, что наблюдения, направленные на изучение изменчивости, должны учитывать также инерционность климатической системы.

Анализ, оценка современного климата, прогноз его возможных изменений и колебаний требуют большого количества данных, ставят задачу всестороннего анализа состояния окружающей природной среды (Всесторонний анализ окружающей природной среды, 1975) и моделирования климата.

Таким образом, наиболее важными задачами климатического мониторинга являются сбор данных, анализ и оценка естественных и антропогенных изменений и колебаний климата (включая сравнение климатов прошлого с климатом настоящего), изменений состояния климатической системы, выделение антропогенных эффектов в тех изменениях климата, которые удается обнаружить, выявление естественных и антропогенных факторов, действующих в направлении изменений климата, и критических элементов биосферы, воздействие на которые может быстрее всего привести к климатическим изменениям.

Для решения этих задач наряду с созданием системы климатического мониторинга требуется проведение широкой исследовательской программы, моделирования климатических колебаний и изменений.

Как уже отмечалось, получение климатических данных широко используется в практической деятельности человека, так как наиболее разумным направлением хозяйственной деятельности является наилучшее приспособление развивающегося хозяйства к существующим климатическим условиям. В связи с этим параллельно с климатическим мониторингом в этом разделе будут описываться и те стороны служб сбора климатических данных, которые представляют информацию, выходящую за пределы приведенного выше определения мониторинга.

Тем не менее, необходимо отметить, что все эти информационные системы тесно связаны между собой.

С учетом всего сказанного, широкий круг вопросов климатического мониторинга и вопросов, относящихся к возможным изменениям и колебаниям климата, можно сгруппировать по следующим основным разделам (Израэль Ю.А., 1979):

. Измерение основных метеорологических величин, изучение и анализ атмосферных явлений и процессов, характеризующих соответствующий режим погоды (сюда относится и получение климатических данных для использования при организации и ведении хозяйственной деятельности).

. Мониторинг состояния климатической системы. Сбор данных, характеризующих реакцию климатической системы и ее элементов на любые естественные и антропогенные воздействия.

. Мониторинг внутренних и внешних факторов (особенно мониторинг антропогенных факторов), воздействующих на климат и состояние климатической системы; мониторинг источников этих воздействий.

. Мониторинг возможных физических и экологических изменений в окружающей среде в результате климатических изменений и колебаний (сюда относится мониторинг большинства косвенных показателей изменчивости климата).

В настоящее время со спутников возможно измерение большинства метеорологических величин и основных характеристик климатической системы. Иногда эти измерения затруднительны, точность их еще не высока, однако некоторые наблюдения со спутников проводятся уже более успешно, чем с помощью наземных средств.

С учетом возможностей существующих и развивающихся спутниковых систем и целесообразности организации тех или иных измерений для получения более точной информации о климате Земли и состоянии климатической системы выделим следующие направления функционирования спутниковых систем.

. Измерения метеорологических величин и получение других данных, важных для понимания колебаний и изменений климата, в местах, где имеются наземные наблюдательные средства.

. Измерения тех же величин в труднодоступных для наземных измерений районах:

а) в континентальных областях,

б) в океанических областях.

. Измерения величин и факторов, труднодоступных или не поддающихся прямым определениям с поверхности земли:

а) интегральных характеристик подстилающей поверхности (альбедо, величины, характеризующие энерго- и массообмен подстилающей поверхности с атмосферой);

б) некоторых компонентов радиационного баланса системы Земля - атмосфера (отраженное солнечное излучение и длинноволновое уходящее излучение земных объектов);

в) корпускулярного и жесткого электромагнитного солнечного и космического излучения.

. Использование спутников для оперативной передачи данных из труднодоступных областей земного шара.

Предлагается следующая приоритетность использования перечисленных возможностей (пункты 1 - 3) спутниковых систем для получения климатической информации:

Пункт     1 2 (а) 2 (б) 3 (а) 3 (б) 3 (в)

Приоритет.... III II  I II I I

При определении приоритетности принималось во внимание наличие уже существующих наземных систем наблюдения.

В настоящее время со спутников проводятся (или могут проводиться) такие важнейшие наблюдения, как наблюдения полей облачности и ветра; температуры и влажности воздуха на различных высотах; температуры поверхности океана; протяженности (границ) морского льда и снежного сезонного покрова суши; зон, покрытых растительностью (и характеристик их состояния) на суше и планктоном в океане; влажности почвы, зон и интенсивности осадков; основных компонентов радиационного баланса (Ветлов И.П., 1977).

Поля облачности идентифицируются уже более десяти лет. Пространственное распределение и структура определяются путем фотографирования в видимом и ИК диапазонах. Ведутся успешные работы по измерению фазового состояния облаков (путем сопоставления результатов измерений радиояркостной температуры облаков в полосе поглощения жидкокапельной воды в области 0,8 см и радиационной температуры в окне прозрачности 10 - 12 мкм), высоты и температуры верхней границы облаков (фотометрическим и радиометрическим методами).

Требуется увеличение точности в определении высоты облачности. Этим целям должен служить Международный проект по спутниковой климатологии облаков.

Температурные профили в атмосфере определяются из анализа данных инфракрасного или микроволнового излучения в полосах поглощения для газов с известной концентрацией (двуокись углерода, кислород). Точность восстановленных профилей достигает 2 - 3 °С до высот 30 - 35 км.

Представляет интерес спутниковая информация о поле ветра, восстановленном по дрейфу облаков нижнего и верхнего ярусов. Скорость ветра в океане можно определять по повышению радиояркостной температуры, связанному с увеличением количества пены (ее образование начинается при скорости ветра 7 м/с). За счет этого эффекта возможно восстановление скорости ветра с точностью ±2 м/с в интервале 5 - 30 м/с (Кондратьев К.Я., 1982). Перспективно использование ИК лидарного зондирования, где точность может быть повышена. Для восстановления атмосферного давления используется метод поглощения СВЧ излучения (в области 30 - 70 ГГц), здесь точность может достигать 1,5 - 2,0 гПа.

Точность спутникового определения осадков невелика, поскольку оно основано на связи между яркостью облаков и интенсивностью осадков; здесь будущее, безусловно, принадлежит активной радиолокации.

Определение температуры поверхностного слоя воды океана производится с помощью измерений излучения в окнах прозрачности в ИК и СВЧ диапазонах спектра; точность измерений составляет ±(1... 1,5)°С и ограничивается (особенно в ИК диапазоне) поглощением облачностью, слоями пыли и другими атмосферными помехами. Необходимо подчеркнуть важность определения температуры поверхностного слоя океана; так, по этой величине можно приближенно определить энтальпию деятельного слоя океана и использовать эту величину для количественных суждений о турбулентном обмене тепла и влаги между атмосферой и океаном. В связи с этим нужны точности в определении температуры поверхностного слоя океана до нескольких десятых долей градуса.

Разрабатываются методы вертикального зондирования температуры и плотности подповерхностного слоя океана вплоть до границы слоя перемешивания. Точность определения температуры суши несколько хуже.

Границы и протяженность ледяного и снежного покровов определяются в видимом диапазоне с хорошей точностью. Сочетание одновременных наблюдений в видимом и ИК диапазонах позволяет определить различные типы полярных льдов, а измерения в микроволновом диапазоне (в области длин волн около 1,5 см) - различить с большой точностью области покрытия льдом и чистой воды, льды различного возраста и толщины.

Исключительно интересные данные были получены с помощью локатора бокового обзора (активная локация), действующего на советских метеорологических спутниках с 1983 г.

Важные свойства поверхности (растительность, количество планктона в океане) определяются с использованием многоспектральных изображений.

Количество и распределение планктона в океане может быть получено по данным измерений хлорофилла по полосе поглощения отраженного солнечного излучения в области 0,43 мкм и интенсивности люминесценции фитопланктона.

Определение влажности почвы и осадков возможно с помощью микроволновых радиометров.

Имеются широкие возможности измерений со спутников ряда характеристик элементов климатической системы и других параметров, подверженных антропогенным воздействиям.

Антропогенные воздействия могут существенно повлиять на мутность атмосферы, способствуют увеличению двуокиси углерода в атмосфере, появлению примесей, влияющих на озоносферу (галогеноуглеводороды, закись азота).

Слои пыли (мутность атмосферы) идентифицируются со спутников путем фотографирования области горизонта и углового распределения и поляризации рассеянной солнечной радиации.

Оптическая толщина атмосферы определяется по измерениям углового распределения отраженной солнечной радиации в интервалах видимого и ближнего ИК диапазонов спектра (0,55; 0,74; 1,0; 2,2 мкм).

Распределение аэрозольных частиц определяется из вертикального распределения коэффициента аэрозольного ослабления в полосах поглощения составляющих атмосферу газов с постоянной концентрацией.

Общее количество некоторых газовых компонентов атмосферы, таких, как водяной пар, двуокись углерода, озон, может определяться с использованием спектрометрии полос поглощения излученной тепловой (в ИК диапазоне для озона 9,6 мкм) и отраженной (и рассеянной) солнечной радиации в УФ диапазоне спектра. Возможно также определение вертикального распределения озона. Послойное определение водяного пара возможно по измерениям полос поглощения в области 6,3 и 20 - 25 мкм в ИК диапазоне и в области 1,35 см в СВЧ диапазоне

На взаимодействие океана с атмосферой, величину альбедо поверхности океана может существенно повлиять загрязнение нефтепродуктами, образование на поверхности океана пленок, нарушающих массообмен между океаном и атмосферой.

Данные о загрязнении поверхности океана получают путем измерения обратной солнечной радиации и собственного излучения. В системах дистанционного обнаружения нефтяных и других загрязнений используются излучения в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и СВЧ диапазонах. Оценки изменения солености воды можно получить путем СВЧ радиометрических измерений.

Как отмечалось в предыдущей главе, роль спутниковых данных для получения информации об антропогенных изменениях поверхности суши исключительно велика. Эти данные важны для понимания причин возможных изменений климата. По данным со спутников можно оценить изменение растительного покрова за счет вырубки лесов, опустынивания, изменения характера сельскохозяйственных культур, что дает возможность судить о причинах изменения альбедо земной поверхности. Эффекты, связанные с урбанизацией, также сказываются на альбедо. Крупные ирригационные сооружения, перераспределение водных ресурсов влияют на характер влагооборота и альбедо поверхности; эти изменения и изменения снежного покрова в районе городов и промышленных районов легко прослеживаются со спутников при фотографировании в видимом и ИК диапазонах.

Компоненты радиационного баланса, соответствующие отраженному солнечному излучению (в спектральном диапазоне 0,3 - 3,0 мкм) и тепловому излучению с поверхности земли (в диапазоне длин волн 3 - 100 мкм), существенно зависят от антропогенных факторов (антропогенного изменения альбедо земной поверхности, интенсивности теплового излучения земных объектов).

Все компоненты радиационного баланса Земля - атмосфера определяются со спутников, причем некоторые компоненты могут определяться с лучшей точностью, чем с поверхности земли.

Антропогенные изменения в околоземном космическом пространстве также определяются с помощью спутниковых наблюдений. Так, искусственные радиационные пояса Земли были определены радиометрическими приборами, установленными на спутнике.