УДК 551.46
СПУТНИКОВЫЙ МОНИТОРИНГ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОКЕАНА. ЧАСТЬ 1
А.Г. Костяной
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН,
Россия, 117997, Москва, Нахимовский пр., 36, Kostianoy@gmail.com
Московский университет им. С.Ю. Витте,
Россия, 115432, Москва, 2-й Кожуховский проезд, 12, строение 1
Резюме. Цель работы - обзор современных возможностей дистанционного зондирования океанов и морей из космоса для мониторинга параметров климатической системы Земли. В данной статье (часть 1) приводятся сведения об основных климатических переменных, мониторинг которых ведется, и соответствующих климатических программах. Приводится информация о спутниковом мониторинге температуры поверхности океана, солености поверхности океана и уровня океана. Описываются приборы и спутники, которые используются для исследования этих климатических переменных. Приводятся некоторые результаты мониторинга на примере Балтийского, Черного и Каспийского морей.
Ключевые слова. Климатическая система, спутниковый мониторинг, дистанционное зондирование, океаны и моря, климатические переменные, приборы и спутники, Мировой океан, Балтийское море, Черное море, Каспийское море
SATELLITE MONITORING OF THE OCEAN CLIMATE PARAMETERS. PART 1
A.G. Kostianoy
P.P. Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences,
36, Nakhimovsky Pr., 117997, Moscow, Russia, Kostianoy@gmail.com
S.Yu. Witte Moscow University
12, 2-nd Kozhukhovsky Pr., Build. 1, 115432, Moscow, Russia
Summary. A purpose of the work is to overview the current capabilities of remote sensing of oceans and seas from the space for monitoring the Earth's climate system parameters. In this paper (Part 1), an information on major climate variables being monitored and respective climate programs is presented. The information on satellite monitoring of sea surface temperature, sea surface salinity and ocean level is given. Satellites and sensors used for the study of these climate variables are described. Some monitoring results for the Baltic, Black and Caspian seas are shown.
Keywords. The climate system, satellite monitoring, remote sensing, oceans and seas, climate variables, instruments and satellites, the World Ocean, the Baltic Sea, the Black Sea, the Caspian Sea.
Введение
Исследования регионального и глобального изменения климата основываются на многолетних рядах наблюдений на метеорологических станциях и постах. Метеорологическая сеть является основой информационно-измерительной системы Росгидромета (Костяной и др., 2012). Первые инструментальные метеорологические наблюдения в России были начаты в Петербурге в 1725 году академиком Ф.Х. Майером. Например, температура воздуха в Москве известна с 1775 года. В 1834 году в Петербурге под руководством академика А.Я. Купфера была создана Нормальная магнитно-метеорологическая обсерватория, на базе которой в 1849 году была учреждена Главная физическая обсерватория (ГФО). В функции ГФО входило руководство всеми метеорологическими и магнитными наблюдениями России по единым методикам и программам, разработка приборов и обеспечение ими создаваемой сети наблюдений, обобщение и издание материалов наблюдений. Важнейшим направлением деятельности ГФО стало создание метеорологических обсерваторий для отдельных краев и подчинение геофизических наблюдений единому государственному центру. К концу XIX века российская метеорологическая сеть насчитывала 839 станций, 1020 дождемерных и 1830 снегомерных постов, кроме того, функционировали пункты метеорологических наблюдений Русского Географического общества, университетов, других организаций и ведомств. В 1899 году к 50-летию ГФО был издан «Климатический Атлас Российской империи» (География России, 2017).
Если в 1914 году метеорологическая сеть России насчитывала уже 1416 станций и 1480 постов, то во время Гражданской войны она сократилась до 200 станций и 125 постов (1920 г.). В 1924 году ГФО переименовали в Главную геофизическую обсерваторию (ГГО), которая в 1949 году по случаю 100-летия со дня основания обсерватории было присвоено имя выдающегося российского климатолога А.И. Воейкова. К концу 1970-х годов число станций и постов на территории бывшего СССР достигло своего максимума и превысило 6000, из которых 4665 относились к системе Гидрометслужбы, остальные — к другим ведомствам (География России, 2017).
Сегодня в мире существует 97 851 метеостанция, имеющая синоптический индекс Всемирной метеорологической организации (ВМО) (Метеоцентр, 2017). Более точные прогнозы погоды и исследования регионального и глобального климата требуют расширения сети гидрометеорологических наблюдений, особенно в труднодоступных или малонаселенных районах Земного шара. К таким районам, в первую очередь, относится Мировой океан, который занимает около 70% земной поверхности или примерно 361 млн км2. Если примерно на 149 млн км2 суши приходится около 98 тыс. метеостанций, которые находятся в своем большинстве на суше, то в среднем 1 метеостанция приходится на 1500 км2 (для сравнения площадь Москвы в пределах МКАД составляла 1070 км2). Очевидно, что гигантская акватория Мирового океана (за исключением данных с островных метеостанций и маяков, дрейфующих и заякоренных буев, НИС и попутных судов) остается фактически вне сети регулярных наблюдений, сколько-нибудь сравнимой с сетью метеорологических наблюдений на суше.
Задача по восполнению пробелов в данных наблюдений на акватории Мирового океана решается тремя основными способами:
(1) Развитием региональных и глобальных, национальных и международных комплексных, скоординированных систем наблюдений за океаном, которые включают экспедиционные исследования на НИС; использование попутных наблюдений с торговых и пассажирских судов (например, Ship-of-Opportunity Programme WMO); запуск нескольких тысяч дрейфующих буев, включая профилографы Арго, число которых на 31 января 2017 г. в Мировом океане составляло 3969; расширением глобальной сети наблюдений за уровнем моря (GLOSS, http://www.gloss-sealevel.org/) с использованием, как традиционных мареографов, так и акустических, лазерных и других систем наблюдений за уровнем моря, оборудованных телеметрическими системами для оперативной передачи данных наблюдений, что особенно важно для раннего предупреждения о цунами.
(2) Развитием методов численного моделирования с усвоением данных наблюдений для восстановления полей гидрометеорологических параметров в узлах регулярной сетки с определенным временным шагом на всей поверхности Земного шара, включая акваторию Мирового океана. Результатом этих работ являются различные реанализы данных (число которых уже более 60), например, «NCEP/NCAR Reanalysis», который является совместным проектом Национальных Центров Предсказания Окружающей Среды (National Centers for Environmental Prediction - NCEP) и Национального Центра Изучения Атмосферы (National Center for Atmospheric Research – NCAR) (Kalnay et al., 1996). Целью таких проектов является создание гидрометеорологических баз исторических данные (включая текущее состояние атмосферы и океана) благодаря сбору и анализу сухопутных, судовых, радиоветровых, шаропилотных, самолётных, спутниковых и других данных. Реанализы широко используются для изучения погоды и климата Земли.
(3) Развитием методов дистанционного зондирования океанов и морей из космоса. Спутниковая эра началась всего 60 лет назад с запуском в СССР первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года. 1 апреля 1960 года США запускает первый метеорологический спутник TIROS-1 с черно-белой телевизионной камерой, предназначенной для отслеживания движения облака и получения первых нечетких изображений температуры поверхности океана. В СССР первая автоматическая микроволновая радиометрическая система для наблюдения за поверхностью континентов и океана была использована в 1968 году на борту спутника «Космос-243», что позволило получить первые спутниковые карты температуры поверхности океана. В последующие годы произошел бурный рост космических технологий, позволяющий сегодня получать большое количество разнообразной океанографической, метеорологической, геофизической, биологической и геологической информации (Гарбук, Гершензон, 1997; Rees, 2001; Fu, Cazenave, 2001; Askne, 2003; Barale et al., 2010; Vignudelli et al., 2011; Лаврова и др., 2011, 2016; Kostianoy et al., 2017). В настоящее время спутниковая информация о состоянии океана, атмосферы и суши широко используется для исследования регионального и глобального климата, в том числе, благодаря ассимиляции спутниковых данных в глобальные реанализы (IPCC, 2013; Rhein et al., 2013; Катцов, Семенов, 2014).
В данной статье (Часть 1) мы приведем краткий обзор возможностей дистанционного зондирования океанов и морей из космоса для мониторинга следующих параметров климатической системы Земли, относящихся к океану: температура поверхности океана, соленость поверхности океана и уровень океана. В Части 2 статьи будут рассмотрены следующие параметры: характеристики волнения, концентрация морского льда, поверхностные течения, цвет океана и фитопланктон. В следующих номерах журнала будут рассмотрены возможности ДЗЗ для мониторинга основных климатических параметров суши и атмосферы.
Основные климатические программы и параметры
В 1980 году началось осуществление Всемирной климатической программы (ВКП, WCP) под эгидой Всемирной метеорологической организации (ВМО, WMO), Межправительственной океанографической комиссии (МОК, IOC) ЮНЕСКО, Международного научного совета (МНС, ICSU) и Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП, UNEP). Важнейшей составляющей этой программы является Всемирная программа исследования климата (ВПИК, WCRP), результаты которой используются Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК, IPCC) для оценки изменений климата и их последствий на природную среду и деятельность человека для последующего определения действий государств по реализации Рамочной Конвенции ООН об изменении климата (РКИК ООН, UNFCCC) (Толкачев, 2013).
С 1991 года МОК ЮНЕСКО совместно с ВМО, ЮНЕП и МНС осуществляет развитие Глобальной системы наблюдений за океаном (ГСНО, GOOS), которая обеспечивает океанический компонент Глобальной системы наблюдений за климатом (ГСНК, GCOS) и морской прибрежный компонент Глобальной системы наблюдений за сушей (ГСНС, GTOS). Развитие ГСНО осуществляется также в тесном сотрудничестве с Глобальной системой систем наблюдений за Землей (ГЕОСС, GEOSS). ГСНО - глобальная, унифицированная, международная система для систематических наблюдений, сбора и распространения океанографических данных наблюдений, подготовки анализов и прогнозов и другой продукции, в целях обеспечения правительств, отраслей экономики, науки и общественности информацией, необходимой для морской деятельности, включая влияние океана на климат. Важную роль в осуществлении ГСНО играет Совместная МОК-ВМО Техническая комиссия по океанографии и морской метеорологии (СКОММ, JCOMM), созданная в 1999 году для координации океанографических и морских метеорологических наблюдений, оперативного обмена данными наблюдений и подготовки океанографических и морских метеорологических анализов и прогнозов (www.jcomm.info). Информация о развитии и планировании ГСНО размещается на сайте ГСНО - www.ioc-goos.org. Подробная информация о состоянии существующих систем наблюдений в океане, координируемых JCOMM, размещается Международным центром JCOMM на сайте www.jcommops.org (Толкачев, 2013).
В рамках программы Глобальной системы наблюдений за климатом (GCOS) был разработан перечень из 50 основных климатических переменных (ОКП), необходимых для систематических наблюдений с целью оценки климатических изменений на Земле (http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/index.php?name=EssentialClimateVariables). К океану относятся следующие ОКП, которые разделены на 2 группы:
Поверхность океана, включая верхний перемешанный слой до глубины 15 м: температура поверхности океана (ТПО, или моря – ТПМ), соленость на поверхности океана, уровень океана, состояние поверхности океана, концентрация морского льда, течения на поверхности океана, цвет океана, парциальное давление двуокиси углерода, кислотность океана, фитопланктон;
Толща океана: температура, соленость, течения, питательные вещества, парциальное давление двуокиси углерода, кислотность океана, кислород и трассеры.
Именно эти характеристики океана и будут рассмотрены в данной статье с точки зрения возможности их измерения и мониторинга из космоса. Следует отметить, что в западной литературе, кроме термина «Essential Climate Variables» (ECV) («Основные Климатические Переменные» (ОКП)), также встречаются следующие термины:
Key climatological observables - Основные климатологические наблюдаемые параметры (Feistel et al., 2016);
Essential Ocean Variables (EOVs) - Основные океанические переменные (ООП);
Ocean Color ECVs – ОКП, относящиеся к цвету океана (https://ec.europa.eu/jrc/en/research-topic/ocean-colour-essential-climate-variables);
Ecosystem EOVs – экосистемные ООП (Constable A.J. et al., 2016);
Biological EOVs – биологические ООП;
Biogeochemical EOVs – биогеохимические ООП.
В российской литературе также используется термин «основные климатические параметры», например, в Строительных нормах и правилах Российской Федерации «Строительная климатология» СНиП 23-01-99* РФ, в разработке которых принимала участие ГГО Росгидромета (Строительная климатология, 2003).
Прямые и косвенные измерения характеристик океана из космоса
В настоящее время (начало февраля 2017 г.) на разных околоземных орбитах находится 161 работающий искусственный спутник Земли (ИСЗ), оснащенный радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами, спектрорадиометрами, альтиметрами и оптической техникой, работающими в разных частотных диапазонах. Все они выведены на орбиту специально для получения разносторонней метеорологической и геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды, мониторинга погоды и климата, а также для природо-ресурсных исследований. Эти спутники принадлежат нескольким десяткам национальных и международных космических агентств, среди которых наиболее важная роль в исследовании Земли принадлежит Национальному управлению по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (НАСА США, NASA) и Европейскому космическому агентству (ЕКА, ESA).
Методы дистанционного зондирования Мирового океана подразделяют на три типа: пассивные, полуактивные и активные. Пассивные методы основаны на регистрации теплового излучения, видимого излучения и естественного гамма-излучения с поверхности моря. Полуактивные методы основаны на облучении морской поверхности естественными и искусственными источниками электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне и анализе спектрального состава принятого сигнала с поверхности акватории. При использовании активных методов исследуемая водная поверхность облучается источниками излучения заданного спектрального состава с регистрацией или отраженного излучения, или флуоресценции, или комбинационного рассеяния. Активные и пассивные сенсоры способны детектировать видимую, инфракрасную и микроволновую области электромагнитного спектра, которые используются для прямого измерения четырех основных параметров океанов и морей: цвета, температуры, высоты и шероховатости морской поверхности. Измерения этих параметров позволяют извлечь следующую информацию об океане:
(1) микроволновые сенсоры (альтиметры, скаттерометры, радары с синтезированной апертурой) используются для определения высоты морской поверхности, уровня океанов и морей, шероховатости морской поверхности, высоты волн, скорости приводного ветра, наблюдения за ледяным покровом, нефтяным загрязнением, динамикой вод и пр. Микроволновая радиометрия позволяет определять солёность поверхностных вод, однако, пока еще с точностью, не достаточной для решения большинства задач в океанографии;
(2) цветовые сканеры определяют спектральные свойства радиации, восходящей с водной поверхности, которая несет информацию о различных оптических характеристиках поверхностного слоя океана — прозрачности вод, концентрации взвешенного вещества, содержании хлорофилла, цветении вод и пр. Показатель поглощения желтого вещества используется как характеристика содержания окрашенной органики в морской воде. Это одна из основных характеристик качества воды в прибрежной зоне. Показатель рассеяния назад взвешенными частицами достаточно надежно рассчитывается по данным спутниковых сканеров цвета. Он характеризует содержание взвеси в воде, определяет альбедо океана и является удобным параметром мониторинга. Концентрация хлорофилла — единственная характеристика морских экосистем, изменчивость которой, благодаря спутниковым наблюдениям, может быть изучена в широком диапазоне пространственных и временных масштабов. Это важнейший параметр для характеристики биомассы фитопланктона и расчета первичной продукции океанов и морей. Оптический диапазон позволяет также наблюдать скопления и кромку льда, айсберги, и при определенных условиях — нефтяные загрязнения;
(3) инфракрасные и микроволновые сенсоры используются для измерения температуры поверхности океана/моря. В отличие от инфракрасных радиометров и спектрорадиометров, пассивные микроволновые сенсоры могут измерять поле ТПО в условиях сплошной облачности, правда с меньшей точностью и пространственным разрешением. Инфракрасные радиометры позволяют также наблюдать скопления и кромку льда.
Спутниковые сенсоры, в основном, способны получать разнообразную информацию об океане фактически только с ее поверхности, при этом под «поверхностью океана», в большинстве случаев, понимается верхний слой толщиной порядка 1-10 м. Эта особенность спутниковых методов, вероятно, стала одной из причин разделения ОКП на 2 группы - (1) поверхность океана, включая верхний перемешанный слой до глубины 15 м, и (2) толщу океана. Таким образом, переменные, входящие во вторую группу ОКП (температура, соленость, течения, питательные вещества, парциальное давление двуокиси углерода, кислотность океана, кислород и трассеры), принципиально не могут быть измерены напрямую из-за ограничения спутниковых методов. Кроме того, содержание питательных веществ (в виде соединений азота, фосфора, калия, кальция, серы и магния), концентрация двуокиси углерода, кислотность океана, содержание кислорода и трассеры (вероятно, хлорфторуглероды) дистанционным образом в воде не измеряются. Следует отметить, что ряд явлений и процессов в толще океана могут проявляться на ее поверхности, например, фронты, течения, внутренние волны, апвеллинги, внутритермоклинные вихри и др., и благодаря этому могут быть также (при определенных условиях) детектироваться из космоса.
Таким образом, спутниковые методы могут быть использованы для мониторинга только 8 следующих параметров, входящих в первую группу ОКП: температура поверхности океана, соленость на поверхности океана, уровень океана, состояние поверхности океана (волнение), концентрация морского льда, течения на поверхности океана, цвет океана и фитопланктон. Более подробно они будут рассмотрены в следующем разделе.
|
