ВВЕДЕНИЕ 4
1. СПУТНИКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ 7
1.1 ПРИНЦИПЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 7
1.2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР И ДИАПАЗОНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 10
2. ВОДЯНОЙ ПАР КАК АГЕНТ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЗЕМЛИ 12
2.1 ОБОРОТ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ 12
2.1.1 ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ВОЗДУХА В АТМОСФЕРЕ 14
2.1.2 ПЕРЕНОС ТЕПЛА И ВОДЯНОГО ПАРА НАД ЕВРАЗИЕЙ 20
2.2. АТМОСФЕРНОЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ 31
2.3. ОТРАЖЕНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ В ПРИАРКТИЧЕСКИХ И АРКТИЧЕСКИХ ШИРОТАХ 34
3. ИНТЕГРАЛЬНОЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ 38
3.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ВОДЯНЫМ ПАРОМ 38
3.1.1. ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ 38
3.1.2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЯНОГО ПАРА 41
3.2 ДАННЫЕ, ИСПОЛЬЗОВАВШИЕСЯ В РАБОТЕ 43
3.2.1 ДАННЫЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИИ: ИСТОЧНИКИ, ФОРМАТЫ, ОБРАБОТКА 43
3.2.2 КАРТЫ ИНТЕГРАЛЬНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ: ВИЗУАЛИЗАЦИЯ 47
3.3 ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИВС В ГЛОБАЛЬНОМ МАСШТАБЕ 50
3.4. ВАРИАЦИИ ИВС В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ 52
3.4.1 ТРЕНДЫ В АТЛАНТИЧЕСКОМ И ТИХООКЕАНСКОМ СЕКТОРАХ 52
3.4.2 ШИРОТНАЯ МЕЖРОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ 53
3.4.3 ПЕРИОДЫ РЕГИОНАЛЬНОГО ПОНИЖЕНИЯ ИВС 55
3.5 АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ПОДХОД ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕНДОВ 56
3.5.1. ИНТЕГРАЛЬНОЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ НА РАЗРЕЗАХ 55°, 60° И 65° С.Ш 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 63
ПРИЛОЖЕНИЯ 666
1. СКРИПТ MS EXCEL 66
2. СКРИПТ ДЛЯ MATHLAB 69
С помощью наблюдений из космоса можно оперативно получать сведения о состоянии атмосферы на всем земном шаре, выявлять механизмы возникновения и исчезновения атмосферных образований, которые ответственны за изменение погоды, следить за изменением климатических параметров. Метеорологию интересуют в основном характеристики нижних слоев атмосферы до высот 30-50 км.
Содержание воды в атмосфере является одним из важнейших компонентов радиационного режима климатической системы Земли. Более 99% атмосферной влаги находится в форме водяного пара, причем до 90% всей влаги находится в тропосфере. Поле распределения водяного пара у поверхности характеризуется высокой степенью неоднородности. Вследствие горизонтального и вертикального переноса, процессов испарения, конденсации и последующего выпадения осадков, интегральное влагосодержание (ИВС - общее содержание пара в вертикальном столбе атмосферы или высота столба воды, которая получилась бы, если весь пар оказался сконденсирован) постоянно меняется.
Цель работы состоит в исследовании фактора водяного пара в тепло-влагообороте в атмосфере и вариаций распределения ИВС по данным спутниковых микроволновых наблюдений.
Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
• изучить поведение водяного пара как самостоятельного климатического фактора;
• исследовать особенности атмосферного тепло- влагопереноса;
• изучить теоретические основы, методические и технологические подходы наблюдений Земли из космоса;
• разработать алгоритмы обработки данных ИВС атмосферы по наблюдениям микроволновых радиометров спутников серии DMSP;
• проанализировать краткосрочную изменчивость и долговременные изменения водяного пара в атмосфере над океанскими регионами, прилегающими к Арктической зоне.
По мере решения этих задач, результаты презентовались на различных научных конференциях, таких как:
• Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2020» (10-27 ноября 2020) в секции «Космические исследования в современных условиях» Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. По результатам выступления мой доклад по теме «Межгодовая изменчивость и тренды интегрального влагосодержания в Северной Атлантике по данным спутниковых микроволновых наблюдений» был награжден грамотой секции;
• XVII Большой Географический Фестиваль БГФ-2021 (2-4 апреля 2021 года) Института наук о Земле Санкт-Петербургского государственного университета в направлении «Гидрология суши, климатология, метеорология» с докладом «Влагозапас атмосферы: долговременные спутниковые наблюдения»;
• ежегодная международная научно-практическая конференции LXXIV Герценовские чтения (21 -23 апреля 2021 года) в секции «Полярные исследования и пути освоения Арктики и Антарктики» Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. По итогам которой моя статья «Изменения содержания и переноса атмосферного тепла и влаги над акваторией Северной Атлантики» была опубликована в сборнике статей.
Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в настоящее время спутниковое зондирование атмосферы является одним из наиболее перспективных и быстро развивающихся направлений метеорологии, постоянным совершенствованием средств и методов измерений, получением новых продуктов обработки данных, накоплением достаточно длинных рядов данных, пригодных для климатических исследований. Среди множества продуктов спутникового зондирования атмосферы мониторинг водяного пара является одним из важнейших, так как содержание воды в атмосфере является одним из важнейших компонентов климатической системы Земли, а изменение общего содержания водяного пара можно рассматривать в качестве трассера горизонтальных перемещений атмосферных масс и параметра, отражающего процессы циркуляции атмосферы. Важнейшие процессы погодообразования и особенности климата неразрывно связаны с водяным паром и его переходами из одних агрегатных состояний в другие. Тепловые условия атмосферы и земной поверхности во многом зависят от изменения количества водяного пара в воздухе.
Общетеоретическую и методологическую основу исследования составили положения, содержащиеся в трудах отечественных и зарубежных ученых и специалистов по дистанционному зондированию Земли, радиотепловому зондированию, тепло- влагообороту в атмосфере Земли, динамике атмосферы и исследованию климата, представленные в книгах, статьях в научных журналах и презентациях, а также доступные в сети интернет.
В процессе исследования использовались информация и данные целевых порталов спутникового зондирования таких организаций как Росгидромет, Роскосмос, НАСА (США), Европейское космическое агентство и других. При работах, описанных в третьей главе, обработка больших объемов данных об интегральном влагосодержании атмосферы и их визуализация проводилась с помощью пакетов Excell, Origin, MathLab.
Практическая ценность работы состоит в создании базы данных численных значений интегрального влагосодержания атмосферы за климатически значимый период измерений с 1988 г. по настоящее время, разработке и реализации ряда алгоритмов для анализа данных, их апробировании, разработке методик для выявления долговременных трендов, которые могут быть использованы в дальнейших исследования, связанных с изучением климатических изменений.
По итогам проведенной работы была достигнута цель исследования фактора водяного в тепло- влагообороте атмосферы Земли и вариаций распределения ИВС на основании данных спутниковых микроволновых наблюдений и решены следующие поставленные изначально задачи:
• изучено поведение водяного пара как самостоятельного климатического фактора;
• исследованы особенности атмосферного тепло- влагопереноса;
• изучены теоретические основы, методические и технологические подходы наблюдений Земли из космоса;
• разработаны алгоритмы обработки данных ИВС атмосферы по наблюдениям микроволновых радиометров спутников серии DMSP;
• проанализирована краткосрочная изменчивость и долговременные изменения водяного пара в атмосфере над океанскими регионами, прилегающими к Арктической зоне.
В процессе исследования была использована информация и данные целевых порталов спутникового зондирования таких организаций как Росгидромет, Роскосмос, НАСА (США), Европейское космическое агентство и других. Экспериментальные данные, по которым проводились расчеты изменчивости и трендов влагосодержании атмосферы над океанами северного полушария, получены с портала Remote Sensing System (Системы дистанционного зондирования, http://www.remss.com/). При работах, описанных в третьей главе, обработка больших объемов данных об интегральном влагосодержании атмосферы и их визуализация проводилась с помощью пакетов MSExcell, Origin, MathLab.
Практическую ценность работы составило создание базы данных численных значений интегрального влагосодержания атмосферы за климатически значимый период измерений с 1988 г. по настоящее время, В дальнейших исследования, связанных с изучением климатических изменений, могут найти практическое применение разработанные и апробированные методики и алгоритмы для анализа данных, выявления изменчивости и трендов.
По итогам проведенного исследования характеристик ИВС в северном полушарии были выделены следующие тенденции и выявлены следующие тренды:
• наблюдается близкое к равномерному уменьшение влагосодержания от низких широт к полюсам, при этом экваториальный максимум смещен в северное полушарие. В летний сезон влагозапас в средних широтах северного полушария больше, чем южного, а суммарное планетарное ИВС в течение года меняется примерно на 15%, в июле оно больше, чем в январе.
• временной ряд среднемесячных и среднегодовых аномалий широтного диапазона ±70° имеют восходящий тренд. Скорость увеличения влагозапаса атмосферы составляет 0.45 мм/10 лет. Линейный тренд описывает более половины изменчивости временного ряда.
• средние изменения ИВС в сезонном ходе северной Атлантики составляют от 10 мм зимой до 20 мм летом, а при смещении к полюсу от 40° до 70° с.ш. количество пара уменьшается примерно на 30%.
• изменения содержания влаги в сезонном ходе северной части Тихого океана происходят более равномерно, значения колеблются в пределах 15-17 мм. Существует тенденция увеличения ИВС, усиливающаяся после 2010 г., выражающаяся в увеличении значений в более низких широтах, которые вносят основной вклад для средних.
• характер трендов в северной Атлантике и северной части Тихого океана различен. В Атлантике быстрое увеличение ИВС до начала 2000-х сменяется некоторым уменьшением, тренд нелинейный, описывающий большую часть изменчивости. В Тихом океане влагозапас увеличивается равномерно, изменившись за последние 30 лет примерно на 1,5 мм.
• помимо систематической сезонной вариации ИВС наблюдается и заметная межгодовая изменчивость, проявляющаяся в более или в менее глубоком распространении к северу воздуха низких широт, насыщенного водяным паром.
• в Арктике глобальное потепление, вероятно, усиливается под влиянием увеличения меридионального переноса тепла и влаги из низких широт и роста концентрации водяного пара в атмосфере; однако, положительный влагозапаса атмосферы над северной Атлантикой имеет тенденцию к замедлению.
• за анализируемый период количество зимних сезонов с проявлениями слабого меридионального тепловлагопереноса, для северной Атлантики составило восемь, а для северной части Тихого океана - пять.
• в периоды спада/минимума солнечного цикла наблюдается тенденция ослабления меридионального переноса, причем такой эффект наиболее заметен в северной Атлантике.
Монографии:
1. Будыко М. И. Тепловой баланс земной поверхности. Гидрометиздат, Л., 1956, 68с.
2. Дроздов О. А., Григорьева А. С. Влагооборот в атмосфере. Гидрометиздат, Л., 1963, 317 с.
3. Марчук Г.И., Кондратьев К.Я., Козодеров В.В. Радиационный баланс Земли: ключевые аспекты. М.: Наука, 1988. 216 с.
4. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Гидрометиздат. Ленинград. 1984, 753 с.
5. Моханакумар К. Взаимодействие стратосферы и тропосферы / Пер. с англ. Р. Ю. Лукьяновой; Под ред. Г. В. Алексеева. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. 452 с. - ISBN978- 5-92121-1348-9.
6. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы : в 2 т. / Евгений Шарков.— Т. 1.— М. : ИКИ РАН, 2014.— 544 с. : ил. ; +2 л. цв. вкл.
7. Хабутдинов Ю.Г., Шанталинский К.М., Николаев А.А. Учение об атмосфере Учебное пособие, Казань: Казанский государственный университет, 257с.
8. Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы: в 2 т. / Т. 1.— М.: ИКИ РАН, 2014. 544 с.
9. Ferreira Н. А. е Ре1хо1о J. Р. Nota sobre о transporte horizontal de vapor de agua na atmosfera. Academia das ciencias de Lisboa, Separata das,,Memбrias'', Classe de Ciencias-Tomo VII, 1958, p. 154.
Статьи в сборниках:
10. Алексеев Г.В., Подгорный И.А. Роль адвекции и других факторов в формировании полярного климата // Климатический режим Арктики на рубеже ХХ и XXI вв. / Под ред. Б.А. Крутских. СПб.: Гидрометиздат, 1991. С. 4-18.
11. Алексеев Г.В., Подгорный И.А., Священников П.Н. Адвективно-радиационные колебания климата // ДАН СССР. 1990. Т. 315. № 4. С. 824-827.1
12. Nakamura N., Oort A.H. Atmospheric heat budgets of the polar regions // Journ. Geophys. Res.. Vol. 93(D8), 1988, p. 9510-9524.
13. O’Gorman, P. A. and Muller, C. J. How closely do changes insurface and column water vapor follow Clausius-Clapeyron scaling in climate-change simulations? Environ. Res. Lett., 5:025207, 2010, Vol. 5, No. 2.
Статьи в журналах:
14. Алексеев Г.В., Александров Е.И., Иванов Н.Е., Радионов В.Ф., Харланенкова Н.Е. Изменения климата Арктики при глобальном потеплении // Проблемы Арктики и Антарктики. 2015. № 1 (103). С. 32-42
15. Ермаков Д.М. Глобальная циркуляция скрытого тепла в атмосфере Земли по данным спутникового радиотепловидения // Исследование Земли из космоса. 2018. №3. C. 3 - 28.
...