Тема: ВЫЯВЛЕНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ

Актуальность темы. Современное состояние климата подвержено изменениям термического и водного режимов, что обусловлено природными и антропогенными факторами. Одним из методов исследования изменения климата - является комплексный мониторинг изменения температуры и количества осадков внутри временных границ периода вегетации, то есть климатических сезонов (весна, лето, осень); наблюдение за изменениями дат наступления климатических сезонов, их продолжительностью и колебаниями температуры выше или ниже пороговых значений.
На сегодняшний день существует ряд проблем связанных с использованием уже существующих методик. Первая проблема связана с несовершенством терминологической базы, что приводит к спорам о том, что подразумевается автором методики под термином «устойчивый переход температуры через предельное (пороговое) значение». Вторая проблема - отсутствие современных методик, учитывающих особенности исследуемой территории, внутригодовых колебаний температуры, знание этих факторов позволило бы безошибочно определять даты устойчивого перехода температуры через пороговые значения.
Для проведения достоверного анализа изменений климата, требуется использовать методики, адаптированные под конкретную территорию с определенными климатическими условиями.
К большому сожалению, последние климатические справочники, в которых использовались адаптированные методики для определенных территорий, датируются 1965 и 1997 годами. Использовать данные, рассчитанные по старым методикам можно, лишь для сравнения с результатами, рассчитанными по идентичной методике, но за разные периоды времени. В практике исследований зачастую отдается предпочтение старым, сложным и не совсем достоверным методикам, не учитывающим современное состояние бедной и разряженной гидрометеорологической сети. Данное заключение подтверждается тем, что климатические справочники не переиздаются, не акцентируется внимание молодых ученых на внедрении новых расчетных методик, и тем, что неустанно сокращается количество гидрометеорологических станций.
В настоящей работе предлагается обоснование двух более надежных методик вычисления устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через пороговые значения по наземным данным, полученным с гидрометеорологических станций и по данным ежедневной спутниковой съемки.
В методике, основанной на наземных (метеорологических) данных, ведутся расчеты норм средних суточных температур полученных за многолетний период, что позволяет определять даты начала и конца климатических сезонов (весна, лето, осень) за весь период наблюдений. Зная пороговые значения дат климатических сезонов, можно анализировать изменения трендов температуры и осадков для любого года.
В методике, основанной на суточных данных спутниковой съемки, производится расчет норм средних суточных значений нормализованного разностного водного индекса (NDWI) за многолетний период наблюдений, что позволяет определять пороговые значения климатических сезонов (весна, лето, осень). Зная даты начала и конца климатических сезонов, можно анализировать изменения трендов NDWI.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в том, чтобы на основе анализа открытых данных, создать универсальный автоматизированный комплекс для выявления изменений климата на различных территориях, используя возможности открытого программного обеспечения (ПО). Для достижения поставленной цели, решались следующие задачи:
1. Анализ зарубежного и отечественного опыта по определению дат устойчивого перехода температуры через пороговые значения;
2. Оценка современной обеспеченности исследуемой территории сетью метеорологических станций и длительными рядами наблюдений;
3. Изучение возможностей автоматизации процессов по определения дат начала и конца устойчивого перехода температуры через заданные пороговые значения, с использованием языка программирования Python;
4. Исследование динамики изменений температурного и влажностного режимов по наземным данным на территории Республики Коми.
5. Исследование динамики изменения значений NDWI.
Объект исследования. Объектом исследования являются современные изменения климата.
Предмет исследования. Тенденции изменения климатических характеристик в пределах исследуемой территории, в рамках климатических сезонов по данным наземных и спутниковых наблюдений, а также методики анализа и мониторинга изменений климата на территории Республики Коми (Россия).
Исходные данные. Материалы многолетних ежедневных наземных наблюдений гидрометеорологической службы за температурой и осадками, полученные из открытого источника (http://aisori-m.meteo.ru/waisori/index.xhtml) а также, ежедневные данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) со спутниковой системы Terra/Modis за девятнадцатилетний период, с 2000 по 2018 год, полученные с открытых серверов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США - NASA (https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/).
Методы исследования. Применён комплексный, мультидисциплинарный,
географический поход к анализу температурного и влажностного режимов климатических сезонов на исследуемой территории; автоматизированные методы установления и мониторинга климатических изменений.
Для автоматизированного определения дат переходов температуры через заданные пороговые значения использовались алгоритмы, написанные автором на языке программирования Python. Алгоритмы позволяют определять даты климатических сезонов для дальнейшего статистического анализа данных. Кроме того, использовались такие программные средства, как Microsoft (Excel, Word), а также открытое отечественное программное обеспечение (ПО) ГИС - NextGis QGIS, свободно распространяемое компанией «NextGis». Основными рабочими библиотеками, применяемыми в программировании, являются: numpy - математическая библиотека; gdal - библиотека для обработки растровых геопространственных форматов.
Научная новизна.
1. Разработан автоматизированный комплекс, позволяющий определять даты перехода температуры через пороговые значения, каждого климатического сезона (весна, лето, осень), благодаря рассчитанным значениям норм средних суточных температур за многолетний период наблюдений. Рассчитаны средние значения норм средних суточных значений температуры воздуха и суммы норм суточных значений осадков на каждый климатический сезон, для всех метеорологических станций.
2. Разработан автоматизированный комплекс по определению дат перехода температуры через граничные значения каждого климатического сезона (весна, лето, осень), по спутниковым данным за девятнадцатилетний период, с 2000 по 2018 год, благодаря рассчитанным нормам средних суточных значений NDWI. Рассчитаны средние значения норм средних суточных значений NDWI на каждый климатический сезон, для зон радиусом 10 километров от каждой метеорологической станции.
3. Впервые, на исследуемую территорию были получены по наземным данным нормы средних суточных значений температуры воздуха, средние значения норм средних суточных значений температуры за вегетационный период (весна, лето, осень). Согласно результатам, наблюдается явное увеличение средних значений средних суточных температур по всем климатическим сезонам за последние 18 лет.
4. Впервые, были рассчитаны нормы средних суточных значений NDWI, средние значения норм средних суточных значений NDWI за период вегетации (весна, лето, осень).
Достоверность и обоснованность результатов. Согласно результатам, полученным по данным действующих наземных станций, наблюдается явное увеличение средних значений средних суточных температур по всем климатическим сезонам, за последние 18 лет, на территории республики Коми.
Апробация результатов работы. Результаты и выводы выпускной квалификационной работы представлялись на международной научной конференции «Современная гидрометеорология: актуальные проблемы и пути их решения»,место проведения - Украина, г.Одесса на базе ОГЭКУ в период с 21 по 23 марта 2018 года; на Большом географическом фестивале, прошедшем в СПБГУ в период с 6 по 8 апреля 2018 года. Подготовлены и поданы на рецензирование 3 статьи на русском языке и 1 на английском.
Объем работы составляет - 47 страниц.
Количество графиков составляет - 31.
Количество таблиц составляет - 4.
Количество приложений составляет — 2.
Количество использованных литературных источников - 52.

Купить

В данной работе апробированы два принципиально разных подхода по выявлению климатических изменений. Первый подход, основан на метеорологических данных с многолетними рядами наблюдений. В основе второго - многолетние ряды спутниковых наблюдений.
Преимущество метода, основанного на спутниковых данных, состоит во временном и пространственном разрешениях, следовательно, нивелируются проблемы, связанные с плотностью и размещением гидрометеорологических станций. Кроме того, используя данные ДЗЗ, возможно провести работу по пространственно-временному анализу динамики смен граничных дат климатических сезонов (весна, лето, осень), реализуя результаты оценки посредством геоинформационного картографирования, в виде карт.
Однако, в качестве дополнительного материала, следует использовать наземные данные, так как, зачастую, они имеют более длительный период наблюдений.
На основе данных, полученных по метеорологическим показателям наземных станций, определено, что климат исследуемой территории изменяется и становится более теплым, за период вегетации.
Используя, одновременно, два метода, предложенных в данной работе, можно сделать научно-обоснованные заключения по климатическим изменениям. Чем больше входной информации для выполнения анализа, тем точнее и достовернее будут результаты.
Приведенные в настоящей работе результаты, позволяют сделать лишь предварительные выводы об изменениях климата, так как за неимением полных рядов спутниковых данных, согласно методике, расчеты не могут быть признаны полностью корректными. На данный момент база спутниковых данных обновляется, а данные обрабатываются. Исходя из этого, исследование требует продолжения, необходимы накопленные и обработанные данные за многолетний период спутниковых наблюдений, с целью получения репрезентативных и более достоверных результатов.
В качестве продолжения данной работы, предполагается внедрение искусственного интеллекта (нейронные сети), с целью создания более точной и сверх автоматизированной классификации климатических сезонов, с последующим анализом климатических изменений в автоматизированном режиме. Предполагается разработка и внедрение прогнозных методик для анализа и прогноза климатических изменений в автоматизированном режиме, а также создание модуля позволяющего в автоматизированном режиме составлять геоинформационные картографические произведения.
Купить