Текст книги "Итоги МПГ 2007/08 и перспективы российских полярных исследований"

3. Развитие и модернизация систем наблюдений в полярных областях в период МПГ

3.1. Развитие и модернизация наблюдательной сети Росгидромета

Мероприятия программы МПГ применительно к стационарной сети наблюдений были ориентированы на поддержку функционирования сети действующих гидрометеорологических станций, восстановление законсервированных пунктов и отдельных наблюдательных программ, а также обновление и модернизацию системы получения и передачи метеорологической, гидрологической, аэрологической и актинометрической информации, прежде всего, для опорной и климатической сети корреспондентов ВМО.

На этапе МПГ был выполнен большой объем работ по реконструкции объектов станционной инфраструктуры.

Заново отстроены с использованием модульных наращиваемых конструкций и соблюдением санитарно-гигиенических требований и норм четыре станции: им. Э. Т. Кренкеля, Марресаля, Белый Нос, Известий ЦИК. Завершено строительство международной обсерватории Тикси. Открыта полярная станция (п/ст) Быков мыс в море Лаптевых с метеорологической программой наблюдений.

Выполнена основная фаза работ по переносу п/ст на о-ве Врангеля из зоны затопления на косе бухты Сомнительная на коренной берег острова, для чего на остров завезены основные модульные конструкции нового здания и начата работа по его монтажу. Произведен ремонт аэрологических павильонов на шести п/ст: им. Э. Т. Кренкеля, им. Е. К. Федорова, Диксон, Малые Кармакулы, им. В. С. Сидорова (Айон), Котельный. Произведены ремонт и замена систем тепло-энергообеспечения (дизельгенераторов, бензоагрегатов, котлов и т. п.) на 17 п/ст. Улучшено состояние парка транспортной техники (закупка лодок, катеров, вездеходов, снегоходов) на семи п/ст.

Осуществлено обновление стандартной технической базы табельными средствами измерений: измерителями высоты нижней границы облаков (ДВО), анеморумбографами М6ЗМ-1, барометрами БРС-1, измерителями температуры ИТ-2 и вспомогательным оборудованием на 20 п/ст элитной сети.

Достигнуты кардинальные подвижки при реорганизации и техническом развитии системы сбора и передачи информации, которые осуществлены на 20 полярных станциях. Подготовлено связное оборудование для переоснащения радиостанций современной цифровой связью. Монтаж оборудования осуществлен на девяти п/ст Северного и Якутского УГМС.

Построение автоматизированной системы сбора данных наблюдений с полярных станций осуществляется с использованием каналов фиксированной и подвижной спутниковой связи, а также коротковолновой радиосвязи и пакетного протокола. Комплексы фиксированной спутниковой связи VSAT Ku-диапазона установлены на п/ст Амдерма, Диксон и в обсерватории Тикси.

Восстановлены метеорологические измерения на базе метеоавтоматов АМС MAWS 301 на двух ранее законсервированных станциях – Русский в Карском море и Андрея в море Лаптевых. Введен в эксплуатацию автоматизированный комплекс для метеорологических измерений на п/ст им. Э. Т. Кренкеля (ЗФИ).

Восстановлены аэрологические наблюдения (температурно-ветровое зондирование атмосферы) на п/ст им. Э. Т. Кренкеля, им. Е. К. Федорова; новое оборудование для таких наблюдений установлено на п/ст Малые Кармакулы, Диксон и им. В. С. Сидорова (Айон). На всех станциях установлены аэрологические локаторы нового поколения АРВК Марл-А и введены в использование новые, более совершенные радиозонды.

Реконструкция сети и принятые меры по модернизации технических средств наблюдений и передачи информации положительно повлияли на уровень информационной работы и качество, в первую очередь, метеорологических и аэрологических наблюдений, по результатам которых осуществляется выпуск продукции общего пользования – краткосрочных прогнозов погоды и штормовых оповещений об опасных природных явлениях – в интересах обеспечения жизнедеятельности населения и безопасности в экономической сфере.

Показатели сбора метеоинформации и аэрологических данных за два года увеличились на всех полярных станциях и составили в среднем для синоптических сводок по коду КН-01 85 % (увеличение на 8 %), а для сводок с данными температурно-ветрового зондирования атмосферы по коду КН-04 79 % (увеличение на 15–18 %). Так, показатели сбора метеоинформации в Чукотском УГМС за январь – октябрь 2009 г. составили 92 %, а аэрологической информации в Якутском УГМС – 91 % и приблизились к средним оценкам по всей сети Росгидромета, что еще недавно считалось недостижимым.

В Арктике ряд областей особенно чувствительны к недостатку гидрологических данных, включая информацию о колебаниях уровня моря – это Байдарацкая губа, Обско-Тазовский район, Енисейский залив, баровые участки сибирских рек и локальные акватории морей Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского, где морская деятельность осуществляется в условиях лимитирующих глубин и важны данные для изысканий под проектирование и эксплуатацию хозяйственных объектов.

Для восполнения недостатка гидрологической информации были восстановлены инструментальные наблюдения за колебаниями уровня моря на п/ст Визе, Диксон, Усть-Кара, Марресаля, Певек с использованием дистанционного гидростатического мареографа «Прилив-2Д», что позволит повысить качество результатов наблюдений.

Несомненным успехом при расширении программы гидрологических измерений представляется опытная эксплуатация акустического профилографа (КИВР) в Якутском УГМС, в процессе которой были проведены измерения расходов воды автоматизированным способом.

Важным элементом климатических исследований представляются измерения составляющих радиационного баланса атмосферы (актинометрические наблюдения). Такие наблюдения сохранены только в Карском море, где они зачастую выполняются по сокращенной программе на аппаратуре, выработавшей технический ресурс.

В период МПГ выполнена модернизация технических средств актинометрических измерений на станциях Белый Нос и Диксон, где в процессе опытной эксплуатации использовались актинометрические датчики и регистрирующие устройства разработки голландской фирмы Kipp&Zonnen серии CMGB, позволяющие автоматически производить измерения четырех потоков солнечной радиации и выполнять расчет составляющих радиационного баланса атмосферы.

3.2. Гидрометеорологическая обсерватория Тикси

В 2005 г. в ААНИИ были подготовлены предложения по участию в МПГ 2007/08 под условным названием «Создание атмосферной обсерватории климатического мониторинга в Тикси», которые впоследствии были интегрированы в кластер МПГ № 196 «International Arctic Systems for Observing the Atmosphere, IASOA» (Международная система наблюдений атмосферы в Арктике). В 2006 г. окончательное решение о создании в Тикси современной гидрометеорологической обсерватории (ГМО) было принято на Первом официальном совещании делегаций Национального управления по исследованию океана и атмосферы (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA), министерства торговли США и Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Российской Федерации (Росгидромет), состоявшемся в Москве 27 февраля – 3 марта 2006 г. в рамках Меморандума по сотрудничеству в области метеорологии, гидрологии и океанографии (Проект № 4.1 «Создание современной гидрометеорологической станции и гидрометеорологической обсерватории в Тикси, Россия»). Ход реализации проекта по созданию ГМО Тикси был рассмотрен и одобрен на Втором официальном совещании делегаций НУОА и Росгидромета, состоявшемся в 7–11 апреля 2008 г. в г. Сильвер Спринг, США, и на Третьей официальной встрече делегаций Росгидромета и NOAA, которая состоялась в ААНИИ в период с 12 по 16 июля 2010 г.

Согласно резолюциям, содержащимся в протоколах совещаний, были определены главные цели проекта:

– создание гидрометеорологической исследовательской обсерватории на базе гидрометеорологической станции Тикси, оснащенной современными средствами наблюдений и связи, системой энергоснабжения, лабораторными и офисными помещениями, на которой будет проводиться сбор качественных данных о составе атмосферы и атмосферных процессах, а также о сопутствующих параметрах суши для целей изучения погоды и климата;

– интегрирование данных наблюдений и измерений, организуемых в будущей обсерватории, в международные наблюдательские сети, такие как Global Atmosphere Watch (Глобальные наблюдения за атмосферой), Baseline Surface Radiation Network (Базовая сеть наземных радиационных наблюдений), Climate Reference Network (Базовая сеть наблюдений за климатом), Global Terrestrial Network for Permafrost (Глобальная сеть наблюдений за вечной мерзлотой) и Micropulse Lidar Network (Сеть лидарных наблюдений).

В ходе совещаний были окончательно согласованы и одобрены направления совместных исследований и определены научные организации, ответственные за их выполнение. Весной 2010 г. на основе результатов вышеупомянутых совещаний была разработана Программа исследований и работ ГМО Тикси (первый год развертывания и выполнения проектов). Программа была утверждена представителями Росгидромета и NOAA в июне 2010 г. во время проведения Международной конференции по итогам МПГ 2007/08 (г. Осло, Норвегия).

25 августа 2010 г. в ГМО Тикси состоялась церемония официального открытия совместных российско-американских атмосферных наблюдений. Начиная с этого момента в ГМО Тикси стали проводиться регулярные атмосферные исследования.

В апреле, мае, июне и сентябре 2011 г. в ходе визитов сотрудников ААНИИ, Главной геофизической обсерватории (ГГО), Института физики атмосферы (ИФА), NOAA и Финского метеорологического института (ФМИ) в ГМО Тикси и Якутском УГМС было проведено техническое обслуживание установленных измерительных систем, усовершенствована система сбора и передачи информации, отработаны методики проведения измерений. Сотрудниками ААНИИ дополнительно к программе атмосферных исследований был выполнен комплекс исследований на припайных льдах залива Сого в период начала таяния ледяного покрова.

В настоящее время сотрудники ГМО Тикси выполняют регулярное обслуживание развернутых измерительных комплексов. Полученные данные измерений по спутниковому каналу связи передаются в ААНИИ и далее, по принадлежности, научным учреждениям России, США и Финляндии. Работы ГМО Тикси выполняются в рамках нижеперечисленных проектов.

Проект «Унификация данных стандартных метеорологических наблюдений» (ААНИИ, Отделение атмосферной турбулентности и диффузии NOAA).

Цель проекта: разработать метод оценки и коррекции данных стандартных метеорологических наблюдений, проводимых на метеорологических станциях в российской Арктике с помощью традиционных и современных измерительных систем, для создания однородных климатических рядов метеорологических параметров, необходимых для адекватной оценки изменчивости климата полярных районов и возможной их экстраполяции для прогноза будущих климатических изменений.

Проект реализуется путем проведения параллельных наблюдений существующими и планируемыми к внедрению на сети стандартными методами с использованием комплекса высокоточных датчиков и установок для измерений температуры воздуха и осадконакопления, разработанных в рамках программы NOAA «Базовая климатическая сеть», с последующим их сопоставлением друг с другом методами статистического анализа.

Проект «Исследования радиационного баланса подстилающей поверхности в Тикси» (ААНИИ, ГГО, Лаборатория исследований системы Земли NOAA).

Цель проекта: получение возможно более качественной информации о составляющих радиационного баланса земной поверхности в одном из наименее освещенных наблюдениями географическом районе, необходимой при разработке адекватных методов описания процессов переноса коротковолновой и длинноволновой радиации в полярных районах для прогностических и климатических, глобальных и региональных моделей.

Комплекс измерений по данному проекту включает в себя измерения по единой методике прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации, восходящей и нисходящей длинноволновой радиации, фотосинтетической радиации и сопутствующих метеорологических параметров. Его реализация в рамках программы ВМО «Базовая сеть радиационных наблюдений» (БСРН) существенно дополняет представление о радиационном климате полярных областей. Указанные измерения необходимы для исследований регионального и глобального климата, а также валидации моделей радиационного переноса.

Другой целью проекта является организация сравнительных наблюдений с помощью комплекса датчиков Базовой сети радиационных наблюдений и датчиков, используемых на сети актинометрических наблюдений Росгидромета. Для реализации этого раздела проекта был выполнен комплекс сравнительных измерений датчиками сети БСРН и стандартными датчиками, используемыми на наблюдательской сети Росгидромета для измерения приходящей и рассеянной солнечной радиации.

Проект «Комплексные исследования облачного покрова» (ГГО, ААНИИ, Лаборатория исследований системы Земли NOAA, Национальный центр спутниковых данных США).

Цель проекта: организация наземных наблюдений за характеристиками облачности для исследования особенностей процессов ее формирования, а также как индикатора изменчивости климата атмосферы в сезонном и межгодовом диапазонах.

Облачность остается одним из наименее изученных и плохо моделируемых компонентов климатической системы Земли, и прежде всего в полярных районах. В то же время адекватный учет облачности необходим как для описания радиационного баланса подстилающей поверхности при моделировании, так и для развития дистанционных методов измерений температуры и альбедо подстилающей поверхности, дрейфа и сплоченности морских льдов, свойств аэрозольной составляющей атмосферы.

Главным направлением исследований облачности в ГМО Тикси будет проведение наземных наблюдений ее свойств как индикаторов изменчивости климата полярной атмосферы в сезонном и межгодовом диапазонах. В настоящее время такие исследования ограничиваются только визуальными наблюдениями. В то же время известно, что вариации таких характеристик, как водозапас облаков или температура на уровне их нижней границы, могут быть гораздо теснее быть связаны с изменчивостью климата, чем количество общей облачности. С определением характеристик облачности тесно связано и исследование распределения содержания аэрозоля в атмосфере, поскольку он определяет не только перераспределение радиационного нагревания, но и косвенным путем формирование, распределение и другие характеристики облачного покрова.

В докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) «Изменения климата, 2007 г.» (МГЭИК, 2008) рекомендуется организация регулярных наблюдений за процессами взаимодействия между облачностью и аэрозолем. С этой целью предполагается оснастить ГМО Тикси установкой для полусферного фотографирования облачности (All-Sky Imagers), микроволновым радиометром для оценки интегрального влагосодержания и лазерным измерителем высоты облаков. В ГМО Тикси с помощью дистанционного СВЧ-радиометра, разработанного в ГГО, в 2010 г. был выполнен цикл наблюдений за содержанием жидкокапельной влаги и водяного пара в атмосфере.

Проект «Мониторинг ультрафиолетовой радиации и общего содержания озона» (ГГО, ААНИИ, Корпорация биосферных приборов США).

Цель проекта: исследование процессов, определяющих интенсивность приходящей ультрафиолетовой радиации в полярных районах.

Проект направлен на выявление зависимости интенсивности приходящей ультрафиолетовой радиации от изменения общего содержания озона и концентрации аэрозоля в атмосфере, альбедо подстилающей поверхности, облачности и загрязнения атмосферы. Выполнение этого проекта как составной части глобального мониторинга ультрафиолетовой радиации позволит получить оценки влияния ультрафиолетовой радиации на человека, наземные и морские экосистемы и химический состав атмосферы. Его результаты будут также использованы для валидации данных спутниковых наблюдений в полярных районах земного шара, а реализация станет существенным вкладом в программу ВМО «Глобальные наблюдения за атмосферой».

Проект «Исследование приземного аэрозоля в Тикси» (ГГО, ФМИ, Институт океанологии РАН, ААНИИ, Лаборатория исследований системы Земли NOAA).

Цель проекта: исследование пространственно-временной изменчивости концентрации аэрозолей в приземном слое воздуха полярных районов и оценка их роли в формировании облачности и радиационного климата атмосферы.

Частицы аэрозоля оказывают сильное воздействие на глобальный климат, рассеивая и поглощая солнечную и длинноволновую радиацию, а также изменяя характеристики облаков. Климатический эффект аэрозольного загрязнения атмосферы зависит от количества частиц, их размера и состава. В настоящее время объем данных о содержании аэрозоля в Арктике и северной Сибири невелик, поэтому регулярные долговременные измерения содержания аэрозоля в Тикси очень важны для оценки климатического эффекта аэрозоля как регионального, так и глобального масштаба.

Реализация проекта позволяет получить дополнительную информацию о влиянии аэрозольного загрязнения атмосферы на ее термический режим. При этом, в отличие от парниковых газов, увеличение концентрации аэрозолей антропогенного происхождения ведет к похолоданию вследствие уменьшения количества приходящей солнечной радиации и увеличения облачности. Следует отметить, что для районов российской Арктики значимость этого влияния до сих пор не определена. Комплексные исследования аэрозольной составляющей полярной атмосферы проводятся в рамках наблюдений Глобальной сети мониторинга приземного аэрозоля NOAA/ESRL.

Осенью 2009 г. специалисты ФМИ и ГГО развернули в ГМО комплекс аппаратуры для измерения концентрации и распределения приземного аэрозоля по размерам. В это же время американская сторона установила прибор для измерения концентрации сажевого аэрозоля.

Проект «Исследование общего содержания аэрозоля в полярной атмосфере» (ААНИИ, Лаборатория исследований системы Земли NOAA, НАСА (США)).

Цель проекта: оценить пространственно-временную изменчивость общего содержания аэрозолей в атмосфере и изучить оптические характеристики полярной атмосферы (коэффициент преломления, альбедо одноразового рассеяния, фазовые функции).

Данный проект, основой которого служат автоматические измерения интенсивности солнечной радиации на длинах волн 1020, 870, 675, 440, 500, 940, 380 и 340 нм с помощью солнечного спектрофотометра, представляет собой логическое дополнение проекта «Исследование приземного аэрозоля в Тикси». Имеющееся в настоящее время математическое обеспечение наблюдений с помощью солнечных спектрофотометров позволит получить данные не только об оптической толщине атмосферы и распределении аэрозолей по размерам, но и о коэффициенте преломления, альбедо одноразового рассеяния, фазовых функциях и других фундаментальных оптических характеристиках полярной атмосферы.

Международная сеть автоматизированных аэрозольных наблюдений имеет тенденцию к быстрому расширению. В настоящее время она покрывает большую часть суши; исключение составляют полярные районы. Реализация данного проекта в ГМО Тикси позволила обсерватории стать участником данной сети и существенно расширить наши знания об оптических характеристиках полярной атмосферы.

Проект «Малые газовые примеси в атмосфере» (ГГО, ФМИ, Лаборатория исследований системы Земли NOAA).

Цель проекта: организация мониторинга малых газовых примесей в атмосфере полярных районов, ответственных за возможные изменения климата и разрушение озонового слоя.

В ходе выполнения проекта организованы регулярные измерения малых газовых примесей, обусловливающих парниковый эффект (СО₂, СН₄, СО) и разрушение озонового слоя (N₂O, SF₆). Кроме того, выполнение проекта позволит на основе данных измерений концентраций изотопов углерода ¹³С и кислорода ¹⁸О получить качественные характеристики изменений общей циркуляции атмосферы.

Данный проект является компонентом программы ВМО «Глобальные наблюдения за атмосферой». Участие Российской Федерации как члена ВМО в этой программе ограничивается лишь отбором проб в г. Обнинске. Постановка регулярных наблюдений по этой программе в Тикси является одной из приоритетных задач будущей обсерватории, учитывая то обстоятельство, что наиболее значительные изменения климата происходят именно в Арктике, а при этом большая часть ее территории не освещена такими наблюдениями.

К настоящему времени ГМО Тикси уже частично оборудована аппаратурой для исследования парниковых газов и аэрозоля, предоставленной ФМИ. В Тикси также доставлено оборудование, предоставленное NOAA для отбора проб воздуха и его последующего анализа в ГГО и Лаборатории исследований системы Земли NOAA и предназначенное для решения широкого спектра задач, связанных с контролем изменений климата в Арктике.

Проект «Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха в районе Гидрометеорологической обсерватории». (НПО «Тайфун», Отделение атмосферной турбулентности и диффузии NOAA).

Цель проекта: организация мониторинга загрязнения атмосферного воздуха стойкими органическими загрязнителями (СОЗ), тяжелыми металлами и ртутью, аналогичного проводимому на станциях Глобальной службы атмосферы ВМО Алерт (Канада), Ню-Олесунн (Норвегия), Барроу (США) и др.

До настоящего времени мониторинг загрязнения приземного слоя воздуха стойкими органическими загрязнителями (СОЗ) в российской Арктике проводился лишь эпизодически: на о-ве Дунай в 1993–1994 гг. (в рамках российско-канадского сотрудничества), в Амдерме в 2001–2002 гг. и на Чукотке (поселок Валькаркай) в 2002–2003 гг. (в рамках сотрудничества с NOAA). Мониторинг паров элементарной ртути в российской Арктике осуществляется начиная с 2001 г. только на полярной станции Амдерма. Выполнение проекта позволит уточнить интенсивность загрязнения полярных районов и выявить основные пути и источники ее загрязнения. Весной – летом 2010 г. организованы отбор проб на СОЗ и их передача в НПО «Тайфун» для последующего анализа.

Проект «Тепловой баланс подстилающей поверхности и турбулентные потоки тепла, импульса и парниковых газов в районе Гидрометеорологической обсерватории» (Институт физики атмосферы РАН, ААНИИ, ГГО, Лаборатория исследований системы Земли NOAA, Отделение атмосферной турбулентности и диффузии NOAA, ФМИ).

Цель проекта: на основе данных прямых измерений турбулентных потоков тепла, влаги и парниковых газов оценить характеристики энерго– и массобмена поверхности тундры и прилегающих припайных льдов с атмосферой.

Проект направлен на получение уникальной информации о характеристиках взаимодействия атмосферы и подстилающей поверхности, необходимой для оценки динамики состояния вечной мерзлоты в условиях меняющегося климата Арктики и разработки адекватных моделей формирования и разрушения припайных льдов. Измерения микрометеорологической турбулентности (метод турбулентной ковариации) также используются для оценки атмосферно-биосферного обмена таких важных парниковых газов, как CO₂ и CH₄. Особый интерес представляет эмиссия метана, которая может произойти в случае прогнозируемых изменений климата и обусловленного ими изменения температурного режима вечной мерзлоты.

Проект «Исследования вечной мерзлоты в районе Тикси» (Институт мерзлотоведения РАН, ААНИИ, Университет Аляски (Фэрбенкс, США)).

Цель проекта: оценка отклика состояния вечной мерзлоты различных ландшафтных зон прилегающей к ГМО Тикси территории на текущие изменения климата.

Проект ориентирован на изучение связи температуры деятельного слоя почвы на разных глубинах с характеристиками приповерхностного слоя атмосферы и ее радиационным режимом. Уникальное сочетание комплексных наблюдений за процессами энерго– и массобмена подстилающей поверхности с атмосферой, которые планируется реализовать в ГМО Тикси, с измерениями температуры в скважинах позволит понять и объяснить происходящие изменения вечной мерзлоты в данном регионе. В октябре 2009 г. в ГМО Тикси сотрудниками ААНИИ был развернут комплекс аппаратуры для наблюдений за температурным режимом верхнего деятельного слоя тундры.

Проект «Совершенствование методов интерпретации спутниковых данных» (ААНИИ, Национальная служба окружающей среды NOAA).

Цель проекта: совершенствование дистанционных методов исследований характеристик облачности, подстилающей поверхности и ее радиационного баланса.

Национальная служба по окружающей среде, спутниковым данным и информации NOAA и ААНИИ в настоящее время предоставляют разнообразную спутниковую информацию для научных исследований и развития производственной деятельности в Арктике. Спутниковые системы зондирования обеспечивают получение данных о вертикальном распределении облачности и химическом составе атмосферы, включая концентрации озона, двуокиси серы и окиси углерода. Развитие теории и методов спутниковых наблюдений позволило расширить имеющуюся информацию о форме и размерах частиц льда в облаках и значительно усовершенствовать восстановление характеристик ледяных и смешанных облаков с помощью спутниковых данных. Спутниковые альтиметры и микроволновые радары позволили расширить объем информации о морском ледяном покрове.

Наземные наблюдения в значительной степени способствуют совершенствованию спутниковых методов. Они чрезвычайно важны для валидации спутниковых данных. Данные, полученные в ГМО Тикси, будут использованы вместе с аналогичными данными полярных обсерваторий Канады, США и Финляндии для валидации методов получения информации о характеристиках облачности, подстилающей поверхности и ее радиационном балансе из космоса.