Исследования изменений климатических параметров Земли в последние десятилетия на основе анализа спектров уходящего теплового ИК излучения

грант РФФИ 17-05-00768

Проект направлен на изучение изменений климатических параметров Земли в последние десятилетия путем анализирования спектров уходящего теплового ИК излучения системы атмосфера-поверхность, измеренных различными спутниковыми Фурье-спектрометрами в период 1977-2018 гг.

Исследования спектров уходящего теплового излучения с использованием данных измерений прибора SI-1, функционировавшего на спутниках «Метеор» в 1977-1979 гг., совместно с более поздними измерениями спектрометром ИКФС-2 (2016-2018 гг.), позволят получить новую информацию о динамике климатических изменений на нашей планете.

Основные климатические исследования в настоящее время ведутся в следующих направлениях:

1. Создание и совершенствование трехмерных численных моделей климата Земли.

2. Регулярные и долговременные измерения климатически важных параметров атмосферы и поверхности.

3. Изучение физических и химических механизмов влияния антропогенных факторов на климат Земли.

4. Создание (пополнение) баз данных климатически важных параметров.

5. Оценки долговременных трендов климатически важных параметров.

6. Формирование сценариев антропогенных факторов изменения климата.

7. Проведение прогнозов изменений озоносферы и климата Земли для 21 века.

Все указанные направления являются чрезвычайно важными и требуют дальнейшего развития. Отметим, однако, что третий пункт - изучение физических и химических механизмов влияния антропогенных факторов на климат Земли, к которому относятся планируемые исследования, - разрабатывается в России недостаточно и неполно. Он требует подробного рассмотрения формирования уходящего теплового излучения планеты и его изменений в условиях антропогенного влияния на газовый и аэрозольный состав атмосферы. Данный проект направлен на усиление исследований в указанном направлении.

Исполнители проекта

1. Тимофеев Ю.М.

2. Завелевич Ф.С.

3. Козлов Д.А.

4. Поляков А.В.

5. Поберовский А.В.

6. Виролайнен Я.А.  

Важнейшие результаты, полученные при реализации Проекта 

1. Разработаны новая методика и программное обеспечение для согласования спектрального разрешения измерений уходящего теплового ИК излучения приборами SI-1 (1977-1979) и ИКФС-2 (2016-2018 гг.). Проведено согласование спектрального разрешения измерений двух спутниковых приборов. Показана высокая точность используемой методики - методическая погрешность пересчета не превышает уровень радиометрического шума в сопоставляемых измерениях.

2. Выполнена взаимокалибровка измерений уходящего теплового ИК излучения приборами SI-1 (1977-1979) и ИКФС-2 (2016-2018 гг.) на основе методики двойных разностей. В качестве эталонов при этом использовались расчеты уходящего теплового излучения на основе алгоритмов прямого метода и данных радиозондирования. Отличия в абсолютной калибровке спутниковых приборов не превышали в среднем 0.5 К яркостных температур ИК излучения.

3. Создан архив измеренных абсолютных спектров уходящего теплового ИК излучения планеты Земля по данным двух спутниковых приборов (SI-1 и ИКФС-2) в различные годы, приведенных к одинаковому спектральному разрешению, взаимокалиброванных и для условий безоблачной атмосферы. Архив состоит из нескольких тысяч измерений излучения прибором SI-1 и миллионов – прибором ИКФС-2.

4. Проведено сравнение экспериментальных спектров 1977 и 1979 гг. и 2015–2016 гг., показавшее, что измеренная прибором ИКФС-2 интенсивность уходящего излучения в среднем меньше на 0.5–3.0 мВт/(м2 ср см-1) интенсивности излучения по данным измерений примерно 40-летней давности прибором SI-1, функционировавшим на спутниках Метеор-28 и -29. Этот эффект связан с увеличением содержания в атмосфере углекислого газа и вызванным этим подъемом излучающих слоев атмосферы в области тропосферы с меньшей температурой.

5. Проанализированы яркостные температуры уходящего ИК излучения и их изменчивость в полосах поглощения парниковых газов. Учитывая уровень случайных погрешностей измерений прибора SI-1 (~ 0.3 мВт/(ср•м2•см–1)), число различимых атмосферных состояний (температуры и содержания газов) для полосы СО2 и О3 достигает ~ 400 (включая вариации температуры и содержания СО2 и О3 в атмосфере), для метана — ~ 80.

6. Выполнены сравнения статистических характеристик спектров уходящего ИК излучения 1977-1979 гг. и 2016-2017 гг. в разных спектральных областях. Изменчивость измерений спектров прибором SI-1 в 15 мкм полосе СО2 несколько выше, чем прибором ИКФС-2 (примерно на 0.005 вт/м2 ср см-1). Отметим, что и сами средние значения уходящего излучения для SI-1 больше, чем средние для ИКФС-2. Коэффициенты корреляции между измерениями уходящего теплового излучения двумя спутниковыми приборами в полосах поглощения, частности, СО2 достигают значений ~ 0.9.

7. Исследована сравнительная информативность измерений уходящего теплового излучения приборов SI-1 и ИКФС-2 в терминах информации по Шеннону и информационного объема В.П. Козлова. Например, количество информации по Шеннону, содержащееся в спектрах, измеренных прибором ИКФС-2, для всех рассмотренных спектральных областей более чем на треть больше, чем содержащееся в данных измерений прибором SI-1. В частности в спектральной области 670-800 см-1, используемой для дистанционных измерений профиля температуры, измерения спектров ИКФС-2 более информативны измерений SI-1 на 28 бит.

8. Получены количественные оценки радиационных возмущений (РВ) атмосферы в различные временные периоды и представлены прогнозы их изменений в будущем. Отметим, что вклад в РВ за счет СО2 в атмосфере Земли вносят в основном три спектральные области – 15 мкм, 10.4 мкм и 4.3 мкм полосы СО2. Для модели тропики РВ за счет изменений СО2 от 280 до 407 ppm составляют для этих полос 1.42 Вт/м2 (88%), 0.16 Вт/м2 (10%) и 0.03 Вт/м2 (2%) при суммарном значении РВ в 1.61 ватт/м2. За исследуемый временной период в 40 лет РВ в полосах поглощения углекислого газа возросли в ~ 2 раза.

9. Обнаружена спектральная зависимость знака радиационных возмущений СО2 в полосе 15 мкм. В центре полосы СО2 при 15 мкм при росте содержания СО2 наблюдается рост уходящего теплового излучения, в средней части полосы и в ее крыле – уменьшение излучения. При дальнейшем росте содержания СО2 в земной атмосфере вплоть до 800 ppm вклад стратосферного РВ будет увеличиваться, но суммарные РВ будет отрицательными.

10. Впервые в мире получены спутниковые измерения общего содержания углекислого газа в 1977-1979 годах с помощью интерпретации измерений уходящего ИК теплового излучения прибором SI-1. Сравнения спутниковых измерений с данными наземных измерений в обсерватории Мауна-Ло показали их высокое качество.

11. Проанализированы климатические изменения за 40 лет. С использованием простой климатической модели (связь между величиной радиационного воздействия и приращением средней температуры поверхности Земли) показано, что, по нашим оценкам РВ, примерно за 40 лет средняя температура поверхности должна была увеличиться на 0.38-0.66К в различные сезоны и на различных широтах земного шара. Данные оценок РВ [Butler, J.H. and S.A. Montzka (1 August 2013). "The NOAA annual greenhouse gas index (AGGI)". NOAA/ESRL Global Monitoring Division.] приводят к близкой, но несколько завышенной оценке - цифре приращения температуры поверхности - 0.72К. Другие оценки РВ и приращения температуры поверхности по данным [https://en.wikipedia.org/wiki/Radiative_forcing] также несколько завышают рост температуры поверхности – 0.77К.

12. Разработан новый спутниковый метод измерений локальных РВ за счет углекислого газа и анализ его погрешностей. Разработана методика и программное обеспечение решения обратной задачи относительно локальных РВ на основе искусственных нейронных сетей. Численные эксперименты показали, что погрешности определения РВ в полосах СО2 составляют 5-7% при естественной изменчивости РВ в настоящее время в ~ 40%.

Основные публикации 

1. Тимофеев Ю.М., Я.А. Виролайнен, А.В. Поляков, 2019: Оценки вариаций радиационного форсинга для углекислого газа в последнее столетие и в будущем. Оптика атмосферы и океана 32, 10, 856–859.
2. Козлов Д.А., Ю.М. Тимофеев, А.В. Поляков, И.А. Козлов, В. Дёлер, Д. Ортель, Д. Шпенкух, 2015: Методика пересчета спектров теплового излучения атмосферы различного спектрального разрешения для взаимного сопоставления измерений бортовых инфракрасных фурье-спектрометров. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса,  15, 1, 52–60.
3. Тимофеев Ю.М., А.В. Поляков, В. Делер, Д. Шпенкух, Д. Ортел, 2018: Анализ спектров уходящего теплового излучения, измеренных аппаратурой SI-1. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса,  15, 3, 236–242.
4. Тимофеев Ю.М., А.В. Поляков, Д.А. Козлов, Ф.С. Завелевич, Ю.М. Головин, В. Делер, Д. Эртель, Д. Шпенкух, 2018: Сопоставление спектров уходящего теплового ИК излучения разных лет. Исследование Земли из космоса, 5, 65–72.

Презентация 

На презентации представлен стендовый доклад, сделанный по итогам выполнения Проекта на Международном симпозиуме по атмосферной радиации и динамике в 2019 г.