Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние исследования изменения климата 7
История изучения альбедо подстилающей поверхности на территории России 15
1 Динамика современных изменений альбедо подстилающей поверхности по данным актинометрических наблюдений на территории России 33
1.1 Изменения альбедо подстилающей поверхности с 1967 по 1995 гг. по данным наблюдений на метеорологических площадках 42
1.2 Динамика изменений альбедо подстилающей поверхности за период с 1951 по 1995 годы 56
1.3 Выявление зависимости между изменениями альбедо подстилающей поверхности, температурой воздуха и числом дней со снежным покровом по данным наблюдений на метеорологических площадках 70
2 Динамика современных изменений альбедо естественной подстилающей поверхности больших территорий 85
2.1 Оценки региональных изменений альбедо естественной подстилающей поверхности больших территорий 87
2.2 Сравнительный анализ современных изменений отражательных свойств метеорологических площадок и альбедо больших территорий 106
2.3 Рекомендации по усовершенствованию методики расчетов альбедо больших территорий и использованию ее для исследования изменения альбедо 113
Современные изменения облачного покрова, коэффициента прозрачности атмосферы и составляющих солнечной радиации в различных регионах России 116
3.1 Современное изменение облачного покрова в различных регионах России по данным наземных наблюдений 116
3.2 Особенности многолетнего изменения коэффициента прозрачности и радиационных характеристик атмосферы по данным наземных наблюдений 143
3.2.1 Изменение прозрачности атмосферы на территории России во второй половине 20-говека 144
3.2.2 Особенности многолетнего изменения
коэффициента прозрачности атмосферы, составляющих солнечной радиации и основных элементов климата с 1967 по 1995 гг 153
Исследование зависимости между изменениями альбедо подстилающей поверхности и альбедо системы Земля атмосфера 166
4.1 Эмпирические соотношения между альбедо подстилающей поверхности и минимальными оценками альбедо системы Земля-атмосфера 172
4.2 Географическое распределение отношения альбедо системы Земля-атмосфера к альбедо подстилающей поверхности на территории России 179
5 Оценка возможных изменений климата и его последствий на территории России в ближайшем будущем 190
5.1 Исследование зависимости между изменениями глобального термического режима и региональными изменениями климата 191
5.2 Апробирование уравнений связи между региональными изменениями элементов климата
на территории России 201
5.3 Региональные изменения альбедо подстилающей поверхности и альбедо системы Земля-атмосфера в начале XXI-го века 210
5.4 Оценка возможных положительных последствий изменений климата для теплоэнергетики Северо-запада России и Финляндии 216
5.5 Влияние современного изменения климата на развитие экологического и природного туризма на Северо -Западе России 227
Заключение 259
Список использованных источников
- Динамика изменений альбедо подстилающей поверхности за период с 1951 по 1995 годы
- Сравнительный анализ современных изменений отражательных свойств метеорологических площадок и альбедо больших территорий
- Особенности многолетнего изменения коэффициента прозрачности и радиационных характеристик атмосферы по данным наземных наблюдений
- Географическое распределение отношения альбедо системы Земля-атмосфера к альбедо подстилающей поверхности на территории России
Динамика изменений альбедо подстилающей поверхности за период с 1951 по 1995 годы
В обзоре российских исследований в области атмосферной радиации, подготовленном Ю.М. Тимофеевым и Е.М.Шульгиной [158] для представления в комиссию по атмосферной радиации Национального геофизического комитета, содержится глубокий и детальный анализ исследований, охватывающих весь спектр научных разработок по теории переноса излучения, дистанционному зондированию атмосферы и подстилающей поверхности, атмосферной спектроскопии, радиационной климатологии и спутниковым измерениям. Исследования в области радиационной климатологии представлены результатами мониторинга составляющих радиационного баланса на сети актинометрических станций на территории России и в Антарктике, долговременными измерениями составляющих радиационного баланса, солнечного излучения в различных участках спектра, интерпретацией полученных данных и оценок влияния различных атмосферных параметров на солнечное излучение [109 - 113, 163, 137, 139, 140, 142, 143, 145, 147, 150, 151 и др.].
В области мониторинга составляющих радиационного баланса, по мнению авторов [158], следует выделить создание архива актинометрических данных за период с 1957 по 2001 гг. для района Антарктиды, на основании которого было выявлено отсутствие устойчивых трендов в поступлении солнечной радиации за период наблюдений. В рамках международной программы AERONET по изучению аэрозольных свойств атмосферы на основании данных измерений показаны тенденции многолетних изменений прозрачности атмосферы, облачности, солнечной радиации и альбедо подстилающей поверхности в Москве за период с 1955 по 1998 гг. [111]. Результаты, представленные в работах [130, 133] представляют собой основу создания объединенной базы данных актинометрических, теплобалансовых и метеорологических наблюдений, которая была использована для разработки методологии «искусственных нейронных сетей» и сравнения результатов моделирования с данными наблюдений.
На основании эмпирических данных, расчетных методик и результатов моделирования проведено исследование «аномального поглощения» в безоблачной атмосфере, эффектов газового, аэрозольного и облачного воздействия на солнечное излучение у поверхности Земли в различных географических регионах и их возможного влияния на климатическую систему [110, 112, 113,94, 135, 137, 140, 142, 147, 139,43, 145, 146, 150 и др.].
Усовершенствованию и разработке алгоритмов расчета составляющих солнечной радиации для моделей численного прогноза погоды и климата посвящены работы [84, 140, 141, 146 и др.].
В последнее время данные актинометрических наблюдений приходящей на поверхность земли коротковолновой радиации привлекли внимание специалистов в области построения глобальных моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА) [113, 114, 84, 91 - 94, 129 - 133, 141]. В работе [93] представлены результаты сопоставления данных о приходящей на поверхность земли коротковолновой радиации, полученные в результате моделирования и измеренные на расположенных в разных климатических зонах отдельных станциях актинометрической сети России. В работах [91 — 94, 129 - 133, 141] показано, что использование актинометрической и теплобалансовой информации позволит усовершенствовать существующие схемы параметризации радиационно-облачного блока МОЦА.
На основе анализа линейных трендов на 27 актинометрических станциях в работах [91] выявлены тенденции в изменениях климатических рядов составляющих радиационного баланса: для альбедо характерен положительный тренд в летние месяцы и отрицательный - в зимние месяцы; для радиационного баланса характерен отрицательный тренд летом и положительный - зимой; для суммарной и отраженной радиации на континентальных станциях, удаленных от океанов, характерен положительный тренд в летние и отрицательный тренд в зимние месяцы. Авторы работы [91] пришли к выводу, что процесс глобального потепления сопровождается возникновением отрицательных и положительных обратных связей в системе атмосфера - поверхность суши, которые приводят к уменьшению притока тепла к почве летом и уменьшению потерь зимой.
В работах [84, 114 и др.] приведены результаты анализа современных радиационных алгоритмов, входящих в гидродинамические модели климата, которые участвовали в международных программах сравнения моделей. В результате сравнения с эталонными алгоритмами была оценена точность часто используемых схем перекрывания облаков и предложены новые схемы, дающие лучшие результаты.
В рамках развития и совершенствования методов анализа и интерпретации данных измерений современных оперативных спутников (гидрометеорологического назначения) в работах [84, 134, 164 и др.] были предложены методики обработки и использования данных спутниковых измерений составляющих радиационного баланса Земли.
Обработка и анализ, данных полученных с помощью аппаратуры ИКОР, ИСП, СРРБ, установленной на ИСЗ «Метеор - 3» N 7, Ресурс - 01 N 1 [134] показали возможность дистанционного определения компонентов радиационного баланса Земли. В работе [134] приведены некоторые результаты по глобальному распределению альбедо, полученные по наблюдениям радиометра ИКОР с гелиосинхронного ИСЗ «РЕСУРС - 01» N4.
В работах [133, 141, 130] предложены новые методики оценки компонентов радиационного баланса по данным, полученным специализированной аппаратурой ERBE, установленной на борту спутника "Nimbus - 7" и ScaRaB на борту ИСЗ "Метеор". Впервые в практике исследований в Российской Федерации поставлена и решена задача дистанционного определения альбедо в системе "почва-растительность" из многоугловых спутниковых измерений [141, 130].
Сравнительный анализ современных изменений отражательных свойств метеорологических площадок и альбедо больших территорий
На юго-западе Европейской территории по данным Киева и Одессы заметных изменений альбедо в зимние и весенние месяцы в 1950-х гг. по сравнению с 1990-м годами не обнаружено.
Юго-восточнее - по данным ст. Деркул и Гигант уменьшение альбедо в 1990-х гг. в марте составило 6 % (-0,4а), при этом межгодовые изменения альбедо достигают 8-22 %.
Особые условия изменения альбедо в январе, феврале и марте отмечаются на станциях, расположенных в междуречье Дона и Волги (ст. Ростоши) и Заволжье (ст. Ершов). В зимние месяцы в 1990-е гг. на ст. Ростоши альбедо увеличилось от 1 до 12 %, в Ершове уменьшилось на 4 %. В марте альбедо в Ершове увеличилось на 1 %, а в Ростоши увеличилось на 7 % по сравнению с 1950-ми гг. Стандартные отклонения альбедо в зимние месяцы в 1950-е и в 1990-е гг. на этих станциях невелики. Весной (в марте) в 1990-е гг. аА50 и аА90 значительно увеличиваются. Увеличение альбедо в 1990-е гг. в отдельные месяцы зимы и весны (до +1.2а) на этой территории, вероятно, связано с возрастанием числа дней со снежным покровом в результате более частого проникновения южных циклонов в этот регион при современном потеплении.
Изменения альбедо от 1950-х к 1980-1990-м гг. на территории Западной Сибири рассмотрены по данным станций Салехард, Туруханск, Сытомино, Высокая Дубрава, Омск, Целиноград и представлены в таблице 1.5.
На севере Западной Сибири (севернее 60 с.ш.) по данным Салехарда и Сытомино в 1990-е гг. в зимние месяцы альбедо уменьшалось на 4 - 10% (или от -1.3 а до -4.0а), в Туруханске - не изменилось, а аА50 и аА9 изменилось от 4.0% до 15.0%.
В весенние месяцы в Западной Сибири самое большое изменение альбедо отмечается в Сытомино, где оно в апреле составило 20 %, при этом стандартные отклонения оказались также большими (15.8 %) и в 1.3 раза больше величины а за период с 1951 по 1995 гг. На более северных станциях в Салехарде и Туруханске альбедо в апреле в 1990-е гг., уменьшилось от 5 до 9 % при небольшом в Туруханске и несколько большем в Салехарде оА50 и GA90 На юге Западной Сибири альбедо изменялось иначе. В зимние месяцы альбедо в 1990-е гг. по сравнению с 1950-ми увеличилось на 3 — 5 %, а весной уменьшилось на 2-6 %, что значительно меньше, чем в северных областях. Стандартные отклонения в зимние месяцы в этом регионе оказались в 1980-90-е гг. большими, чем в 1950-е годы. Увеличение альбедо в зимние месяцы на юге Западной Сибири может быть связано с увеличением зимних осадков при потеплении климата в 1990-е годы.
Анализ изменений альбедо на территории Восточной Сибири и Приморья выполнен по данным станций Верхоянск, Тура, Оймякон, Ванавара, Енисейск, Чита, им. П.Осипенко, о.Б.Шантар (см. таблицу 1.5).
На севере Восточной Сибири (Верхоянск, Тура, Оймякон, Ванавара) альбедо в 1990-е годы по сравнению с 1950-ми оказалось меньшим в зимний и переходные сезоны. Зимой уменьшение альбедо составило от 2 до 18 %, при этом средние стандартные отклонения альбедо почти во всех случаях оказались меньшими. Весной - в апреле отмечаются рекордные значения уменьшения альбедо в 1990-е гг. по сравнению с 1950-ми: в Туре альбедо уменьшилось на 36 % (5.3а), в Оймяконе - на 24 % ( 2.2а), в Верхоянске - на 16 % (1.4а). На 6 - 14 % уменьшилось альбедо на севере Восточной Сибири в октябре.
Средние квадратические отклонения альбедо на этой территории в зимние и весенние месяцы в большинстве случаев имеют меньшие значения, осенью - они приближаются по величине к изменениям альбедо в 1990-е гг. В более южных регионах Восточной Сибири (по данным ст. Енисейска и Читы) альбедо в зимние и весенние месяцы в 1990-е годы также оказываются значительно меньшими, чем в 1950-е гг. Так, в Чите альбедо зимой уменьшилось на 19 %, в Енисейске - на 7 %; весной альбедо в Чите уменьшилось на 2 - 8 % и в Енисейске на 12 - 19 % (1.2-1.8а).
В Приморье изменения альбедо имеют как положительные, так и отрицательные знаки. Так, в 1990-е гг. по сравнению с 1950-ми годами альбедо на ст. П.Осипенко уменьшилось в октябре и феврале, на ст. Б.Шантар - в марте, а увеличилось в марте и апреле на ст.П.Осипенко, апреле и мае на ст. Б.Шантар. Стандартные отклонения альбедо значительно превышали изменения альбедо от 1950-х к 1990-м годам.
Об изменениях альбедо на территории Средней Азии можно судить только по данным станций Боз-Су (Ташкент) и Чарджоу. В Боз-Су в январе альбедо в 1990-е гг. уменьшилось на 4 % по сравнению с 1950-ми годами, при этом аА90 и од50 оказались значительно большими.
Весной и осенью альбедо уменьшилось на 1-5 %, такими же по величине оказались и значения од90 и уА50. В Чарджоу в январе, феврале и марте альбедо в 1990-е годы было на 2 - 4 % меньше, чем в 1950-е годы, примерно такие же значения имеют и стандартные отклонения. Отсутствие данных наблюдений по другим станциям этого региона за 1990-е годы затрудняет изучение изменений альбедо на территории Средней Азии.
Таким образом, анализ данных наблюдений альбедо за период с 1951 по 1995 гг. подтвердил факт уменьшения альбедо на большей части территории России, полученный ранее для периода с 1967 по 1995 гг. Кроме того, следует отметить, что уменьшение альбедо подстилающей поверхности при современном изменении климата почти для всех регионов России превосходит стандартные отклонения альбедо с 1951 по 1995 гг., с 1953 по 1959 гг. и с 1987 по 1995 годы. Только для отдельных станций, расположенных на территории южной части ЕТР и Средней Азии, межгодовые изменения альбедо превышают изменения альбедо, вызванные современным изменением климата.
Особенности многолетнего изменения коэффициента прозрачности и радиационных характеристик атмосферы по данным наземных наблюдений
Как об этом уже было сказано в главе 1, общая площадь площадок всей сети станций, на которых производятся актинометрические наблюдения составляет лишь незначительная часть территории России, поэтому актинометрическая наземная сеть станций не может в полной мере обеспечить решение проблем, связанных с современным изменением климата и оценкой изменения составляющих радиационного баланса.
Дополнение данных наземной сети информацией наблюдений со спутников является весьма эффективным средством, поскольку количество спутниковых данных постоянно увеличивается, а количество станций, на которых производятся актинометрические наблюдения, к сожалению, постоянно уменьшается. Успешно развивающиеся методы непрерывного слежения и обработки данных спутниковых наблюдений, в дальнейшем позволят, если не полностью, то частично заменить данные наземной актинометрической сети.
Однако, продолжительность спутниковых наблюдений составляет 30-35 лет, а наземной актинометрической сети более 70 лет. В связи с этим возникает проблема перехода от альбедо, измеренного со спутников, к величинам альбедо, полученным по результатам наблюдений на актинометрической сети. В работах [91 - 94] предлагается решение поставленной задачи путем создания спутниковой системы дистанционного мониторинга альбедо подстилающей поверхности, что позволит в дальнейшем получить оперативную информацию о составляющих радиационного баланса. Непосредственный переход от альбедо метеорологических площадок к оценкам альбедо, полученным по данным наблюдений со спутника требует четырехмерного анализа спутниковой и наземной информации и моделирования радиационных процессов в атмосфере и на земной поверхности.
Предлагаемый автором эмпирический подход основан на использовании оценок альбедо естественной подстилающей поверхности больших территорий при переходе от альбедо метеорологических площадок к альбедо системы Земля-атмосфера, полученным по данным наблюдений со спутников,.
Как показано в разделах 2.1 и 2.2 оценки альбедо естественной подстилающей поверхности для весенних и осенних месяцев не только позволяют получить результаты, близкие средним многолетним величинам альбедо, но и оценить современные изменения альбедо естественных поверхностей для больших территорий.
Для дальнейшего совершенствования методики расчета альбедо больших территорий и использования ее для анализа и контроля наземных и спутниковых наблюдений необходимо:
Дополнить данными наблюдений со спутника сйисок средних значений альбедо основных видов естественной поверхности (таблица 2.1) для различных регионов России и разных месяцев года, особенно для северных регионов в месяцы с устойчивым снежным покровом. Необходимо обобщить, систематизировать и определить средние значения альбедо различных типов снежной поверхности с разной структурой и состоянием, плотностью, влажностью и степенью загрязненности. Для таких исследований возможно использовать проекты по изучению многолетней изменчивости снежно-ледяного покрова в полярных районах на основании текущей и архивной информации баз данных спутниковых наблюдений России (ряды данных «Океан», «Метеор», «Ресурс») и США (NOAA, DMSP), самолетные эксперименты, подобные эксперименту 2003 г. целью которого была калибровка и валидация результатов спутника EOS-aqua, а также сотрудничество в рамках проекта «Партнерская инициатива в области наук о Земле в регионе Северная Евразия» (NEESP1- the Northern Eurasia Earth Science Partnership Initiative). В рамках NEESP1 необходимо разработать программу исследований состояния и динамики снежно-ледяного покрова в Северной Евразии и их взаимодействия с климатической системой Земли.
Необходимо организовать мониторинг площадей, занятых основными видами естественной поверхности и, прежде всего, лесами. Исследование стратификации территории лесного фонда при инвентаризации лесов и их картирования необходимо проводить с периодичностью не менее 5 лет и использовать аэрокосмические изображения.
Необходимо организовать мониторинг и определение опустынивания и деградации земель как результата изменения климата и землепользования. Расширение и рост городов, поселков, разработка месторождений полезных ископаемых, строительство промышленных объектов, шоссейных дорог и автостоянок, заправочных станций, распашка земель, вырубка лесов и другое хозяйственное освоение территории, постройка новых железных дорог, увеличение наземного и воздушного транспорта приводят к существенному и крупномасштабному изменению подстилающей поверхности, а следовательно, и к изменению альбедо подстилающей поверхности и альбедо системы Земля—атмосферы. Современные изменения облачного покрова, коэффициента прозрачности атмосферы, прямой и суммарной солнечной радиации в различных регионах России
Во второй главе приведены результаты исследования современных изменений альбедо подстилающей поверхности и температурного режима, выявлена связь между температурой и альбедо для крупных регионов России. В третьей главе представлены результаты исследования динамики современных изменений облачного покрова, прозрачности атмосферы и составляющих солнечной радиации, оценки которых необходимы для определения взаимосвязи между альбедо подстилающей поверхности и альбедо системы Земля-атмосфера.
Географическое распределение отношения альбедо системы Земля-атмосфера к альбедо подстилающей поверхности на территории России
Исследование современных изменений альбедо подстилающей поверхности и количества и форм облаков позволил выявить тренды многолетнего изменения альбедо подстилающей поверхности и некоторые особенности изменения облачного покрова на территории России. Наряду с облачностью определяющим фактором, влияющим на приток лучистой энергии к земной поверхности и определяющим энергетику системы Земля-атмосфера является прозрачность атмосферы.
Прозрачность атмосферы тесно связана с физическими процессами, происходящими в атмосфере и вызывающими изменения климата, поэтому для изучения взаимосвязи коэффициента прозрачности и радиационных характеристик атмосферы с изменением температуры и облачности был выполнен совместный анализ временных рядов коэффициентов прозрачности атмосферы, прямой и суммарной солнечной радиации, температуры воздуха и облачности за летний, осенний, зимний и весенний периоды и за год в целом. С этой целью были использованы материалы срочных наземных наблюдений с 1967 по 1995 г. на актинометрических и метеорологических станциях, расположенных на территории России. 3.2.1 Изменение прозрачности атмосферы во второй половине ХХ-го века
Вопрос об изменении прозрачности атмосферы в последние годы обсуждался в ряде работ [210, 41, 42, 209, 39, 152, 167, 170 и др.]. Сравнение прозрачности атмосферы в период с 1966 по 1968 гг. с прозрачностью предшествующего периода с 1954 по 1963 гг., приведенное в [152], показывает уменьшение величины коэффициента прозрачности атмосферы на всей территории бывшего СССР по наблюдениям во все месяцы года периода с 1966 по 1968 гг. по сравнению с периодом с 1954 по 1963 год. В годовом ходе повторяемость градации с пониженной прозрачностью возрастает от зимы к лету, увеличиваясь в 4 - 6 раз. Повторяемость градации с нормальной прозрачностью имеет максимум весной, который составляет от 40 до 45 %, и остается сравнительно высокой в течение всего года. Градация повышенной и высокой прозрачности имеет максимум повторяемости зимой, минимум - летом. На повышенную градацию зимой приходится от 40 до 50%, в остальное время года от 15 до 20 %. Градация высокой прозрачности имеет минимум в теплую половину года (1 % и меньше); максимум повторяемости ее наблюдается в ноябре: 27 % для азиатской территории и 17 % для европейской [152].
Для характеристики прозрачности атмосферы были использованы материалы как срочных наземных наблюдений прямой солнечной радиации при безоблачном небе или при диске Солнца, не закрытом облаками, так и данные со станций, где производилась регистрация составляющих радиационного баланса во все месяцы периода с 1967 по 1995 гг. Оценки коэффициента прозрачности (Р) были получены на основе рекомендаций по определению количественных характеристик прозрачности атмосферы на сети станций [191, 211] и программы расчета среднемесячных коэффициентов прозрачности атмосферы, составленной автором для персонального компьютера. Алгоритм расчета Р заключается в следующем: данные о прямой солнечной радиации, поступающей на поверхность, расположенную перпендикулярно солнечным лучам, в срок 12 ч 30 мин солнечного времени, были приведены к среднему расстоянию между Землей и Солнцем, к высоте Солнца 30 и к нормальному давлению (1000 гПа). Полученные оценки были использованы для расчета и построения карт аномалий коэффициента прозрачности атмосферы и расчета оценок прозрачности, осредненных за зимний, весенний, летний и осенний сезоны и по пятилетиям: с 1976 по 1980 гг., с 1981 по 1985 гг., с 1986 по 1990 гг. и с 1991 по 1995 гг. (рисунки 3.3-3.6). В качестве нормы при расчете аномалий использовались среднемесячные коэффициенты прозрачности атмосферы при массе атмосферы равной 2, по данным станций, имеющих длительные ряды наблюдений [152].
В таблицах 3.6-3.9 приведены аномалии коэффициента прозрачности атмосферы (Ар), осредненные по пятилетиям: с 1976 по 1980 гг., с 1981 по 1985 гг., с 1986 по 1990 гг. и с 1991 по 1995 гг. (рисунки с 3.3 по 3.6). Коэффициенты вариации «Ар» изменяются от 20 - 25 % зимой до 10 - 15 % летом.
Как можно видеть на рисунке 3.3 ив таблице 3.6, в зимние месяцы периода с 1976 по 1980 гг. над северной и южной частью Европейской территории России отмечается небольшое увеличение прозрачности атмосферы (на 0.2 - 1.4 %). В отличие от ЕТР, над всей территорией Сибири и Дальнего Востока аномалии коэффициента прозрачности имеют отрицательный знак (от -4.2 до -4.5 %).
