2.4.	Фундаментальные и прикладные научные исследования планеты Земля

Тема КЛИМАТ. Изучение изменчивости климатических параметров и природные катастрофы разных масштабов: развитие и анализ физических механизмов, разработка современных методов обработки данных космического мониторинга климатических и экологических процессов.

Научные руководители д.ф.-м.н. Астафьева Н.М., д.т.н. Лупян Е.А., д.ф.-м.н. Е.А.Шарков.

Климатическая система Земли формируется в открытой системе взаимосвязанных геосфер планеты. В формировании климата и его изменчивости активное участие принимают все геосферы планеты: атмосфера, океаносфера, криосфера, поверхность континентов (их гидросфера и биосфера), литосфера и антропосфера. Наша планета — открытая физическая система, поэтому на формирование процессов на Земле влияют внешние силы: радиационные, приливные, гравитационные, электромагнитные и другие воздействия окружающего нас пространства — солнечной системы со всеми планетами, особенно большими, Солнцем и межпланетной плазмой. В результате колебания климата имеют характерные времена от десятилетий до значительно более длительных периодов, порядка столетий и тысячелетий.

Временные и пространственные масштабы, а также интенсивность воздействия определяют степень влияния того или иного из перечисленных факторов на климатическую систему планеты. Одним из важных факторов изменчивости климата являются крупномасштабные термодинамические взаимодействия в системе океан – атмосфера, эволюционирующие в широком диапазоне временных и пространственных масштабов.

Процессы, оказывающие существенное воздействие на транспортные и диссипативные свойства атмосферы и влияющие на формирование климата, имеют большую пространственную протяженность, достаточно длительны, характеризуются сложной пространственно-временной структурой и эволюционируют в широком диапазоне временных и пространственных масштабов. Для выявления общих закономерностей таких процессов необходим анализ данных наблюдений, представительно характеризующих их энергетику и динамику — необходимы большая временная и пространственная протяженность, а также достаточая регулярность и плотность покрытия. Данные наземных наблюдений обычно усваиваются в виде локальных (точечных) измерений и гораздо реже в форме полей пространственных и временных измерений, поскольку это сопряжено с большими техническими трудностями. Обеспечить глобальные наблюдения геофизических параметров в виде полей с необходимыми для дальнейшего анализа пространственной частотой и временной регулярностью в настоящее время могут лишь приборы, установленные на искусственных спутниках Земли.

С проблемами климатологии тесным образом переплетаются проблемы изучения, мониторинга и определения характеристик снежного и лесного покрова планеты, поскольку снежный покров и леса оказывают огромное влияние на климат, рельеф, гидрологические и почвообразовательные процессы.

В связи со сказанным выше особенно важными представляются следующие направления исследований:

- изучение структуры крупномасштабных термодинамических процессов в системе океан – атмосфера, анализ влияния основных центров действия системы на изменчивость климатических параметров планеты;

- анализ неоднородных нелинейных связей между временной изменчивостью метеорологических процессов и процессами в гелио- геодинамической цепочке энергообмена нестандартными современными математическими методами;

- разработка моделей изучаемых природных процессов и сред; выявление управляющих природными процессами физических механизмов;

- сбор данных о природных процессах, формирование баз разнородных данных и организация удобного доступа к ним;

- интересен также анализ политических инициатив, связанных с попытками международного сообщества оказать воздействие на изменение климата.

В результате исследований, проведенных по этим направлениям в течение 2005 года, получено следующее.

1. Изучение изменчивости климатических параметров природных катастроф по отношению к термическому режиму Мирового океана.

Выявлено (1) наличие широкого диапазона значений поверхностной температуры, при которых происходят процессы генерации первичных форм и их трансформации в зрелые формы циклогенеза и (2) отсутствие «критической» (пороговой) температуры и, соответственно, отсутствие жесткой границы при их генерации.

На основе сопоставления пространственно-временных полей генерации начальных форм и циклогенеза зрелых форм в поле поверхностной температуры, определенных при помощи стандартных океанологических измерений (in situ – на глубине 1м) и по дистанционным данным (поле температуры в поверхностном скин –слое) по океаническим акваториям двух полушарий Земли, получены экспериментальные результаты, указывающие на наличие достаточно широкого диапазона поверхностных температур, при которых происходит процессы генерации первичных форм и их трансформации в зрелые формы и отсутствие «критической» (пороговой) температуры и, соответственно, отсутствие жесткой границы при их генерации в поле поверхностной температуры океана, рассматриваемой как среднемесячной многолетней, так и при трехмесячном усреднении каждого конкретного наблюдаемого года.

Несмотря на значительные усилия исследователей по наблюдению и регистрации отдельных оптических и ИК изображений тропических вихревых возмущений в различных фазах, окончательных дистанционных критериев «близости» геофизической среды к генерации индивидуального тропического возмущения к кризисному моменту перехода в развитую форму пока не существует. С другой стороны, уже достаточно давно сложилось представление о феноменологическом наборе так называемых «необходимых» геофизических (и в первую очередь, термического режима Мирового океана) параметров, при которых должна происходить генерация вихревых устойчивых систем в тропической атмосфере (в климатологическом аспекте). Одним из главных пунктов этого набора (его часто называют «первым необходимым условием для возникновения тайфунов) является высокие значения поверхностной температуры, превышающей (обязательно) 26º С (26,2-26,8º С — так называемая, критическая температура или температура «отсечки») при глубоком верхнем квазиоднородном слое океана (глубоком термоклине).

Указанная проблема весьма актуальна в плане дистанционных исследований, поскольку при доказательстве наличия «резкой отсечки» в поле поверхностной температуры возможно построение своего рода дистанционных обнаружителей, которые могли бы лечь в основу решения проблем предсказуемости кризисных ситуаций.

В отделе 55 в течение 2005г. была выполнена экспериментальная работа, в которой были сопоставлены пространственно-временных поля генерации начальных форм и циклогенеза зрелых форм и поля поверхностной температуры, определенные по океаническим акваториям двух полушарий Земли

а) при помощи стандартных океанологических измерений (in situ – на глубине 1м) и

б) по дистанционным данным (поле температуры в поверхностном скин – слое океана).

Полученные экспериментальные результаты указали (см. рис.1.1 и рис.1.2) на наличие достаточно широкого диапазона значений поверхностной температуры, при которых происходят процессы генерации первичных форм и их трансформации в зрелые формы и отсутствие «критической» (пороговой) температуры и, соответственно, отсутствие жесткой границы при их генерации в поле поверхностной температуры океана, рассматриваемой как среднемесячной многолетней, так и при трехмесячном усреднении каждого конкретного наблюдаемого года.

	Рис.1.1. Гистограмма распределений температуры поверхности океана (ТПО) в момент генезиса начальных (ТВ) форм и перехода их в зрелые (ТШ) формы тропических циклонов в акваториях Мирового океана. Здесь ТПО — многолетняя среднемесячная температура поверхности океана.
	Рис.1.2. Гистограмма распределений температур поверхности океана (ТПО) в момент генезиса начальных (ТВ) форм и перехода их в зрелые (ТШ) формы тропических циклонов в акваториях Мирового океана (1999-2003гг.). Здесь ТПО — средняя трехмесячная температура поверхности океана в год наблюдения.

- Шарков Е.А., И.В. Покровская. Глобальный тропический циклогенез и поля поверхностной температуры океана: проблемы спутникового мониторинга // Тезисы докладов Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва. 14-17 ноября 2005г. Москва.

- Работа выполнена при поддержке РФФИ в рамках проекта РФФИ N 03-05-64143.

2. Изучение связей между изменчивостью термодинамических характеристик системы океан-атмосфера, процессами в гелио- геодинамической цепочке энергообмена и глобальными вариациями климата.

Показано, что наиболее интенсивные явления Эль-Ниньо, произошедшие в 1940-х и в 1980-х годах прошлого века заметно повлияли на изменение температуры в Петербурге; однако с продвижением внутрь территории страны на восток влияние событий Эль-Ниньо заметно ослабевает (в Оренбурге) и практически исчезает в Иркутске.

Наиболее влиятельными атмосферными процессами, оказывающими воздействие на транспортные и диссипативные свойства атмосферы и климатическую систему в целом являются общая циркуляция атмосферы и основные центры действия в системе океан – атмосфера — крупномасштабные квазистационарные депрессии и антициклоны. Важным фактором изменчивости климата являются крупномасштабные термодинамические взаимодействия в системе океан – атмосфера, такие, например, как чрезвычайно энергоемкий и динамичный природный процесс глобального масштаба ЮКЭН (Южное Колебание – Эль-Ниньо), нарушающий нормальный цикл циркуляции и являющийся причиной широкомасштабных аномалий всего климатического процесса.

О существовании Эль-Ниньо известно с 1726 г.; это явление происходит в среднем раз в четыре года (от 2 до 10 лет), охватывает весь тропический Тихий океан и оказывает воздействие на океанические и атмосферные условия на всей планете. Во временной динамике и в интенсивности Эль-Ниньо существует значительная нерегулярность: иногда потепление приобретает долговременный и крупномасштабный характер, в результате случаются катастрофические природные явления, типа засух, наводнений, тайфунов, наносящие значительный экономический ущерб. Обнаружена связь Эль-Ниньо с усилением Алеутского минимума, циркуляцией западных ветров и осадками умеренных широт. Следует, однако, учитывать, что последствия явления Эль-Ниньо в умеренных широтах сильно меняются от случая к случаю. Представляется, что основной причиной изменчивости последствий является существенная нелинейность отклика общей циркуляции атмосферы умеренных широт на аномалии температуры поверхности океана (тропические и внетропические), в то время как отклик тропической атмосферы с достаточно хорошей точностью может быть аппроксимирован линейной динамикой. Атмосферная аномалия Южное колебание — одновременное колебание давления, температуры и осадков над восточными и западными частями Тихого океана; основным ее проявлением является изменение разности давления между Южно-тихоокеанским антициклоном и областью низкого давления, простирающейся над Индонезией и Северной Австралией.

Процесс ЮКЭН, происходящий в тропической зоне системы океан – атмосфера, влияет на погоду и климат не только тропических, но и внетропических умеренных широт. На рис.2.1 показаны вейвлет-спектры поверхностной температуры воздуха в трех разных точках на территории нашей страны: в Петербурге (30° в.д., 60° с.ш.), а также в Оренбурге(56° в.д., 52° с.ш.) и Иркутске(104° в.д., 52° с.ш.), находящихся практически на одной широте. Наиболее интенсивные явления Эль-Ниньо, произошедшие в сороковых и восьмидесятых годах прошлого века заметно повлияли на изменение температуры в Петербурге. С продвижением внутрь территории страны на восток климат становится все более континентальным. Влияние событий Эль-Ниньо заметно ослабевает в Оренбурге и практически не исчезает в Иркутске. Распределенная по масштабам функция корреляции, которая здесь не приведена, подтверждает описанную тенденцию.

Рис.2.1. Изменение значений индекса Южного колебания и вейвлет-спектры приповерхностной температуры воздуха в Петербурге, Оренбурге и Иркутске (сверху вниз).

- Астафьева Н.М. Пространственная неоднородность климатических изменений: климат формируют регионы // Тезисы докладов Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва. 14-17 ноября 2005г. Москва.

- Астафьева Н.М., Раев М.Д., Комарова Н.Ю. Локализованный спектральный анализ в геофизике // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2005. Том 1. С. 77-87.

- Астафьева Н.М., Комарова Н.Ю. Влияние солнечной радиации на характер и временную структуру зональной циркуляции атмосферы // Тезисы докладов Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва. 14-17 ноября 2005г. Москва.

3. Создание комплексных методик научного анализа глобальных радиотепловых полей системы океан-атмосфера (данных радиофизического зондирования) в целях изучения термодинамических процессов в системе океан-атмосфера и исследования вариаций климата планеты.

*) Сформированы глобальные радиотепловые поля системы океан - атмосфера, позволяющие изучать пространственно-временные неоднородности климатических процессов в широком диапазоне масштабов (от суток до нескольких лет и от синоптических до планетарных).

Разработаны методики формирования глобальных радиотепловых полей системы океан – атмосфера по данным многоканальных СВЧ- радиометрических комплексов SSM/I (Special Sensor Microwave / Imager), установленных на спутниках серии DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) в рамках долговременной метеорологической программы министерства обороны США (на настоящий момент создаваемая нами электронная база данных ИКИ РАН содержит поставляемую спутниками этой серии информацию за период с 1995 по 2005 гг). Специфика траекторий и приборов такова, что данные одного космического аппарата не покрывают планету полностью в течение суток, оставляя большие лакуны (незаполненные данными области) в низких и в средних широтах (см. рис.3.1, здесь и на следующих рисунках глобальные радиотепловые поля представлены в меркаторской проекции). Кроме стандартных лакун, обусловленных особенностями траектории спутника (зачерненные области на картине в левой стороне рисунка), потеря информации происходит также и вследствие сбоев в работе передающей или принимающей аппаратуры, что можно видеть на картине в правой стороне рис.3.1, полученной в менее удачный день. Лакуны, образовавшиеся вследствие сбоев в работе аппаратуры, бывают и гораздо более обширными, чем показанные здесь.

Рис.3.1. Типичные картины радиотеплового поля, построенные по данным одного из спутников метеорологической серии DMSP в течение суток (частота 19,35 ГГц).

Наличие в исходной информации лакун серьезным образом затрудняет формирование динамических картин мезо- и микро- масштабов, а в целом ряде случаев просто «разваливает» динамическую картину. Лакуны необходимо заполнять данными, что довольно сложно, если учесть, что спутники проходят над интересующими нас областями планеты в разное время и смотрят на них под разными углами, а процессы в атмосфере довольно динамичны.

Разработанные нами методики предусматривают использование данных всех космических аппаратов серии для заполнения лакун. В результате получаются два глобальных радиотепловых поля в сутки, пригодных для изучения процессов системы океан – атмосфера и их пространственно-временных неоднородностей в широком диапазоне масштабов (от суток до 5 лет – на настоящий момент, и от синоптических до планетарных). Ниже представлено глобальное радиотепловое поле в меркаторской проекции, а также радиотепловые поля северных и южных широт планеты (до 60º ш.) в

полярной проекции.

Рис.3.2. Глобальное радиотепловое поле в меркаторской проекции (слева), и радиотепловые поля северных и южных широт планеты (до 60º ш.) в полярной проекции (справа), построенные по данным спутников метеорологической серии DMSP (частота 19,35 ГГц).

Для удобства разворот по экватору в 360° дополнен 120-ю градусами. Это дает возможность изучать структуру атмосферных процессов над акваторией каждого из океанов планеты полностью. Отметим, что даже в том масштабе, в котором представлено глобальное поле на рисунке, легко различаются квазистационарные крупномасштабные структуры системы океан – атмосфера.

Данные каналов радиометров SSM/I могут быть использованы для построения полей скорости ветра, определения влагосодержания (интегрального) атмосферы над Мировым океаном, водозапаса облачных структур и зон интенсивного выпадения осадков, оценки потоков тепла и импульса.

Одними из важнейших характеристик термодинамического режима климатической системы являются облачность и температура поверхности океана. Эти параметры связаны с яркостной температурой в окне прозрачности на частоте 19,35 ГГц, одной из частот многоканального радиометра SSM/I и характеризуют видимую поверхность (поверхность плотных облачных структур, Мирового океана и суши). Океан непрерывно поддерживает энергоснабжение атмосферы во всех масштабах: локальном, региональном и планетарном. Пространственно-временная структура и изменчивость этого энергоснабжения отражается на циркуляционных процессах в атмосфере и является важной составляющей климатической системы.

Общее влагосодержание атмосферы — интегральный параметр, характеризующий процессы тепло- влагообмена в системе в целом является одним из характерных параметров системы океан – атмосфера и климатической системы планеты в целом. В водяном паре в виде скрытого тепла сосредоточена значительная доля общего тепла системы. Общее влагосодержание атмосферы тесно связано с яркостной температурой в резонансной линии излучения водяного пара (1,35 см). Вариации яркостной температуры на частоте 27,24 ГГц четко фиксируются при наблюдениях со спутников серии метеорологических спутников DMSP многоканальным радиометром SSM/I. Анализ общего влагосодержания атмосферы оказывается продуктивным на разных временных масштабах. При анализе среднемесячных значений нами замечены индивидуальные зависимости в разных физико-географических зонах и четко выраженные сезонные вариации. Перспективен анализ межгодовой изменчивости, представляющей большой интерес для проблемы изменчивости климата.

- Астафьева Н.М., Раев М.Д., Шарков Е.А. Глобальное радиотепловое поле системы океан – атмосфера // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2005. Том 2. С. 8-16.

- Астафьева Н.М, Раев М.Д., Шарков Е.А. Глобальное радиотепловое поле системы океан – атмосфера: методика формирования по данным микроволновых космических комплексов // Исследования Земли из космоса. 2005. в печати.

- Астафьева Н.М., Данекин А.И., Раев М.Д., Шарков Е.А. Методические основы формирования глобальных радиотепловых полей системы океан – атмосфера на основе данных спутников серии DMSP // Исследования Земли из космоса. 2005. в печати.

- Астафьева Н.М., М.Д. Раев, Е.А. Шарков Эволюция глобального радиотеплового поля системы океан - атмосфера в 2001 - 2004 годах: анимация и региональные особенности широтного переноса // Тезисы докладов Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». ИКИ РАН. Москва. 14-17 ноября 2005г. Москва.

4. Создание комплексной базы гелио-, геофизических данных, выявление их роли в процессах формирования и развития циклонических образований в атмосфере и их возможной связи с возмущениями в ионосфере.

Пополнена база экспериментальных данных по тропическому циклогенезу (1983 – 2004гг). Проведена подготовка к анализу возможной связи тропического циклогенеза с параметрами ионосферной плазмы по данным наземного вертикального зондирования (отобрано 36 наземных станций, разработано программное обеспечение для поиска времени прохождения тропических циклонов над выбранной станцией).

4.1. Имеющаяся база экспериментальных данных по тропическому циклогенезу (БДТЦ), содержащая информацию за 19 лет (с 1983 по 2001 гг.) дополнена данными за 3 года и теперь содержит данные за 22 года (с 1983 по 2004 гг).

4.2. Проведена подготовка для проведения анализа возможной связи с параметрами ионосферной плазмы по данным наземного вертикального зондирования. Для этого определены (на основе БДТЦ) регионы активности циклогенеза (см. рис.4.1).

Рис.4.1. Траектории всех ТЦ за период 1983-2001 гг. в географических координатах.

В регионах активности отобрано 36 станций ионосферного зондирования и определены времена прохождения тропических циклонов (ТЦ) над выбранной станции.

Для интервалов времени, соответствующих прохождению наиболее интенсивных ТЦ над выбранными 36 станциями получены файлы (http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr ), содержащие основные параметры ионосферы по данным наземного вертикального зондирования (foF2, h’F2, foE и h’E) в формате IIWG (International Union of Radio Science (URSI), Ionospheric Informatic Working Group (IIWG), Data Exchange Format). После дешифровки IIWG-файлов создана база данных для указанных ионосферных параметров и выбранных интервалов пролета над станциями зондирования.

Разработано программное обеспечение для совместного анализа ТЦ, ионосферных данных зондирования и солнечно-геофизических параметров (часть созданной ранее комплексной базы гелио-, геофизических данных).

4.3. Для определения уровня солнечной активности и геомагнитной возмущенности при последующем совместном анализе ТЦ и ионосферных данных зондирования из основной комплексной базы гелио- геофизических данных, созданной на предыдущих этапах, выделена часть данных по солнечно- геомагнитным индексам (3- часовые Kp индексы, сумма Кр за день SumKp и F107), содержащихся в основной комплексной базе в виде исходных файлов NGDC, дешифрована и преобразована в цифровой частный банк (GDB_D) гелио- геофизических индексов в виде одного бинарного файла. Фактически банк GDB_D является многомерным массивом уже дешифрованных данных по гелио- геофизических индексам, выборка из которого производится по дате и времени. Без такого банка проведение корреляционных исследований с основным БДТЦ по тропическому циклогенезу (содержащему десятки тысяч «точек», для каждой из которых необходимо для каждого параметра выбрать исходный файл NGDC, определить место в этом файле для заданного времени и провести дешифровку) при помощи имеющихся РС невозможно.

Для работы и использования цифрового банка GDB_D разработано 2 вида программного обеспечения:

— Для разового («ручного») определения солнечно-геомагнитных индексов, программа-калькулятор CalcInd, позволяющая вручную задать время и мгновенно получить на экране требуемые индексы. Программа-калькулятор CalcInd работает полностью автономно и может применяться во всех областях исследований, где требуется определение солнечно-геомагнитных индексов.

— Программный блок для встраивания в программы автоматизированного совместного анализа комплексных данных для осуществления автоматической привязки солнечно-геомагнитных индексов, что дает возможность проведения сортировки и/или отбора данных (например, по уровню возмущенности) и проведения корреляций с солнечно-геомагнитной активностью.

В настоящее время программное обеспечение солнечно- геомагнитной привязки включает только указанные выше индексы (Kp, SumKp, F107). Оно будет дополнено индексами Dst, AE, номером цикла вращения Солнца и номером дня в цикле, числом солнечных пятен и др.

Пример работы ПО для совместного анализа ТЦ и ионосферных данных зондирования с привязкой к показан на рис.2.

Рис.4.2. Поведение критической частоты f0F2 в течение марта 1999 г. по данным ионосферной станции Дарвин (Австралия). Внизу для каждого дня приведены индекс геомагнитной активности SumKp и солнечной активности F107.

4.4. В процессе разработки ПО проведен предварительный анализ возможной связи с параметрами ионосферной плазмы по данным наземного вертикального зондирования. В период прохождения ТЦ над станциями наблюдаются некоторые вариации в ионосфере, однако для формулировки выводов и их проверки необходимо проведение более тщательного анализа.

4.5. Проведено прямое сопоставление «мощности» ТЦ, определенное как произведение депрессии давления в максимальной фазе ТЦ на максимальную скорость ветра с индексом геомагнитной возмущенности SumKp и уровнем солнечной активности F107 (см. рис.4.3). На рисунке показано распределение мощностей всех ТЦ в зависимости от SumKp и солнечной активности F107. Справа показаны гистограммы распределения SumKp и F107 за период наблюдений ТЦ (19 лет).

Рис.4.3. Сопоставление мощности ТЦ с SumKp и солнечной активности F107.

Прямая корреляция между мощностью ТЦ и параметрами активности отсутствует, что было показано на предыдущих этапах для интенсивности циклогенеза (частоты возникновения), однако в порядке уточнения направления последующих исследований можно предположить, несмотря на неравномерное покрытие области параметров, что может существовать тенденция к подавлению циклонической активности при повышении уровней возмущенности и солнечной активности. В силу чрезвычайной сложности процессов тропического циклогенеза требуется дальнейший более полный и сложный анализ.

- Шарков Е.А. Атмосферные катастрофы: эволюция научных знаний и роль дистанционного зондирования // «Современные проблемы дистанционного зондирования из космоса». Сборник науч. статей. Том 1.- М.: “GRANPpolygraph”, 2005. С. 55-62.

- Афонин В.В., Шарков Е.А. Воздействие солнечной активности на глобальный тропический циклогенез по данным дистанционного зондирования и радиоизлучения Солнца // Тез. 3 открытой Всерос. конф. «Соврем. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса (физич. основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды)». ИКИ РАН. Москва,14-17 нояб. 2005. [Электрон. ресурс]. Москва, 2005. С. 100. 1 электрон. опт. диск (CD-WROM).

- Шарков Е.А., Покровская И.В. Глобальный тропический циклогенез и поля поверхностной температуры океана: проблемы спутникового мониторинга // Тез. 3 открытой Всерос. конф. «Соврем. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса (физич. основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды». ИКИ РАН. Москва, 14-17 нояб. 2005. [Электрон. ресурс]. Москва, 2005.С. 131. 1 электрон. опт. диск (CD-WROM).

- Руткевич П.Б., Шарков Е.А. Новый механизм генерации атмосферных катастроф: возможности дистанционных методов // «Современные проблемы дистанционного зондирования из космоса». Сборник научн. статей. Том 2.- М.: “GRANP polygraph”, 2005.С. 42-48.

- Работа по подтеме велась при поддержке гранта РФФИ № 03-05-64143.

5. Накопление многолетнего массива данных и организация WEB интерфейса электронной коллекции данных глобального тропического циклогенеза с системой поиска на естественных языках и размещение материалов коллекции на WEB сервере для широкого доступа.

Выполнена работа по визуальному представлению информации в рамках разрабатываемой электронной коллекции глобального тропического циклогенеза. Тестовый результат размещен на сервере Института и в локальной сети отдела 55.

5.1. Выполнено накопление данных микроволнового дистанционного зондирования Мирового океана, предоставленных The Global Hydrology Resource Center (NASA). Данные получены системой спутников F10 – F15, работающих в рамках программы Defence Meteorological Satellite Program (DMSP). Общий объем накопленных данных превышает 100 Gb. Эти данные служат основой визуального представления информации в рамках разрабатываемой цифровой тематической коллекции данных глобального тропического циклогенеза.

5.2. Другой основой разрабатываемой цифровой тематической коллекции данных глобального тропического циклогенеза являются текстовые документы для оперативного доступа к которым необходима разработка полнотекстовой базы данных и средств поиска.

Для получения действующей модели цифровой тематической коллекции был использован пакет прикладных программ Greenstone2x, предназначенный для формирования и распространения цифровых фондов библиотек. Пакет обеспечивает возможностью публикации информации в сети Интернет или на CD-ROM. Программное обеспечение Greenstone разработано в Новозеландском университете Вайкато, в рамках Проекта создания цифровых библиотек в сотрудничестве с ЮНЕСКО. Исходный продукт — это свободно распространяемое программное обеспечение.

Результат был размещен в локальной сети отдела.

5.3. Испытания пакета прикладных программ Greenstone2x позволило выявить целый ряд недостатков, присущих указанному пакету. В частности:

а). Недостаточный уровень адаптации. Для удовлетворения потребностей широкого круга активных пользователей программного пакета, занятых разработкой и созданием на его основе цифровых библиотек, например, разработчиков контента, редакторов тематических коллекций, программистов требуются различные уровни адаптации программного продукта к их требованиям. В идеальном случае для каждой категории должен быть предусмотрен широкий диапазон настроек.

б). Отсутствие модульной структуры. Применение модульной структуры существенно расширило бы возможности программного пакета за счет построения независимых модулей создания помимо полнотекстовой базы данных и индексной базы данных для реализации поиска на естественном языке баз данных, обеспечивающих поисковые операции с использованием метаязыка и средств таксономии, разработанных для данной тематической коллекции, а также средств генерации отчетов. Одним из путей достижения модульности функций является построение пакета на базе набора различных сервисов.

в). Отсутствие возможностей построения распределенной архитектуры. Возможности расширения тематической цифровой коллекции и в первую очередь электронной библиотеки будет всегда сдерживаться ее размещением на отдельной хост машине. Необходимо наличие возможностей создания распределенной архитектуры, обеспечивающей взаимодействие нескольких хост машин.

г). Необходимость обеспечения совместимости продуктов, создаваемых различными версиями программных пакетов. Тематические цифровые коллекции и электронные библиотеки обычно расчитаны на длительное существование и должны поддерживаться обновленными версиями программных продуктов.

д). Отсутствие динамики. В идеале контент тематической цифровой коллекции и электронной библиотеки должен меняться динамически, т. е. документы, индексные файлы системы поиска и метаданные таксономии должны изменяться и добавляться в процессе работы on line. Динамическая конфигурация обеспечивает возможность настройки сервисов в процессе работы.

е). Отсутствие встроенной в конечный продукт технической документации. Такие масштабные конечные продукты как цифровые тематические коллекции и электронные библиотеки должны снабжаться встроенной технической документацией.

5.4. В связи с этим выполнен анализ программных пакетов создания полнотекстовых баз данных, средств индексации с использованием как метаязыков, формируемых по результатам таксономии тематической области цифровой коллекции данных, так и естественного языка поисковых запросов. По результатам анализа написан обзор «Полнотекстовые базы данных в системе управления знаниями» объемом три авторских листа, который предполагается опубликовать в виде препринта ИКИ РАН.

5.5. Поскольку усовершенствованная версия пакета прикладных программ Greenstone3 в настоящее время находится в стадии разработки, а выпущенная бета версия работает весьма неустойчиво, моделирование было ориентировано на коммерческую версию современного программного пакета AdLib Publisher, являющегося средством создания электронных библиотек AdLib Library, с современными средствами управления контентом и доступа к информации на основе создания визуальной «дорожной карты». Визуальная дорожная карта позволяет пользователю легко переходить из одной релевантной категории к другой, пока искомый документ не будет найден. Программа является уникальным средством, обеспечивающим пользователей эффективным инструментом для работы с кроссплатформенным форматом PDF. AdLib Publisher имеет наилучшие характеристики управления каталогизацией PDF документов, форматирования, конвертации, размещения электронных библиотек в формате PDF в интернет, интранет, на ПК пользователя и на CD по сравнению с другими пакетами. Недостатком программы является ее цена, что ограничивает возможность работы с реальной версией пакета.

- Ермаков Д.М., Раев М.Д., Суслов А.И., Шарков Е.А. Электронная база многолетних данных глобального радиотеплового поля системы океан – атмосфера в контексте задач исследования вариаций климата планеты и атмосферных катастроф // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2005. Том 2. С. 17-22.

- Суслов А. И. Полнотекстовые базы данных в системе управления знаниями. Подготовлено к печати в виде препринта ИКИ РАН.

6. Определение характеристик снежного покрова равнинных территорий севера Евразии, по данным дистанционного зондирования на основе микроволновых моделей.

Проведена оценка однородности данных наземных наблюдений высоты снежного покрова – для крупных регионов севера Евразии: Восточно-Европейской равнины, Урала, Восточной и Западной Сибири, Дальнего Востока (1966-1990 гг.). Разработана структурно-зависимая модель излучательной способности снежного покрова. Уточнены особенности состояния снежного покрова в различных растительных сообществах, поскльку наличие растительности и ее характер является принципиальным фактором при калибровке спутниковых данных для исследований альбедо поверхности.

6.1. Выполнена работа по формированию и накоплению радиотепловых многочастотных и многолетних данных с космического аппарата DMSP (прибора SSM/I) с целью использования этих данных для решения динамических задач вариаций климата планеты и задач дистанционного определения глобальных и региональных характеристик снежного покрова, в том числе определения границы снеготаяния.

Был установлен надежный контакт с GHRC – Глобальным гидрологическим исследовательским центром (США), являющимся основным хранителем всех данных аппаратов серии DMSP. В результате были накоплены данные по F10-F15 аппаратам серии DMSP – за период 1995-2004 гг., в течение которого отмечается активное потепление в пределах Северной Евразии. Общий объем данных составил величину ~ 150 Гб. Одновременно проводились предварительные работы по отработке методики использования накопленных данных. Было разработано программное обеспечение по выделению данных для определенных областей, задаваемых географическими координатами. Для нескольких репрезентативных точек, максимально приближенных к метеорологическим станциям с многолетним непрерывным рядом наблюдений за снежным покровом, были получены соответствующие имеющимся наземным данным многоканальные радиометрические данные приборов SSM/I с F10 и F13 аппаратов DMSP. В качестве первого шага сравнения спутниковых и наземных данных для периода с октября по декабрь 1995 года выявлена синхронность временной динамики спутниковых данных и высоты снежного покрова, степени покрытости территории снегом, приземной температуры воздуха. В настоящее время продолжается регулярное накопление данных, проводятся работы по использованию пакета GREENESTONE для создания базы экспериментальных данных с системой поиска на естественных языках и WEB интерфейсом и ведется совершенствование методики применения этих данных для решения научных задач.

6.2. Проведена оценка однородности данных наземных наблюдений высоты снежного покрова – для крупных регионов севера Евразии: Восточно-Европейской равнины, Урала, Восточной и Западной Сибири, Дальнего Востока (1966-1990 гг.).

При наблюдениях на метеостанциях в зимний период имеют место суточные измерения высоты снежного покрова по постоянным рейкам и декадные маршрутные снегосъемки, в процессе которых измерения высоты снега проводятся через 10 м при длине маршрутов 1-2 км. Как показал анализ, во всех регионах для каждого зимнего месяца высота снега, измеренная на маршрутных снегосъемках, на 2-10 см превышает высоту, измеренную на постоянных рейках. Разница обусловлена учетом в маршрутных снегосъемках ландшафтных особенностей территории и, в частности, изменчивости рельефа и особенностей растительности. При региональных оценках снегозапасов такие различия в результатах наблюдений высоты снега по постоянным рейкам и на снегомерных маршрутах допустимы, поскольку по данным И.Д. Копанева [1978] многолетняя погрешность измерений высоты снежного покрова на маршрутных снегосъемках достигает 4 см для равнинных территорий севера Евразии, а в районах с неустойчивым снежным покровом, на юге Восточно-Европейской равнины и в Казахстане, превосходит 5 см. Для всех регионов выявлена достаточно тесная корреляционная связь между высотой снега, наблюдаемой по постоянным рейкам и высотой снега на маршрутных снегосъемках (0.60-0.85 для разных месяцев). Такая значимая корреляция, а также небольшие различия высот, наблюдаемых по рейкам и на снегомерном маршруте, иллюстрирует изотропность поля снежного покрова и дает основание для использования всего массива данных наблюдений высоты снежного покрова при верификации дистанционных наблюдений.

6.3. Наличие растительности и ее характер является принципиальным фактором при калибровке спутниковых данных для исследований альбедо поверхности. В связи с чем, уточнены особенности состояния снежного покрова в различных растительных сообществах.

Уточнены особенности состояния снежного покрова в различных растительных сообществах. В качестве ключевой территории, с использованием данных 24 метеостанций, исследовано место слияния рек Тобола, Иртыша и Оби (60-90о в.д. и 45-60о с.ш.), где имеются участки с растительными сообществами степей, лиственных лесов и тайги. Выявлено увеличение высоты снежного покрова и продолжительности его залегания от сухих степей к тайге. Вместе с тем, температура воздуха в зимний период в тайге превышает температуру воздуха степных и полупустынных пространств на 1-3 оС, что является следствием различий альбедо – до 30% на открытых пространствах и 12 -15% в тайге. При максимальных снегозапасах, суммарный прирост высоты снежного покрова, полученный при расчете линейного тренда за 1966-1995 гг., составил в тайге всего 0.5 см, что в 6-12 раз ниже, чем на безлесных территориях. Температуры воздуха в тайге имеет наибольший прирост по линейному тренду в сравнении с открытыми пространствами. Если считать более высокие суточные температуры зимнего периода в тайге следствием влияния низкого альбедо, то влияние альбедо может также определять ускоренную здесь многолетнюю тенденцию повышения температур и соответствующую этому сравнительно меньшую скорость многолетнего увеличения снегозапасов.

6.4. Разработана структурно-зависимая модель излучательной способности снежного покрова. На основе предложенной моделеи проведены расчеты радиояркостной температуры снежного покрова на почве с использованием данных гляциологических измерений его физических параметров и микроструктуры. Результаты расчетов сопоставлены с результатами измерений радиояркостной температуры при различных состояниях снежного покрова.

- Д.А. Боярский, В.В. Тихонов. Влияние пространственного распределения влаги и слоистости снежного покрова на его радиояркостную температуру. Препринт ИКИ РАН, Пр-2103, 21 стр., 2004.

- Работа по подтеме выполнялась при поддержке гранта РФФИ № 03-05-64374.

7. Оценка физических процессов и законов, лежащих в основе политических инициатив, осуществление которых может прямо или косвенно привести к воздействию на климат.

За истекший год не была сформулирована ни одна крупномасштабная политическая инициатива, способная оказать воздействие на изменение климата. Мы живем уже несколько лет под влиянием Киотского протокола, но создается впечатление, что время наибольшего внимания к этому протоколу уже прошло. Решение России ратифицировать протокол по существу ничего не изменило в ожидаемых результатах (а они близки к нулевому исходу во многом благодаря отказу США поддержать эту инициативу). Однако, в правящей элите США существуют разные мнения относительно проблем, связанных с изменениями климата.

7.1. Газета «Нью-Йорк Таймс» (7 ноября 2005 г.) опубликовала статью «Когда более чистый воздух оказывается библейским долгом», где говорится, что протестантская церковь США, насчитывающая 30 миллионов прихожан, может стать сторонником принятия закона об уменьшении выбросов углекислого газа. Принятию такого закона в Конгрессе препятствует республиканская партия, которую обычно дружно поддерживают протестанты. Среди протестантского руководства распространяется проект заявления членам Конгресса о поддержке законопроекта, устанавливающего строгий контроль над выбросами углекислого газа. Как утверждает вице-президент Национальной протестантской ассоциации Ричард Чижик, «Бог поместил человека в Эдем, чтобы тот заботился о порядке на Земле. Мы уверены, что наша обязанность заключается в том, чтобы работать на Земле и охранять ее».

По мнению сторонников охраны окружающей среды, давно и безуспешно боровшихся за принятие соответствующего законодательства в США, такая тенденция может оказаться полезной, но пока что все упирается в фигуру влиятельного сенатора Инхофа (республиканец от Оклахомы) – председателя сенатского комитета по окружающей среде и общественным работам. Сам он протестант, но скептично настроен в отношении антропологических причин изменений климата, могущих привести к глобальному потеплению. Инхоф решительно выступает против всяких ограничений на выбросы тепличных газов, считая это обманом американского народа.

7.2. Важнейшим событие конца ноября стало открытие Конференции ООН по изменению климата (СОР-11) в Монреале (Канада), которая должна определить политику на период после 2012 г., когда завершается действие Киотского протокола. Американские представители участвуют в этой конференции, хотя США отказались подписать Киотский протокол и вряд ли пойдут на согласие с любыми следующими соглашениями, накладывающими на США обязательства по сокращению выброса парниковых газов. Позиция США заключается в том, чтобы независимо бороться с сокращением выбросов на основе создания новых технологий и распространения таких технологий в основном мире. Ограничения на уровень выбросов должны распространяться и на развивающиеся страны.

Публикации в американских средствах массовой информации, предшествовавшие открытию СОР-11, иллюстрируют, в основном, американский подход к проблемам изменения климата.

Например, журнал «Ньюсуик» обращает внимание на экспериментальный проект, разрабатываемый в Канаде, где углекислый газ вводится в нефтяные пласты для хранения. Удалось удалить из атмосферы 5 миллионов тонн СО₂. Кроме того, насыщение пластов газом облегчает добычу нефти.

«Нью-Йорк Таймс»(29 ноября) сообщает, что девять северо-восточных штатов США собирались одновременно с началом работы конференции в Монреале объявить о своем плане по совместному контролю над выбросами парниковых газов. Но губернатор штата Массачусеттс попросил продолжить обсуждение порога на уровень выбросов СО₂ от тепловых электростанций (и дальнейшего снижения его на 10%), поскольку принятие такого порога приведет к слишком большому росту цен на электроэнергию.

7.3. «Нью Сайентист» (3 сентября) комментирует решение о создании Азиатско-тихоокеанского партнерства по разработке чистых технологий для климата. В конце июля США, Австралия, Япония, Южная Корея, Индия и Китай объявили о соглашении по разработке более чистых и более эффективных технологий для решения климатических проблем и предоставления их развивающимся странам. Сторонники Киотского протокола приветствовали этот жест (США и Австралия, отказавшиеся подписать протокол, вроде бы исправились). Но европейское содружество заявило, что одних технологий недостаточно для реального сокращения уровня выбросов. Отдельные группы пошли еще дальше – по их словам, это попытка подорвать Киотский протокол странами, наиболее активно пользующимися углем.

Обращается внимание на тот факт, что сейчас (по мнению многих экспертов) уже существуют технологии, способные стабилизировать уровень выбросов. Сотрудники Принстонского университета опубликовали недавно соответствующую стратегию с использованием 15-ти уже проверенных технологий. В их число входят лучшее использование энергии в зданиях, удвоение эффективности топлива в автомашинах, получение большего количества электроэнергии от ветровых генераторов и увеличение вклада от атомных электростанций и т.д.. Согласно приведенным оценкам, содержание СО₂ в атмосфере можно будет стабилизировать на нынешнем уровне к 2050 г.

Преимущество шестистороннего соглашения перед Киотским протоколом заключается в отсутствии чудовищной бюрократии ООН на пути передачи новых технологий от одной страны другой. Заседание шестерки намечено на конец ноября 2005 г.

- к.ф.-м.н., с.н.с. С.Н. Родионов,