Итоговый отчет по гранту No (17-05-00768)
«Исследования изменений климатических параметров Земли в последние десятилетия на основе анализа спектров уходящего теплового ИК излучения»
Руководитель: Тимофеев Юрий Михайлович

Реферат
Проект направлен на изучение изменений климатических параметров Земли в последние десятилетия путем анализа спектров уходящего теплового ИК излучения системы атмосфера-поверхность, измеренных спутниковыми Фурье-спектрометрами SI-1 (1977–1979 гг.), и ИКФС-2 (2016–2018 гг.), функционировавших на спутниках «Метеор». Осуществлены сравнения экспериментальных и расчетных спектров уходящего излучения и получен средний спектральный тренд излучения примерно за 40 лет измерений. Проанализированы статистические характеристики спектров уходящего излучения и информативность приборов SI-1 и ИКФС-2. Осуществлены первые в мире спутниковые измерения общего содержания углекислого газа в 1977-1979 годах с помощью интерпретации измерений прибором SI-1 и показано их соответствие наземным измерениям. Изучена сложная спектральная структура радиационных возмущений в полосе СО2 – рост уходящего излучения в центре полосы и уменьшение его в средней части и крыльях полосы СО2 при 15 мкм. Приведены количественные оценки радиационных возмущений атмосферы за счет роста содержания СО2 в различные временные периоды и прогнозы их изменений в будущем с использованием простых климатических моделей. Проанализированы климатические изменения средней температуры поверхности Земли за 40 лет с использованием простых климатических моделей. За указанный период средняя температура поверхности должна была увеличиться на 0.38-0.66 К в различные сезоны и на разных широтах земного шара. Разработан новый спутниковый метод измерений локальных радиационных возмущений земной атмосферы за счет углекислого газа.

Введение
В последние десятилетия наблюдается рост среднеглобальной приземной температуры атмосферы, повышение уровня мирового океана, сокращение полярной северной шапки, таяние ледников, рост числа погодных стихийных событий, усиление гидрологического цикла и т.д., демонстрирующие изменения климата Земли. Кроме того, изменения в содержании малых газовых и аэрозольной составляющих атмосферы оказывают существенное влияние на слой озона, в частности, привели к его истощению в 80-90-х годах прошлого столетия, и, как следствие, изменению радиационных свойств атмосферы и УФ освещенности земной поверхности. Основными причинами указанных изменений являются (по результатам численного моделирования) рост содержания парниковых газов (углекислого газа, метана и т.д.), что ведет к изменениям радиационных свойств атмосферы и радиационному нагреванию нашей планеты, а также рост содержания озоноразрушающих газов, влияющих на озонный слой). Проблемы изменений климата Земли чрезвычайно важны для России, так как эти изменения особенно интенсивны в полярных и субполярных районах северного полушария. Спектры уходящего теплового излучения системы атмосфера-поверхность несут в себе информацию как об изменениях физических и химических параметров атмосферы, так и о реакции на эти изменения, в частности, изменения в самом уходящем излучении. 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 (2006-2018 гг.), позволят получить новую информацию о динамике климатических изменений на нашей планете.
Сравнительный анализ спутниковых измерений спектров уходящего теплового ИК излучения, начатый в 80-90-х годах прошлого столетия, позволяет исследовать климатические изменения, наблюдающиеся на нашей планете (например, изменения калиброванных измерений уходящего теплового излучения, проведенных в течение нескольких десятилетий). Наши исследования в рамках гранта РФФИ впервые используют измерения уходящего излучения, осуществленные на советских и российских спутниках «Метеор» в 1977-1979 и 2016-2018 гг. Эти исследования впервые систематически анализируют измерения спектров уходящего теплового излучения фурье-спектрометрами SI-1, осуществлённые в 1977 и 1979 гг. и ИКФС-2 в 2016-2018 гг., как возможные источники информации о трендах уходящего теплового ИК излучения и газового состава атмосферы.

Основная часть отчета о НИР
В процессе совместного исследования данных спектрометров SI-1 (1977–1979 гг.), и ИКФС-2 (2016–2018 гг.), функционировавших на спутниках «Метеор», были получены следующие результаты:
– Разработаны новая методика и программное обеспечение для согласования спектрального разрешения измерений приборами SI-1 и ИКФС-2. Показана высокая точность используемой методики - методическая погрешность пересчета не превышает уровень радиометрического шума в сопоставляемых измерениях.
– Проведено согласование спектральных разрешений приборов SI-1 и ИКСФ-2, необходимое для сравнения спектров.
– Выполнена взаимокалибровка измерений приборами SI-1 и ИКФС-2 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.
– 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
– 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.
– Проанализированы яркостные температуры уходящего ИК излучения и их изменчивость в полосах поглощения парниковых газов. Показано, 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. Этот эффект связан с увеличением содержания в атмосфере углекислого газа и вызванным этим подъемом излучающих слоев атмосферы в области тропосферы с меньшей температурой.
– 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. 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.
– Впервые в мире получены спутниковые данные об общем содержании 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. За рассматриваемый период по данным спутниковых измерений в 1977–1979 гг. и 2016–2018 гг. содержание СO2 увеличилось на 50–60 ppm.
– 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.
– 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.
– 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 0.38-0.66 К в различные сезоны и на различных широтах земного шара. Независимые данные оценок РВ приводят к близкой, но несколько завышенной оценке - цифре приращения температуры поверхности в 0.72-0.77 К.
– 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%.
Как показали проведенные численные исследования, информативность измерений уходящего теплового излучения в полосе 1300 см-1 прибором SI-1 относительно содержания метана очень низкая. Это обусловлено относительно высокими погрешностями измерений уходящего теплового излучения в области полосы поглощения метана и значительным влиянием на уходящее излучение неопределенностей задания вертикальных профилей температуры. Так, сравнения естественных вариаций излучения в этой полосе, обусловленных вариациями содержания метана и неопределенностями задания вертикального профиля температуры, с величиной случайных погрешностей измерения показали, что отношение сигнал/шум составляют 5-10, что не позволяет восстанавливать общее содержание метана с требуемой точностью для определения долговременных трендов в содержании метана.

Заключение
В результате выполнения проекта все поставленные задачи выполнены полностью, а именно:
– спектры уходящего теплового ИК излучения системы атмосфера-поверхность, измеренные спутниковыми Фурье-спектрометрами SI-1 (1977–1979 гг.), и ИКФС-2 (2016–2018 гг.), приведены к виду, необходимому для сравнений, создан их архив;
– проведены сравнительные исследования статистических характеристик, информативности измерений, изменчивости уходящего ИК излучения в полосах поглощения парниковых газов для спектров, измеренных приборами SI-1 и ИКФС-2;
– определено впервые в мире общее содержание (ОС) СО2 по спектрам уходящего теплового излучения, измеренным прибором SI-1, методом искусственных нейронных сетей;
– показана малая информативность измерений уходящего теплового излучения в полосе 1300 см-1 прибором SI-1 относительно содержания метана, что не позволяет определять общее содержание метана с требуемой точностью для определения долговременных трендов в содержании метана.
В связи с невозможностью определения общего содержания метана, дополнительно получены количественные оценки радиационных возмущений (РВ) атмосферы за счет CO2 в различные временные периоды и представлены прогнозы их изменений в будущем, проанализированы климатические изменения за 40 лет, разработан новый спутниковый метод измерений локальных РВ за счет углекислого газа и проанализированы его погрешности.