Как наблюдают за климатом

В доступной широкому кругу читателей форме рассказывается о климате Земли — особенностях его формирования и методах изучения, современном состоянии и вероятных изменениях в ближайшем будущем. Обсуждаются также последствия глобального потепления и возможность человека воздействовать на эти изменения.

Вернуться в раздел «О климате»

Как наблюдают за климатом

Климатология, как и другие связанные с ней научные дисциплины, находится в полной зависимости от количества и качества наблюдений за климатом нашей планеты. Именно по результатам измерений мы судим о климате прошлого и настоящего в разных уголках земного шара, о его реальных изменениях, строим предположения, каким он станет в будущем — ближайшем и отдалённом. При этом с каждым годом нам требуется все больший объем информации. С одной стороны, это связано с тем, что чем продолжительнее ряд наблюдений, тем надёжнее статистические оценки и выводы, полученные при обработке такого ряда. С другой стороны, для описания текущего состояния климата (и для большинства прочих, в том числе модельных, исследований в этой области) необходима точная оперативная информация о возможно большем числе климатических параметров. Математическое моделирование — едва ли не главное направление в современных исследованиях климата. Постоянное совершенствование моделей обычно сопряжено с увеличением их детализации, а следовательно, возрастает потребность в более подробных сведениях о значениях метеорологических и климатических элементов.

Измерения таких элементов на более или менее широкой сети наземных станций начались около 150 лет назад. Уже почти столетие с этой целью используются аэростаты и радиозонды, а спутниковые данные поступают с 1970-х годов, причём согласие данных, полученных с разных спутников, до сих пор не вполне удовлетворительно. Архивы климатических элементов формируются путём сбора, систематизации, проверки (контроля) и обработки данных, полученных из вышеперечисленных источников. Эти данные часто представляются в виде так называемых ре-анализов, когда результаты измерений в отдельных географических точках включаются в трёхмерную модель общей циркуляции атмосферы с целью получить проинтерполированные и «сглаженные» моделью во времени и в пространстве метеорологические величины в узлах географической сетки и осреднённые по времени. Эти данные, разнесённые по времени и регионам, образуют временные ряды элементов климата — предмет изучения климатологов. Такие ряды используются во многих сферах — научных, хозяйственных, социальных, в природопользовании, и этим занимается специальная наука — прикладная климатология.

Приземные наблюдения проводятся на обширной сети стационарных метеорологических станций. Сеть постоянно действующих метеорологических станций оснащена по возможности унифицированными приборами для измерения основных метеорологических величин (температуры воздуха и почвы, влажности воздуха, атмосферного давления, скорости ветра, количества осадков), а также наблюдения за явлениями погоды. Работает сеть по единой методике измерений.

Такие сети начали создаваться в XIX веке. В России к 1872 году усилиями тогдашнего директора Главной физической обсерватории Г. И. Вильда была организована сеть из 73 станций. До этого времени наблюдения за погодой велись лишь отдельными энтузиастами, чаще всего учителями гимназий и сельских школ, священниками. В настоящее время всемирная метеорологическая сеть включает многие тысячи станций.

В России в настоящее время насчитывается 1 628 пунктов наблюдений. Они составляют Государственную наблюдательную сеть. Именно эта сеть поставляет основную часть первичной метеорологической информации — основы для изучения климата у поверхности Земли. Внутри Государственной наблюдательной сети выделяют сети с рядами выборочных станций: реперную сеть (458 станций), опорную климатическую сеть (235 станций) и глобальную сеть наблюдений за климатом (135 станций). Реперная сеть состоит из лучших станций, имеющих наиболее длинные и однородные ряды данных наблюдений и являющихся репрезентативными, т. е. такими, на которых отсутствуют сильно выраженные и своеобразные местные влияния. Данные наблюдений на таких станциях дают представление об общем положении в большом районе. Реперные станции не подлежат закрытию и переносу.

На большей части российских станций (253 станции) длина рядов данных наблюдений составляет более 50 лет, а на 44 станциях — превышает 100 лет. Опорная сеть — это набор минимального числа реперных станций, данные наблюдений на которых позволяют определить надёжные климатические нормы и составить общее представление о климате страны и его изменениях.

Данные, полученные на глобальной сети наблюдений за климатом, подлежат международному обмену и помещаются в Интернете. Они используются при исследованиях глобального климата и его изменений. В глобальной сети наблюдений за климатом станции распределены по территории сравнительно равномерно, чего нельзя сказать о всемирной метеорологической сети станций. Большинство из них сосредоточено на густонаселённых территориях высокоразвитых стран. Небольшое число станций в полярных, горных и океанических районах не обеспечивает возрастающие потребности метеорологической науки и практики, поэтому существует необходимость в разработке других способов получения информации из этих районов.

Многие читатели наверняка видели метеорологические площадки. В центральной части площадки располагается так называемая психрометрическая будка, в которой на высоте 2 м находятся термометры для измерения температуры воздуха и психрометр для измерения влажности (а также самописцы — термограф и гигрограф). Над площадкой, на высоте до 10 м, располагается флюгер и (или) анеморумбограф для измерения скорости и направления ветра. Осадки собираются в ведро с защитой от выдувания и измеряются осадкомером. На столбике устанавливается самописец осадков — плювиограф в белом цилиндрическом корпусе. На небольшой площадке с взрыхлённой поверхностью помещаются термометры для измерения температуры почвы.

До 1936 года основные наблюдения проводились три раза в сутки (в 7, 13, 21 ч по местному солнечному времени (времени данного часового пояса)), а в период с 1936 по 1966 год — четыре раза в сутки (в 0, 7, 13, 19 ч). Сегодня такие наблюдения осуществляются восемь раз в сутки в сроки, кратные трём (0, 3, 6, 9 ч и т. д. по московскому декретному времени). Наблюдатель выходит на площадку и снимает показания термометров, фиксирует скорость и направление ветра по флюгеру (используется также анеморумбограф — самописец, показания которого снимаются с экрана внутри помещения метеостанции) и определяет визуально форму и количество облаков, дальность видимости, а также отмечает характер погоды и атмосферные явления (туман, грозу, шквал, метель, пыльную бурю и др.), если они возникли. Количество осадков измеряют реже, всего два раза в сутки. Для этого, заменив дождемерное ведро, переливают собранные осадки в мерный стакан в помещении.

Состояние площадки и приборов на ней, правильность наблюдений и их записи выборочно, время от времени, проверяются инспекторами в методическом отделе Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова. Здесь же проходят поверку метеорологические приборы и разрабатываются методические указания (Наставления гидрометеорологическим станциям и постам по производству наблюдений).

Дальнейшее совершенствование измерительной метеорологической техники идёт по пути создания автоматических измерителей метеорологических элементов, объединённых в одном комплексном приборе. Такие станции уже работают во многих труднодоступных пунктах Российской Федерации без непосредственного участия человека. В развитых странах на метеостанциях и в крупных аэропортах используются автоматические приборы для измерения всех метеорологических элементов.

Результаты ежедневных метеорологических наблюдений на станциях кодируются и передаются во Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации — Мировой центр данных (ВНИИГМИ — МЦД) в городе Обнинске под Москвой. Часть данных публикуется в метеорологических ежемесячниках. Аналогичные ежемесячники и ежегодники издаются и по зарубежной территории. В последнее время метеорологические данные мировой наблюдательной сети станций помещаются в Интернете. При использовании этих материалов следует учитывать различия в сроках и единицах измерения метеоэлементов в разных странах. Так, атмосферное давление измеряется в гектопаскалях, миллиметрах ртутного столба или дюймах, температура — в градусах Цельсия или Фаренгейта и т. д. Даже долгота станций не во всех странах определяется одинаково: встречаются отсчёты долготы не от гринвичского меридиана, а от Парижа и Мадрида.

В программу работ ряда метеорологических станций входят актинометрические наблюдения (наблюдения за лучистой энергией Солнца). В России такие наблюдения проводятся сейчас на 186 станциях. В Главную геофизическую обсерваторию как в Мировой центр сбора актинометрических данных поступает информация о солнечной радиации с мировой актинометрической сети станций.

Система аэрологических наблюдений, в задачу которой входит вертикальное зондирование атмосферы (измерения на разных высотах), включает ряд пунктов радиозондирования. Радиозонд был изобретён в 1920-х годах сотрудником Главной геофизической обсерватории П. А. Молчановым, и с этого времени началось создание сети аэрологических станций. По аэрологическим данным рассчитываются климатические характеристики для различных уровней атмосферы, которые затем используются при анализе климата приземного слоя воздуха и более высоких слоев.

Аэрологическая сеть России в доперестроечный период насчитывала более 150 станций, наблюдения на некоторых из них проводились четыре раза в сутки. Сейчас сеть сократилась (число станций немногим превышает 100), и измерения осуществляются один раз в сутки. Глобальная аэрологическая сеть наблюдений за климатом включает около 150 станций, сравнительно равномерно расположенных по территории Земли. В их число входят 10 аэрологических станций на территории РФ и два принадлежащих России пункта в Антарктике. К сожалению, эта сеть не в полной мере отвечает требованиям обнаружения климатических изменений в свободной атмосфере (т. е. выше пограничного слоя Земли), особенно на севере и северо-востоке России.

В некоторой степени этот пробел восполняют спутниковые наблюдения, которые позволяют ежедневно получать весьма обширную (миллиарды бит) качественно новую информацию. Главными достоинствами спутниковой информации являются её глобальность и уникальность. Например, сведения о радиационных процессах на границе атмосферы могут быть получены только со спутников.

В оперативной спутниковой системе наблюдений за окружающей средой используются спутники двух видов: 1) спутники, движущиеся по низко расположенным (на высоте от 600 до 1 500 км над Землёй) орбитам, проходящим вблизи полюса; 2) геостационарные спутники.

(Геостационарные спутники выводятся на круговую стационарную орбиту в экваториальной плоскости с высотой около 36 тыс. км и вращаются с угловой скоростью Земли с запада на восток. С Земли такой спутник кажется неподвижно висящим над определённой точкой земной поверхности.)

Спутники первого вида над любым районом находятся примерно в одно и то же время. Аппаратура, установленная на этих спутниках, позволяет получать снимки достаточно большого разрешения: эти снимки охватывают на местности полосу около 1 000 км, в некоторых случаях можно разглядеть даже движущуюся машину.

Геостационарные спутники позволяют обеспечивать почти непрерывные наблюдения за участками земного шара, находящимися в их зоне видимости. Однако снимки с этих спутников имеют гораздо меньшее разрешение (видны только крупные особенности земной поверхности).

Со спутников ведётся телевизионная, инфракрасная, микроволновая, радарная и лазерная съёмка. В результате может быть непосредственно получена информация об облачности, снежном и ледяном покрове, температуре, влажности, отражательной способности почвы, компонентах радиационного баланса Земли и атмосферы, эволюции туманов, дрейфе айсбергов. Новые косвенные методы позволяют по спутниковой информации определить многие производные характеристики, например осадки и ветер, вертикальное распределение температуры и влажности.

Система метеорологических спутников Земли в 2004 году

Рис. 4. Система метеорологических спутников Земли в 2004 году.

На рис. 4 изображена существовавшая в 2004 году система метеорологических спутников Земли, состоявшая из восьми геостационарных спутников (США, России, Индии, Японии, Китая и Европейского космического агентства и полярных спутников США и России).

В России к настоящему времени не осталось спутниковых систем, результаты измерений с которых можно было бы использовать для наблюдения за климатом. Решение этой задачи в основном осуществляется спутниками США и ЕС, но два российских геостационарных спутника готовятся к запуску.

Дополняет атмосферный мониторинг система радиолокационных наблюдений (наблюдения с помощью метеорологических радиолокаторов), поставляющая сведения о полях облачности и связанных с ними явлениях погоды (гроза, град, ливневые осадки и др.) в радиусе до 300 км. В нашей стране функционирует более 100 радиолокационных станций в окрестностях аэропортов и больших городов. По полной программе наблюдения проводятся восемь раз в сутки или чаще (при штормовых ситуациях). В результате обработки и анализа первичной радиолокационной информации получают карты облачности и явлений погоды, на которых отмечаются горизонтальные размеры облачных полей и вертикальная мощность облаков, направление и скорость перемещения облачных систем, грозовые явления.

Важные сведения о состоянии нижнего слоя тропосферы позволяют получить также наблюдения, организуемые на различных высотных сооружениях (мачтах, вышках, башнях). Впервые такие наблюдения были организованы в 1908 году в Париже на Эйфелевой башне. В России одной из наиболее высоких является Останкинская телебашня в Москве (536 м), на которой метеорологические измерения производятся на восьми уровнях (от 15 до 503 м). Аналогичные наблюдения проводятся в Обнинске (высота башни 310 м), в Хабаровске, Иркутске и Новосибирске. На таких высотных сооружениях регистрируются температура, влажность воздуха, скорость и направление ветра.

В ряде стран получил распространение метод горизонтального зондирования атмосферы с помощью аэростатов (трансзондов), переносимых ветром на одной заданной высоте. Научная аппаратура аэростатов состоит из приборов, позволяющих измерять атмосферное давление, плотность и температуру воздуха, электрическое поле, содержание озона и других примесей. Важным достоинством трансзондов является возможность с их помощью изучать направление и скорость воздушных течений. В США и Франции разработаны специальные программы массовых запусков аэростатов совместно с искусственными спутниками Земли.

Упомянем также о наблюдениях, ведущихся в океане с борта судов, а также с использованием дрейфующих буев-измерителей для мониторинга состояния Мирового океана и для долговременного прогноза погоды (международный проект ARGO, стартовавший в 2000 году).

Для изучения климата результаты всех видов метеорологических наблюдений обобщаются. Сначала вычисляются средние месячные и годовые значения метеорологических величин и подсчитывается число случаев различных атмосферных явлений. Данные наблюдений за многолетний период подвергаются климатологической (статистической) обработке. Рассчитываются средние многолетние значения метеорологических величин, характеристики их изменчивости и динамики (средние квадратические отклонения, корреляционные и спектральные функции и др.), составляются их одномерные и многомерные статистические распределения у поверхности Земли, в почве и на различных высотах в атмосфере. Эту информацию помещают в климатические и агроклиматические справочники. Такая обобщённая информация используется для исследования климата, его изменений и проверки моделей климата.

Систематические обобщения результатов радиолокационных и спутниковых наблюдений отсутствуют, несмотря на то что накоплен и хранится большой объем материалов наблюдений. Тем не менее выполнен ряд научных работ по данным этих наблюдений, например построены карты облачности по миру, ледовых полей в Арктике, полей осадков и др.

Обратимся теперь к мониторингу факторов, формирующих климат. Наблюдения за такими факторами и их анализ приобретают в настоящее время особое значение, так как их состояние и изменения определяют характер и время ожидаемых изменений климата атмосферы в целом, и в частности вблизи земной поверхности. Ранее мониторинг некоторых из наиболее важных факторов (содержания основных парниковых газов в атмосфере, температуры поверхности океана, радиационных свойств подстилающей поверхности) вообще не проводился. Наблюдения за солнечной радиацией и аэрозольной мутностью атмосферы проводились на ограниченном числе станций, их результаты мало использовались в климатических исследованиях. Время от времени предпринимались экспедиционные обследования материковых и горных ледников и лишь недавно начались измерения площади снежного покрова морских льдов в Арктике и Антарктике.

В последние десятилетия были созданы службы и системы измерений количественных характеристик основных климатоформирующих факторов, а также центры по сбору и анализу результатов. Международная сеть наземных станций по измерениям содержания парниковых газов в настоящее время включает в себя станции разного «класса» — от крупных обсерваторий до пунктов отбора проб приземного воздуха в специальные сосуды с последующим измерением содержания в них парниковых газов (производимым централизованно в лабораториях и обсерваториях). На таких станциях, расположенных на разных широтах, но в основном на островах в океане и на побережьях материков, измерения производятся два-три раза в неделю или ежедневно. Их результаты часто осредняются по месячным и сезонным периодам, направляются в банки данных и публикуются в специальных отчётах (например, отчётах CMDL — Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, США). На многих станциях измеряются также мутность атмосферы (количество аэрозолей), потоки радиации, общее содержание озона и других газов, влияющих на потоки радиации в атмосфере.

Измерения на наземной сети производятся с 1960–1970-х годов, и к настоящему времени образованы уже 40—50-летние ряды данных. С конца 1970-х и в 1980-е годы начаты измерения содержания озона в столбе атмосферы и концентраций ряда радиационно активных примесей почти во всей глобальной атмосфере с помощью различных дистанционных приборов, установленных на специальных спутниках. По сравнению с рядами данных наземных станций эти ряды данных короче, точность их обычно ниже, но зато получается почти глобальный охват всей поверхности Земли, и прежде всего океанов и полярных областей.

С помощью спутников измеряются также радиационные характеристики атмосферы и подстилающей поверхности Земли, и в частности альбедо, потоки коротковолновой и длинноволновой радиации на разных уровнях атмосферы. Особое значение имеет спутниковая информация о состоянии и изменениях таких частей климатической системы, как поверхность морей и океанов, материковые и горные ледники. В настоящее время удаётся измерять со спутников изменение площади и, главное, высоты поверхности ледников. Это позволяет определять, например, баланс массы льда Гренландии, районы её роста в середине острова и таяния на его берегах, объем талой воды, поступающей в Мировой океан.

Наземных и спутниковых данных часто не хватает для анализа и исследований влияния климатоформирующих факторов на метеорологические и климатические характеристики в отдельных регионах и частях атмосферы. Особенно невысоким является качество измерений в нижней атмосфере при наличии облачного покрова, препятствующего надёжным дистанционным наблюдениям со спутников. Поэтому проводятся программы измерений в отдельных регионах высоких и низких широт в тропосфере и нижней стратосфере специальными приборами, установленными на исследовательских самолётах и аэростатах, а также на судах. В некоторых самолётных программах используются автоматические приборы, размещённые на коммерческих самолётах, выполняющих регулярные продолжительные рейсы между материками. Тогда собирается информация на отдельных трассах за периоды в несколько лет, что повышает её ценность.

При анализе собранной из разных источников информации о характеристиках климата и климатоформирующих факторах возникают проблемы определения изменения этих характеристик в пространстве и, особенно, во времени, а также надёжности этих определений на фоне погрешностей измерений. Такие погрешности имеют два источника: погрешность измерительного прибора (или комплекса приборов) и погрешности определения самой характеристики как средней величины отдельных измерений климатического элемента по некоторому пространству и промежутку времени. Здесь важно установить, представляют ли полученные статистические характеристики стационарный процесс, и если нет, то какова скорость (величина тренда) их изменений и насколько надёжно (не случайно) эта скорость определяется.

Большинство временных рядов данных измерений элементов климата и, особенно, климатоформирующих факторов коротки. Измерения начались относительно недавно. Недавно, с 1970–1980-х годов, начались и заметные изменения климата. В то же время хорошо известно, что надёжность анализа временного ряда тем выше, чем он длиннее. Поэтому для получения достоверных характеристик имеющихся рядов наблюдений приходится использовать специальные приёмы современной статистики.

Накопленная информация во всем её многообразии позволяет более или менее полно судить о состоянии климата в настоящем и недалёком прошлом. Однако, разумеется, даже используя всю эту информацию, мы не можем ответить на вопрос о том, как будет меняться климат в будущем. Единственным инструментом, позволяющим оценить вероятные грядущие изменения климата, являются климатические модели. И от качества таких оценок, а главное, от выводов, сделанных на их базе, зависит, в каком направлении будут развиваться мировая политика и экономика (вспомните бурную полемику, развёрнутую вокруг подписания Киотского протокола, ограничивающего выбросы в атмосферу парниковых газов), а также здравоохранение, комплекс природоохранных мероприятий и т. д.


Вернуться в раздел «О климате»


 

Лесной огород / В книге кандидата биологических наук рассказывается о наиболее важных и широко распространённых лесных съедобных растениях. Приводятся способы употребления их в пищу: в свежем виде, в виде соков, салатов, супов, чая. Значительное внимание уделяется рациональному использованию этих растений, их расшиЛесной огород
В книге кандидата биологических наук рассказывается о наиболее важных и широко ...
Гуманизация идеологии и введение в инженерно-экономическую экологию / Для широкого круга читателей. Благодаря доступному изложению на конкретных примерах взаимодействия с природной средой можно наметить пути по эколого-экономическому и социально-оздоровительному благополучию, а так же упование на нравственное совершенствование людей, ибо речь идёт о включении нравствеГуманизация идеологии и введение в инженерно-экономическую экологию
Для широкого круга читателей. Благодаря доступному изложению на конкретных ...
The Seasons of Cumberland Island (A Wormsloe Foundation Nature Book) / Book DescriptionCumberland Island is the largest and most beloved of the Georgia barrier islands. Although it can be reached only by boat, more than forty thousand people make the trip each year to enjoy the island’s natural splendor and solitude. As on most barrier islands, human activity has long The Seasons of Cumberland Island (A Wormsloe Foundation Nature Book)
Book DescriptionCumberland Island is the largest and most beloved of the Georgia barrier islands. Although it can be reached only by boat, more than ...