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»