Практический пример мониторинга. Выбор элементов индикаторов мониторинга

Ледяной щит Гренландии, один из главных ледников мира, в настоящее время имеет площадь около 1.75х10⁶ км² и объём 2.65х10⁶ км³ (примерно 11 и 8% от поверхности и объема всех ледников). Воды такого объема щите достаточно для подъема уровня моря на 7 м. Для глобального климата большую роль играет мониторинг объема ежегодно возобновляемого и теряемого льда (таяние и айсберги), а также определение многолетней тенденции. В возобновлении льда главную роль играет выпавший за год снег, часть которого переходит в многолетний (фирн), а другая тает летом.

Процесс таяния является примером одного из наиболее нестабильных элементов климатической системы с положительной обратной связью: тающий снег, т.е. смесь снега и воды (обводненный мокрый снег), имеет меньшее альбедо (отражательная способность данной поверхности - отношение потока отраженной радиации поверхностью к потоку падающей солнечной радиации в долях единицы или процента) нежели сухой снег (Таблица 1). Следовательно, поглощение (абсорбция) большего количества солнечной радиации способствует более быстрому дальнейшему таянию и появлению бóльших площадей с меньшим альбедо. Кроме того, образовавшаяся вода (давление насыщения над водой меньше) служит источником водяного пара для формирования облачности, которая при определенных условиях усиливает приток длинноволновой радиации вниз.

Учитывая большую площадь острова и сильную зависимость скорости таяния от окружающей температуры можно предположить, что относительная площадь тающего снега может быть использована в качестве индикатора в мониторинге глобальных изменений климата и стабильности ледового щита. Действительно, оценки [1] показывают, что при наклоне поверхности острова 0.4⁰ и периметре таяния 3300 км, а также принимая во внимание, что падение температуры с высотой происходит согласно адиабатическому градиенту 0.6⁰С/100м, увеличение температуры воздуха на 1⁰ С даст увеличение площади таяния в 79000 км².

Несмотря на возможную чувствительность этого интегрального индикатора применить его, основываясь на наземных наблюдениях, невозможно, поскольку неблагоприятные условия климата, пространственный масштаб явления, вариации регионального температурного режима, влияющие на изменения в положении границы тающего снега в течение сезона требуют огромных затрат на обеспечение регулярной сети мониторинга.

Таб. 1 Суммарное альбедо различных поверхностей (Матвеев, 1984 (3) с изменениями)

Поверхность	Альбедо	Поверхность	Альбедо	Поверхность	Альбедо
Свежий сухой снег	0.80-0.90	Сухая светлая песчаная обнаженная почва (ОП)	0.25-0.45	Сухая степь (влажный период)	0.20-0.30 0.18
Чистый влажный снег	0.60-0.70	Сухие глинистая или серая ОП	0.20-0.45	Луг	0.15-0.25
Загрязненный снег	0.40-0.50	Влажная серая ОП	0.10-0.20	Тундра	0.15-0.20
Морской лед	0.30-0.40	Темная ОП	0.05-0.15	Лес лиственный	0.15-0.20
Вода: при угле падения лучей 90,50,20, 5^о, <5	0.02, 0.04, 0.12, 0.35, до 0.70	Поля ржи, пшеницы картофеля, хлопка	0.1-0.25 0.15-0.25 0.20-0.25	Лес хвойный	0.10-0.15

Когда прямые полевые измерения определенного элемента окружающей среды невозможны, или затруднены — требуется одновременный охват большой территории (температура поверхности океана, площадь лесных пожаров, облачность, растительный покров), то обычно прибегают к спутниковым детекторам (пассивным и активным). Эти используют какие-либо косвенные параметры, такие как энергия излучения поверхности в различных диапазонах волн, ослабление сигнала в атмосфере и т.д. и дают оценки величины элемента или площади, занимаемой процессом.

В случае мониторинга сезонных и межгодовых вариаций площади таяния снега [1] удобно использовать следующее:

1) величина микроволнового пассивного излучения на частотах свыше 10 ГГц сильно изменяется при формировании жидкой фазы на поверхности твердой фазы воды;

2) микроволновое излучение способно проникать сквозь облачность (по крайней мере не полностью отражаясь или поглощаясь);

3) Арктический регион хорошо освещен полярно-орбитальными метеорологическими и природоресурсными спутниками NOAA, Landsat. В данном случае использовались американские такие как Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) F-8-F1 c микроволновым датчиком Special Sensor Microwave Imager (SSM/I), на борту);

4) в течении ряда лет на границе щита проводились наблюдения швейцарской гляциологической экспедиции, позволявшие сравнивать (калибровать) прямые (радиационный баланс, температура, процентное содержание воды в снеге) и косвенные наблюдения (излучение поверхности) в отдельных точках.

В [1] для успешного детектирования фазового состояния фирна использовали следующие физические эффекты: изменение свойств отражаемости (яркостной температуры Т_я) при наличии воды в микроволновом диапазоне больше для низких частот (19 ГГц), чем для высоких частот (37 ГГц); при появлении воды меняются поляризационные характеристики излучения, трансформируя соотношение между горизонтальной H и вертикальной составляющей V излучения (она возрастает меньше при появлении воды на фиксированной частоте).

Предложено измерять следующее нормализованное кросс-поляризационное соотношение К= (Т_я(19H)- Т_я(37V))/ (Т_я(19H)+ Т_я(37V)). Получив затем значение порога К, при котором наблюдалось таяние в пунктах измерений на поверхности (подробности метода опускаем) в ежедневных изображениях были определены пиксели (pixel picture element), в которых хотя бы раз наблюдалось К выше пороговой, т.е. таяние. Таким образом, удалось определить частоту площадей охваченным таянием в месяц, сезон (июнь-август) данного года (Рис. 1.2) и суммарную картину за 15 лет (1978-1994). Хотя площади, охваченные таянием колебались из года в год (Рис. 1.3), общая тенденция, продолжавшаяся до 1991 года, показывала, что идет как увеличение площадей таяния примерно на 4.4 % в год, так и общий рост температуры у поверхности.

Однако в 1992 площади резко уменьшились. Это возможно объяснить извержением Пинатубо (Mnt. Pinatubo), произошедшим в 1991 году. В результате в атмосферу было выброшено значительное количество аэрозоля, который изменил её прозрачность и уменьшил количество солнечной радиации, поступающей на поверхность. Затем рост как аномалий температуры, так и площадей тающего снега за год продолжился снова.

Вопросы и задания.

На основе лекции и п.1.4 ответьте на вопросы:

1) Какой масштаб и метод мониторинга описан в п.1.4, каков объект?

2) Какой индикатор состояния объекта, чем объяснить его выбор? Почему в данном случае привлекательны спутниковые наблюдения?

4) Как меняется альбедо снега при таянии?

5) Почему при обводнении поверхности снега поглощение энергии увеличивается?

6) Где и почему выше альбедо снежной поверхности: в городе, пригороде или сельской местности?

7) Как может влиять период осреднения данных на выявление тенденций в геосистеме (в данном случае площадей таяния ледника)?

8) Что представляет из себя величина аномалии температуры на рис 1.3, какова её тенденция в градусы в год?

9) Оцените величину периода (в годах) характерных колебаний температуры и площадей на рис. 1.3

10) Используя данные таблицы 1, рекомендуйте процедуру оценки видового состава леса в со спутников

11) Сделайте график приблизительного ход величины альбедо поля с посевами озимой пшеницы, расположенного на юге нашей области (график альбедо/месяц).

Литература.

(1) Abdalati, W., and Steffen, K., 1997: Snowmelt on Greenland ice sheet derived from passive microwave satellite data. J. of Climate, v. 10 (2), p.165-175

(2) Афанасьев Ю.А., Фомин С.А., Меньшиков В.В., 2001: Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Учебное пособие. Часть 2. МНЭПУ, 335 с.

(3) Матвеев, Л. Т., 1984: Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984. 751 с.

Дата добавления: 2014-01-05