Концепция создание комплексной системы подспутникового мониторинга параметров атмосферных компонентов

Плюснин И.И., Бушмелева К.И., Ельников А.В., Чайковский А.П., Бушмелев П.Е. КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ПОДСПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Создание комплексной системы дистанционного мониторинга атмосферы на основе координированных спутниковых и наземных сетевых измерений параметров атмосферных компонентов (газового и аэрозольного состава) на пространстве СНГ для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач.

1. Состояние проблемы

Мониторинг параметров атмосферных компонентов, контроль процессов крупномасштабного переноса загрязнений в атмосфере является необходимой предпосылкой для решения глобальных проблем экологии и изучения изменений климата. Именно в атмосфере распространение загрязнений происходит наиболее быстрым образом и локальные катастрофы приобретают глобальный характер.

Создание глобальной системы мониторинга атмосферных компонентов является приоритетной задачей для международного научного сообщества. Ее формирование осуществляется посредством координации измерений региональных наблюдательных сетей и интеграции информационных баз данных в рамках ряда международных соглашений и научных программ. Технологии дистанционного зондирования играют ключевую роль в развитии системы мониторинга атмосферы. При проведении комплексных экспериментов по исследованию крупномасштабных изменений в атмосфере и переносу загрязнений они обеспечивают основной объем информации об атмосферных примесях. Размещение дистанционных приборов на космических аппаратах и формирование наземных сетей дистанционного зондирования являются основными и взаимодополняющими направлениями решения проблемы глобального мониторинга атмосферы.

Ряд последовательно совершенствующихся космических систем дистанционного зондирования (TOMS, SAGE, MODIS, GOME, SCIAMACHY, и др.), в том числе космические лидары (LITE, CALIPSO), обеспечивают получение оперативных данных о широком перечне параметров аэрозольной и газовых компонентов атмосферы Земли.

Быстро развиваются наземные сети дистанционного зондирования атмосферы. Они являются составной частью программы WMO Global Atmosphere Watch (GAW). В частности, в рамках системы GAW эффективно действуют озонометрическая сеть контроля состояния озонового слоя и сеть наблюдений стратосферных изменений. Недавно создана и быстро расширяется глобальная сеть контроля параметров аэрозоля Aerosol Robotic Network (AERONET) посредством солнечных сканирующих спектральных радиометров.

Как основное средство для мониторинга высотного распределения компонентов атмосферы используются лидары. Растущее внимание Мирового сообщества к проблемам глобальной экологии и развитие лидарных технологий стали предпосылками для формирования лидарных сетей. Лидарные системы [1] для исследования озона и аэрозоля в стратосфере составляют основу сети NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change). В 2000г. создана European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET). EARLINET обеспечивает координированную работу более 20 лидарных станций в регионе Европы. Лидарные исследования в Южно-Азиатском регионе выполняются Asian Dust Network (AD-Net).

В 2004-07гг. рядом организаций Беларуси, России (Москва, Сургут, Томск, Владивосток), Киргизской Республики была сформирована сеть лидарных станций CIS-LiNet. Ее создание сделало возможным проведение, в кооперации с EARLINET и AD-Net, координированных лидарных наблюдений на пространстве Евразийского континента.

В настоящее время под эгидой ВМО создана рабочая группа, задача которой состоит в формировании глобальной лидарной сети GALION на основе координации деятельности региональных лидарных сетей.

Продолжают активно совершенствоваться алгоритмы и технические средства для дистанционного зондирования газового и аэрозольного состава атмосферы спектроскопическими методами в УФ, видимом, ИК и ММ диапазонах спектра. Ведущие такие измерения станции составляют основу Европейской сети Atmospheric Composition Change: the European Network of Excellence (ACCENT), глобальных сетей станций Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC) и Global Atmospheric Watch (GAW). Эти станции дают информацию о содержании и вертикальном распределении в атмосфере озона, окислов азота, хлор- и бромсодержащих соединений и многих других газов и аэрозольных примесей, которые определяют состояние атмосферы и глобальной климатической системы.

Таким образом, к настоящему времени созданы предпосылки к развитию и практическому использованию комплексных методов спутникового и наземного сетевого мониторинга атмосферы для решения региональных и глобальных задач контроля загрязнения атмосферы, межрегионального и трансграничного переноса загрязнений, оценки воздействия этих процессов на изменения климата. Данные технологии являются в настоящее время основой всех значительных международных экспериментов по контролю крупномасштабных изменений атмосферных компонентов и их переносу. Также, дистанционные сетевые измерения являются обязательной частью программы валидации данных спутниковых наблюдений. В частности, в настоящее время осуществляется широкая международная программа сетевых лидарных наблюдений в обеспечение программы CALIPSO.

2. Обоснование предлагаемого решения

В данной статье описывается проект, предлагающий создание комплексной системы дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольных компонентов атмосферы на основе координированных спутниковых и наземных сетевых измерений с целью ее применения для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических.

Контроль атмосферных примесей в масштабах от регионального до планетарного является необходимой предпосылкой для прогнозирования климатических изменений и решения проблем экологической безопасности населения отдельных регионов и человечества в целом. Потребность в осуществлении этих мероприятий нарастает. Детальную информацию о составе примесей в атмосфере можно получить только на основе объединения информационных возможностей различных технологий контроля атмосферы, среди которых дистанционные спутниковые системы и наземные дистанционные измерительные сети вносят основной информационный вклад.

Процесс формирования интегрированных информационных систем о состоянии атмосферы на основе спутниковых и наземных сетевых измерений стал одним из основных направлений работ в области контроля окружающей среды в проектах космических агентств NASA, ESA и измерительных сетей AERONET, EARLINET, GALION, NDACC, GAW.

Решение данной задачи на огромном пространстве СНГ актуально как для этих государств, так и для международного сообщества в целом. Настоящее предложение состоит в создании системы контроля состава атмосферы, которая будет использовать данные существующих и перспективных, зарубежных и российских космических систем в комплексе с данными координированных наземных сетевых измерений.

Планируемое мероприятие предполагает создание базовых уникальных приборных стационарных и мобильных комплексов, развитие методологии координированных спутниковых и наземных измерений, формирование информационной сети для сбора данных, анализа и представления информации пользователю, разработку

методик для решения региональных экологических задач. Реализация предложенных мероприятий будет осуществляться на основе созданных к настоящему времени в России и Беларуси станций дистанционного зондирования атмосферы, объединенных в лидарную сеть в странах СНГ CIS-LiNet, радиометрическую сеть AEROSIBNET, сеть станций фонового мониторинга атмосферы GAW, мобильных аппаратурных комплексов на железнодорожной платформе, корабле и самолете, микроволновых аппаратурных комплексов для измерений вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере над Москвой, Минском, Нижним Новгородом и другими мегаполисами нашего государства.

Развитие технологий дистанционного зондирования атмосферы осуществляется исполнителями проекта в научном сотрудничестве и кооперации с ведущими в этой области научными центрами США, ЕС, Канады, Японии: Goddard Space Flight Center (NASA, USA), Earth System Research Laboratory (ESRL NOAA USA), Laboratoire d'Optique Atmosphérique, Université des Sciences et Technologies de Lille, Center for Reseach in Remote Sensing Applications Universite de Shebrooke (CANADA), Tokyo University of Marine Science and Technology, Центр глобальных исследований атмосферы (NIES, Cukubo, Japan) и др.

3. Характеристика системы

Комплексная система мониторинга

Рис. 1. Вертикальная структура комплексной системы мониторинга атмосферы

- сбор и подготовка данных космических наблюдений о параметрах атмосферных компонентов в соответствии с тематикой работы КСМ;

- сбор и представление радиометрических данных об интегральных характеристиках атмосферных компонентов;

- сбор и представление данных о высотном распределении параметров атмосферных компонентов на основе локационных оптических (лидарных и спектроскопических) и микроволновых измерений;

- сбор и представление данных о характеристиках атмосферных примесей в приземном слое на основе локальных измерений на стационарных и мобильных измерительных комплексах;

- формирование интегрированной базы данных, анализ полученной информации и представление результатов пользователю [2,3] .

Координированные измерения и новые методы обработки интегрированных пакетов данных будут применяться для повышения эффективности работы КСМ

Горизонтальное структурирование КСМ предполагает создание региональных центров в Минске, Москве, Томске, Сургуте и Владивостоке, где будут формироваться интегрированные региональные базы данных и проводиться анализ информации по тематике работ КСМ.

Предлагаемая структура обеспечит координацию работ участников проекта и однородность перечня и качества измеряемых данных. Одновременно структура позволит наращивать информационный потенциал системы мониторинга и обеспечит возможность использования системы мониторинга для решения практических задач.

Аналога предлагаемой системы мониторинга крупномасштабных изменений атмосферных компонентов в настоящее время не существует.

4. Возможности использования системы в космической области

Предлагаемая к разработке комплексная система дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольной компонентов атмосферы будет использоваться для калибровки космических средств наблюдений, валидации и анализа спутниковых данных [4].

Реализация проекта будет являться важным шагом в практическом использовании космических систем для решения различных природоохранных задач, оценки последствий чрезвычайных экологических ситуаций, загрязнения атмосферы и изучения климата.

5. Соответствие создаваемой системы мониторинга требованиям международных измерительных сетей

Разрабатываемая система и образующие ее измерительные сети по техническому и методическому уровню

будут соответствовать требованиям существующих и формируемых международных систем мониторинга атмосферы EARLINET, AERONET, NDACC, GAW, GALION. Будет осуществляться процесс интеграции новых станций в международные измерительные сети.

6. Основные показатели комплексной системы мониторинга

Разрабатываемая система будет обеспечивать представление пользователю следующей информации на пространстве РФ и Союзных государств:

- данные о пространственном распределении атмосферных компонентов, включая аэрозоль и газы: O3,

NO2, СО, CH4, SO2 на основе результатов наблюдений существующих космических систем, с возможностью расширения перечня примесей на следующих этапах;

- регулярные данные о спектральной прозрачности атмосферы и детальную информацию о содержании аэрозоей и влагосодержании в атмосфере на основе фотометрической аэрозольной сети (Минск, Томск, Иркутск, Торы, Улан-Удэ, Уссурийск, Якутск, Ханты-Мансийск, Сургут, Екатеринбург, Звенигород);

- содержание в атмосфере озона, парниковых газов, индустриальных загрязнений и потоков УФ излучения на земной поверхности на основе сетевых радиометрических измерений в УФ, видимой, инфракрасной и микроволновой области спектра;

- высотные профили оптических параметров атмосферы, характеристик аэрозоля, озона и двуокиси азота на основе стационарных лидарных (6 станций), спектроскопических (5 станций) и микроволновых комплексов (3 станции), а также проведение специальных измерений посредством мобильных лидаров на железнодорожной платформе и корабле;

- измерения загрязняющих примесей в приземном слое атмосферы на основе локальных стационарных измерительных систем, а также с помощью мобильного приборного комплекса, размещенного в специализированной железнодорожной лаборатории.

Измерительные комплексы, создаваемые на базовых станциях (Минск, Москва, Томск, Сургут, Владивосток) обеспечивают регулярные лидарные, спектроскопические, радиометрические и локальные измерения атмосферных компонентов. Перечень измерений на базовых станциях будет включать:

- лидарное зондирование атмосферы в многоволновом режиме (355, 532 и 1064 нм) с регистрацией Ра-мановского рассеяния и деполяризованного локационного сигнала;

- микроволновое дистанционное зондирование озоносферы, регистрацию профилей вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере,

- спектроскопические дистанционные измерения вертикальных профилей двуокиси азота в тропосфере и стратосфере;

- радиометрическое зондирование общего содержания в вертикальном столбе атмосферы парниковых газов и галогеносодержащих соединений ^^О, BrO в видимом, ИК и МКМ спектральных диапазонах;

- спектроскопическое зондирование в УФ и видимой областях спектра эмиссий загрязняющих примесей (Ю2, SO2, сажевого аэрозоля) от промышленных и транспортных источников;

- контроль УФ освещенности земной поверхности;

- мониторинг приоритетных загрязняющих веществ в приземном атмосферном слое.

Работы для реализации целей мероприятия будут осуществляться по следующим задачам:

1. Создание уникальных стационарных и мобильных комплексов на основе лидарных, микроволновых, радиометрических приборов и локальных датчиков для зондирования аэрозольной и газовых примесей атмосферы (Минск, Москва, Томск, Владивосток) в качестве ключевых элементов для формирования наземной сети мониторинга крупномасштабных изменений состава и состояния атмосферы на пространстве СНГ.

2. Модернизация и унификация аппаратуры и методов для дистанционных и локальных измерений параметров атмосферных примесей на станциях дистанционного зондирования. Создание калибровочных средств и технологий оценки качества данных.

3. Разработка методов мониторинга атмосферных примесей на основе дистанционных спутниковых и наземных сетевых наблюдений. Разработка методов валидации спутниковых данных по результатам измерений наземных сетей. Разработка программы коррелированных натурных измерений на станциях участников проекта. Разработка алгоритмов и программного обеспечения для единообразной обработки, архивации и ассимиляции данных наблюдений на станциях сети.

4. Формирование информационной сети комплексной системы мониторинга.

5. Коррелированные натурные исследования процессов крупномасштабного переноса загрязнений на пространстве СНГ посредством дистанционных спутниковых и наземных сетевых наблюдений.

6. Разработка региональных оптических и фотохимических транспортных моделей атмосферы, идентификация источников выбросов, определение зон влияния и каналов поступления загрязнений по результатам комплексного сетевого наземного и космического.

7. Основные научные и практические результаты

Научная значимость результатов:

- разработка и демонстрация в натурных экспериментах новых методов комплексного космического и наземного мониторинга параметров атмосферных компонентов для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач;

- новые данные о процессах крупномасштабного переноса загрязнений в атмосфере для решения фундаментальных проблем глобальной экологии и климатологии;

- новые технические решения систем и узлов аппаратуры для дистанционного и локального измерения параметров атмосферных компонентов.

Практическая значимость результатов:

-комплексная система мониторинга будет являться эффективным механизмом для внедрения результатов методических и аппаратурных разработок в области контроля параметров атмосферных компонентов для решения экологических задач, оценки последствий чрезвычайных ситуаций, загрязнения атмосферы и изменения климата;

- комплексная система дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольной компонентов атмосферы будет использоваться для валидации и анализа спутниковых данных;

- результаты регулярных и специальных наблюдений будут использоваться для оценки экологических условий в регионах, идентификации источников загрязняющих выбросов и определения зон влияния, оценки воздействия крупномасштабного и трансграничного переноса загрязнений на качество воздуха и состояния окружающей среды в регионах.

Критерии успешности выполнения работ:

- осуществляются регулярные наблюдения на станциях комплексной системы мониторинга в соответствии с рабочим графиком;

- созданы и введены в эксплуатацию аппаратурные комплексы на базовых станциях комплексной системы мониторинга;

- созданы и введены в эксплуатацию согласованные с международными требованиями системы калибровки приборов и программные средства оценки качества данных;

- разработаны и апробированы в натурных экспериментах новые методы комплексного космического и наземного мониторинга параметров атмосферных компонентов для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач;

- создана информационная сеть комплексной системы мониторинга и сформирована интегрированная база данных;

- получены новые данные о крупномасштабных изменениях атмосферных компонентов на пространстве РФ и Союзного государства на основе координированных спутниковых и наземных дистанционных и локальных сетевых измерений.

8. Имеющийся задел и потенциал исполнителей

Исполнять проект будут научные группы из четырнадцати организаций Беларуси и России, являющиеся лидерами в области развитии технологий дистанционного зондирования, располагающие необходимым техническим оборудованием и осуществляющие в настоящее время регулярные натурные исследования крупномасштабных изменений атмосферных компонентов с применением средств дистанционного зондирования и спутниковых данных.

На сегодняшний день исполнителями проекта созданы и введены в рабочий режим системы и комплексы для исследования атмосферных компонентов, включая лидарные, микроволновые и радиометрические системы, специальный мобильный комплекс измерительной аппаратуры на железнодорожной платформе, корабельная система дистанционного зондирования атмосферы, постоянно действующие станции мониторинга состава атмосферы методом солнечно-абсорбционной спектроскопии.

В 2004 г. исполнителями проекта была сформирована сеть дистанционного зондирования атмосферы на основе лидарных и радиометрических систем CIS-LiNet, которая осуществляет регулярные наблюдения атмосферы на пространстве от Минска до Владивостока. В сотрудничестве с Европейской лидарной сетью EARLINET, Южно-Азиатской лидарной сетью AD-Net, глобальной радиометрической сетью AERONET осуществляются координированные научные исследования на пространстве Евразийского континента, в том числе комплексный эксперимент по валидации космических данных в рамках программы CALIPSO.

С 1990 г. в России действует сеть станций, оборудованных спектрофотометрами Брюера, на которых ведется мониторинг общего содержания озона, его вертикального распределения и спектрального состава УФ-В освещенности. Аналогичная станция создана в Беларуси. В России функционирует сеть станций для спектроскопических наблюдений содержания в атмосфере двуокиси азота, которую координирует Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН. Эта сеть - единственная в мире - дает информацию о вертикальном распределении NO2 в атмосфере и является важным звеном в системе NDAAC.

Развитие технологий дистанционного зондирования атмосферы осуществляется исполнителями проекта в научном сотрудничестве и кооперации с ведущими в этой области научными центрами в США, ЕС, Канаде, Японии: Goddard Space Flight Center (NASA, USA), Лабораторией мониторинга и диагностики климата

(CMDL, USA), Laboratoire d'Optique Atmosphérique, Université des Sciences et Technologies de Lille, Center for Reseach in Remote Sensing Applications Universite de Shebrooke (CANADA), Tokyo University of Marine Science and Technology и др.

С российской стороны одним из исполнителей задания является Сургутский государственный университет, (СурГУ), крупнейшее учебное заведение в Ханты-Мансийском автономном округе, основанное в 1993г. В 2004 году СурГУ совместно с 5 научными организациями РФ и 2 организациями Японии (NIES - Национальный институт по изучению окружающей среды и CGER- Центр глобальных исследований окружающей среды, г. Цукубо) создали «Совместный Российско-Японский институт по мониторингу парниковых газов в Сибири». В 3 точках ХМАО-Югры установлены контейнерные газоанализаторные станции, поставленные из Центра глобальных исследований окружающей среды (Япония, г. Цукубо). В апреле 2007 года, к договору о создании совместного института, было подготовлено Приложение №2 (между СурГУ, NIES и CGER) значительно расширяющее объемы наземных и подспутниковых измерений и исследований. На сегодняшний день СурГУ проводит переговоры с японской стороной об участии ученых NIES в совместных работах по монито-рированию парниковых газов на территории ХМАО, поскольку в NIES широко используются лидарные методы исследования атмосферы.

В 2006 году при СурГУ был создан «Центр лазерных технологий», главным направлением которого является развитие лазерных дистанционных методов контроля загазованной атмосферы, подспутниковый анализ парниковых газов, проводятся исследования в области физики лазеров, лазерных локаторов и лазерных газоанализаторов, размещаемых на борту вертолета, также осуществляются разработки в области внутри-резонаторной лазерной спектроскопии.

9. Основные ожидаемые результаты

1. Координированная наземная сеть станций дистанционных и локальных измерений параметров атмосферного аэрозоля и газов на пространстве Союзного государства, интегрированная в глобальные измерительные сети GALION, AERONET, NDACC, GAW.

2. Создание уникальных измерительных комплексов на основе лидарных, микроволновых, радиометрических приборов и локальных датчиков для зондирования аэрозольной и газовых примесей атмосферы на базовых станциях сети мониторинга крупномасштабных изменений в атмосфере (Минск, Москва, Томск, Владивосток).

3. Технология комплексного мониторинга атмосферы на основе координированных спутниковых и наземных сетевых измерений и ее приложения для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач

4. Объединенная база данных о параметрах атмосферного аэрозоля и концентрации озона, окислов азота, парниковых и других газов ориентированная на предоставление информации для решения задач экологии и климатологии.

5. Региональные оптические и фотохимические транспортные модели атмосферы для анализа и интерпретации данных космических наблюдений.

6. Результаты комплексного космического и наземного сетевого дистанционного мониторинга процессов крупномасштабного переноса загрязнений и оценки их воздействия на экологические условия в регионах, идентификация источников выбросов, определение зон влияния и каналов поступления загрязнений для регионов-рецепторов на основе дистанционного комплексного сетевого наземного и космического зондирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. I.I. Plusnin, K.I. Bushmeleva Aircraft Monitoring by a Polarization Lidar /«The 7-th Russia-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies» - Tomsk /State University, Press, Tomsk,

2004. - S. 98 - 100.

2. Плюснин И.И., Чайковский А.П., Иванов А.П., Балин Ю.С., Ельников А.В. и др. Лидарная сеть CIS

- LiNet для мониторинга аэрозоля и озона: методология и аппаратура //Оптика атмосферы и океана. -

18, № 12, 2005.

3. Плюснин И.И., Ельников А.В., Бушмелева К.И., Сысоев С.М., Черный М.С. Лидарная система для зондирования аэрозоля в г.Сургуте в рамках проекта CIS - LiNet //Оптика атмосферы и океана. - 19, №

12, 2006.

4. Бушмелева К.И., Плюснин И.И., Бушмелев П.Е. и др. Концепция автоматизации экологического мониторинга загрязнения окружающей среды на территории Ханты-Мансийского автономного округа //Современные наукоемкие технологии. - №3, 2007. - С. 41 - 43.