WSibIso

  • Увеличить размер
  • Размер по умолчанию
  • Уменьшить размер
Главная О проекте WSibIso Цели исследования

Цели исследования

       Существующие достижения позволят в полной мере впервые использовать в субарктических и арктических регионах, изотопомеры воды в качестве инструмента исследования водного цикла, что является одним из предметов исследования данного проекта. Этот подход будет объединен с всесторонним исследованием взаимодействия углеродсодержащих газов с поверхностью земли, включая вечную мерзлоту (включая изотопный подход), с целью обеспечения полного представления о водном и углеродном циклах и их взаимодействии. Планируется картировать содержание углеродсодержащих газов в атмосфере над обширной территорией, для определения сезонных и пространственных вариаций, а так же области их стоков и источников. Наше исследование будет нацелено на территорию Западной Сибири и объединит все подходы, упомянутые выше.

       Исследование будет строиться на дополняющем друг друга профессиональном опыте европейской и российской команд, участвующих в проекте. С одной стороны, прямые приповерхностные измерения изотопомеров воды в водяном паре и углеродсодержащих газов (CO2, CH4) будут использованы как априорная информация для восстановления содержания искомых газов в атмосферном столбе из спектральных измерений, полученных методом наземной ИК Фурье-спектрометрии. Что касается изотопомеров воды, исследование будет сосредоточено на концентрации HDO (далее дейтерий), показывающей бóльшие изменения, которые можно точнее и проще задокументировать существующими методами. Затем восстановление содержания в атмосферном столбе изотопомеров воды и углеродсодержащих газов, ограниченное прямыми приповерхностными измерениями, будет использовано для валидации спутниковых измерений. После валидации методов для восстановления искомых величин из спутниковых данных, методы восстановления будут использованы над более широкими территориями Западной Сибири. Используя метод обратных и прямых траекторий, будет разработан метод получения одномоментных карт распределения парниковых газов из набора спутниковых измерений, выполненных в близкие, но различные моменты времени. Одномоментные карты помогут идентифицировать источники и стоки углеродсодержащих газов на изучаемой территории. Все методы и техники будут реализованы в программном обеспечении, предназначенном для обработки крупных массивов данных и основанном на существующих пакетах программного обеспечения, таких как FIRE-ARMS (Грибанов К.Г. и др., 2001) и GFIT (стандартное программное обеспечение сообщества TCCON - Total Carbon Column Observing Network).

       Восстановленные значения количества изотопомеров воды будут сравниваться с результатами численного моделирования с использованием модели общей циркуляции, включая явное моделирование содержания изотопомеров воды (изотопомерная МОЦА ECHAM5-wiso). Эта модель может снабжать новые спутниковые процедуры восстановления модельными начальными приближениями вертикальных профилей изотопомеров воды. Несколько методов решения обратных задач будут применяться для всех процедур восстановления атмосферных параметров из спектральных данных. Все методы будут построены на оптимальном оценивании и итеративной регуляризации с использованием всей доступной априорной информацией. Важно отметить, что обратные задачи являются некорректными, следовательно, для их решения необходимо использовать специальные регуляризационные алгоритмы, устойчивых к шуму, и учитывать априорную информацию об искомом решении. Такие алгоритмы разрабатываются сотрудниками Института математики и механики (ИММ УрО РАН), участвующими в данном проекте.

        Три типа измерений, применимых для определения изотопомеров воды (прямые приповерхностные измерения, измерения наземных и спутниковых ИК Фурье-спектрометров), выполненные в наиболее подходящие промежутки времени, будут объединены для задач валидации изотопической модели общей циркуляции. Поверхностные данные о водяном паре будут дополнены измерениями в выпавших осадках (дождь и снег) с целью пролить свет на механизмы формирования осадков и процессы после их накопления в течение зимнего сезона.

       Данное исследование ставит перед собой следующие научные задачи:

■ Создание сети постоянных станций на территории Западной Сибири для приповерхностного прямого измерения содержания парниковых газов и изотопомеров воды для оценки изменений в углеродном и водном циклах, в результате климатических изменений и изменений окружающей среды.

■ Создание и последующее содержание мобильной лаборатории для измерений парниковых газов и изотопомеров воды с целью валидации спутниковых данных. Создание в Уральском Федеральном Университете лаборатории физики климата и окружающей среды (ЛФКиОС) мирового уровня для исследовательских и образовательных целей.

■ Первая оценка изменчивости содержания атмосферного водного пара и HDO над Западной Сибирью на различных временных масштабах (синоптических, месячных, сезонных, годовых), и её связь с соответствующими изменениями атмосферных температур, количеством осадков, движением воздушных масс, и процессами повторного испарения.

■ Оптимизация алгоритмов восстановления атмосферных параметров из спутниковых спектральных данных посредством использования модельных результатов изотопической модели общей циркуляции атмосферы для улучшения начального приближения атмосферных профилей HDO. Впервые, атмосферные профили HDO из изотопической модели всеобщей циркуляции будут использованы для моделирования априорных ковариационных матриц. Это скомпенсирует недостаток информации о профиле δD в атмосферных спектрах, необходимой для эффективного решения обратной задачи, и, таким образом, улучшит алгоритм восстановления профилей HDO из спутниковых гиперспектральных измерений.

■ Сравнение временных вариаций HDO в приповерхностном паре измеренных на сетевых станциях и вариации HDO в водяном паре в атмосферном столбе над Западной Сибирью. Эти сравнения, которые ограничены безоблачными днями, приведут к количественной оценке возможностей МОЦА ECHAM5-wiso применительно к моделированию отношения HDO/H2O в атмосфере. Вторая модель LMDZ-iso будет использована для сравнения экспериментальных и модельных изотопических распределений.

■ Улучшенное моделирование процессов в облаках (т.е. изотопического фракционирования в облаках в результате повторного испарения под облаком) путем сравнения результатов МОЦА ECHAM5-wiso с данными фурье-спектрометров наземного и спутникового базирования.

■ Разработка методов и программного обеспечения для массовой (в том числе параллельной) обработки спутниковых данных.

■ Непрерывный мониторинг за территориальным покрытием стоков и источников углеродсодержащих газов с целью выявления динамики климатических и промышленных изменений вносящих возмущение в экосистемы Западной Сибири.

■ Полевые измерения почвенно-растительного покрова для изучения деградации, включая измерения глубины оттаивания/замерзания почвы, изучения целостности органогенных горизонтов, отборы почвы для последующего лабораторного анализа и т.п. Агрохимический анализ почвы.

■ Моделирование поверхностных взаимодействий, включая водный и углеродный циклы с учетом изотопомеров в районах вечной мерзлоты и изучения их эволюции в условиях потепления климата.

■ Выявление связей между гидрологическим и углеродным циклами на целевой территории в условиях климатических изменений.

■ Распространение данных о водном и углеродном цикле среди научного сообщества через Интернет-портал ЛФКОС.

■ Формулирование требований к будущим спутниковым сенсорам для удовлетворения нужд исследований по изменениям климата и окружающей среды