Мониторинг состава, строения и динамики атмосферы методами дистанционного зондирования и контактными средствами: развитие методов, интеркалибровка средств, продолжение многолетних рядов

Целью проекта является разработка новых технологий мониторинга состава, строения и динамики атмосферы, создание новых устройств, их метрологическая проверка и продолжение измерений на действующих установках для продолжения накопленных многолетних рядов наблюдений.

Все запланированные в проекте работы можно разделить на три направления.
1. Разработка и создание новых технологий и устройств. Совершенствование алгоритмов обработки.
Задача 1.1. Разработка современного типового автоматизированного поста мониторинга состояния и состава атмосферы.
Возможный путь решения. Основываясь на требованиях, предъявляемых ВМО к станциям мониторинга такого типа, выбрать приборы и датчики, удовлетворяющие стандартам точности. Разработать и создать подсистему отбора проб воздуха. Создать блок калибровки газоаналитического оборудования. Объединить приборы, датчики, подсистемы и блоки в единый комплекс. Создать программное обеспечение для управления, как отдельными блоками, так и системой в целом. Создание Интернет-ресурса, на котором бы отражалась вся информация о текущем состоянии атмосферы (on-line) в доступной для населения форме.
Задача 1.2. Разработка нового метода и создание диффузионного спектрометра для измерений концентрации сажи и ее распределения по размерам в аэрозоле городских и удаленных территорий.
Задача 1.3. Разработка лидара на основе использования эффектов взаимодействия излучения с атмосферой: упругое и комбинационное рассеяние, поляризация – линейная и круговая.
Задача 1.4. Разработка теоретических основ поляризационного лазерного зондирования облаков с использованием линейной и круговой поляризации.
Задача 1.5. Разработка основ анализа данных лидарных и фотометрических наблюдений для восстановления высотной структуры озона, водяного пара, микрофизических параметров аэрозоля.
Задача 1.6. Развитие технологий дистанционного лазерного мониторинга на Сибирской лидарной станции для расширения высотных диапазонов и повышения точности измерений путем модернизации.
Задача 1.7. Разработка макета лидара «Аэрозоль-3» для измерений оптических и микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля.
Задача 1.8. Разработка макета лидара «СТ Озон» для измерения распределения концентрации озона в верхней тропосфере – нижней стратосфере;
Задача 1.9. Разработка и апробация макета трёхканального содара для измерений компонентов вектора ветра и абсолютных значений структурной характеристики температурного поля в пограничном слое атмосферы.
Задача 1.10. Разработка и реализация алгоритма восстановления высотных профилей абсолютных значений структурной характеристики показателя преломления оптических волн.
Задача 1.11. Разработка технологии измерения импульсным когерентным доплеровским лидаром «Stream Line» и процедур обработки исходных данных для восстановления высотных профилей скорости и направления ветра, скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, дисперсий турбулентных флуктуаций компонент вектора скорости ветра и высотных профилей момента количества движения.
Задача 1.12. Разработка технологии коррекции искажающего действия атмосферы в данных спутникового зондирования.
2. Определение метрологических характеристик разработанных устройств
Задача 2.1. Проведение интеркалибровки лидаров и содара и проверки спутникового зондирования с помощью данных самолетного зондирования и температурно-ветрового радиозондирования атмосферы.
Задача 2.2. Интеркалибровка диффузионного спектрометра аэрозоля совместно с аэталометром МААР 5012 (USA) и и со спектрометром сажи SP2 (USA).
Задача 2.3. Проведение работ по сертификации лидарных каналов на основе интеркалибровки с другими средствами дистанционного и локального контроля.
Задача 2.4. Разработка и апробация методики калибровки измерительных каналов содара; основа методики – использование датчиков ускорения (акселерометров), встроенных в антенны содара для оценки интенсивности сигналов.
Задача 2.5. Разработка и проверка алгоритмов оперативного усвоения информационных потоков от каналов калибровки и из атмосферы с оценкой профилей компонентов вектора ветра и абсолютных значений структурной характеристики температурного поля.
Задача 2.6. Проведение интеркалибровки каналов содара с использованием средств, обеспечивающих оценку структурной характеристики температурного поля в приземном слое атмосферы, а также возможность измерения высотных профилей скорости и направления ветра.
Задача 2.7. Тестирование разработанных методов в экспериментах, предполагающих совместные измерения ветра и турбулентности импульсным когерентным лидаром «Stream Line», а также акустическими анемометрами, содаром и радиозондом.
3. Продолжение мониторинга на имеющихся станциях и установках
Задача 3.1. Проведение длительных непрерывных измерений (мониторинга) на созданном автоматизированном посту с целью отработки режима удаленного доступа, проверки ситуаций сбоев системы и способов их устранения, доработки интерфейса Интернет-ресурса на основе пожеланий обычного пользователя системы.
Задача 3.2. Продолжение ведущегося с 1997 г. мониторинга газового состава и характеристик аэрозоля в приземном слое атмосферы с использованием имеющихся и вновь созданных приборов; зондирования характеристик аэрозоля и сажи с борта самолета-лаборатории.
Задача будет решаться с помощью действующих TOR-станции, Аэрозольной станции и самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик».
Задача 3.3. Продолжение мониторинга концентрации стратосферного аэрозоля. Задача будет решаться с помощью Сибирской лидарной станции.
Задача 3.4. Проведение лидаром «Stream Line» непрерывных измерений в течение длительного времени при различных атмосферных условиях. Обработка лидарных данных измерений с использованием разработанных методов. Анализ полученных результатов и выявление ранее неизвестных особенностей изменения высотных профилей турбулентности во времени.
Задача 3.5. Продолжение спутникового мониторинга состава атмосферы и подстилающей поверхности. Задача будет решаться с помощью станции приема спутниковых данных Orbital Systems 2.4 XLB (USA) и доступа к удаленному многопроцессорному вычислительному кластеру СКИФ SIBERIA.
В ходе реализации настоящего проекта интеркалибровка дистанционных средств будет проводиться с помощью самолета-лаборатории ТУ-134 «Оптик. Метеорологические локаторы будут проходить интекалибровку с данными радиозондирования системы DigiCora фирмы Vaisala, которая входит в состав ЦКП «Атмосфера».
Авторы проекта занимаются мониторингом атмосферы уже несколько десятков лет. За истекший период по ряду параметров накоплены многолетние ряды данных. Поэтому одним из направлений исследования в проекте является продолжение измерений на действующих установках для их продления. Такие данные имеют прикладной характер, так как позволяют сделать оценки трендов измеряемых величин, что
необходимо для прогноза изменений климата.

В ходе реализации проекта будут изготовлены макеты типового поста, системы калибровки газоанализаторов и подачи проб атмосферного воздуха с разных уровней, лидары и содары, которые должны стать составляющими элементами станций мониторинга. Для их тиражирования необходимо выполнить ОКР с разработкой рабочей документации. Потребителями продукции могут стать, прежде всего, природоохранные органы власти, Росгидромет, МЧС, вузы. В идеале, созданная на основе типового поста система может стать в будущем частью современной мировой сети контроля качества и состояния атмосферы.
Возможными потребителями разработанного метода и средств контроля загрязнения атмосферного воздуха сажевой компонентой могут быть:
- сеть станций Росгидромета, обеспечивающая контроль газовых и аэрозольных загрязнений атмосферы в различных регионах России;
- сеть санитарно-эпидемиологические служб России, нуждается в современных средствах оперативного контроля загрязнений воздуха с целью качественной классификации региональных источников загрязнений и принятия мер по улучшению экологической обстановки;
- научно-исследовательские организации, занимающиеся вопросами изучения и прогноза климатических изменений в различных регионах Земли (Институт физики при СПбГУ, г. Санкт-Петербург; МГУ, г. Москва; Институт физики атмосферы РАН, г. Москва; Институт океанологии РАН, г. Москва; Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, г. Владивосток; Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск; Институт мониторинга климатических и экологических систем, г. Томск и др.).
- отделы экологии городских администраций при проведении экологической экспертизы дымовых выбросов промышленных предприятий;
- сеть авиационных метеостанций для контроля воздушной обстановки в районах аэропортов;
- технические службы контроля дымовых выбросов в автомобильной промышленности, теплоэнергетике,
дизельные установки, транспорт и др. с целью контроля и оптимизации режимов сгорания топлив, уменьшения выбросов сажи в атмосферу.
Потенциальными потребителями системы мониторинга состава, строения и динамики атмосферы стать следующие организации:
а)Росгидромет и его подразделения:
б)Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России)
в)Федеральное агентство научных организаций (ФАНО):
– Институт физики атмосферы;
– Институт вычислительной математики;
– Институт океанологии;
– Институт географии;
– Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН;
– Институт почвоведения и агрохимии СО РАН;
– Институт леса СО РАН;
–Институт географии СО РАН.
г)Минобрнауки
– Московский госуниверситет;
– Российский государственный гидрометеорологический университет;
– Санкт-Петебургский госуниверситет;
– Новосибирский госуниверситет:
– Томский госуниверситет.
Индустриальный партнер заинтересован, в первую очередь, в получении высокоточных данных об изменении состава атмосферы и развитии методов его контроля. Поэтому частично финансирует содержание и развитие системы мониторинга. Вместе с тем, он рассматривает возможность тиражирования создаваемых устройств.

За отчетный период получены следующие результаты проекта:
- Подготовлен аналитический обзор и анализ научно-технической литературы в области мониторинга атмосферы;
- Проведены патентные исследования, определены технические и методологические решения, подлежащих защите как РИД;
- Проведены исследование, обоснование и выбор направления исследований и способов решения поставленных задач;
- Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике.
- Определены технические характеристики оборудования, заключены договора (контракты) с поставщиками на закупку комплектующих и оборудования.
- Проводятся работы по мониторингу на действующей системе.
- Подготовлены заявки на патентование и публикации по результатам проекта.