Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание новых методов и средств мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне Российской Федерации

Докладчик: Данилов Александр Иванович

Должность: зам.директора по научной работе, зам. директора по научной работе

Цель проекта:
1. Проблема: Развитие прикладных научных исследований относится к одному из наиболее эффективных и соответствующих национальным интересам Российской Федерации в Арктике видов деятельности на архипелаге Шпицберген, направленных на обеспечение разработки важнейших научно-технологических задач, необходимых для инновационного развития в масштабе отдельных секторов экономики (транспорт, добыча минеральных и водных биологических ресурсов, охрана окружающей среды, туризм) и международного сотрудничества. Области и объекты разработок комплексного проекта сформированы в соответствии с научно-техническими проблемами, рисками (угрозами) и приоритетами, определенными в «Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года», утвержденной Президентом РФ 20.02.2013, и отвечают приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Актуальность проблемы мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне Российской Федерации представляется очевидной. В связи с этим, а также учитывая новые технические и информационные возможности, появившиеся в последние годы, существует необходимость и возможность разработки новых методов и средств такого мониторинга. 2. Цель: создание экспериментальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры комплексного высокоточного спутникового мониторинга опасных арктических гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ Конечные продукты, создаваемые с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта Высокоточные методы и программные средства мониторинга и прогноза ледовой обстановки, мониторинга айсбергов и прогноза их дрейфа, состояния атмосферы, гидросферы и криосферы, климатических изменений, мониторинга загрязнения территории и акватории экологически опасными химическими элементами и соединениями, сейсмоинфразвукового мониторинга и детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов, мониторинга и детектирования вариаций сейсмических параметров для оценки сейсмического режима в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ Место и роль проекта и его результатов в решении задачи/проблемы Результаты проекта будут использованы при создании экспериментальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры комплексного высокоточного спутникового мониторинга опасных арктических гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ, предназначенной, для подготовки и принятия решений в перспективной системе управления ледовой обстановкой Западной Арктики

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов
К основным результатам относятся:
Высокоточный метод и программные средства автоматизированного определения характеристик ледяного покрова (включая айсберги) по спутниковым радиометрическим данным и высокоразрешающим спутниковым радиолокационным изображениям.
Методы и программные средства прогнозирования распределения ледяного покрова и его дрейфа в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ, включая сплоченность, возрастной состав, дрейф, нарушения сплошности, а также дрейф айсбергов.
Высокоточный метод и программные средства обнаружения айсбергов с использованием спутниковой информации высокого пространственного разрешения, получаемой с радиолокационных спутников и спутниковых радиометров оптического спектрального диапазона.
Результаты исследования связи изменчивости характеристик климата внутри региона Западной Арктики с глобальными изменениями климата и исследования воспроизведения установленных связей моделями циркуляции океана.
Методы климатического прогноза основных климатических параметров в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Методы и методики высокочувствительного детектирования опасных химических элементов и соединений в морских водах и в донных отложениях акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ.
Методы, алгоритмы и программные средства высокоточного восстановления по спутниковым данным параметров атмосферы и атмосферных явлений и идентификации по спутниковым данным опасных природных явлений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Прогностические и диагностические модели динамики атмосферы, океана и криосферы архипелага Шпицберген и Западной Арктики, позволяющие на основе спутниковых данных прогнозировать эволюцию полей геофизических параметров и связанных с ними опасных геофизических явлений.
Высокоточные методы и программные средства автоматического детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ, в том числе метод высокоточной локации слабых сейсмических событий по одиночным сейсмостанциям, установленным на архипелаге Шпицберген.
Высокоточные методы и программные средства автоматического детектирования, локации и кластеризации сейсмических сигналов, связанных с опасными геодинамическими процессами и взрывами в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Методика высокоточного дистанционного контроля калвинга выводных ледников в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ по данным региональной сети сейсмоинфразвукового мониторинга.
Экспериментальные аппаратно-программные комплексы (ЭАПК) мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне РФ, реализующие разработанные методы.
База данных распространения и распределения опасных химических элементов и соединений в морских водах и в донных отложениях акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ.
База данных типовых волновых форм прогностических сейсмологических и акустических сигналов, связанных с деструкцией и калвингом выводных ледников как источника айсберговой угрозы в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
2. Основные характеристики планируемых результатов
Высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга ледовой обстановки, спутникового мониторинга и предупреждения айсберговой опасности в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ должны обеспечить подготовку оперативных исходных ледовых и метеорологических данных для работы в режиме прогноза, выполнения прогноза (расчета) состояния ледяного покрова (сплоченность, возрастной состав, дрейф нарушения сплошности), а также преобразования и комплексирования выходной ледовой информации в формат, используемый в геоинформационных системах.
Разрабатываемые высокоточный метод и программные средства обнаружения айсбергов должны позволять выделение объектов на водной поверхности при скорости ветра до 10 м/с с размерами не менее 2-х элементов пространственного разрешения спутникового изображения.
Методы климатического прогноза основных климатических параметров в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ должны обеспечить прогнозирование основных климатических параметров (температура воздуха, ледовитость, повторяемость опасных гидрометеорологических явлений) с заблаговременностью от месяца до года и с оправдываемостью не ниже 70% при принятой в официальных нормативах допустимой ошибке прогноза.
Методы и методики высокочувствительного детектирования опасных химических элементов и соединений в морских водах и в донных отложениях акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ должны обеспечивать определение тяжелых металлов в морских водах, хлорфенолов в морской воде и донных отложениях, общего органического углерода в морской воде и полициклических ароматических углеводородов в снеге, ледяном покрове и почве.
Методы, алгоритмы и программные средства высокоточного восстановления по спутниковым данным параметров атмосферы и атмосферных явлений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ должны восстанавливать ключевые параметры атмосферы в неблагоприятных погодных условиях, включая облачность большого водозапаса, штормовые ветра и волны.
Методы и средства сейсмоинфразвукового мониторинга опасных геодинамических процессов в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ должны обеспечивать гарантированную регистрацию и классификацию естественных землетрясений и льдотрясений с магнитудным порогом выше М = 2.0 в пределах эксплуатируемых участков недр и на наиболее опасных по генерации айсбергов кромках ледниковых покровов.
Метод и программные средства определения вариаций параметров сейсмического режима в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ на основе обработки данных сейсмический станций Архангельской сети должно обеспечить определение следующих основных параметров сейсмического режима: пространственно-временное распределение землетрясений, выделившаяся энергия землетрясений, сейсмическая активность и наклон графика повторяемости.
3.Оценка элементов новизны
Новизна научных (технологических) решений определяется следующими факторами:
Должны быть разработаны использующие данные спутникового наблюдения новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и прогноза ледовой обстановки, спутникового мониторинга и предупреждения айсберговой опасности в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть разработаны использующие данные спутникового наблюдения новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и прогноза состояния атмосферы, гидросферы и криосферы в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть разработаны использующие данные спутникового наблюдения новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и прогноза климатических изменений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть разработаны новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга загрязнения территории и акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ экологически опасными химическими элементами и соединениями.
Должны быть разработаны новые методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть созданы на основе разработанных новых высокоточных методов мониторинга экспериментальные аппаратно-программные комплексы (ЭАПК) мониторинга, образующие распределенную инфраструктуру комплексного высокоточного спутникового мониторинга и прогноза опасных гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ.
3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
Новизна научных (технологических) решений определяется следующими факторами:
Должны быть разработаны использующие данные спутникового наблюдения новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и прогноза ледовой обстановки, спутникового мониторинга и предупреждения айсберговой опасности в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть разработаны использующие данные спутникового наблюдения новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и прогноза состояния атмосферы, гидросферы и криосферы в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть разработаны использующие данные спутникового наблюдения новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и прогноза климатических изменений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть разработаны новые высокоточные методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга загрязнения территории и акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ экологически опасными химическими элементами и соединениями.
Должны быть разработаны новые методы и разрабатываемые на их основе программные средства мониторинга и детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
Должны быть созданы на основе разработанных новых высокоточных методов мониторинга экспериментальные аппаратно-программные комплексы (ЭАПК) мониторинга, образующие распределенную инфраструктуру комплексного высокоточного спутникового мониторинга и прогноза опасных гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ.
4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Предварительный анализ научно-технической и нормативной литературы за период с 2009 по 2014 гг. по вопросам прогнозирования ледовых условий показал, что в целом отечественная наука и практика в данной области соответствует мировому уровню. Зачастую, отличия между российскими и зарубежными прогностическими методиками невозможно однозначно трактовать как преимущества или отставание той или иной стороны.
Например, американская Арктическая система диагноза и прогноза (Arctic Cap Nowcast/Forecast System, ACNFS) опирается на усвоение исходных ледовых данных SSM/I и AMSR-E, которые формируются как результат автоматической обработки микроволновых спутниковых изображений. Это дает преимущества, связанные с уменьшением доли ручного труда, однако порождает зависимость от пространственного разрешения самих данных, т.к. оба ресурса – и SSM/I, и AMSR-E – имеют растровую структуру с шагом 25 и 12,5 км соответственно. В российской практике исходные ледовые данные формируются как результат экспертной (неавтоматической) обработки спутниковых изображений, однако они имеют чисто векторный формат, что дает возможность усваивать такие данные в любой ледовой прогностической модели без ущерба для точности.
Другой пример: та же система ACNFS построена как единая модель, охватывающая все замерзающие морские акватории северного полушария. С одной стороны, это дает широкое, по существу, глобальное видение происходящих ледовых процессов, а с другой – система становится громоздкой, требует больших массивов синхронных исходных данных. Российские прогностические методики в основном имеют региональный характер, что обеспечивает гибкость применения, экономию времени и труда при подготовке исходных данных, более четкую ориентацию на запросы потребителей.
Вместе с тем, явно видны области, по которым зарубежные коллеги имеют преимущество. В первую очередь это касается доступа к данным радиолокационного зондирования: использование всепогодных снимков в российской прогностической практике сопряжено с организационными и финансовыми проблемами.
Разрабатываемые методы классификации морского ледяного покрова и обнаружения айсбергов по спутниковым данным высокого пространственного разрешения основаны на применении современного математического аппарата, использующего расчет статистических оценок двумерных полей, позволяют автоматизировать процесс классификации при минимизации субъективных ошибок дешифрирования и оперативно донести до потребителя информацию о состоянии ледяного покрова и наличии айсберговой угрозы. Используемый подход соответствует мировому уровню.
Обзор по проблемам мониторинга и прогноза климатических изменений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ будет наиболее полным на сегодня обобщением отечественных и зарубежных публикаций по 2014 год включительно, посвященных оценкам происходящих климатических изменений в регионе, их связи с глобальными изменениями, причинам региональных климатических изменений и возможности их прогнозирования, выполненным как по данным наблюдений, так и по расчетам на глобальных моделях климата, моделях циркуляции Мирового океана.
Анализ и систематизация угроз климатических изменений с оценкой степени опасности для конкретных локальных районов Западной Арктики, основанный на опыте многолетних отечественных наблюдений и исследований гидрометеорологических и климатических условий в регионе, не имеет аналогов среди отечественных и зарубежных работ.
Сбор, анализ и систематизация данных о состоянии климатической системы архипелага Шпицберген и Западной Арктической зоны РФ обеспечит наиболее полные сведения о данных, которые характеризуют состояние всех составляющих климатической системы в регионе. При этом будут использованы все доступные источники поступления данных, включая спутниковые системы, судовые наблюдения, метеорологические станции, массивы атмосферных и океанических реанализов. Все эти данные составят информационную основу специализированной базы климатических данных по региону, не имеющей отечественных или мировых аналогов.
Результаты исследования и установления связей изменчивости характеристик климата внутри региона Западной Арктики и с глобальными изменениями климата позволят впервые в мировой практике установить дальние связи климатических изменений в регионе и в различных областях Мирового и использовать их при разработке методов прогноза климатических изменений в регионе и связанных с ними опасных природных явлений.Разработанные методы и методики не уступают современному мировому уровню исследований в области экоаналитической химии, и основаны на использовании наиболее современных технологий количественного химического анализа: рентген флуоресцентной спектроскопии полного внешнего отражения, жидкостной и газовой тандемной хроматомасс-спектрометрии. Использованные подходы позволили достичь пределов обнаружения целевых компонентов, скорости и селективности анализа не уступающих лучшим мировым аналогам, а в ряде аспектов превосходящих их. В частности использование метода полного внешнего отражения для рентгенофлуоресцентного определения тяжелых металлов позволило обеспечить анализ морской воды на уровне концентраций от мг/литр, с использованием мобильного исследовательского комплекса, в то время как, проведение подобного анализа традиционным методом атомно-абсорбционной или атомно-эмиссионной спектрометрии требует использования стационарной лаборатории, тяжелого оборудования и газов высокой чистоты при сопоставимом уровне чувствительности.
Начиная с 70-х гг. прошлого столетия сейсмическое группирование, как новый тип сейсмической регистрации, помогает повысить соотношение сигнал/шум и улучшить качество определения типа сигналов. Мировая практика показала, что для обеспечения заданной разрешающей способности сейсмической сети наблюдения гораздо выгоднее увеличить число однотипных сейсмометров в пределах одной группы, чем формировать сеть из нескольких одиночных сейсмических станций. Дополнение же к сейсмической группе инфразвуковых датчиков позволяет существенно расширить возможности системы. Совместный интегральный анализ сейсмических и инфразвуковых данных дает возможность не только производить локацию источников возбуждения энергии, но и осуществлять их верификацию. Сейсмоинфразвуковые комплексы за последние 15-20 лет были установлены в целом ряде регионов мира с целью мониторинга ядерных взрывов, при этом, севернее 70°с.ш. установлена только одна станция в Гренландии. Данные по этим комплексам доступны ограниченному кругу пользователей и практически не используются научным сообществом для анализа. КФ ГС РАН, начиная с 2002 года, эксплуатирует современный сейсмоинфразвуковой комплекс в Мурманской области в условиях, близких к арктическим, производит его модернизацию и обслуживание, постоянно совершенствует методики обработки данных. Размещение аналогичных комплексов на арктических островах и их адаптация к сложным условиям Арктики позволят осуществлять сейсмический и инфразвуковой мониторинг опасных динамических процессов в литосфере (землетрясения, грязевой вулканизм и оползневые явления на морском дне), криосфере (деструкция ледниковых шапок на арктических островах с проявлением мощных льдотрясений и сходом в акваторию моря крупных айсбергов) и атмосфере (вторжение болидов, падение фрагментов космических аппаратов и ракет) на качественно новом уровне, существенно увеличив разрешающую способность действующей на сегодняшний день сети наблюдения. Ожидаемые результаты сопоставимы с мировым уровнем.
Мониторинг сейсмических событий Западной арктической зоны РФ, включая полярные области – хребет Гаккеля, уникален. Российское превосходство в мониторинге земной коры Северного полюса сохраняется неизменным, т.к. это определяется конфигурацией территории России. Проведение непрерывного сейсмического мониторинга арх. Земля Франца-Иосифа не имеет аналогов в мире. Это самая северная станция в России, позволяющая захватить сейсмичность Северного Полюса. В мировом масштабе самая северная сейсмическая станция расположена в Гренландии. Уточнение строения земной коры и верхней мантии с использованием функции приемника сравнимо с мировыми аналогами, для Западной арктической зоны РФ аналогов нет.
В настоящее время существует широкий перечень природных явлений и параметров, определение которых по данным дистанционного зондирования остается недоступным или затруднительным: мезомасштабная изменчивость океана, - течения, фронты, апвелинг и даунвелинг, нефтяные загрязнения и др. Проблематичной остается идентификация опасных атмосферных явлений мезомасштаба, таких как, например, полярные циклоны. Разработкой алгоритмов восстановления параметров по данным спутниковых приборов научные коллективы занимаются уже в течение нескольких декад. Тем не менее, проблема повышения точности восстанавливаемых параметров и расширения областей применения методов остается до сих пор актуальной. Мировые исследования физики границы раздела океан-атмосфера при штормовых ветрах существенно продвинули понимание взаимодействия океана и атмосферы в таких условиях, однако, ряд важнейших вопросов остается нерешенным. Эти и другие проблемы физики морской поверхности и атмосферы в приложении к задачам обеспечения точности и достоверности мониторинга и прогноза состояния атмосферы, гидросферы и криосферы в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ будут являться неотъемлемой частью исследований в предлагаемом проекте. Заявляемые результаты проекта по данному направлению превосходят текущий мировой уровень, который следует на данный момент из анализа доступных научных статей, опубликованных в ведущих мировых журналах.
5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
В части создания спутникового мониторинга и прогноза ледовой обстановки
Для достижения заявленных результатов предполагается:
 адаптировать к акватории Западной Арктики (моря Баренцево и Карское) существующую версию совместной модели «лед-океан», используемую в настоящее время для прогнозирования эволюции ледяного покрова в арктических и замерзающих неарктических морях. Предполагается повысить степень автоматизации процедуры комплексирования исходных данных, а также процедуру преобразования результатов прогноза в формат современных геоинформационных систем. Модель даст возможность прогнозировать с пространственным разрешением не менее 25 км и с высокой достоверностью основные характеристики ледяного покрова: сплоченность, возрастной состав, дрейф;
 адаптировать к акватории Западной Арктики существующую версию модели дрейфа айсберга, используемую в настоящее время для прогнозирования движения айсбергов в Карском море. Модель должна учитывать внешние силы, влияющие на дрейф айсберга, включая окружающий ледяной покров. Предполагается усовершенствовать трехмерную модель динамики моря, а также существенно уточнить алгоритмы расчета массо-габаритных характеристик айсберга на основе данных экспедиционных исследований ААНИИ последних лет;
 создать базу данных разрывов в ледяном покрове Западной Арктики на основе современной СУБД по информации, поступающей со снимков ИСЗ малого разрешения и принимаемой ААНИИ. Это позволит повысить сохранность исходных данных и скорость доступа к ним. Также предполагается модернизировать существующее программное обеспечение по расчету характеристик разрывов, сориентировав его на использование базы данных и уменьшив шаг при осреднении исходных данных, что повысит достоверность получаемых результатов.
В части создания мониторинга айсбергов и прогноза их дрейфа (включая предупреждение айсберговой опасности)
Для достижения заявленных результатов предполагается:
 адаптировать к акватории Западной Арктики методику автоматизированного определения характеристик ледяного покрова по спутниковым данным, основанную на использовании метода нейронных сетей. Существующая в настоящее время методика применима для региона Центральной Арктики;
 усовершенствовать методику обнаружения айсбергов в арктических морях, используемую в настоящее время посредством более полного учета условий зондирования, поляризации сигнала и состояния подстилающей поверхности;
 повысить степень автоматизации процедуры обнаружения айсбергов по спутниковым данным с одновременным повышением вероятности обнаружения айсбергов. Предполагается модернизировать существующее программное обеспечение, используемое для обнаружения айсбергов и для расчета сплоченности ледяного покрова по спутниковым данным высокого пространственного разрешения.
В части создания мониторинга и прогноза состояния атмосферы, гидросферы и криосферы
Методы и алгоритмы восстановления по спутниковым данным параметров атмосферы, гидросферы и криосферы будут разработаны на основании развития физики измерений и физики взаимодействия океана и атмосферы в условиях экстремальных природно-климатических условий, включая низкие температуры воздуха, сильные ветры и наличие ледяного покрова на акватории арктических морей. При создании и верификации методов предполагается использование данных численного моделирования и результатов анализа спутниковых данных разного пространственного разрешения. Алгоритмы оценки параметров атмосферы, гидросферы и криосферы будут протестированы для условий архипелага Шпицберген и Западной Арктической зоны РФ с использованием данных натурных измерений метеостанций, буев, судов погоды, нефтяных платформ и др.
Построение новых методов будет основываться на проведенных ранее детальных исследованиях физики рассматриваемых явлений и физики измерений, а созданные методы будут реализованы в виде программно-математического обеспечения.
Доступные в настоящее время спутниковые наблюдения позволяют эффективно использовать различные комбинации каналов и режимов поляризации РЛ-сигнала. Это, в свою очередь, дает основу для создания, внедрения и дальнейшей валидации усовершенствованных геофизических модельных функций, необходимых для определения основных параметров среды в диапазоне скоростей ветра от умеренных до ураганных.
Усовершенствованные и новые методы идентификации по спутниковым данным опасных природных явлений будут разработаны на основании физико-математического моделирования и синергетического анализа спутниковых данных, включая данные высокого разрешения российских и зарубежных спутниковых платформ, и будут включать определение границ суб- и мезомасштабных течений, внутренних волн, опасных ледовых явлений, зон сильных ветров и полярных циклонов.
Тестирование методов будет осуществляться как на имеющихся архивных спутниковых данных, так и на данных новых и планируемых к запуску спутниковых измерительных систем, в частности, - радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) на борту спутников Radarsat-2 и Sentinel-1, пассивных микроволновых радиометров AMSR2 и SSMIS на борту спутников GCOM-W1 и DMSP, микроволнового радиометра на борту спутника SMOS, микроволнового пассивного/активного датчика на борту спутника TRMM, радиометра AQUARIUS и планируемого к запуску радиометра SMAP, скаттерометра ASCAT на борту спутников Metop-A, B и – при доступности – на данных российских спутниковых платформ.
Кроме развития физико-математического моделирования, имеющего целью улучшение моделей динамики океана и криосферы, планируется достижение улучшения качества прогноза эволюции полей геофизических параметров за счет ассимиляции спутниковых данных. тестирование моделей будет осуществляться на основании моделирования эволюции опасных явлений в Западной Арктической зоне РФ.
В части создания мониторинга и прогноза климатических изменений
Будет выполнен обзор публикаций в научных изданиях и официальных документах из российских и зарубежных источников общим числом не менее 50 единиц. Будут собраны и систематизированы исторические и современные данные о состоянии морской среды, морского льда, ледников и многолетней мерзлоты, атмосферы и антропогенных примесей в ней. За основу для специализированной базы данных для региона будет принята база океанографических данных Севро-Европейского бассейна и Северной Атлантики, которая будет дополнена систематизированными данными о других составляющих климатической системы региона и программами для их обработки. Будут получены путем количественной оценки дальних связей между климатическими аномалиями в регионе и в низких широтах Мирового океана, на долю которых приходится до 84% энергии, запасенной за 50 лет глобального потепления. Для проведения численных экспериментов по воспроизведению дальних связей будут адаптированы две российских модели циркуляции Мирового океана. Для оценки региональных связей будет развита региональная модель циркуляции Северо-Европейского бассейна и Арктического океана. Для оценки опасных последствий глобального потепления для региона будут использованы результаты численных экспериментов на глобальных моделях климата из ансамбля расчетов на моделях, собранных в CMIP5, расчеты на отечественной глобальной модели климата, разработанной в ИВМ РАН и оценки последствий глобальных и региональных изменений климата атмосферы и океана для других составляющих природной среды в регионе
Методы климатического прогноза основных климатических параметров в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ будут основаны на выявленных дальних и региональных зависимостях, обеспечивающих заблаговременность климатического прогноза для региона от нескольких лет до нескольких месяцев.
Исследование повторяемости опасных гидрометеорологических явлений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ будет проведено по ежедневным и срочным данным о метеорологических характеристиках, колебаниях уровня моря, ледовых явлениях в регионе за период наблюдений и с учетом изменений климата
Количественные критерии и метод оценки уязвимости наземных компонент природной среды архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ будут разрабатываться на основе повторяемости опасных гидрометеорологических явлений, мониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы, составляющих теплового баланса поверхности.
В части создания мониторинга загрязнения территории и акватории экологически опасными химическими элементами и соединениями
Будут выполнены разработка методики высокочувствительного определения тяжелых металлов в морских водах методом рентгено-флуоресцентной спектроскопии полного внешнего отражения (РФС ПВО), методики высокочувствительного определения хлорфенолов в морской воде методом жидкостной хроматомасс-спектрометрии, методики высокочувствительного определения хлорфенолов в донных отложениях методом жидкостной хроматомасс-спектрометрии, методики определения общего органического углерода в морской воде. Будут разработаны методики высокочувствительного определения полициклических ароматических углеводородов в снеге, методики высокочувствительного определения полициклических ароматических углеводородов в ледяном покрове, методики высокочувствительного определения полициклических ароматических углеводородов в почве.
Будут проведены экспедиционные исследования с опытным применением разработанных методик и получением аналитической информацией для формирования баз данных.
Будет создана база данных о распространении опасных химических элементов и соединений в акватории Западной Арктической зоны Российской Федерации.
В части создания ЭАПК сейсмоинфразвукового мониторинга и детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов
Будут разработаны технические предложения по конфигурации и составу автономного сейсмоинфразвукового комплекса мониторинга, закуплено оборудование и программное обеспечение (ПО) для опытного образца (макета) автономного сейсмоинфразвукового комплекса, произведена сборка макета и его отладка и тестирование на эколого-геофизическом полигоне Кольского научного центра РАН.
Будет разработано ПО для сбора, накопления и обработки данных комплекса в реальном режиме времени, проведены предварительные испытания, проверка и тестирование режимов работы оборудования и ПО на соответствие требованиям системы мониторинга с оформлением протоколов испытаний. Последует транспортировка рабочего макета на Шпицберген, оборудование площадок для установки аппаратуры в арктических условиях на территории Российского национального исследовательского центра в Баренцбурге и на временных тестовых полигонах КФ ГС РАН на острове Западный Шпицберген. Будет выполнена разработка практических рекомендаций по применению комплекса, разработка конечной документации и справочно-методических материалов.
В части создания ЭАПК мониторинга и детектирования вариаций сейсмических параметров для оценки сейсмического режима в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов
Алгоритм автоматического детектирования будет основан на методах совместного поляризационного анализа фаз Р и S, проверки связности огибающей и подобия фрагментов огибающих, соответствующих фазам.
Вычисление годографов будет производиться на основе одномерных скоростных моделей строения земной коры и верхней мантии островных и шельфовых территорий Евро-Арктического региона, в частности, архипелагов Шпицберген, Земля Франца-Иосифа. В свою очередь, скоростные модели будут получены по экспериментальным данным сейсмических станций.
Разработка ЭАПК мониторинга и детектирования вариаций сейсмических параметров для оценки сейсмического режима будет включать выбор места и установка на архипелаге Земля Франца-Иосифа сейсмической станции, организация инфраструктуры по сбору и передачи данных, отладку программного обеспечения для автоматического лоцирования и детектирования землетрясений в Западной Арктической зоне РФ, разработку рекомендаций по установке стационарных сейсмических станций в Арктике с учетом особенностей развития и функционирования Российской инфраструктуры (подбор типов сейсмического оборудования, решение вопросов передачи, архивации и хранения сейсмических данных) и разработку методического пособия по обработке сейсмических записей арктических событий (рекомендуемые фильтры, волновые особенности и пр.).
Ограничения и риски определяются развитием международных отношений и падением курса рубля в связи с необходимостью использования зарубежного оборудования и программного обеспечения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов
Разрабатываемые новые высокоточные методы и аппаратно-программные средства должны быть предназначены для реализации принципиально новых инструментальных, методических и технологических возможностей в сфере мониторинга и прогноза гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне РФ и должны обеспечить:
а) увеличение доли научных фундаментальных и прикладных исследований в общем объеме деятельности российских организаций на архипелаге Шпицберген и формирование на нем современной научно-исследовательской базы.
б) возможность создания на архипелаге Шпицберген центра коллективного пользования с использованием информационно-телекоммуникационной инфраструктуры КВСМ для проведения научных исследований по российским и международным программам.
в) проведение систематических гидрометеорологических и гидрографических мониторинговых работ в интересах ведомств и организаций, ведущих свою деятельность в Западной арктической зоне РФ (органы государственной власти, МЧС, Минприроды России, Минтранс России, Минобороны России, Роснефть, Арктикуголь и др.).
г) развитие морских ресурсных исследований, разработку и внедрение новых технологий исследования водных биологических ресурсов в арктических условиях, в том числе в покрытых льдом районах Западной Арктики.
д) проведение в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ круглогодичных наблюдений за физическими и химическими процессами, происходящими в окружающей среде, а также определение уровня загрязнения атмосферы, почв, водных объектов, в том числе по гидробиологическим показателям.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования
Результаты ПНИЭР направлены на создание экспериментальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры системы комплексного высокоточного спутникового мониторинга опасных арктических гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ, использующей выгодное географическое положение архипелага Шпицберген.
Дальнейшие работы по использованию результатов ПНИЭР должны быть нацелены на автоматизацию процессов усвоения исходных данных, расчетов и преобразования информации с целью увеличения оперативности, производительности, надежности и точности обнаружения айсбергов и прогнозирования их перемещения, а также оценки айсберговой угрозы для инфраструктурных инженерных объектов и обеспечения безопасного судоходства в Западной Арктике. По результатам создания ЭАПК спутникового мониторинга и прогноза ледовой обстановки и ЭАПК мониторинга айсбергов и прогноза их дрейфа (включая предупреждение айсберговой опасности) целесообразно проведение ОКР с последующим выпуском малой серии АРМ «Морской лед» и АРМ «Айсберг», предназначенной для мониторинга и прогноза ледовой обстановки и контроля айсберговой угрозы в арктических морях. В перспективе данные с АРМов могут поступать в единый центр морских операций в российской Арктике, функционирующий как подсистема Единой системы государственного экологического мониторинга в контексте положений федерального закона «Об охране окружающей среды» и во исполнение Стратегии развития арктической зоны Российской федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года», утвержденной Решением Президента РФ (18 сентября 2008 года № 11р-1969). АРМ «Морской лед» и АРМ «Айсберг» могут быть поставщиками информации для создаваемой МЧС России системы безопасности населения и территорий в Арктике на базе сети комплексных аварийно-спасательных центров.
ЭАПК мониторинга и прогноза климатических изменений и ЭАПК мониторинга и прогноза состояния атмосферы, гидросферы и криосферы в дальнейшем следует включить в объединенную систему комплексного мониторинга опасных арктических гидрометеорологических и геофизических процессов и явлений в Западной арктической зоне РФ в рамках создания Единого центра мониторинга, оценки и прогнозирования изменения климата и опасных природных явлений, включая мониторинг состояния Земли и околоземного космического пространства, с учетом гидрометеорологических и климатических данных, получаемых в государственной, ведомственных и корпоративных системах наблюдений во исполнение Климатической доктрины Российской Федерации на период до 2020 года.
Результаты создания ЭАПК мониторинга загрязнения территории и акватории экологически опасными химическими элементами и соединениями могут быть использованы при создании Единой системы государственного экологического мониторинга.
Результаты создания ЭАПК сейсмоинфразвукового мониторинга и детектирования сейсмической активности и опасных геодинамических явлений в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов и ЭАПК мониторинга и детектирования вариаций сейсмических параметров для оценки сейсмического режима в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов могут быть использованы при создании национальной системы мониторинга геофизических факторов риска в АЗРФ, которая должна быть создана в соответствии с заданием 1.12. «Развитие системы мониторинга геофизической обстановки в АЗРФ» государственного «Плана мероприятий по реализации Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года», утвержденного Председателем Правительства РФ Д.А.Медведевым 16.10.2013. (№ 6208п-П16).

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений
Разрабатываемые новые высокоточные методы и аппаратно-программные средства мониторинга повлияют на развитие научно-технических и технологических направлений в следующих областях:
а) рационального природопользования на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне РФ.
б) развития науки и технологий мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
в) создания современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры освещения гидрометеорологической и геофизической обстановки в Западной Арктической зоне Российской Федерации.
г) обеспечения экологической безопасности на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне Российской Федерации.
д) гидрометеорологического и геофизического обеспечения военной безопасности, защиты и охраны государственной границы Российской Федерации в Западной Арктической зоне РФ.
Разрабатываемые новые высокоточные методы и аппаратно-программные средства мониторинга позволят добиться снижения рисков и предупреждение техногенных катастроф, вызванных опасными природными процессами в районах разведки и добычи энергетических сырьевых ресурсов Западной арктической зоны РФ, обеспечения безопасности навигации по Северному морскому пути, транзитных перевозок в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ, а также безопасности трансполярных воздушных маршрутов, выявления и предупреждения экологически опасных загрязнений территории и акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ, вызванных хозяйственной деятельностью российских и международных организаций.

Текущие результаты проекта:
1.1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблемам обеспечения точности и достоверности мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки в Западной Арктической зоне Российской Федерации.
1.2. Проведение патентных исследований.
1.3. Анализ и систематизация гидрометеорологических угроз с оценкой степени опасности для конкретных локальных районов Западной Арктики.
1.4. Разработка уточненных годографов региональных сейсмических фаз в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
1.5. Разработка методов и методик высокочувствительного детектирования опасных химических элементов и соединений в морских водах и в донных отложениях акватории архипелага Шпицберген и Западной арктической зоны РФ.
1.6. Сбор, анализ и систематизация данных о состоянии климатической системы архипелага Шпицберген и Западной Арктической зоны РФ.
1.7. Проведение исследований и установление связей изменчивости характеристик климата внутри региона Западной Арктики с глобальными изменениями климата.
1.8. Разработка методов высокоточного восстановления по спутниковым данным параметров атмосферы и атмосферных явлений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.
1.9. Разработка метода высокоточной идентификации опасных природных явлений в зоне архипелага Шпицберген и в Западной арктической зоне РФ.