Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов мониторинга динамики естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в атмосферу на основе космических данных и результатов моделирования

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
эмиссии, газовые компоненты, аэрозоль, атмосфера, естественные и антропогенные источники, климатообразующие факторы спутниковые данные, наземные данные, космический мониторинг, системы сбора и обработки данных, моделирование

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на решение следующих задач: - разработка методов аэрокосмического мониторинга естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей; - разработка методов и технологических решений, направленных на сбор и обработку данных космического мониторинга для проведения оценки объемов естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в воздушной среде под действием природных и антропогенных факторов; - разработка комплексной математической модели газовой и аэрозольной динамики атмосферы в региональном и глобальном масштабах; - разработка прототипа комплекса программных и (или) технических решений, реализующих разработанные методы космического мониторинга и математического моделирования; - проведения экспериментальных исследований по мониторингу динамики антропогенных и естественных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в атмосфере с использованием разработанных методов. Цель проекта: Разработка методических подходов и технологических решений оценки объемов естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей на основе результатов космического мониторинга и математического моделирования для анализа их воздействия на состояние воздушной среды и климатические процессы на территории Северной Евразии путем объединения совместных Российско-Европейских исследований в интересах обеспечения охраны окружающей среды, повышения надежности прогнозов изменения климата и улучшения качества жизни.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта должны быть получены следующие результаты:
- методы космического мониторинга для комплексной оценки естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в воздушную среду.
- комплексная математическая модель газовой и аэрозольной динамики атмосферы в региональном и глобальном масштабах.
- прототип комплекса программных и технических решений, реализующих разработанные методы космического мониторинга и математического моделирования.
- результаты экспериментальных исследований.
Разрабатываемые методы космического мониторинга естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей, предназначенные для решения практических задач выявления источников, оценки объемов и динамики распространения загрязняющих веществ в атмосфере на пожароопасных территориях, а также для промышленных и густонаселенных областей, характеризующихся наличием антропогенных источников вредных газовых примесей и аэрозолей, позволят обеспечить:
- выявление очагов эмиссий вредных газовых примесей и аэрозолей по многоспекральным космическим данным;
- оценку объёмов эмиссий вредных газовых примесей (в том числе CO, CO2, NO2 и др.) и аэрозолей;
- дистанционное измерение параметров, характеризующих области распространения эмиссий вредных газовых примесей и аэрозолей;
- идентификацию природных и антропогенных источников эмиссий вредных газовых примесей и аэрозолей в исследуемых областях.
Разрабатываемая комплексная модель газовой и аэрозольной динамики в атмосфере будет обеспечивать:
- моделирование многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере и учитывать все взаимосвязанные механизмы формирования и эволюции газовых примесей и аэрозолей (динамика атмосферы, фотохимическая трансформация, гомогенная бинарная/тернарная нуклеация, конденсация/испарение, коагуляция, жидкофазные химические реакции с учетом процессов массообмена на интерфейсе газ-частица (капля));
- учет основных механизмов и динамики образования вторичных аэрозольных частиц, возникающих при трансформации в атмосфере большого числа органических веществ, находящихся в газовой и конденсированной фазах;
- ассимиляцию данных космического мониторинга.
Прототип комплекса программных и технических решений для мониторинга динамики естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в атмосферу будет обеспечивать:
- сбор и предварительную обработку данных, получаемых от внешних источников;
- тематическую обработку данных и их визуализацию (в т.ч. в удаленном режиме), полученных приборами: MODIS (КА Terra, AQUA); OMI (КА AURA); AVHRR (КА NOAA); AIRS (КА AQUA).
- получение архивных данных не позднее 7-10 дней с момента их поступления на ftp-сервер;
- возможность выявления изменения концентрации газовых компонент и аэрозолей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемым по результатам выполнения проекта, является прототип комплекса программных и технических решений, реализующих разработанные методы космического мониторинга и математического моделирования, включающий следующие программные модули:
- сбора и предварительной обработки данных, получаемых от внешних источников;
- тематической обработки данных и их визуализации (в т.ч. в удаленном режиме);
- автоматизированного сбора исходных данных о состоянии воздушной среды;
- тематической обработки данных о состоянии воздушной среды, полученных приборами: MODIS (КА Terra, AQUA); OMI (КА AURA); AVHRR (КА NOAA); AIRS (КА AQUA).
Технические решения для реализации целей и задач проекта основываются на максимальном использовании существующей в НИИ «АЭРОКОСМОС» программно-технической инфраструктуры, а также модернизации ее отдельных компонентов и дополнении новыми техническими средствами, в состав которого входят: вычислительный сервер; система хранения данных; автоматизированное рабочее место оператора.
Новизна научных и технических решений заключается в разработке новых и усовершенствовании существующих методов и технологий космического мониторинга и математического моделирования состава атмосферы, для более точной комплексной оценки динамики естественных и антропогенных эмиссий, вредных газов и аэрозолей в атмосферу, на основе различных спутниковых данных, обеспечивающих объективную оценку влияния вредных примесей на состояние воздушной среды для предотвращения негативного влияния на окружающую среду, климат, а также для улучшения качества жизни людей.
При разработке методов космического мониторинга и математического моделирования динамики естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в воздушной среде будут реализованы технологии, обеспечивающие сбор данных космического мониторинга, в том числе с систем (комплексов) приема данных и существующих баз спутниковых данных, их предварительную обработку, тематическую обработку и визуализацию результатов.
Использование разработанных в ходе проекта методов и технологий в системе комплексного мониторинга внесёт значимый вклад в решение проблем, связанных с охраной окружающей среды и обеспечением экологической безопасности. Они будут конкурентоспособны в исследуемой области в сравнении с известными российскими и европейскими разработками. Разработанные методы и технологии будут превосходить мировой уровень.
Высокая актуальность темы настоящих прикладных научных исследований, наличие богатого научного задела и современной материально-технической базы, использование методик контроля качества разрабатываемой продукции, обеспечивающих соответствие заданных показателей качества, позволяют в рамках настоящего проекта достигнуть планируемые результаты с низким уровнем ограничений и риска.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные в ходе проекта методы и технические решения оценки объемов естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей на основе результатов космического мониторинга и математического моделирования, обеспечат возможность комплексного мониторинга загрязнений атмосферы для исследования последствий влияния природных и антропогенных факторов на воздушную среду.
Выполнение данного проекта позволит применять самые современные подходы для оценки состояния атмосферы под влиянием природных и антропогенных факторов, гармонизировать данные и стандартизировать программное обеспечение, что сэкономит значительные средства по интеграции информационных ресурсов необходимых для оценки состояния окружающей среды на глобальном, региональном и локальном уровнях, а также обеспечит снижение негативных воздействий на воздушную среду и качество жизни.
Результаты, полученные при проведении прикладных научных исследований, будут способствовать прогнозированию негативного влияния природных и антропогенных факторов на климат и позволят формировать рекомендации для снижения негативных последствий и адаптации к ним, включая научную оценку потенциальных преимуществ и недостатков разработанных методов и технологий.

Текущие результаты проекта:
К настоящему времени получены следующие основные результаты:
1. Разработаны методы космического мониторинга для оценки объемов эмиссий газовых примесей и аэрозолей в воздушную среду под действием природных и антропогенных факторов, а именно:
- метод космического мониторинга динамики эмиссий и оценка объемов выбросов NO2 и SO2 от антропогенных источников;
- метод космического мониторинга антропогенных источников горения и оценка выбросов CO2;
- метод выявления очагов природных пожаров и расчёта объёмов эмиссий вредных газовых примесей CO2, СО, NO2 и аэрозолей от природных пожаров по спутниковым данным;
- метод космического мониторинга динамики и распространения пепловых выбросов (SO2) в период извержения активных вулканов;
- метод комплексного мониторинга поля концентрации метана (СН4) в атмосфере и природных источников его эмиссий по космическим данным.
Разработанные методы, основанные на использовании космических данных, получаемых с приборов OMI, AIRS, MODIS, AVHRR, ETM+, OLI, TIRS и др. позволяют решать практические задачи по выявлению источников, оценке объемов и динамики распространения загрязняющих веществ в атмосфере на пожароопасных, промышленных и густонаселенных территориях, характеризующихся наличием источников вредных газовых примесей и аэрозолей, а также оценивать влияние негативных воздействий естественных и антропогенных газовых эмиссий и аэрозолей на воздушную среду, в том числе на изменение климата в локальном, региональном и глобальном масштабах.
2. Разработана методика сбора и систематизации космической информации, в соответствии с которой выполнен сбор и систематизация оперативных и архивных данных дистанционного зондирования по характеристикам атмосферы и подстилающей поверхности, получаемых с космических аппаратов AQUA, TERRA, AURA, NOAA, Landsat и др. в различные временные периоды за последнее десятилетие на территорию Северной Евразии. Отработана процедура получения данных с российского спутника серии Метеор-М. Подробно проанализирована и систематизирована метафинформация по 16 типам информационных продуктов, сформированных по космическим данным на основании использования улучшенных алгоритмов восстановления значений характеристик. Общий объем собранных данных составил ~ 610,85 Гб.

3. Разработана комплексная математическая модель, в состав которой входят следующие основные взаимосвязанные компоненты:
- модуль подготовки входной информации, использующий основные входные данные, необходимые для моделирования атмосферной циркуляции и переноса газовых примесей и аэрозолей в атмосфере;
- модель гидротермодинамики региональных атмосферных процессов с учетом орографических и термических неоднородностей подстилающей поверхности;
- модель переноса и диффузии многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере;
- модель фотохимической трансформации;
- модель гомогенной бинарной нуклеации для воспроизведения процессов формирования частиц новой фазы (мельчайшие кластеры) из газов–предшественников;
- модель кинетических процессов конденсации/испарения;
- модель кинетических процессов коагуляции с использованием неравновесной функции распределения частиц по размерам.
Теоретическую основу комплексной математической модели составляют уравнения гидротермодинамики атмосферы, уравнение переноса и трансформации примесей, уравнения и соотношения, определяющие прямые и обратные связи в системе и режим взаимодействия воздушных масс и примесей с подстилающей поверхностью Земли. Эти уравнения в дифференциальном виде представляют законы сохранения энергии, массы, количества движения и субстанций, которые вместе с законами термодинамики и химии описывают процессы, протекающие в атмосфере, почве, на подстилающей поверхности и их взаимосвязь.
Алгоритмическая реализация осуществляется на базе метода расщепления. Фундаментальное свойство метода расщепления заключается в том, что различные элементы математических моделей могут рассматриваться на отдельных этапах расщепления формально независимо, но структура всего комплекса должна быть такой, чтобы на всех стадиях численного моделирования сохранялся физический смысл, заложенной в первоначальных формулировках моделей. Для построения дискретных численных моделей метод расщепления используется в сочетании с вариационными принципами. При таком сочетании проявляются одновременно лучшие свойства обоих типов: метод расщепления упрощает построение и реализация моделей, а вариационный принцип обеспечивает взаимно согласование всех этапов численного моделирования.

4. Завершается разработка прототипа комплекса программных и технических решений, реализующих разработанные методы космического мониторинга и математического моделирования, включающие в себя программные модули:
- сбора и предварительной обработки данных, получаемых от внешних источников;
- тематической обработки данных и их визуализации (в т.ч. в удаленном режиме);
- автоматизированного сбора исходных данных о состоянии воздушной среды;
- тематической обработки данных о состоянии воздушной среды, полученных приборами: MODIS (КА Terra, AQUA); OMI (КА AURA); AVHRR (КА NOAA); AIRS (КА AQUA).
5. Разрабатывается эскизная программная документация на разработанные программные модули, включающая: текст программы в соответствии с ГОСТ 19.401-78, руководство оператора в соответствии с ГОСТ 19.401-79 и описание применения в соответствии с ГОСТ 19.401-78.
6. Разрабатываются программы и методики исследовательских испытаний создаваемых программных модулей сбора и предварительной обработки данных, получаемых от внешних источников, а также тематической обработки данных и их визуализации, в соответствии с которыми проведены испытания, продемонстрировавшие их работоспособность.
7. В рамках совместных исследований иностранным партнером, получены следующие результаты:
- проанализированы свойства облаков для количественного определения основных климатических обратных связей и движущих механизмов, связанных с аэрозолями, облаками, осадками и взаимодействиями биосфера-атмосфера;
- изучено влияние вторичного органического вещества на процесс формирования облаков.
В настоящее время:
- проводятся исследования взаимодействий и механизмов обратной связи между биосферой и атмосферой;
- проводится количественная оценка эмиссий различных типов экосистем;
- проводится совместный анализ экосистемного гидрологического цикла, образования летучих органических соединений и атмосферных процессов.
8. Достигнутые значения индикаторов и показателей результативности выполнены в полном объеме и соответствуют требованиям Соглашения о предоставлении субсидии.