Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.604.21.0100

Руководитель: Белан Борис Денисович

Должность руководителя: Заместитель директора

Докладчик: Романовский Олег Анатольевич, Зав. лаб.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
атмосфера, парниковые газы, аэрозоли, лазерное зондирование, лидар, непрерывные измерения, мониторинг, самолет-лаборатория, спутниковое зондирование, содар

Цель проекта:
Цель проекта: Разработка и исследование комплекса научно-технических решений, направленных на модернизацию технологий мониторинга состава, строения и динамики атмосферы для дистанционного контроля оптико-физических и метеорологических параметров атмосферы и продолжения накопленных многолетних рядов наблюдений. Решаемые задачи проекта: Все запланированные в проекте работы можно разделить на три направления. Разработка и создание новых технологий и устройств. Совершенствование алгоритмов обработки. 1.1. Разработка современного типового автоматизированного поста мониторинга состояния и состава атмосферы 1.2. Разработка и создание диффузионного спектрометра 1.3. Разработка лидара на основе упругого и комбинационного рассеяния 1.4. Разработка теоретических основ поляризационного лазерного зондирования облаков и анализа данных многоволновых лидарных и фотометрических наблюдений 1.5. Развитие технологий дистанционного лазерного мониторинга и модернизация уникальной Сибирской лидарной станции 1.6. Разработка макета лидара «Аэрозоль-3» 1.7. Разработка макета лидара «СТ Озон» 1.8. Разработка трёхканального многочастотного содара 1.9. Разработка технологии измерения доплеровским лидаром «Stream Line» 1.10. Разработка коррекции искажающего действия атмосферы в данных спутникового зондирования 2. Определение метрологических характеристик разработанных устройств. 3. Продолжение мониторинга на имеющихся станциях и установках.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Методика измерений концентрации и распределения по размерам рассеивающего и поглощающего вещества.
2. Методика многочастотного лазерного зондирования характеристик атмосферных аэрозолей.
3. Методика оценки релевантности спутниковых данных о метеорологическом состоянии атмосферы.
4. Алгоритмы оценки скорости и направления ветра из данных лидара «Stream Line».
5. Алгоритмы атмосферной коррекции спутниковых изображений в видимом диапазоне длин волн.
6. Экспериментальный образец современного типового поста мониторинга состава и состояния атмосферы.
7. Экспериментальный образец спектрометра аэрозоля, позволяющего измерять концентрацию и распределение по размерам рассеивающих и поглощающих частиц аэрозоля.
8. Экспериментальный образец сканирующего поляризационного многоволнового лидара «ЛОЗА-М3» для определения массовой концентрации аэрозоля, включая сажевую компоненту и его распределения по размерам.
9. Экспериментальный образец лидара «Аэрозоль-3» для измерений оптических и микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля.
10. Экспериментальный образец лидара «СТ Озон» для измерения вертикального распределения концентрации озона.
11. Экспериментальный образец содара для диагностики высотных профилей вектора ветра.
2.12. Проект технического задания на проведение ОКР.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В настоящее время в России отсутствует полноценная сеть мониторинга комплексного состояния атмосферы, которая бы охватывала всю ее территорию и отвечала ее современным потребностям. Одной из задач проекта является разработка и создание типового поста комплексного мониторинга состава воздуха. 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. Созданная на основе типового поста система может стать в будущем частью современной мировой сети контроля качества и состояния атмосферы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
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.
Индустриальный партнер должен провести маркетинговое исследование рынка возможных потребителей, профинансировать текущее содержание и обслуживание имеющихся у коллектива постов мониторинга с целью их модернизации и переоснащения.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году разработаны методики: измерений концентрации и распределения по размерам рассеивающего и поглощающего вещества аэрозоля, многочастотного лазерного зондирования оптических характеристик атмосферных аэрозолей по сигналам обратного упругого рассеяния, валидации спутниковых данных о метеорологическом состоянии атмосферы.
Проведены теоретические исследования спектрального поведения оптических коэффициентов и микрофизические характеристики аэрозольных частиц, работы отдельных функциональных блоков содара, включая блоки абсолютной калибровки измерительных каналов.
Выполнены исследования и разработка алгоритмов: оценивания скорости и направления ветра из данных измеряемых лидаром «Stream Line», атмосферной коррекции спутниковых изображений в видимом диапазоне длин волн, вычисления структурных характеристик температуры и показателя преломления.
Продолжены работы по мониторингу на действующей системе, что позволило установить, что в 2015 г., как и в предыдущие 2012-2014 гг., наблюдается фоновое содержание стратосферного аэрозоля. Со второй половины 1990-х годов по настоящее время практически повсеместно наблюдается прекращение деструкции озонового слоя, или же регистрируется тренд роста ОСО, что особенно заметно в средних и высоких широтах Северного полушария. Тренд роста ОСО за период 1996-2013 гг. над Томском составил 0,65 е.Д./год. Вторую половину 2014 г. ОСО было повышенным. Среднее значение за сентябрь - октябрь составило 340 е.Д. в 2014 г. против 321 е.Д. в 2013 г. Тем не менее, весеннее понижение ОСО в 2014 г. оказало более существенное влияние на его годовой ход. В результате среднее годовое значение составило 362 е.Д. в 2014 г. против 370 е.Д. в 2013 г. Колебания озона весной 2014 и 2015 гг. происходили в противофазе.
В 2015 г. продолжается регулярный мониторинг характеристик стратосферного аэрозоля и озона. В 2015 г., как и в предыдущие 2012-2014 гг. наблюдается фоновое содержание стратосферного аэрозоля. По результатам работы выделены периоды повышенного содержания стратосферного аэрозоля после серии вулканических извержений 2006-2011 гг. Определен глобальный форсинг вулканического аэрозоля, составивший -0.19 ± 0.09 Вт/м-2 за период после 2000 г.
В ходе мониторинга пограничного слоя атмосферы с использованием действующего содара проведены оценки диапазона изменения абсолютных значений структурной характеристики температурного поля на разных высотах и полученные результаты сопоставлены с измерениями данной величины в приземном слое атмосферы с помощью ультразвуковой метеостанции.
На основе статистического анализа, проведенного для массива из 110 сеансов лидарных измерений, определены вертикальные границы основных рассеивающих слоев тропосферы - пограничного слоя, слоев средней и верхней тропосферы. Средние значения (стандартные отклонения) их верхней границы составляют 1.2 (0.3) км, 5.0 (0.7) км, 10.6 (0.6) км для холодного периода наблюдений, и 2.5 (0.9)км, 6.2 (1.1)км, 11.3 (0.7) км для теплого периода наблюдений, соответственно. На основе совместного анализа результатов лидарных измерений и расчета 10 суточных обратных траекторий перемещения воздушных масс выделено четыре основных направления горизонтального переноса аэрозоля в Томск.