Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0100

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0100
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Мониторинг состава, строения и динамики атмосферы методами дистанционного зондирования и контактными средствами: развитие методов, интеркалибровка средств, продолжение многолетних рядов
Докладчик
Белан Борис Денисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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:
1. Разработка и создание новых технологий и устройств. Совершенствование алгоритмов обработки.
2. Определение метрологических характеристик разработанных устройств.
3. Продолжение мониторинга на имеющихся станциях и установках.
Ожидаемые результаты проекта
1. Алгоритмы оценки скорости и направления ветра из данных измеряемых лидаром «Stream Line».
2. Алгоритмы атмосферной коррекции спутниковых изображений в видимом диапазоне длин волн.
3. Экспериментальный образец современного типового поста мониторинга состава и состояния атмосферы.
4. Экспериментальный образец спектрометра аэрозоля.
5. Экспериментальный образец сканирующего поляризационного многоволнового лидара «ЛОЗА-М3».
6. Экспериментальный образец лидара «Аэрозоль-3».
7. Экспериментальный образец лидара «СТ Озон».
8. Экспериментальный образец содара.
Актуальность и новизна исследования
В последние десятилетия различные регионы России все чаще сталкиваются с проблемами, вызванными опасными природными явлениями (ОПЯ) такими как: наводнения; кратковременные бурные паводки; аномально жаркая погода т.п. Немаловажным аспектом данной проблемы является глобальное потепление, которое наиболее выражено в северных широтах. С одной стороны, вызванное этим уменьшение площади ледяного покрова Северного Ледовитого океана может принести выгоду благодаря увеличению продолжительности навигации по Северному морскому пути. Однако, с другой стороны, потепление в полярных широтах может также привести к деградации вечной мерзлоты и, как следствие, увеличить риски для инфраструктуры нефтегазоносных районов – основных доноров Российского бюджета.
Несмотря на отсутствие единогласия о роли человека в глобальном изменении климата и окружающей среды, неоспоримым является факт регионального загрязнения воздуха, вызванного его хозяйственной деятельностью.
Таким образом, для сохранения людских и материальных ресурсов России требуется развитие методов и системы диагностики окружающей среды, которые станут надежным инструментом для точного прогнозирования опасных явлений и оповещения в доступной для населения форме, пока они не стали бедствием.
В настоящее время в России отсутствует полноценная сеть мониторинга комплексного состояния атмосферы, которая бы охватывала всю ее территорию и отвечала ее современным потребностям. Существующая сеть Росгидромета предоставляет лишь гидрометеорологическую информацию и сведения о загрязнении воздуха в городах. Однако в современных условиях одной этой информации недостаточно, несмотря даже на плотность имеющейся у Росгидромета сети.
Описание исследования

Dсе 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.

Задача 1.2. Разработка нового метода и создание диффузионного спектрометра для оперативных мониторинговых измерений.

Задача 1.3. Разработка лидара на основе использования большинства существующих эффектов взаимодействия излучения с атмосферой: упругое и комбинационное рассеяние, поляризация – линейная и круговая.

Задача 1.4. Разработка теоретических основ поляризационного лазерного зондирования облаков.

Задача 1.5. Разработка теоретических основ по анализу данных многоволновых лидарных и фотометрических наблюдений для восстановления высотной тонкой структуры озона, водяного пара, микрофизических параметров аэрозоля, восстановлению оптических параметров из совместного анализа сигналов упругого и комбинационного рассеяния.

Задача 1.6. Развитие технологий дистанционного лазерного мониторинга и модернизация уникальной Сибирской лидарной станции.

Задача 1.7. Разработка макета лидара «Аэрозоль-3» для измерений оптических и микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля на трех длинах волн зондирования 355, 532 и 683 нм.

Задача 1.8. Разработка макета лидара «СТ Озон» для измерения вертикального распределения концентрации озона в верхней тропосфере – нижней стратосфере на длинах волн зондирования 299/341 нм;

Задача 1.9. Разработка, изготовление и апробация макета трёхканального многочастотного содара, обеспечивающего реализацию оперативного измерения компонентов вектора ветра и абсолютных значений структурной характеристики температурного поля в пограничном слое атмосферы 

Задача 1.10. Разработка и реализация алгоритма оперативного восстановления высотных профилей абсолютных значений структурной характеристики показателя преломления оптических волн.

Задача 1.11. Разработка технологии измерения импульсным когерентным доплеровским лидаром «Stream Line» 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 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  и и со спектрометром сажи SP2.

Задача 2.3. Проведение работ по сертификации лидарных каналов, измеряющих параметры атмосферы.

Задача 2.4. Разработка и апробация методики непрерывной абсолютной калибровки измерительных каналов содара при многочастотном зондировании.

Задача 2.5. Разработка и проверка алгоритмов оперативного усвоения информационных потоков от каналов абсолютной калибровки и непосредственно из атмосферы с последующей оценкой высотных профилей компонентов вектора ветра и абсолютных значений структурной характеристики температурного поля.

Задача 2.6. Проведение интеркалибровки измерительных каналов содара с использованием технических средств, обеспечивающих возможность оценки структурной характеристики температурного поля на заданном уровне в приземном слое атмосферы.

Задача 2.7. Тестирование разработанных методов  в экспериментах, предполагающих совместные измерения ветра и турбулентности импульсным когерентным лидаром «Stream Line» и другими приборами. 

3. Продолжение мониторинга на имеющихся станциях и установках

Задача 3.1. Проведение длительных непрерывных измерений на созданном автоматизированном посту с целью отработки режима удаленного доступа.

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 3.3. Продолжение мониторинга концентрации стратосферного аэрозоля.

Задача 3.4. Проведение лидаром «Stream Line» непрерывных измерений в течение длительного времени при различных атмосферных условиях. 

Задача 3.5. Продолжение спутникового мониторинга состава атмосферы и подстилающей поверхности.

Результаты исследования

На первом этапе выполнения проекта были проведены следующие виды работ. Аналитический обзор и анализ научно-технической литературы в области мониторинга атмосферы. Сделана сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике. На основании обзора сделано обоснование и уточнение направления исследований и способов решения поставленных задач. Проведены патентные исследования, определены технические и методологические решения, подлежащие защите как РИД. Направлены заявки по регистрации баз данных программных комплексов. Определены технических характеристик оборудования, проведены тендеры на заключение договоров (контрактов) с поставщиками на закупку комплектующих и оборудования. Продолжался мониторинг на действующих системах.

На втором этапе были разработаны методики: измерений концентрации и распределения по размерам рассеивающего и поглощающего вещества, многочастотного лазерного зондирования оптических характеристик атмосферных аэрозолей, оценки релевантности спутниковых данных о метеорологическом состоянии атмосферы. Проведены теоретические исследования  спектрального поведения оптических коэффициентов и микрофизические характеристики аэрозольных частиц и работы отдельных функциональных блоков содара. 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.

На третьем этапе проекта были выполнены следующие виды работ. Разработка и изготовление экспериментального образца современного типового поста мониторинга состава и состояния атмосферы, спектрометра аэрозоля и сканирующего поляризационного многоволнового лидара «ЛОЗА-М3». Разработка программ и методик экспериментальных исследований типового поста мониторинга состава и состояния атмосферы,  спектрометра аэрозоля и сканирующего поляризационного многоволнового лидара «ЛОЗА-М3». Проведение экспериментальных исследований экспериментальных образцов современного типового поста мониторинга состава и состояния атмосферы,  спектрометра аэрозоля и сканирующего поляризационного многоволнового лидара «ЛОЗА-М3». Продолжение работ по мониторингу на действующей системе. Подготовка заявок на патентование. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.

Четвертый этап был посвящен разработке и изготовлению экспериментальных образцов лидаров «Аэрозоль-3» и «СТ Озон», содара.  Разработаны программы и методики экспериментальных их исследований. Проведены экспериментальные исследования перечисленных экспериментальных образцов. Продолжены работы по мониторингу на действующих системах.     В настоящем промежуточном отчете приводятся результаты выполнения перечисленных работ.

Выполнение этих задач является одним из основных этапов ПНИ для дальнейшей подготовки технического задания на выполнение ОКР и внедрения разрабатываемых новых средств и методик в практику мониторинга метеорологического и оптического состояния атмосферы.

Практическая значимость исследования
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. 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.