Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Усовершенствованная технология ведения режимно-справочного банка данных "актинометрия" и ее применение для исследования прозрачности атмосферы на территории России

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Усовершенствованная технология ведения режимно-справочного банка данных "актинометрия" и ее применение для исследования прозрачности атмосферы на территории России"

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ А.И. ВОЕЙКОВА»

на правах рукописи УДК 551.521

Лукин Андрей Борисович

УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЕДЕНИЯ РЕЖИМНО-СПРАВОЧНОГО БАНКА ДАННЫХ «АКТИНОМЕТРИЯ» И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ НА ТЕРРИТОРИИ

РОССИИ

Специальность 25.00.30 — метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2006

Диссертация выполнена в государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова»

Научный руководитель: кандидат географических наук Елена Львовна Махоткина

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Кобышева Нина Владимировна

кандидат географических наук Шиловцева Ольга Александровна

Ведущая организация: Российский государственный гидрометеорологический университет.

Защита состоится « 2006 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 327.005.01 при государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова» по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного учреждения «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова.

Автореферат разослан «16» сегН^МГ^Л

2006 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, л -доктор географических наук ' А.В.Мещерская

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы и состояние вопроса.

Как указывал один из основоположников российской актинометрии Н.Н.Калитин, основная задача актинометрии заключается в том, чтобы исследовать сколько и когда лучистой энергии качественно и количественно доходит до земной поверхности, как атмосфера влияет на эту энергию и какое количество лучистой энергии на земле и в атмосфере превращается в другие виды энергии. Источником актинометрической информации является сеть пунктов, выполняющих наблюдения за радиационным балансом и его составляющими. Для повышения информативности актинометрической сети на всех этапах ее развития требовалось расширение программы наблюдений и совершенствование форм представления и доведения до потребителя традиционно получаемых данных. В настоящее время работы по обеспечению потребителей актинометрической информацией связаны с переработкой значительного объема первичных данных.

Актинометрическая информация относится к категории режимной. Полный комплекс работ по сбору, контролю, архивации и хранению актинометрической информации, заключительным этапом которого является передача архивов, установленного образца, на федеральное хранение в Госфонд осуществляет Главная геофизическая обсерватория (ГГО). С 80-х годов XX в. в ГГО функционирует режимно-справочный банк данных (РСБД) «Актинометрия», информационную основу которого составляют три базовых архива: «Срочные наблюдения», «Регистрация» и «Интегрирование». Банк предназначен для хранения и распространения информации о радиационном балансе и его составляющих в целях обеспечения потребителей любого уровня режимно-справочной информацией, требуемой для выполнения различных практических, проектных и научно-исследовательских работ. Базовые архивы РСБД "Актинометрия" представляют собой архивы, сформированные автоматизированной системой первичной обработки информации, и подлежат долгосрочному хранению на цифровых носителях. Данные архивы нуждаются в своевременной проверке и нормализации. Нормализованные архивы получаются из базовых путем упорядочивания хранящейся в них информации, ее верификации и устранения структурных дефектов и дублей. При этом нормализованные архивы полностью сохраняют содержание базовых архивов. Для решения конкретных исследовательских задач из нормализованных формируются специализированные архивы. Их структура, как правило, отличается от исходных нормализованных архивов.

Практика показала, что первоначально подготовленный пакет программ для работы с информационной базой РСБД «Актинометрия» нуждается в расширении и развитии. В частности, требуется создание программ,

з

обеспечивающих верификацию (исправление) базовых актинометрических архивов и их преобразование в специализированные базы данных, предназначенные для проведения прикладных и исследовательских работ. В свою очередь специализированные архивы должны сопровождаться комплексом программ для всестороннего анализа хранящейся в них информации.

Кроме того, в связи с произошедшей в последние годы повсеместной компьютеризацией и переводом хранения информации на электронные носители особое значение приобретает проблема актуализации принятых ранее технологий обработки, хранения и преобразования архивных данных. В настоящее время весьма активно развиваются работы по созданию информационно-вычислительных, информационно-справочных систем и баз данных о состоянии окружающей природной среды. Целый ряд таких разработок посвящен обобщению экспериментальных данных о состоянии атмосферы. Повсеместное развитие компьютерных сетей, а также сетей передачи данных, таких как Интернет, открывает возможности для широкого обмена информацией. Все это должно учитываться и при проведении актуализации РСБД «Актинометрия», направленной на создание технологий и программных средств для применения актинометрической информации, как в исследованиях текущих изменений климата, так и в прикладных целях.

Цель работы и задачи исследования.

Основная цель работы заключается в совершенствовании и развитии технологии ведения РСБД «Актинометрия» для обеспечения возможности включения актинометрической информации в климатические исследования.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• выполнить анализ состояния информационной базы и программного обеспечения РСБД «Актинометрия» и определить направления его совершенствования на ближайшие годы;

• разработать и реализовать технологию формирования и пополнения верифицированной информационной базы РСБД и подготовить на ее основе специализированные архивы, предназначенные для мониторинга радиационных факторов климата;

• создать программные средства доступа, контроля и преобразования базовых актинометрических архивов;

• продемонстрировать на примере создания конкретной специализированной информационно-справочной системы «Прозрачность атмосферы» возможности использования РСБД «Актинометрия» для оценки текущих климатических изменений;

• исследовать пространственно-временные изменения мутности атмосферы на территории России за последнее тридцатилетие.

Научная новизна работы.

Разработана и реализована усовершенствованная технология формирования нормализованных (скорректированных) и

специализированных архивов РСБД «Актинометрия» и создана информационно-справочная система «Прозрачность атмосферы», на примере которой продемонстрированы возможности использования

актинометрической информации для исследований текущих климатических изменений. Получены новые результаты о режиме мутности атмосферы на территории России в период 1976 — 2003 гг.

Автором решены следующие задачи:

• разработан комплекс программ для контроля базовых архивов РСБД «Актинометрия», их последующей обработки и преобразования в специализированные архивы различного назначения;

• сформированы верифицированные нормализованные архивы «Срочные наблюдения» и «Регистрация»;

• разработан программный комплекс, обеспечивающий доступ к базовым актинометрическим архивам и их преобразование в специализированные базы данных, предназначенные для проведения прикладных и исследовательских работ;

• создана усовершенствованная информационно-справочная система «Прозрачность атмосферы»;

• с использованием информационно-справочной системы «Прозрачность атмосферы» и впервые сформированных специализированных архивов выполнены оценки изменения мутности атмосферы на территории России за последние 30 лет.

Практическая значимость работы.

Научная и практическая ценность работы состоит в создании верифицированных базовых и специализированных актинометрических архивов, а также средств доступа к ним, что обеспечивает возможности для широкого использования информации о радиационном балансе и его составляющих в различного рода исследованиях, в том числе в исследованиях текущих изменений климата.

Полученные результаты реализованы в ГУ «ГГО» и используются при проведении всего комплекса работ по формированию и совершенствованию информационной базы РСБД «Актинометрия». Сформированные в процессе работы специализированные архивы существенно расширяют возможности

использования актинометрической информации в научных и прикладных исследованиях.

Усовершенствованная информационно-справочная система

«Прозрачность атмосферы» позволила выполнить исследования изменений режима прозрачности атмосферы на территории России, поддержанные грантом РФФИ №03-05-64441.

На защиту выносятся:

• технология и комплекс программ верификации, пополнения и обработки базовых актинометрических архивов;

• комплекс специализированных актинометрических архивов для мониторинга радиационных факторов климата;

• усовершенствованная информационно-справочная система «Прозрачность атмосферы»;

• результаты исследований изменений прозрачности атмосферы за последние 30 лет.

Личный вклад автора:

• разработаны алгоритмы и программный комплекс для верификации входящих в состав РСБД «Актинометрия» базовых архивов «Срочные наблюдения», «Регистрация»;

• разработан программный комплекс и сформированы специализированные актинометрические архивы, предназначенные для исследования пространственно-временных изменений составляющих радиационного баланса;

• разработаны средства доступа к базовым и специализированным архивам данных о солнечной радиации;

• создана специализированная информационная база для мониторинга прозрачности атмосферы и комплекс программ для анализа и графического представления материалов;

• проанализированы и обобщены изменения мутности атмосферы на территории России за последние 30 лет;

• подготовлены предложения по развитию РСБД «Актинометрия» на ближайшие годы.

Апробация работы и публикации.

Полученные в ходе выполнения работы результаты докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2004 г., Санкт-Петербург, 2006 г.), Шестом Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2005 г.), ученом совете ГУ «ГГО» (2004 г.).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и приложения, содержит 144 страницы основного текста, включая 17 рисунков и 21 таблицу.

Работа выполнена при поддержке Росгидромета (тема 1.2.5.16 плана НИОКР на 2003 -2005 гг.) и грантов РФФИ № 03-05-64441 и № 02-0564757.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности выбранной темы и проведенного исследования. Определены цели и задачи диссертационной работы, изложены основные результаты, полученные автором, и обозначен его личный вклад в исследования по данной теме, отражена научная новизна работы и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дана оценка современного состояния подсистемы наземных наблюдений за составляющими радиационного баланса и РСБД «Актинометрия». Обобщены направления использования актинометрической информации в прикладных целях и в задачах мониторинга климата на основе исследований различных авторов.

Во второй главе систематизированы результаты работ по совершенствованию и развитию РСБД «Актинометрия». Проанализировано состояние базовых архивов и выявлены имеющиеся в архивных записях несоответствия, возникшие в программах обработки и архивации актинометрической информации при смене класса вычислительных средств (от ЭВМ М-222 до ПЭВМ). Определена методология верификации и унификации информационной базы РСБД «Актинометрия», включающая:

• сохранение базовых архивов, как источника информации,

• соблюдение требований действующего Наставления по выполнению актинометрических наблюдений на станциях,

• использование современных сред разработки программного обеспечения для обработки баз данных.

Специально разработанный алгоритм верификации и унификации базовых архивов (файлов с данными результатов срочных наблюдений и регистрации составляющих радиационного баланса) включал операции по:

• проверке и исправлению призначной информации (в частности координатных номеров станций);

• проверке и корректировке формата архивных записей;

• перекодировке отдельных видов сопутствующей метеорологической информации;

• перекодировке результатов, полученных в ночное время суток, что позволило разделить забракованные и объективно отсутствующие данные;

• введению единого алгоритма расчета сумм радиации за различные интервалы времени.

При разработке алгоритма верификации учитывался опыт проведения контроля актинометрической информации в Мировом центре радиационных данных (МЦРД) и ААНИИ.

В результате проверки и преобразования базовых архивов «Срочные наблюдения» (файлы с именами вгок.МСО) и «Регистрация» (файлы с именами 11е§тММСО и К^ММвв) по разработанному алгоритму были сформированы нормализованные (исправленные) архивные файлы с именами 11е£тММССЫелу и К^ММССЫемг, структура

которых полностью соответствует структуре исходных файлов. Анализ показал, что в результате проведенного преобразования исправления были внесены в 30% общего количества записей. Классификация выявленных в исходных файлах ошибок представлена на рис.1.

Анализатор архивов

Рис. 1. Распределение (%) ошибочных данных в исходных архивных файлах

■ Ошибки в координатных номерах КШ Ошибки в часовых суммах [хП Ошибки в суточных суммах И Ошибки в месячных суммах Н Ошибки в кодировке

Дальнейшее преобразование нормализованных файлов RegmMMGGNew и RegMMGGNew (архив «Регистрация») позволило сформировать постанционные файлы NNNNNNN и mNNNNNNNN, которые наряду с файлами SRNNNNNNN (архив «Срочные наблюдения), образовали систему постанционных архивов климатологического типа.

Верификация и преобразование базовых архивов осуществлялась с помощью специально созданного пакета программ РСБД «Актинометрия». Пакет программ РСБД «Актинометрия» использует объектно-ориентированный язык программирования Delphi 6.0. Выходные и входные данные представляются в виде текстовых файлов, информация из которых может быть считана посредством простейшего текстового редактора WordPad или аналогичного ему.

Пакет программ РСБД «Актинометрия», структурная схема которого приведена на рис. 2, состоит из трех блоков. В первом блоке с использованием программных модулей «Проверка и корректировка файлов» осуществляется верификация исходных архивных файлов и формируются нормализованные архивы SRNNNNNNN, NNNNNNN и mNNNNNNNN.

Рис. 2 Структурная схема пакета программ РСБД "Актинометрия"

Во втором блоке нормализованные архивы 8КККМ№чГ№чГ, и преобразуются в специализированные архивы

КЫККЫКЫЯе£МахМ1п, NNNNNNN^11), albGG.txt, предназначенные для информационного обеспечения конкретных исследований. Краткая характеристика сформированных специализированных архивов РСБД «Актинометрия» приведена в табл. 1.

Таблица 1

V Л>> Общая характеристика специализированных архивов РСБД «Актинометрия»

Имя архива Содержание архива

Архив АТМ5ЯК№^П\Г№М содержит информацию о мгновенных значениях коротковолновой солнечной радиации (прямой, прямой на горизонтальной поверхности, рассеянной, суммарной) при ясном небе, альбедо, сопутствующей наблюдению метеорологической информации и характеристиках прозрачности атмосферы (коэффициенте прозрачности Р2, факторе мутности Т2, индексе мутности Ы, аэрозольной оптической толщине атмосферы та) для станций бывшего СССР за период 1976 - 1993 гг., для станций России за период 1976 — 2004 гг.

Архив mSumNNNNNNN содержит информацию о месячных суммах радиационного баланса и его составляющих, месячной продолжительности солнечного сияния, а также некоторых расчетных характеристиках.

К№\ГМЫКМСос1еК.е§МахМ ¡г Архивы NNNNNNNCodeRegMaxMin содержат информацию об экстремальных часовых суммах радиации и радиационного баланса, отсортированную по видам радиации, для конкретного месяца и года по станциям бывшего СССР за период с 1976 по 1993 г. и по станциям России за период 1976 - 2004 г.

NNNNNNNRegMaxMin Архивы NNNNNNNCodeRegMaxMin содержат информацию об экстремальных часовых суммах радиации и радиационного баланса для конкретного месяца и года по станциям бывшего СССР за период с 1976 по 1993 г. и по станциям России за период 1976 - 2004 г.

albGG.txt Архивы albGG.txt содержат информацию о средних за месяц часовых значениях альбедо (среднем суточном ходе альбедо) для станций бывшего СССР за период с 1976 по 1993 г. и для станций России за период 1976 — 2004 г.

NNNNNNN.aU> Архивы КККЫКЬШ.аШ содержат информацию о суточном ходе альбедо (среднечасовых значениях альбедо) для конкретного дня, месяца и года по станциям бывшего СССР за период с 1976 по 1993 г. и по станциям России за период 1976-2004 г.

Третий блок программ разработан для графического представления информации, содержащейся в специализированных архивах.

В целом пакет программ РСБД «Актинометрия» включает в себя восемь программных модулей, из которых два обеспечивают проверку и корректировку базовых файлов, шесть - формирование выборок и выполнение расчетов по заданным алгоритмам, четыре — построение графиков.

Выполненная актуализация базовых архивов РСБД «Актинометрия» существенно расширила возможности для использования актинометрической информации в научных и прикладных исследованиях, заметно сократила затраты времени на поиск интересующей информации и формирование выборок в удобном для работы виде. Разработанные на данном этапе совершенствования РСБД «Актинометрия» специализированные архивы предназначены для проведения климатологических обобщений и ведения мониторинга радиационных факторов климата.

Дальнейшее развитие РСБД «Актинометрия» должно обеспечивать

• создание архивов различного назначения с улучшенным качеством данных;

• создание каталога о составе и содержимом базовых и специализированных архивов;

• создание систем по подготовке справок и обзоров с анализом текущего состояния радиационных факторов климата;

• разработку технологий пополнения базовых архивов исторической информацией, хранящейся на бумажных носителях.

Третья глава посвящена разработке системы мониторинга прозрачности атмосферы, представляющей собой информационно-программный комплекс для выявления пространственно-временных изменений мутности атмосферы.

Структурная схема формирования информационной базы мониторинга прозрачности атмосферы представлена на рис. 3.

Информационную основу системы составляют архивы «Срочные наблюдения» и «Регистрация», на основе которых сформирован «исторический» блок системы мониторинга прозрачности атмосферы. Для пополнения системы текущими данными используются архивы, формируемые в процессе регулярной обработки данных сетевых наблюдений (P2_SRO.ARH и ARHIV.P2).

Основной частью системы мониторинга прозрачности атмосферы является специально разработанная, первая в составе РСБД «Актинометрия», информационно-справочная система (ИСС) «Прозрачность атмосферы».

ИСС «Прозрачность атмосферы» реализует унифицированный подход к расчету основных характеристик прозрачности атмосферы, как интегральных, так и аэрозольных. Система функционирует в среде Access— 2003, имеет дружественный интерфейс и обеспечивает максимально

удобные условия работы пользователей. Входящий в систему блок «Анализ данных» предусматривает выполнение 8-и различных процедур, обеспечивающих обработку и анализ временных рядов характеристик прозрачности атмосферы.

Рис. 3. Информационная база мониторинга прозрачности атмосферы

Система выполняет расчет среднемесячных значений характеристик прозрачности и их аномалий, осуществляет выборку экстремальных значений за заданный период времени, оценивает повторяемость различных градаций прозрачности в различных пунктах за выбранный период времени и повторяемость различных градаций прозрачности на одной станции за различные периоды времени. Результаты статистической обработки исходных рядов представляются в виде таблиц и графиков.

В дополнение к ИСС «Прозрачность атмосферы» для отдельных станций и регионов России сформированы ряды месячных и годовых значений отдельных характеристик прозрачности (фактора мутности Линке, индекса мутности, аэрозольной оптической толщины атмосферы) в виде х18-файлов, содержащих таблицы и графики. На графиках представлены:

• ход характеристик прозрачности во времени для отдельных месяцев и за год в целом, линии трендов и их уравнения;

• гистограммы повторяемости месячных аномалий характеристик прозрачности по градациям для анализируемых периодов наблюдений;

• средний за анализируемый период годовой ход характеристик прозрачности с указанием изменчивости месячных величин.

Пополнение архивов месячного разрешения может осуществляться с отставанием в пределах полугода от реального времени. Они позволяют оценивать аномалии характеристик прозрачности относительно средних за любые периоды. Совместное использование ИСС «Прозрачность атмосферы» и специализированных постанционных архивов, позволяет проводить детальный анализ долгопериодных и короткопериодных изменений мутности атмосферы на территории России в целом и в ее отдельных регионах и составлять на регулярной основе обзоры с характеристикой режима мутности атмосферы за отдельные годы.

Для оценки внутримесячных изменений мутности атмосферы разработанная система мониторинга содержит архивы характеристик прозрачности по срокам наблюдений, сформированных в результате преобразования нормализованных архивов в

специализированные архивы АТМБКЫЫТчГМЫЫ, а также архивы с информацией суточного разрешения о метеорологических параметрах (температуре и влажности воздуха) и таких характеристиках прозрачности атмосферы, как прямая радиация, приведенная к высоте солнца Ь=30 0 С530), коэффициент прозрачности Р2, фактор мутности Т2, индекс мутности Ы, ослабление радиации аэрозолем (ДБ,). Архивы суточного разрешения позволяют анализировать внутримесячную изменчивость параметров мутности и выявлять периоды аномальной мутности, вызванные воздействиями локальных (местных) источников и лесных пожаров. Для графического анализа данных указанных архивов в состав пакета программ РСБД «Актинометрия» включен специальный программный модуль.

Четвертая глава посвящена исследованию особенностей изменения интегральной мутности атмосферы на территории России за последние 30 лет. Для количественной оценки мутности атмосферы использовалась такая широко распространенная характеристика, как фактор мутности Линке (Т2), характеризующий наблюдаемую прозрачность по отношению к прозрачности идеальной атмосферы, т.е. атмосферы, не содержащей водяного пара и аэрозольных частиц. Расчет Т2 производился по формуле:

1§50-1§530 = 12 091 (1)

в которой 83о — прямая солнечная радиация, приведенная к среднему расстоянию между Землей и Солнцем и высоте Солнца 30°; 80 - солнечная постоянная, равная 1.367 кВт/м2; Si - прямая солнечная радиация в идеальной атмосфере, равная 1.130 кВт/м2 при массе атмосферы ш = 2.

Анализ пространственно-временных изменений мутности атмосферы выполнен по данным 70 станций, расположенных в различных регионах России, с использованием разработанной системы мониторинга прозрачности атмосферы: информационно-справочной системы «Прозрачность атмосферы» и специализированных архивов.

В результате проведенного исследования было установлено, что в последней четверти XX века характер пространственного распределения и годового хода Т2 существенно не изменился по сравнению с предыдущим 25-летием. Как следует из табл. 2 наиболее высокая прозрачность атмосферы характерна для северных регионов как на азиатской (АТР), так и на европейской (ЕТР) территории России. На территории России мутность атмосферы возрастает с севера на юг и с северо-востока на юго-запад. Широтный ход Т2 более выражен на Европейской территории России. На Азиатской территории России рост мутности с широтой выражен слабее, однако дополнительно прослеживается тенденция к увеличению мутности в направлении с северо-востока на юго-запад.

Изменчивость среднегодовых значений Т2 характеризуется коэффициентами вариации cv колеблющимися в пределах 11 — 13 %. При этом заметная часть колебаний Т2, отмечаемых в большинстве регионов в период с 1976 по 2003 гг., не выходит за пределы + а (для юга ЕТР повторяемость Т2 в пределах ±а составляет около 60 %, для северо-востока АТР - 86%).

Таблица 2

; Средние многолетние годовые значения Т2 и их статистические характеристики

Регион Период осреднения 1976-2003 гг. Повторяемость (Р%) годовых Т2 в пределах: Период осреднения 1976-2003 гг. с исключением периодов проявления последствий вулканических извержений

т2 о cv,% +а +0.5СГ т2 о

север ЕТР 2.73 0.36 13 72 39 2.67 0.16

центр ЕТР 3.17 0.34 11 75 32 3.09 0.22

юг ЕТР 3.68 0.34 9 57 32 3.45 0.27

Урал 2.87 0.32 11 61 32 2.77 0.21

Западная Сибирь 2.72 0.31 И 86 54 2.63 0.17

северо-восток АТР 2.54 0.31 12 86 28 2.45 0.13

Восточная Сибирь 2.72 0.31 11 82 32 2.63 0.17

юг АТР 2.75 0.29 11 61 28 2.68 0.18

Дальний Восток 2.92 0.30 10 75 42 2.85 0.17

Максимальные положительные аномалии среднегодовых значений Т2 обусловлены проявлениями последствий вулканических извержений и отмечаются в 1983 и в 1992 г. Исключительно высокие аномалии Т2, достигающие в 1983 г. 1.5-2.6 а, а в 1992 г. - 2.3 -3.4 а, не привели, однако, к существенному изменению средних за почти 30-летний период. Средние многолетние значения Т2 за «невозмущенный» период оказываются на 2 - 4 % ниже средних за весь рассматриваемый период, но несколько устойчивее их.

В целом на фоне существенной межгодовой изменчивости Т2 проявляются вполне определенные тенденции долговременных изменений мутности. В последнее тридцатилетие в большинстве регионов России выявляется тенденция к уменьшению Т2. Типичный пример хода средних за год Т2 в двух регионах России представлен на рис. 4, на котором наряду с кривыми хода средних годовых Т2 и линий линейного тренда приведены параметры линии тренда (уравнения и Я2). Наблюдаемое уменьшение Т2 составляет в различных регионах от 0.1 до 0.6% в год.

а)

1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 ГОД

б)

4 -

3,5 -

3 -

2,5 -

2 -

1,5 --

Юг ЕТР

у =-0,02х + 2,98 Р2= 0,47

1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000

Рис. 4. Многолетний ход Т2 для регионов: север ЕТР (а) и юг ЕТР (б).

Анализ повторяемости (Р,%) месячных аномалий Т2, выраженных в долях о (с шагом 0.5 ст ), за период 1976 - 2003 гг., результаты которого представлены в табл.3, показал, что аномалии Т2 с вероятностью не менее 60% не выходят за пределы + о.

Отрицательные аномалии, превышающие по абсолютной величине 2а в рассматриваемый период времени не наблюдались. Положительные аномалии превышающие 2, а иногда и 3о связаны с возмущениями, обусловленными последствиями проявлений вулканических извержений. Вероятность появления таких высоких аномалий в рассматриваемый период не превышала 5%.

В рассматриваемый период времени на режим прозрачности атмосферы оказали влияние два мощных вулканических извержения: Эль Чичон (апрель 1982 г.) и Пинатубо (июнь 1991 г.). Эффекты этих извержений прослеживаются во временных рядах Т2 на всей территории России.

Таблица 3

Статистическая структура повторяемости (Р,%) месячных аномалий Т2 по градациям <т

Регион Р,%

1976-2003 гг. 1994-2003 гг.

менее -о ±о от а до 2 о более 2а менее -а от а до 2 а более 2с

север ЕТР 19 71 5 5 35 60 6 5

центр ЕТР 26 65 5 4 58 41 1 0

юг ЕТР 32 57 8 3 69 29 2 0

Урал 26 61 10 3 49 49 2 0

Западная Сибирь 16 74 7 3 29 67 4 1

северо-восток АТР 10 80 5 5 20 77 3 0

Восточная Сибирь 23 67 5 5 54 45 0 1

юг АТР 26 64 6 4 62 38 0 0

Дальний Восток 16 72 5 5 37 61 2 0

Ход месячных аномалий Т2 (ДТ2=(Т1-Тср)/о) в различных регионах России за четырехлетний период, включающий год, когда произошло извержение, и три последующих года (всего за 48 месяцев) представлен на рис.5. По этим графикам были определены периоды аномально высокой мутности атмосферы, обусловленные проявлением последствий вулканических извержений.

5 -I 4 -3 -2 - (7 Север ЕТР т Л А / , -1982 - 1985 ----1991 - 1994 -Сигма

A

-1 - -2 - Vх J»N' "у ........TV ' ' • .......' ' /V 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 4Т" 43 45v47 Месяц

1 i i i Ю ч»- СО см » а ЮгЕТР —.¿Г.*---' /\ У \ // N -ч -1982 - 1985 ----1991 - 1994 -Сигма

-1 --2 V 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 «l^S1*? Месяц

Рис. 5. Аномалии месячных значений Т2 (в долях сигма) после извержения вулкана ЭльЧичон (1982-1985 гг.) и Пинатубо (1991-1994 гг.)

Поскольку вследствие вулканических извержений естественное состояние мутности атмосферы резко нарушается, представляет интерес оценить тенденции изменения мутности в «невозмущенные» периоды. Для этого были рассмотрены ряды средних годовых значений Т2_ в которых данные за 1983 - 1984 гг. и 1992 - 1993 гг. были исключены. Результаты такого анализа «невозмущенных» (условных) рядов для отдельных регионов представлены на рис.6, из которого следует, что тренды годовых значений Т2 статистически значимы и отрицательны.

—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—i-

1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 200С^ОД

__

4] ЮгЕТР

3 5- У =-0,02х + 2,90

R2= 0,67

3 " ^

2,5 - ^

2 -

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-Г"

1976 1979 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000

год

Рис. 6. Многолетние изменения среднегодовых значений Т2 в «невозмущенный» период на севере и юге ЕТР.

Тренды «невозмущенных» рядов годовых значений Т2 составляют на севере ETC - -0.4%, в центре - -0.45 % и на юге — около -0.5%. Для летних значений Т2 величины трендов несколько отличаются от годовых: на севере ЕТР они составляют -0.3%, а в на остальной территории близки к -0.6%. Для остальных регионов тренды годовых и летних значений Т2 меняются от -0.2% до -0.6%. Повышение мутности, вызванное вулканическими извержениями, привело к повышению средних годовых Т2 на 3-4 % при увеличении средних месячных значений в пределах 1-6 %.

Особый интерес для изучения режима мутности атмосферы на территории России представляет период с 1994 по 2003 гг. Во всех регионах России в эти годы прозрачность атмосферы была самой высокой за последнюю четверть века. Средние годовые значения Т2 для указанного

периода оказались на 8 — 15% ниже среднегодовых значений Т2 , рассчитанных для периода 1976 -1995 гг.

Аномалии месячных Т2 в период 1994 -2003 гг. так же как и в предыдущем периоде в большинстве случаев укладываются в интервал +а, но структура распределения аномалий по величине меняется в указанное последнее десятилетие по сравнению с предыдущим периодом: происходит сдвиг гистограммы в сторону отрицательных величин (рис. 7).

40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

Т2 Север ЕТР

— ■ р 1 У □ р 1 9 76-1 993 94-2003

\

П 1 1

._п ■ .1 1.1.

40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

Я Я я

л л

8 8 Ъ

^ ^ ^

8 й 8

[ ?2 Юг ЕТР

■ р 1 976-1 993 □ р 1 994-2003

■

-1 1 .

■ ■ 1 1

Я Я Я

8 "¡8 $

И П н

^ А Л 6

8 8 8 8

999999993

<Ц -О .О N N .СО

- ослослослосл

' " ^ па в в ^

N N ^ со ^ § 8 8 8 8 8 8 8 8

Рис.7. Гистограммы повторяемости (%) месячных аномалий Т2 по градациям сигма.

Установленная для всей территории России тенденция к очищению атмосферы может быть связана как с отсутствием крупных вулканических извержений, так и с антропогенным «затишьем» последних 10 лет.

Заключение и выводы

В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

1. По результатам анализа состояния информационной базы и программного обеспечения РСБД «Актинометрия» показано, что режимно-справочный банк данных «Актинометрия» содержит информацию, которая с успехом может использоваться для ведения на регулярной основе мониторинга радиационных факторов климата.

2. Разработана и реализована усовершенствованная технология формирования нормализованных и специализированных архивов РСБД «Актинометрия».

3. Разработан и реализован комплекс программ доступа, контроля и преобразования информационной базы РСБД «Актинометрия», с помощью которого сформированы верифицированные и нормализованные архивы «Срочные наблюдения» и «Регистрация».

4. Сформирован набор специализированных архивов РСБД «Актинометрия», предназначенных для анализа текущих и долговременных изменений климата, проведения прикладных и исследовательских работ. Среди сформированных специализированных архивов наиболее востребованными являются архивы характеристик прозрачности (данных срочных наблюдений при ясном небе, АТМЗККНМЬПчГК), месячных сумм радиации (mSumNNNNNNN), экстремальных часовых сумм радиационного баланса и его составляющих (КЫЫЫ№Л^11е§МахМт, NNNNNNNCodeRegMaxMin), архивы ежечасных значений альбедо (суточных, среднемесячных: albGG.txt, NNNNNNN.315).

5. Создана специализированная информационная база мониторинга прозрачности атмосферы и комплекс программ для анализа и графического представления материалов. Разработана технология ведения и пополнения информационной базы мониторинга прозрачности атмосферы.

6. В составе РСБД «Актинометрия» создана первая специализированная информационно-справочная система (ИСС) «Прозрачность атмосферы», с использованием которой выполнен анализ пространственно-временных изменений мутности атмосферы на территории отдельных регионов России за последние 30 лет.

7. В результате исследования мутности атмосферы на территории России за период 1976 — 2003 гг. установлено:

• Как для среднегодовых, так и для среднемесячных Т2 характерна существенная межгодовая изменчивость. При этом повторяемость Т2 в пределах +а составляет порядка 70%. Положительные аномалии месячных и годовых Т2, превышающие 2 а, обусловлены проявлениями последствий мощных вулканических извержений.

• Последствия извержения вулканов Эль Чичон и Пинатубо в рядах месячных и годовых значений мутности повсеместно и выразились в резком и устойчивом повышении мутности, наступающем спустя 5-10 месяцев после извержения, и в нарушении годового хода мутности, продолжающемся в течение 7—20 месяцев.

• Тренды в рядах годовых и месячных значений Т2 за 1976 — 2003 гг. в подавляющем большинстве случаев указывают на рост прозрачности атмосферы, но не всегда статистически значимы.

• В период с 1994 г. по 2003 гг. уменьшение мутности (среднегодовых значений Т2 относительно средних за период 1976-1995 гг.) в различных регионах России составило от 8 до 15 %. Этот период характеризуется самой высокой прозрачностью атмосферы, отмечавшейся на территории России в последней четверти XX века.

Полученные результаты реализованы в ГУ «ГГО» и в настоящее время используются при проведении полного комплекса работ по верификации и совершенствованию информационной базы РСБД «Актинометрия». Сформированные в процессе работы специализированные архивы существенно расширяют возможности использования актинометрической информации в прикладных исследованиях. Работы по дальнейшему совершенствованию РСБД должны быть направлены на создание программных средств, позволяющих расширить возможности для использования актинометрической информации в научных и прикладных исследованиях.

Результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Махоткина E.JL, Лукин А.Б., Плахина И.Н. Некоторые особенности изменения мутности атмосферы на территории России в последней четверти XX века // Метеорология и гидрология. - 2005. - №1. -С.28-36

2. Луцько Л.В., Махоткина Е.Л., Ерохина А.Е., Лукин А.Б., Соколенко С.А. Использование сетевой актинометрической информации для исследования климатических изменений в последней четверти XX века // Труды НИЦ ДЗА. -2004. - Вып.5 (553). - С.223-234.

3. Махоткина Е.Л., Лукин А.Б. Актуализация архива «Регистрация» РСБД «Актинометрия» // Труды НИЦ ДЗА. - 2005. - Вып.6 (554). - С.96-105

4. Горбаренко Е.В., Ерохина А.Е., Лукин А.Б. Некоторые тенденции изменения аэрозольной мутности атмосферы в России // Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2004). - СПб.: 2004. - С. 61-62.

5. Махоткина ЕЛ., Лукин А.Б. Региональные особенности изменения мутности атмосферы на территории России // Шестое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Материалы совещания. -Томск.: 2005. - С. 127 -128

6. Горбаренко Е.В., Ерохина А.Е., Лукин А.Б. Многолетние изменения аэрозольной оптической толщины атмосферы в России // Метеорология и гидрология. - 2006. - № 7. - с. 41 - 48.

7. Махоткина Е.Л., Лукин А.Б., Плахина И.Н., Панкратова Н.В. Анализ годового хода и межгодовой изменчивости аэрозольной оптической толщины атмосферы по данным актинометрической сети России // Исследования Земли из космоса. - 2006. - № 5. — с. 1-9.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Лукин, Андрей Борисович

Введение.

Глава 1. Накопление и использование актинометрической информации.

1.1 Краткая характеристика подсистемы наземных наблюдений за составляющими радиационного баланса.

1.2 Система сбора, обработки и хранения актинометрической информации.

1.3 Использование актинометрической информации в прикладных целях.

1.4 Использование актинометрической информации в задачах мониторинга климата.

Выводы.

Глава 2. Совершенствование технологии ведения РСБД «Актинометрия».

2.1 Базовые архивы РСБД «Актинометрия».

2.1.1 Архив «СРОЧНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ».

2.1.2 Архив «РЕГИСТРАЦИЯ».

2.1.3 Архив «ИНТЕГРИРОВАНИЕ».

2.2 Нормализованные архивы РСБД «Актинометрия».

2.2.1 Алгоритмы и программный комплекс формирования нормализованных и специализированных архивов.

2.3 Специализированные архивы РСБД «Актинометрия».

2.4 Основные направления технического и технологического развития РСБД «Актинометрия».

Выводы.

Глава 3. Разработка системы мониторинга прозрачности атмосферы.

3.1 Информационная база мониторинга прозрачности атмосферы.

3.2 Характеристики прозрачности атмосферы и алгоритм их расчета.

3.2.1 Расчет интегральных характеристик прозрачности по срокам.

3.2.2 Расчет средних дневных и месячных значений Р2, S30, Т2(Хп).

3.2.3 Расчет характеристик аэрозольной мутности атмосферы.

3.3 Информационно-справочная системы «Прозрачность атмосферы».

3.4 Дополнительные архивы характеристик прозрачности атмосферы.

3.4.1 Архивы месячного разрешения.

3.4.2 Архивы суточного разрешения.

3.4.3 Архивы срочного разрешения.

Выводы.

Глава 4. Исследование изменений мутности атмосферы на территории России за последние 30 лет.

4.1 Региональные особенности годового хода Т2 на территории России в последние 30 лет.

4.2 Анализ годовых и месячных значений Тг.

4.3 Оценка проявлений воздействия вулканов Пинатубо и Эль Чичон в многолетних рядах и в годовом ходе мутности атмосферы.

4.4 Рост прозрачности атмосферы на территории России в последние годы.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Усовершенствованная технология ведения режимно-справочного банка данных "актинометрия" и ее применение для исследования прозрачности атмосферы на территории России"

Как указывал один из основоположников российской актинометрии Н.Н.Калитин, основная задача актинометрии заключается в том, чтобы исследовать сколько и когда лучистой энергии качественно и количественно доходит до земной поверхности, как атмосфера влияет на эту энергию и какое количество лучистой энергии на земле и в атмосфере превращается в другие виды энергии [32]. В настоящее время все расширяющееся использование природных ресурсов предъявляет повышенные требования к изучению преобразования солнечной энергии в атмосфере и на земной поверхности. Сведения о потенциальном использовании солнечной энергии в различных областях хозяйственной деятельности обобщены в работах [9, 14, 29, 67, 87, 88,94].

Источником актинометрической информации является сеть пунктов, выполняющих наблюдения за радиационным балансом и его составляющими. Для повышения информативности актинометрической сети на всех этапах ее развития требовалось расширение программы наблюдений и совершенствование форм представления и доведения до потребителя традиционно получаемых данных. Актинометрическая информация относится к категории режимной. Полный комплекс работ по сбору, контролю, архивации и хранению актинометрической информации, заключительным этапом которого является передача архивов, установленного образца, на федеральное хранение в Госфонд осуществляет Главная геофизическая обсерватория (ГГО). С 80-х годов XX в. в ГГО функционирует режимно-справочный банк данных (РСБД) «Актинометрия», информационную основу которого составляют три базовых архива: «Срочные наблюдения», «Регистрация» и «Интегрирование». Банк предназначен для хранения и распространения информации о радиационном балансе и его составляющих в целях обеспечения потребителей любого уровня режимно-справочной информацией, требуемой для выполнения различных практических, проектных и научно-исследовательских работ. Базовые архивы РСБД "Актинометрия" представляют собой архивы, сформированные автоматизированной системой первичной обработки информации, и подлежат долгосрочному хранению на цифровых носителях. Данные архивы нуждаются в своевременной проверке и нормализации. Нормализованные архивы получаются из базовых путем упорядочивания хранящейся в них информации, ее верификации и устранения структурных дефектов и дублей. При этом нормализованные архивы полностью сохраняют содержание базовых архивов. Для решения конкретных исследовательских задач из нормализованных формируются специализированные архивы, структура которых, как правило, отличается от исходных нормализованных архивов.

Практика показала, что выполнение большинства запросов требует переработки значительного объема первичных актинометрических данных. При этом первоначально подготовленный пакет программ для работы с информационной базой РСБД «Актинометрия» нуждается в расширении и развитии. В частности, требуется создание программ, обеспечивающих верификацию (исправление) базовых актинометрических архивов и их преобразование в специализированные базы данных, предназначенные для проведения прикладных и исследовательских работ. В свою очередь специализированные архивы должны сопровождаться комплексом программ для всестороннего анализа хранящейся в них информации.

Кроме того, в связи с произошедшей в последние годы повсеместной компьютеризацией и переводом хранения информации на электронные носители особое значение приобретает проблема актуализации принятых ранее технологий обработки, хранения и преобразования архивных данных. В настоящее время весьма активно развиваются работы по созданию информационно-вычислительных, информационно-справочных систем и баз данных о состоянии окружающей природной среды. Целый ряд таких разработок посвящен обобщению экспериментальных данных о состоянии атмосферы. Повсеместное развитие компьютерных сетей, а также сетей передачи данных, таких как Интернет, открывает возможности для широкого обмена информацией. Все это должно учитываться и при проведении актуализации РСБД «Актинометрия», направленной на создание технологий и программных средств для применения актинометрической информации, как в исследованиях текущих изменений климата, так и в прикладных целях.

Основная цель исследования заключается в совершенствовании и развитии технологии ведения РСБД «Актинометрия» для обеспечения возможности включения актинометрической информации в климатические исследования.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• выполнить анализ состояния информационной базы и программного обеспечения РСБД «Актинометрия» и определить направления его совершенствования на ближайшие годы;

• разработать и реализовать технологию формирования и пополнения верифицированной информационной базы РСБД и подготовить на ее основе специализированные архивы, предназначенные для мониторинга радиационных факторов климата;

• создать программные средства доступа, контроля и преобразования базовых актинометрических архивов;

• продемонстрировать на примере создания конкретной специализированной информационно-справочной системы

Прозрачность атмосферы» возможности использования РСБД «Актинометрия» для оценки текущих климатических изменений;

• исследовать пространственно-временные изменения мутности атмосферы на территории России за последнее тридцатилетие.

Научная новизна работы. Разработана и реализована усовершенствованная технология формирования нормализованных (скорректированных) и специализированных архивов РСБД «Актинометрия». В составе РСБД создана первая информационно-справочная система «Прозрачность атмосферы», на примере которой продемонстрированы возможности использования актинометрической информации для исследований текущих климатических изменений. Получены новые результаты о режиме мутности атмосферы на территории России в период 1976 - 2003 гг.

Практическая значимость работы. Научная и практическая ценность работы состоит в создании верифицированных базовых и специализированных актинометрических архивов, а также средств доступа к ним, что обеспечивает возможности для широкого использования информации о радиационном балансе и его составляющих в различного рода исследованиях, в том числе в исследованиях текущих изменений климата.

Полученные результаты реализованы в ГУ «ГТО» и используются при проведении всего комплекса работ по формированию и совершенствованию информационной базы РСБД «Актинометрия». Сформированные в процессе работы специализированные архивы существенно расширяют возможности использования актинометрической информации в научных и прикладных исследованиях.

Усовершенствованная информационно-справочная система «Прозрачность атмосферы» позволила выполнить исследования изменений режима прозрачности атмосферы на территории России, поддержанные грантом РФФИ №03-05-64441.

Апробация работы. Полученные в ходе выполнения работы результаты докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2004 г., Санкт-Петербург, 2006 г.), Шестом Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2005 г.), ученом совете ГУ «ГГО» (2004 г.).

Основные результаты работы опубликованы в 7 статьях.

В процессе выполнения работы

• разработан комплекс программ для контроля базовых архивов РСБД «Актинометрия», их последующей обработки и преобразования в специализированные архивы различного назначения;

• сформированы верифицированные нормализованные архивы «Срочные наблюдения» и «Регистрация»; Г

• разработан программный комплекс, обеспечивающий доступ к базовым актинометрическим архивам и их преобразование в специализированные базы данных, предназначенные для проведения прикладных и исследовательских работ;

• создана усовершенствованная информационно-справочная система «Прозрачность атмосферы»;

• с использованием информационно-справочной системы «Прозрачность атмосферы» и впервые сформированных специализированных архивов выполнены оценки изменения мутности атмосферы на территории России за последние 30 лет.

На защиту выносятся:

• технология и комплекс программ верификации, пополнения и обработки базовых актинометрических архивов;

• набор специализированных архивов для ведения мониторинга радиационных факторов климата;

• усовершенствованная информационно-справочная система «Прозрачность атмосферы»;

• оценки изменения прозрачности атмосферы на территории России за последние 30 лет.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Лукин, Андрей Борисович

Выводы

В последней четверти XX века характер пространственного распределения и внутригодового хода мутности атмосферы не претерпел существенных изменений по сравнению с предыдущим 25-летием.

Как для среднегодовых, так и для среднемесячных Т2 характерна существенная межгодовая изменчивость. При этом повторяемость Т2 в пределах ±а составляет порядка 70%. Положительные аномалии месячных и годовых Т2 превышающие 2о обусловлены проявлениями последствий мощных вулканических извержений.

Последствия извержения вулканов Эль Чичон и Пинатубо в рядах месячных и годовых значений мутности повсеместно и выразились в резком и устойчивом повышении мутности, наступающем спустя 5-10 месяцев после извержения, и нарушении годового хода мутности, продолжающемся в течение 7-20 месяцев.

Тренды в рядах годовых и месячных значений Т2 за 1976 - 2003 гт. в подавляющем большинстве случаев указывают на рост прозрачности атмосферы, но не всегда статистически значимы.

В период с 1994 г. по 2004 гг. уменьшение мутности (среднегодовых значений Т2 относительно средних за период 1976-1995 гг.) в различных регионах территории России составило от 8 до 15 %. Этот период характеризуется самой высокой прозрачностью атмосферы, отмечавшейся на территории России в последней четверти XX века.

Заключение

Функционирующий в ГГО режимно-справочный банк данных (РСБД) «Актинометрия» является источником информации для проведения широкого круга прикладных и научных исследований. Долгое время работы по ведению РСБД ограничивались пополнением трех базовых архивов «Срочные наблюдения», «Регистрация», «Интегрирование», накапливающих информацию по станциям России за период с 1976 г. по настоящее время (по станциям бывших Союзных республик поступление информации в РСБД прекратилось в 1992 г.). Анализ современных запросов на актинометрическую информацию показал, что существующий пакет программ для работы с информационной базой РСБД «Актинометрия» нуждается в расширении и развитии применительно к запросам современных пользователей. В частности, требуется создание программ, обеспечивающих верификацию базовых актинометрических архивов и их преобразование в специализированные базы данных, предназначенные для проведения прикладных и исследовательских работ. В свою очередь специализированные архивы должны сопровождаться комплексом программ для всестороннего анализа хранящейся в них информации.

В результате проведенных работ по совершенствованию системы пополнения и ведения РСБД «Актинометрия» была разработана и реализована усовершенствованная технология формирования базовых и специализированных архивов РСБД «Актинометрия». Произведено переформирование архивов РСБД по усовершенствованной технологии: выявлены и исправлены ошибки, обнаруженные в архивах за 1976-2004 гг., и созданы нормализованные архивы за этот период.

Разработка пакета программ для верификации и нормализации поступающих новых массивов данных позволила осуществить проверку базовых архивов «Срочные наблюдения» и «Регистрация» по данным всех станций Росгидромета за период 1976-2004 гг. и создать новую технологию формирования нормализованных архивов, исключающую появление ранее обнаруженных ошибок.

Вновь разработанный программный комплекс создания на основе нормализованных архивов специализированных баз данных позволил сформировать ряд архивов для проведения прикладных и исследовательских работ. Среди сформированных специализированных архивов наиболее востребованными являются архивы характеристик прозрачности атмосферы (ATMSRNNNNNN), месячных сумм радиации (mSumNNNNNNN), экстремальных часовых сумм радиационного баланса и его составляющих (NNNNNNNRegMaxMin, NNNNNNNCodeRegMaxMin), архивы ежечасных значений альбедо (суточных, среднемесячных: albGG.txt, NNNNNNN.alb).

При этом в составе РСБД «Актинометрия» создана специализированная информационная база мониторинга прозрачности атмосферы и комплекс программ для анализа и графического представления материалов, разработана технология ее ведения и пополнения, обеспечивающая отслеживание долгопериодных и короткопериодных изменений состояния атмосферы по территории России в целом и ее регионов.

В составе РСБД «Актинометрия» создана первая специализированная информационно-справочная система (ИСС) «Прозрачность атмосферы».

Возможности использования ИСС «Прозрачность атмосферы» были продемонстрированы на практике для выявления пространственно-временных закономерностей изменения этой характеристики на территории отдельных регионов России за последние 30 лет. В результате проведенных исследований установлено следующее:

• Как для среднегодовых, так и для среднемесячных Т2 характерна существенная межгодовая изменчивость. При этом повторяемость Т2 в пределах ±о составляет порядка 70%. Положительные аномалии месячных и годовых Т2 превышающие 2а обусловлены проявлениями последствий мощных вулканических извержений.

• Последствия извержения вулканов Эль Чичон и Пинатубо в рядах месячных и годовых значений мутности повсеместно и выразились в резком и устойчивом повышении мутности, наступающем спустя 5-10 месяцев после извержения, и нарушении годового хода мутности, продолжающемся в течение 7-20 месяцев.

• Тренды в рядах годовых и месячных значений Т2 за 1976 - 2003 гг. в подавляющем большинстве случаев указывают на рост прозрачности атмосферы, но не всегда статистически значимы.

• В период с 1994 г. по 2004 гг. уменьшение мутности (среднегодовых значений Т2 относительно средних за период 1976-1995 гг.) в различных регионах территории России составило от 8 до 15 %. Этот период характеризуется самой высокой прозрачностью атмосферы, отмечавшейся на территории России в последней четверти XX века.

На основании выполненных разработок получены следующие выводы:

Режимно-справочный банк данных «Актинометрия» содержит информацию, которая с успехом может использоваться для ведения на регулярной основе мониторинга радиационных факторов климата.

Разработанные в рамках данной работы комплексы программ для анализа радиационных данных позволяют получать оценки происходящих климатических изменений.

Работы по совершенствованию РСБД должны быть направлены на создание программных средств, позволяющих расширить возможности для использования актинометрической информации в научных и прикладных исследованиях.

Полученные результаты реализованы в ГУ «ГГО» и в настоящее время используются при проведении полного комплекса работ по верификации и совершенствованию информационной базы РСБД «Актинометрия». Сформированные в процессе работы специализированные архивы существенно расширяют возможности использования актинометрической информации в прикладных исследованиях. Работа по созданию усовершенствованной информационно-справочной системы «Прозрачность атмосферы», позволившей выполнить исследования изменений режима прозрачности атмосферы на территории России, была поддержана грантом РФФИ №03-05-64441.

117

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Лукин, Андрей Борисович, Санкт-Петербург

1. Абакумова Г.М. Тенденции многолетних изменений прозрачности атмосферы, облачности, солнечной радиации и альбедо подстилающей поверхности в Москве. Метеорология и гидрология, 2000, № 9, с. 51-62.

2. Абакумова Г.М., Евневич Т.В., Никольская Н.П. Влияние города на прозрачность атмосферы.- М., изд-во МГУ, 1983. 93 с.

3. Абакумова Г.М., Ярхо Е.В. Оценка влияния вулкана Пинатубо на солнечную радиацию и прозрачность атмосферы по данным наземных наблюдений в Москве. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 1994, т.ЗО, №3, с. 405-410.

4. Авдюшин С.И., Смеркалов В.А., Тулинов Г.Ф., Тулинов С.Г. Новые данные о климатообразующей роли внутриоблачных аэрозолей. -Исследование Земли из космоса. 2005. №1. с. 15-20.

5. Асатуров M.JL, Будыко М.И., Винников К.Я. и др. Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -с. 256.

6. Атласы ветрового и солнечного климатов России. Под ред. М.М.Борисенко и В.В. Стадник. С-Пб, ГГО им. А.И. Воейкова, 1997.г

7. Атмосферный аэрозоль и его влияние на перенос излучения / Под ред. К.Я. Кондратьева.- JL: Гидрометеоиздат, 1978. 120 с.

8. Байкова И.М. Особенности многолетнего изменения коэффициента прозрачности атмосферы и составляющих солнечной радиации в Сибири и на Дальнем Востоке в 1967 1986 годах. - Метеорология и гидрология, 1998, № 1, с. 29 - 35.

9. Барашкова Е.П., Зачек С.И. О возможности удовлетворения запросов об актинометрической информации наземной сетью станций. В сб. «Использование данных о солнечной радиации в народном хозяйстве». Л., Гидрометеоиздат, 1979, с. 100 106.

10. Бартенева О.Д., Полякова Е.А., Русин Н.П. Режим естественной освещенности на территории СССР. JI. Гидрометеоиздат, 1971,238 с.

11. Бойченко И.В., Катаев М.Ю., Маричев В.Н. Информационная система для анализа данных лидарного зондирования содержания озона. Метеорология и гидрология, 2001, №12, с. 96 105.

12. Будыко М.И. Изменения климата. JL: Гидрометеоиздат, 1974. - 280.С.

13. Будыко М.И. Пивоварова З.И. Влияние вулканических извержений на приходящую к поверхности Земли солнечную радиацию. Метрология и гидрология. 1967. - №10. - с.3-7.

14. Веселов В.М. Язык описания гидрометеорологических данных. Тр. ВНИИГМИ-МЦЦ, 1978, вып.43, с.3-30.

15. Веселов В.М., Прибыльская И.Р., Чураков Ю.П. Система управления данными для банков данных о состоянии природной среды. Труды ВНИИГМИ-МЦЦ. - 1981, вып. 75. с. 5-25.

16. Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. Ред. Хмельцов С.С. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. с. 256.

17. Горбаренко Е.В. Аэрозольная составляющая оптической толщины атмосферы как характеристика антропогенного загрязнения воздуха над промышленными центрами. Метеорология и гидрология, 1997, № 3, с.12-18.

18. Горбаренко Е.В., Ерохина А.Е., Лукин А.Б. Некоторые тенденции изменения аэрозольной мутности атмосферы в России. Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2004), СПб. 2004. с.61-62.

19. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Обнаружение изменений климата: состояние, изменчивость и экстремальность климата. Метеорология и гидрология. 2004. №4. с. 50-66.

20. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Оценка климатического отклика на изменение концентрации тепличного газа по результатам наблюдений за приземной температурой воздуха над территорией России. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 1999, т.35, №6, с. 742-749.

21. Евневич Т.В. О расчете солнечной радиации и естественной освещенности в идеальной атмосфере. Метеорология и гидрология. 1994. №2. с. 41-48.

22. Евневич Т.В., Савиковский И.А. Расчет прямой солнечной радиации и коэффициента прозрачности атмосферы. Метеорология и гидрология, 1989, №5, с. 106- 109.

23. Ефимова Н.А. Радиационные факторы продуктивности растительного покрова. Л. Гидрометеоиздат. 1977,215 с.

24. Житорчук Ю.В., Стадник В.В., Шанина И.Н. Исследование линейных трендов во временных рядах солнечной радиации. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 1994, т.ЗО, № 3, с. 389-391.

25. Зачек С.И, Иванова Л.Ф., Махоткина Е.Л Организация архива РЕГИСТРАЦИЯ на магнитных лентах ЕС ЭВМ. Вопросы актинометрии и атмосферной оптики. Сб. статей. Л. Гидрометеоиздат., 1989, с 53-56.

26. Зачек С.И, Иванова Л.Ф., Махоткина Е.Л. О структуре архива «Актинометрия» на МЛ ЕС ЭВМ. Радиационная климатология и прикладные аспекты актинометрии, Сб. статей, Иркутск, изд.СО АН СССР, 1984, 169-171.

27. Зачек С.И, Иванова Л.Ф., Махоткина Е.Л. Принципы формирования архива «Актинометрия на магнитных лентах ЕС ЭВМ». Труды ГГО, 1985, вып. 499, с.68-72.

28. Зачек С.И., Барашкова Е.П. Усовершенствование системы наземных актинометрических наблюдений в связи с практическим использованием актинометрической информации. Труды ГТО, 1978, вып. 406, с. 85 94.

29. Зверева С.В. Об ослаблении солнечной радиации в полярных районах. -Труды ААНИИ, 1969, вып. 287, с.171-187.

30. Иванова Л.Ф. Технология формирования архива срочных наблюдений на основе перфокартотеки. Вопросы актинометрии и атмосферной оптики. Сб. статей. Л. Гидрометеоиздат., 1989, с 56 61.

31. Калитин Н.Н. Актинометрия. Л.-М., Гидрометеоиздат. 1938, 324 с.

32. Кароль И.Л. Изменение глобального содержания стратосферных аэрозолей и их связь с колебаниями средней прямой солнечной радиации и температурой у поверхности Земли. Метрология и гидрология. 1977. -№3. с. 32-40.

33. Кмито А.А., Скляров Ю.А. Пиргелиометрия . Л. Гидрометеоиздат. 1981.225 с.

34. Коган Р.М, Глаголев В.А. Разработка геоинформационной системы оценки и прогноза пожарной опасности территории. В сб.Шестое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Томск. 2005.с 423-426

35. Козодоева Е.М., Кабанов Д.М., Сакерин С.М., Фазлиев А.З. Информационная система «Атмосферная радиация над Сибирью». В сб. Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация», СПб, 2005, с.144- 145.

36. Комплексная программа развития фондов данных Росгидромета на 2006 2009 и последующие годы. - 2005, Москва, 70 с.

37. Кондратьев К.Я. Актинометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 691 с.

38. Кондратьев К.Я. Васильев О.Б., Ивлев Л.С. Влияние аэрозоля на перенос излучения: возможные климатические последствия. Л.: Изд. ЛГУ, 1973.-266 с.

39. Кондратьев К.Я. Лучистая энергия Солнца. Л.: Гидрометеоиздат.1954. -600 с.

40. Кондратьев К.Я. Некоторые аспекты физики современных изменений климата. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1977, т. 13, №3, с.227-244.

41. Кондратьев К.Я. Современные изменения климата и определяющие их факторы. Итоги науки и техники. Метеорология и климатология. М.: ВНИИТИ, 1977, т.4-202 с.

42. Кондратьев К.Я., Ракипова JI.P. Радиация и динамика атмосферы: радиационные эффекты аэрозоля. Труды ГГО, 1974, вып. 344, с.64 - 82.

43. Кондратьев К.Я. Атмосферная аэрозоль как климатообразующий компонент атмосферы. 4.1, 4.2 Оптика атмосферы и океана. 2004. Т17. №1. с.5-35.

44. Куценогий К.П. Проект № 169 «Аэрозоли Сибири-2. Гетерогенная химия и физика атмосферы. Влияние аэрозолей на биохимические циклы». В сб. Шестое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Томск. 2005.С 502-504

45. Кравчук Е.Г. Изменчивость солнечной радиации на территории СССР под воздействием естественных и антропогенных факторов. -Автореферат. JI.1988, 15 с.

46. Логинов В.Ф., Пивоварова З.И., Кравчук Е.Г. Исследование роли различных факторов в изменчивости прямой солнечной радиации на поверхности земли. Метеорология и гидрология. 1983. №8. с. 56 60.

47. Логинов В.Ф. Вулканические извержения и климат. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. с. 64.

48. Луцько Л.В., Клеванцова В.А., Махоткина Е.Л. Развитие наземных актинометрических наблюдений. В сб. "Современные исследования Главной Геофизической обсерватории", т.2. 2001. СПб. Гидромеоиздат. с. 184-202.

49. Луцько Л.В., Махоткина Е.Л., Ерохина А.Е., Лукин А.Б., Соколенко С.А. Использование сетевой актинометрической информации для исследования климатических изменений в последней четверти XX века. Труды НИЦ ДЗА. 2004, Вып.5 (553), с.223-234.

50. Морозова И.В., Мясников Г.Н. Исследование минимального поступления суммарной солнечной радиации на поверхность Земли. Метеорология и гидрология, 1999, № 9, с.36 47.

51. Маршунова М.С. Условия формирования и характеристики радиационного климата Антарктиды. J1. Гидрометеоиздат. 1980. 214 с.

52. Маршунова М.С., Мишин А.А. Справочник по радиационному режиму Арктического бассейна (дрейфующие станции) С-Пб, Гидрометеоиздат, 1994, с. 66

53. Махоткин Л.Г. Число N мера интегральной мутности атмосферы. В сб. «Вопросы актинометрии и оптики атмосферы», Л., Гидрометеоиздат, 1989, с. 134- 140.

54. Махоткин Л.Г. Прямая солнечная радиация и прозрачность атмосферы. -Изв. АН СССР, сер. геофиз., 1957, № 5, с 644 657.

55. Махоткина Е.Л., Павлов А.В. Современное состояние, задачи и перспективы развития актинометрической сети. В кн. "Вопросы по актинометрии и атм. оптике". Л. Гидрометеоиздат. 1989. с.38-45.

56. Махоткина Е.Л., Плахина И.Н., Лукин А.Б. Некоторые особенности изменения мутности атмосферы на территории России в последней четверти XX века. Метеорология и гидрология, 2005, №1, с.28-36.

57. Махоткин Л.Г. Эквивалент массы Бемпорада. Труды ГГО, 1960, вып. 100, с. 15-16.

58. Махоткина Е.Л., Лукин А.Б. Актуализация архива «Регистрация» РСБД «Актинометрия» // Труды НИЦ ДЗА, 2005, Вып.6 (554), с.96-105.

59. Махоткина Е.Л., Ястребова Т.К., Ильин Б.М. Алгоритмы машинной обработки результатов регистрации радиационного баланса и его составляющих. Труды ГГО, 1984, вып. 472, с.66 70.

60. Молородов Ю.Н. Принципы организации атласа «Атмосферные аэрозоли Сибири». В сб. Шестое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Томск. 2005.С 519-523.

61. Морозова И.В. Мировой центр радиационных данных. Метеорология и гидрология, 1992, № 12, с.

62. Мюрк Х.Ю. О характеристиках прозрачности атмосферы для интегральной радиации солнца. Автореферат. Тарту, 1966. - с. 29

63. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 5, часть 1. Актинометрические наблюдения. М., Гидрометеоиздат, 1997, 254 с.

64. Научно-прикладной справочник. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

65. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Вып. 1-34 Д.: Гидрометеоиздат, 1988-1990.

66. Научно-прикладной справочник по климату России (арктический регион). Под редакцией В.Ф.Родионова С-Пб, Гидрометеоиздат, 1997, 231 с.

67. Оперативная деятельность Госкомгидромета СССР по получению, сбору, обработке и доведению до потребителей гидрометеорологической и гелиогеофизической информации. JI. Гидрометеоиздат. 1990. 104 с.

68. Пивоварова З.И. Радиационные характеристики климата СССР. Д., Гидрометеоиздат, 1977, 335 с.

69. Полищук А.И. Состояние перспективы развития системы автоматизированной обработки и банка данных о загрязнения атмосферы. Современные исследования Главной геофизической обсерватории. 1999. том 1. с. 162-171.

70. Потемкин В.Л. Радиационные процессы в озерных котловинах. -Новосибирск. Изд. «Наука». 1985.133 с.

71. Прибыльская И.Р. Язык описания гидрометеорологических данных для семейств файлов. Труды ВНИИГМИ-МЦЦ. - 1983, вып. 103. с. 3-9.

72. Прибыльская И.Р. Система управления данными (СУД) АИСОРИ в среде СВМ ЕС. Труды ВНИИГМИ-МЦД. - 1990, вып. 155. с. 10-16.

73. Прибыльская И.Р. Обработка семейств файлов в системе управления данными АИСОРИ. Труды ВНИИГМИ-МЦД. - 1985, вып. 127. с. 28-36.

74. Программы развития фонда данных по гидрометеорологии и загрязнению природной среды на 1994-1995 и последующие годы. М. 1994. с. 82.

75. РД 52.04.211 83. Методические указания по регистрации составляющих радиационного баланса. Д., Гидрометеоиздат, 1986.

76. РД 52.04.562-98. Наставление ГМС и постам. Выпуск 5. Часть 1. Актинометрические наблюдения на станциях.- 1997. М. 222 с.

77. РД 52.19.108-94 «Положение о Российском государственном фонде данных о состоянии окружающей природной среды» Москва, 1994.

78. РД 52.19.143-98 «Перечень документов Российского государственного фонда данных о состоянии окружающей природной среды» Москва, 1998.

79. Родионов В.Ф., Маршунова М.С., Русина Е.Н., Лубо-Лестниченко К.Е., Пиманова Ю.Е. Аэрозольная мутность атмосферы в полярных районах. -Известия АН, Физика атмосферы и океана, 1994, т.30, № 6, с.797 801.

80. Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. Л., Гидрометеоиздат, 1971.

81. Руссак В.К. Радиационный режим в Тыравере. Таллин. Изд-во АН ЭССР. 1987. 51 с.

82. Руссак В.К. Прозрачность атмосферы в Тыравере. Тарту. Изд-во АН ЭССР. 1989. 53 с.

83. Руссак В.К. Изменения радиационного режима в Эстонии. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 1994, т.ЗО, № 3, с. 397 401.

84. Русин Н.П. Использование актинометрической информации для решения прикладных задач. В сб. «Использование данных о солнечной радиации в народном хозяйстве». JI., Гидрометеоиздат, 1979, с. 6 16.

85. Русин Н.П. Прикладная актинометрия. JI. Гидрометеоиздат, 1979. 231 с.

86. Русина Е.Н., Боброва В.К., Ломакин М.В. Результаты контроля аэрозольного ослабления на российских станциях фонового мониторинга. Труды ГГО, 1998, вып. 549, с. 157 - 170.

87. Русина Е.Н., Шаламянский A.M., Решетников А.И., Парамонова Н.Н., Привалов В.И. Мониторинг атмосферного аэрозоля, озона и парниковых газов. сб. Современные исследования ГГО - СПб, Гидрометеоиздат, 1999, т.2, с. 229 - 252.

88. Рябова JI.M. Исследование статистическими методами зависимости альбедо и коротковолнового радиационного баланса системы почва-растительность от метеорологических факторов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.г.н. СПб, 2006. -с. 19

89. Сивков С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиации. Л., Гидрометеоиздат, 1968,232 с.

90. Справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат. Вып. 1-34. 1961 -1971.

91. Справочник эколого-климатических характеристик г. Москвы (по наблюдениям Метеорологической обсерватории МГУ) / под ред. Исаева А.А. М., Изд. Московского университета, 2003, 303 с.

92. Тарасова Т.А., Ярхо Е.В. Определение аэрозольной оптической толщины атмосферы по наземным измерениям прямой интегральной солнечной радиации. Метеорология и гидрология, 1991, № 12, с. 66 -71.

93. Ташкун С.А., Бабиков Ю.Л., Головко В.Ф., Михайленко С.Н. Информационно-вычислительная система «Спектроскопия атмосферных газов». В сб. Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация», СПб, 2005, с.92 93.

94. Тябаев А.Е. Применение ГИС-технологий в расчетах некоторых характеристик рельефа для территории горно-ледникового бассейна Актру. В сб. Шестое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Томск. 2005. с 426-429.

95. Федеральный закон о гидрометеорологической службе. №113 ФЗ. Собрание законодательства РФ. 1998. №3.

96. Ю1.Фирсов К.М., Фазлиев А.З., Сакерин С.М., Журавлева Т.Б. Информационно-вычислительная система «Атмосферная радиация». В сб. Международный симпозиум

97. Цветков А.В. Мировой центр радиационных данных: основные направления деятельности. Современные исследования Главной геофизической обсерватории. 1999. т.1. с. 285 - 299.

98. Ю4.Шаймарданов М.З. Концепция развития распределенной системы ведения государственного фонда данных о состоянии окружающей природной среды. В сб. 165 лет Гидрометеорологической службе России. СПб. Гидрометеоиздат. 2001. с. 277-292.

99. Ярхо Е.В. Временная изменчивость аэрозольной оптической толщины атмосферы в различных климатических зонах. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 1994, т.ЗО, № 3, с. 417 - 424.

100. Abakumova G.M., Feigelson Т.М., Russak V., Stadnik V.V. Evaluation of long-term changes in radiation, cloudiness and surface temperature on territory of the former Soviet Union. Climate, 1996, v.9, p.1319 - 1327.

101. Kolometeyev M.P., Nikonov S.A., Khmeletsov S.S. Investigation of the volcanic origin stratospheric and tropospheric aerosols influence of the Earth's climate. International radiation symposium. Tallinn, Estonia, 3-8 August 1992. Abstracts LP. 123.

102. Russuk V. Trends of solar radiation, cloudiness and atmospheric transparency during recent decades in Estonia. Tellus. 1990. vol. 42B. p.p.206-210.