Исследование физиков СПбГУ позволит точнее прогнозировать изменения климата

Ученые Санкт-Петербургского университета изучают водозапас облаков для моделирования облачности в Субарктике в различные сезоны. Новые данные, полученные физиками, позволят сделать важный шаг в решении фундаментальной проблемы исследования изменений климата.

Результаты проекта «Исследование водозапаса облаков в субарктическом регионе России на основе дистанционных наземных и спутниковых измерений», поддержанного грантом РФФИ, опубликованы в ряде научных журналов. Среди них — Atmospheric Measurement Techniques и International Journal of Remote Sensing.

Водозапас облаков — это фактор, который влияет на всю атмосферную циркуляцию, в том числе на погоду, а также на количество пресной воды в реках и озерах, величину снегового покрова и время его существования.

Для точного определения водозапаса облаков в субарктическом регионе, куда входят в том числе Санкт-Петербург и Ленинградская область, исследователи СПбГУ разработали специальную методику. Ученые сопоставляют данные о водозапасе облаков, полученные дистанционно с помощью различных научных приборов, установленных на спутниках и на поверхности Земли.

«Наземные и спутниковые устройства используют разные технологии, причем каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Так, спутниковые измерения проводятся в масштабах земного шара, а измерения с помощью наземного микроволнового радиометра — только на ограниченном участке, но гораздо точнее. Сопоставив все данные, мы сможем ввести их в прогностические модели погоды и климата», — рассказал руководитель проекта, ведущий научный сотрудник СПбГУ доктор физико-математических наук Владимир Косцов.

Ученые СПбГУ получают данные о водозапасе облаков от европейского метеорологического спутника, а измерения на земле проводят самостоятельно — с помощью микроволнового радиометра RPG-HATPRO. Наземный прибор, расположенный на высоте 56 метров над уровнем моря, способен проводить измерения круглосуточно. Этим радиометр отличается от спутникового прибора SEVIRI, который использует для измерений отраженное солнечное излучение и поэтому дает информацию только днем. Наряду с водозапасом облаков радиометр позволяет определять целый комплекс параметров атмосферы: вертикальные профили температуры, давления и влажности воздуха до высоты около десяти км. Эта информация важна для изучения эволюции облачности и при анализе как наземных, так и спутниковых данных о водозапасе.

При сопоставлении данных, полученных от радиометра и спутника, возникает целый ряд трудностей из-за разницы в технологии сбора информации. К примеру, за несколько секунд так называемого времени накопления сигнала приемная антенна радиометра, направленная в небо вертикально вверх, собирает данные о водозапасе в радиусе около 50 метров. Вместе с тем спутник проделывает эту операцию на площади около 50 квадратных километров.

Нам удалось справиться с этой разницей, фиксируя измерения радиометра в течение часа, — за это время облака, которые «увидел» спутник, успевают пролететь и над нашим прибором. Затем мы усредняем цифры, полученные наземным методом, и в результате получаем данные, приближенные к измерениям спутника.

Ведущий научный сотрудник СПбГУ доктор физико-математических наук Владимир Косцов

Еще одна проблема, которая возникает при сопоставлении данных, — особенность местоположения радиометра. Прибор находится всего в трех километрах от Финского залива, а над водой, в отличие от суши, образуется меньше облаков. Это связано с тем, что влага быстрее испаряется с нагретой солнцем земли и поднимается вверх конвективными потоками. Проблема заключается в том, что спутник «видит» неоднородное облачное поле, что затрудняет процесс сопоставления наземных и спутниковых измерений.

Помимо исследовательских вызовов ученые столкнулись и с проблемой другого рода: радиометр стал излюбленным местом для пернатых. Птицы садились на радиопрозрачный купол и прокалывали его острыми клювами, что приводило к сбоям в работе.

Сначала мы повесили на радиометр чучело, но оно не помогло. Тогда мы установили по периметру специальные антиприсадные шипы — птицы издалека видят преграду для приземления и пролетают мимо.

Ведущий научный сотрудник СПбГУ доктор физико-математических наук Владимир Косцов

В перспективе ученые планируют создать архив данных о водозапасе облаков для всего субарктического региона. Сейчас они занимаются первичным анализом результатов измерений, устраняют сбои и ошибки, проводят предварительную классификацию.

«Уже проверенные данные позволят провести подробное исследование изменчивости водозапаса в различных временных масштабах — от нескольких минут до суточных и сезонных циклов. Работа станет важным шагом для прогнозирования климатических изменений в Субарктике с помощью компьютерного моделирования», — отметил ведущий научный сотрудник СПбГУ Владимир Косцов.