имеющая аналога в серии NOAA-OLR, подтверждает возможные проблемы с калибровкой и обработкой данных при определении значений ДВ радиации.

265 4

и

о о

в

245 4

240 4

,......... t.........

ERBS

NOAA-10

! СРРБ j Метеор

I I Ресурс CERES TRMM

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000

Рис. 2. Среднемесячные значения уходящего длинноволнового потока излучения, усредненные для тропической зоны (20° ю.ш.- 20° с.ш.), по данным экспериментов ERBE, CERES и СРРБ, а также по данным измерений NOAA-OLR.

Исследование [45] показывает хорошую взаимную согласованность данных сканеров ERBS, СРРБ/Метеор и CERES-TRMM, а также интересную особенность - рост уходящего ДВ потока в тропическом поясе, особенно, после 1991 г. Первоначально явление аномального роста ДВ потока в экваториальной зоне было отмечено в работе [18]. Последующий анализ всех имеющихся данных о составляющих РБЗ, полученных в разное время с помощью различных космических систем, в том числе и СРРБ, подтвердил рост ДВ потока в тропиках. Особенно очевидным это явление стало после реконструкции эволюции пространственных характеристик длинноволнового компонента РБЗ с учетом точности всех имеющихся в наличии данных [6]. Реконструированный временной ряд уходящей ДВ радиации в тропиках за последние 18 лет показан на рис.3

- ERBESC ♦ СРРБ Ресурс

Рис. 3 Реконструированный временной ход длинноволновой составляющей радиационного баланса Земли в экваториальной зоне (± 20°) за последние 18 лет и основные аномальные природные явления за этот период

Впервые на основе анализа точности измерений составляющих РБЗ был выявлен аномальный рост (более чем на 7 вт/м ) УДР в экваториальном поясе Земли, начиная уже с середины 80-х годов. Этот климатический сигнал может являться одним из доказательств последствий наблюдаемого в настоящее время глобального потепления. Особенно интересным является тот факт, что при явном росте ДВ потока пока не было выявлено достоверных (с достижимой точностью современных измерений) изменений полного РБЗ. Последнее может быть объяснено только соответствующим уменьшением уходящего КВ потока. Данные, приведенные на рис. 4, со всей очевидностью демонстрируют этот факт. На рисунке более ранние данные маркированы светлыми тонами, а более поздние - темными. Из данных рис. следует, что за весь период абсолютных измерений составляющих РБЗ при росте УДР более чем на 7 вт/м соответствующее уменьшение УКР составило только около 5 вт/м2. Дальнейшая проверка существования радиационного дисбаланса земной климатической системы является одной из основных текущих задач космического мониторинга РБЗ.

Согласно данным наблюдений энергетический баланс в тропиках (20° с.ш. 20° ю.ш.) существенно изменился за прошедшие два десятилетия, что отчасти можно объяснить особенностями аномальных природных явлений, происходивших в это время и отчетливо прослеживаемых на временном ходе ДВ потока: извержение вулкана Пинатубо, аномально теплые периоды Эль-Ниньо и аномально холодные периоды Ла-Нина в тропических широтах Тихого океана. Есть основания считать, что за 1990-е годы энергия, которая излучалась в тропических широтах, несколько возросла. Отраженное солнечное излучение уменьшилось при этом менее значительно, так что результирующие потери энергии в тропиках за эти годы заметно отличались от предшествующих. Неясно, однако, являются ли эти изменения индикатором долгопериодных трендов или естественными флуктуациями системы.

о

2002

2000

1995

1990

и

ноябрь

УДЕт/м2 1984

Рис. 4 Совместная эволюция аномалий коротковолновой и длинноволновой составляющих РБЗ относительно базового периода 1984-1989 гг.

Одна из высказанных гипотез связывает наблюдаемые изменения баланса энергии в тропических широтах за 1990-е годы со сдвигом в положении и интенсивности конвекции, облачности и крупномасштабной циркуляции атмосферы в тропиках. Другой версией может быть то, что циркуляция атмосферы в тропиках и ее воздействие на глобальный климат изменились за указанное десятилетие таким образом, что события Эль-Ниньо стали более частыми. Остается неясным, что является источником этих изменений. В некоторых моделях предполагается, что более теплый/холодный циклы в акватории Тихого океана могут интенсифицироваться наступающим глобальным потеплением. С другой стороны, наблюдения не противоречат тому, что соответствующие десятилетние вариации амплитуды и частоты появления событий Эль-Ниньо являются частью естественной изменчивости климата. Следует отметить, что изменения в значениях уходящего излучения в тропиках достигают 5 Вт/м и по порядку величины сравнимы с амплитудой изменения баланса радиационной энергии вследствие удвоения содержания углекислого газа в атмосфере.

На основе реконструированных временных рядов составляющих РБЗ были разработаны статистические модели уходящего излучения Земли, позволяющие осуществлять диагностику наиболее существенных изменений в глобальном радиационном поле Земли и давать среднесрочный (до шести месяцев) прогноз основных характеристик излучения [5].

Рис. 5 Региональные потоки (Вт/м ), усредненные за январь, февраль и март 1999 г., (слева) и аномальные относительно средних для ERBE и СРРБ/Метеор для тех же месяцев за период 1985-1989 и 1994-1995 гг. (справа): для длинноволнового (вверху), коротковолнового (в середине) и

радиационного баланса (внизу).

Средние региональные (2.5° х 2.5° ) потоки и РБ для зимы 1999 г. (январь, февраль и март) показаны на рис.5, вместе с аномалиями относительно средних по данным сканера ERBE (1984-1989) и СРРБ/Метеор (1994-1995) для тех же месяцев. Усреднение данных для этих трех месяцев уменьшает ошибку, возникающую из-за пропуска данных. Радиационное влияние облачности на величины КВ, ДВ потоков, а также РБ для этого периода показаны на рис.6.

Для ДВ потока незначительная положительная глобальная аномалия, упоминаемая выше, образовалась в результате аномалий, больших чем +10 Вт/м , распределенных по всему Земному шару с максимумом значений над тропическим поясом и, в частности, над Индийским океаном и западной частью Тихого океана. Сильные отрицательные аномалии соответствуют в основном конвективной облачности в экваториальной зоне с максимумом значений над северной частью Австралии и Индонезией. Самые большие аномалии, таким образом, соответствуют увеличению конвекционной активности над Индонезийским регионом, что увеличивает ДВ сигнал над Индийским океаном, западной частью Тихого океана и Китаем. Эти особенности, также представленные на

Рис. 6 Региональные значения параметра радиационного влияния облачности (Вт/м ), усредненные за январь, февраль и март 1999 г. (слева) и аномальные относительно средних для ERBE и СРРБ/Метеор для тех же месяцев за период 1985-1989 и 1994-1995 гг. (справа): для длинноволнового потока (вверху), коротковолнового (в середине) и радиационного баланса (внизу).

карте радиационного влияния облачности на ДВ поток (рис. 6), связаны с явлением Ла-Нина зимой 1999 г. Для региона в окрестности Индонезии эта аномалия ассоциируется с положительными и отрицательными радиационными возмущениями до 20 Вт/м в ДВ потоках. Для КВ потоков картина похожа, но противоположна по знаку. Максимум положительной аномалии (в 1999 г.) располагался западнее Австралии. Это предполагает большое количество облаков низкого уровня (малое влияние в ДВ области) на востоке Индийского океана, ассоциирующегося с малым количеством на западе. Похожая картина также наблюдается в южной части Атлантического океана западнее Намибии и над восточной частью Тихого океана западнее Китая. Это может соответствовать усилению КВ эффекта охлаждения облаков на восточной границе и усилению КВ поглощения на западной границе южной части океана в зимний период 1999 г. Часть этих аномалий, тем не менее, может быть связана с ограниченными временными рамками данных, получаемыми с КА Ресурс, (10 ч. 15 м., солнечно-синхронная орбита) по сравнению с данными, получаемыми с прецессионных орбит КА Метеор и ERBS. Слоисто-кучевые об-

лака имеют максимум покрытия земной поверхности на восходе и минимум на закате солнца, обуславливая тем самым завышение оценки альбедо при измерениях с солнечно-синхронного утреннего спутника. Это известная проблема и уже предложены различные решения по улучшению модели дневной коррекции [20, 37]. Для РБ и радиационного влияния облачности также присутствует аномалия общего охлаждения на восточных границах Индийского, Тихого и Атлантического океанов. Как следует из ранее проведенных исследований [22], РВО уменьшается над экваториальным регионом из-за частичной компенсации КВ охлаждения и относительно сильного ДВ нагревания верхнего слоя высоких (холодных) конвективных облаков. Как и для ДВ и КВ потоков на ВГА, аномалия в радиационном балансе (рис. 4) очень похожа на аномалию рис. 6.

Возможности использования данных РБЗ для изучения из космоса природных стихийных бедствий, в том числе и для анализа катастрофических наводнений рассмотрены [2-4]. Примером стихийного бедствия является период аномальных осадков, вызвавших катастрофические наводнения в Китае летом 1998 г, и как следствие, большое количество жертв и разрушений. Одной из причин аномальных осадков, и как следствие, тяжелейших наводнений, является сбой муссона в юго-восточной Азии, - отклик на сильнейший климатический сигнал Эль-Ниньо 1998 г. В этой связи на основе созданных баз данных, включающих, помимо составляющих РБЗ, синхронную информацию об аномальных осадках, основных характеристиках тайфунов, ураганов и других аномальных явлений, были начаты работы по созданию информационных моделей индикаторов природных стихийных бедствий методами космического мониторинга [3,4].

Заключение

Результаты проведенных исследований можно суммировать следующим образом:

1) Совместными усилиями ученых России, Франции и Германии создана аппаратура СРРБ, обеспечившая надежные измерения радиации и позволившая сравнить оценки компонент о РБЗ на основе узкополосных (в видимой и инфракрасной областях спектра) и широкополосных измерений излучения. Достижения в аппаратурной реализации СРРБ могут быть использованы при анализе ошибок, возникающих в результате использования для мониторинга РБЗ и оценки влияния на него облачности только узкополосных измерений действующих метеорологических спутников.

2) Широкополосные измерения СРРБ/Метеор и СРРБ/Ресурс, демонстрируют хорошую согласованность с раннее произведенными измерениями составляющих РБЗ (в рамках проекта ERBE). Установлено хорошее количественное соответствие данных измерений СРРБ/Ресурс и CERES -TRMM (путем прямого сравнения измерений во время их одновременного функционирования).

3) Высокая точность измерений радиации аппаратурой СРРБ/Метеор и СРРБ/Ресурс дает возможность проведения исследований, связанных с решением различных климатических и прогностических задач [2-6, 25]. Эти измерения могут быть использованы как дополнение при анализе данных уже проведенных полевых экспериментов, типа INDOEX [36] в период отсутствия данных других сканеров о составляющих РБЗ. Набор данных СРРБ/Ресурс дает уникальную возможность исследования региональных радиационных аномалий в зимний период 1999 г., в частности исследования фазы Ла-Нина Южного Колебания.

4) В результате реализации проекта СРРБ создана научно-методическая основа построения статистических моделей уходящего излучения Земли, позволяющих осуществлять диагностику наиболее существенных изменений в глобальном

ствлять диагностику наиболее существенных изменений в глобальном радиационном поле Земли и давать среднесрочный (до шести месяцев) прогноз основных характеристик излучения. Данные спутниковых наблюдений РБЗ подтверждают пригодность предлагаемых моделей для описания среднемноголетнего и аномального режимов атмосферной циркуляции в различных регионах Земли. Подтверждена возможность предсказуемости особенностей глобального изменения климата на основе сохранения знака локальных аномалий, что позволяет оценивать тенденции сохранения некоторых типичных конфигураций атмосферных процессов. Одним из таких примеров служит атмо-сферно-океаническое явление ЭНЮК.

5) Данные наблюдений свидетельствуют, что энергетический баланс в тропиках (между 20° с.ш. и 20° ю.ш.) существенно изменился за прошедшие два десятилетия. В 1990-е годы энергия, которая излучалась в тропических широтах, существенно возросла. Отраженное КВ излучение уменьшилось менее значительно, так что результирующие потери энергии в тропиках за эти годы заметно отличались от предшествующих лет. Остается неясным, однако, служат ли эти изменения индикатором долговременного тренда или являются естественными флуктуациями системы.

6) Анализ нового реконструированного ряда наблюдений за составляющими РБЗ длительностью около двадцати лет подтверждает существование энергоактивных зон океана и поверхности суши [7] как зон максимальной межгодовой изменчивости аномалий длинноволнового компонента РБЗ.

7) Начато создание информационных моделей индикаторов природных стихийных бедствий по данным временных рядов спутниковых наблюдений за составляющими РБЗ. На основе данных СРРБ/Ресурс были продемонстрированы новые возможности анализа таких чрезвычайных ситуаций, как катастрофические наводнения в Китае летом 1998 г. Получены предварительные результаты по возможности прогнозирования активности ураганов и тайфунов на основе анализа аномалий составляющих РБЗ, связанных с естественными осцилляциями климата, в первую очередь с такими как СевероАтлантическое колебание и ЭНЮК.

Литература

1. Васильев Г.П., Пахомов Л.А. 1991: Способ калибровки радиометра по Солнцу и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство № 1679209.

2. Головко В.А., Козодеров В.В. Радиационный баланс Земли: новые приложения для изучения природных стихийных бедствий из космоса. Ж. Исслед. Земли из космоса , 2000, N1, с.с. 26-41.

3. Головко В.А., Кондранин Т.В., Овчинников С.К. Информационная модель индикаторов природных бедствий для анализа последствий явления Эль-Ниньо по данным временных рядов спутниковых наблюдений радиационного баланса Земли. Труды 3-ей Международной научно-технической конференции. Космонавтика, радиоэлектроника, геоинформатика. Рязань 6-8 сентября 2000 г., с.. 300-303.

4. Головко В.А., Кондранин Т.В Статистическая модель аномальных природных явлений в динамически неустойчивой климатической системе по данным космических наблюдений. Записки Горного института. Экология и рациональное природопользование. Санкт-Петербург, 2003 (в печати).

5. Головко В.А., Кондранин Т.В Статистические модели временных рядов характеристик поля уходящего излучения Земли по данным космических наблюдений. Электронный журнал Исследовано в России , 15, стр. 147-152, 2003 г.

6. Головко В.А., Овчинников С.К. Реконструкция эволюции пространственных характеристик длинноволнового компонента радиационного баланса Земли за весь период целевых космических наблюдений. Исследовано в России , 2003 (в печати).

7. Марчук Г.И., Кондратьев К.Я., Козодеров В.В. и др. Энергоактивные зоны: концептуальные основы. Часть II. Итоги науки и техники, серия Атмосфера, океана, космос -Программа Разрезы , том 11. 1989. М.: Изд-во ВИНИТИ. 368 с.

8. Пахомов Л.А., Васильев Г.П. 1988:Диффузный рассеиватель. Авторское свидетельство №1616295.

9. Пахомов Л.А. и др. 1990: Имитатор черного тела. Авторское свидетельство №1451629.

10. Barkstrom B.R., Harrison E.F., Smith G.L., Green R, Kibler J, Cess RD, and the ERBE Science Team, 1989: Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) archival and April 1985 results. Bull. Amer.Meteor . Soc., 70, 1254-1262.

11. Bony, S., and J.-Ph. Duvel, 1994: Influence of the vertical structure of the atmosphere on the seasonal variation of precipitable water and greenhouse effect, J. Geophys. Res., 99, 1296312980.

12. Briand, V., C.J. Stubenrauch, W.B. Rossow, A. Walker, and R. Holz, 1997 : Scene identification for ScaRaB data: the ISCCP approach, in Satellite Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere (ed. J.D. Haigh), SPIE, 242-252.

13. Cess, R.D., and Coauthors, 1990: Intercomparison and interpretation of climate feedback processes in 19 atmospheric general circulation models, J. Geophys. Res., 95, 16601-16615.

14. Charlock T.P., and V. Ramanathan, 1985: The albedo field and cloud radiative forcing produced by a general circulation model with internally generated cloud optics, J. Atmos. Sci., 42,

1408-1429.

15. Coakley, J.A. and D.G. Baldwin, 1984 : Towards the objective analysis of clouds from satellite imagery data.. J. Climate Appl. Meteor., 23, 1065-1099.

16. Duvel, J.-Ph., S. Bouffies-Cloche and M. Viollier, 2000: Determination of Shortwave Earth Reflectances from visible radiance measurements: Error estimate using ScaRaB data J. of Appl. Meteor.

17. Duvel, J.-Ph., and P. Raberanto, 2000 : A geophysical cross-calibration approach for broadband channels: Application to the ScaRaB experiment, J. Atmos. Oceanic Technol.

18. Duvel J.-Ph., M. Viollier, P. Raberanto, R. Kandel, Haeffelin M., L.A. Pakhomov, V.A. Golovko, J. Mueller, R. Stuhlmann, and the International ScaRaB Scientific Working Group (ISSWG), 2000: The ScaRaB-Resurs Earth Radiation Budget Dataset and first results, Bull.

Amer. Meteor. Soc., Vol. 82, No.7, 1397-1408.

19. Fouquart, Y., J.C. Buriez, M. Herman, and R.S. Kandel, 1990 : The influence of clouds on radiation: a climate-modeling perspective. Rev. Geophys., 28, 145-166.

20. Haeffelin, M., R. Kandel, C. Stubenrauch, 1999: Improved diurnal interpolation of reflected broadband observations using ISCCP data, J. Atmos. Oceanic Technol., 16, 38-54.

21. Haeffelin, M., B. Wielicki, J.-Ph. Duvel, K. Priestley, and M. Viollier, 2001: Intercalibration of CERES and ScaRaB Earth radiation budget datasets using temporally and spatially collocated radiance measurements. Geophys. Res. Let., 28, 167-170.

22. Harrison, E.F., P. Minnis, B.R. Barkstrom, V. Ramanathan, R. D. Cess and G. G. Gibson, 1990: Seasonal variation of cloud radiative forcing derived from the Earth Radiation Budget Experiment, J. Geophys. Res., 95, 18687-18703.

23. Hartmann D.L., Climate Change: Tropical Surprises, Science, 2002, 295,: 811-812.

24. Kandel R., M. Viollier, P. Raberanto, J.-Ph. Duvel, L.A. Pakhomov, V.A. Golovko, A.P. Trishchenko, J. Mueller, E. Raschke, R. Stuhlmann, and the International ScaRaB Scientific Working Group (ISSWG), 1998 : The ScaRaB Earth Radiation Budget Dataset, Bull. Amer.

Meteor. Soc., 79, 765-783.

25. Kozoderov V.V., and V.A. Golovko, 1999: Interpretation and analysis of the Earth Radiation Budget components from space. The Third International Scientific Conference on the Global Energy and Water Cycle . Beijing, China, 16-19 June, 173-174.

26. Levitus, S., J.I. Antonov, T.P. Boyer and C. Stephens, 2000 : Warming of the world ocean. Science, 287, 2225-2229.

27. Li, Z. and A. Trishchenko, 1999: A study towards an improved understanding of the relationship between visible and shortwave albedo measurements. J. of Atmos. and Oceanic Tech., 16, 347-360.

28. Liebmann, B., and C.A. Smith, 1996: Description of a complete (Interpolated) Outgoing Longwave Radiation Dataset, Bull. Amer. Meteor. Soc.,77, 1275-1277.

29. Minnis P., Harrison E.F.,Stowe L.L., Gibson G.G., Denn F.M., Doelling D.R., Smith W.L., 1993: Radiative climate forcing by the Mount Pinatubo eruption. Science, 259, 1411-1415.

30. Mueller J. 1996: ScaRab Solar Ground Calibration Plan - ScaRab FM2 and Spare Model, GKSS - Forschungszentrum Geesthacht GmbH.

31. Mueller J., Becker R., Rink H., and Burkert P., 1996: Characterization of the ScaRab Spare Model and ScaRab FM2 in the Solar Spectral Domain. GKSS - Forschungszentrum Geesthacht

GmbH.

32. Mueller J., R. Stuhlmann, R. Becker, E. Raschke, J.-L. Monge, and P. Burkert, 1996: Ground-based calibration facility for the Scanner for Radiation Budget instrument in the solar spectral domain. Metrologia, 32, 657-660.

33. Mueller, J., R. Stuhlmann, E. Raschke, J. L. Monge, R. Kandel, P. Burkert, and L. A. Pakho-mov, 1993: Solar ground calibration of ScaRaB preliminary results. Passive Infrared Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere, D. K. Lynch, Ed., SPIE, 129-139.

34. Mueller J, R. Stuhlmann, E. Raschke, J. L. Monge, R. Kandel, P. Burkert,and L. A. Pakhomov, 1997: Ground characterization of the Scanner for Radiation Budget (ScaRaB) Flight Model 1. J. Atmos. Oceanic Technol., 14, 802-813.

35. Ramanathan, V., R.D. Cess, E.F. Harrison, P. Minnis, B.R. Barkstrom, E. Ahmad and D. Hartmann, 1989 : Cloud-radiative forcing and climate: Results from the Earth Radiation Budget Experiment. Science, 243, 57-63.

36. Ramanathan, V., P.J. Crutzen, J.A. Coakley, A. Clarke, W.D. Collins, R. Dickerson, D. Fahey, B. Gandrud, A. Heymsfield, J.T. Kiehl,J. Kuettner, T. Krishnamurti, D. Lubin, H. Maring, J. Ogren, J. Prospero, P.J. Rasch, D. Savoie, G. Shaw, A. Tuck, F.P.J. Valero, E.L.Woodbridge and G. Zhang. Indian Ocean Experiment (INDOEX), A Multi-Agency Proposal for a Field Experiment in.16 the IndianOcean. June 1996. C4 publication #162.

37. Standfuss, C., M. Viollier, R.S. Kandel and J.P. Duvel, 2000: Regional diurnal albedo climatology and diurnal time extrapolation of reflected solar flux observations: Application to the ScaRaB Record. J. of Appl. Meteor.

38. Stephens, G.L. and T.J. Greenwald, 1991a: The Earths radiation budget and its relation to atmospheric hydrology 1. Observations of the clear sky greenhouse effect, J. Geophys. Res., 96, 15311-15324, 1991.

39. Stowe, L. L., Ed., 1988: Report of the Earth Radiation Budget Requirements Review - 1987, NOAA Tech. Rep. NESDIS-41, 103pp.

40. Stubenrauch, C.J., J.-Ph. Duvel and R.S. Kandel, 1993: Determination of longwave anisotropic emission factors from combined Broad- and Narrow-Band radiance measurements. J. Appl.

Met., 32, 848-856.

41. Thomas, D., J.-Ph. Duvel and R.S Kandel, 1995: Diurnal bias in calibration of broad-band radiance measurements from space, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 33,

670-683.

42. Viollier, M., R. Kandel, and P. Raberanto, 1995 : Inversion and space-time averaging algorithms for ScaRaB (Scanner for Earth Radiation Budget) - Comparison with ERBE. Ann. Geo-phys., 13, 959-968.

43. Waliser, D.E., and W. Zhou, 1997 : Removing satellite equatorial crossing time biases from the OLR and HRC datasets. J. Climate, 10, 2125-2146.

44. Wielicki,B. A., B. R. Barkstrom, E. F. Harrison, R. B. Lee III, G. L. Smith, and J. E. Cooper,

1996 :.Clouds and the Earths Radiant Energy System (CERES) : An Earth Observing System experiment. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, 853-868.

45. Wielicki, B. A., T. Wong, D. F. Young, B. R. Barkstrom, R. B. Lee, M. Haeffelin, 1999: Differences between ERBE and CERES tropical mean fluxes: ENSO, climate or calibration? In preprints of the 10th conference on atmospheric radiation, AMS, Boston, MA, (48-51).