Объединение данных измерений и результатов моделирования для оценки глобального суммарного атмосферного осаждения: инициатива ВМО

Основной механизм очистки атмосферы Земли удаляет химические вещества из воздуха и осаждает их на поверхность суши и вод. Хотя последствия этих процессов очистки в основном благоприятны, некоторые из них могут оказать негативное воздействие на здоровье человека, экосистемы и продовольственную безопасность. Например, кислотные дожди — подкисление дождевой воды из-за выбросов азота и серы — наносят ущерб лесам, губят насекомых, подвергают коррозии промышленные металлоконструкции и т. д. Такие неблагоприятные последствия осаждения представляют большой интерес для общества в целом и, в частности, для директивных органов, поэтому ВМО решила осуществить Инициативу по объединению данных измерений и результатов моделирования для оценки глобального суммарного атмосферного осаждения.

С изменением объёма выбросов загрязняющих веществ в атмосферу атмосферные осаждения существенно изменились за последние десятилетия. Без надлежащего понимания и оценки количества атмосферных загрязнителей, осаждаемых на сушу и на водную поверхность, атмосферное осаждение может иметь ещё более пагубные, неизвестные последствия для благосостояния общества и экосистем и функционирования системы атмосфера–суша–океан. С учётом этого многие заинтересованные стороны на глобальном и национальном уровнях, занимающиеся вопросами науки, экосистем, здоровья человека и продовольственной безопасности, проявляют большой интерес к более глубокому пониманию атмосферных осаждений во всех пространственных масштабах с тем, чтобы лучше оценить их пагубные последствия и выработать необходимые меры по их смягчению. Инициатива по объединению данных измерений и результатов моделирования для оценки глобального суммарного атмосферного осаждения, предложенная Глобальной службой атмосферы (ГСА) ВМО, позволит преодолеть ограничения и получить максимальную пользу от использования существующих подходов к картографированию осаждений в глобальном масштабе. 

Атмосферные осаждения

Атмосфера Земли, состоящая в основном из азота и кислорода, представляет собой сложную среду. Помимо этих двух основных составляющих, она является носителем целого ряда дополнительных малых газовых примесей и микроэлементов, одни из которых выделяются из природных источников, другие — в результате человеческой деятельности, а третьи — в результате химических процессов, происходящих в атмосфере. Многие из этих примесей и микроэлементов считаются «загрязняющими веществами» из-за их негативного воздействия на здоровье человека или на природную или антропогенную окружающую среду. Загрязнители удаляются из атмосферы и осаждаются на поверхность суши и водную поверхность в результате процесса, известного как атмосферное осаждение. Атмосферные загрязнители могут быть удалены посредством либо влажного осаждения, т.е. осадков, либо сухого осаждения. Сухое осаждение может включать гравитационное осаждение частиц, или диффузию и турбулентный перенос на поверхность и последующее поглощение растениями, или адсорбцию на поверхности.

Атмосферное осаждение является основным процессом удаления для большинства химически активных химических соединений в атмосфере. Во многих регионах это — основной механизм попадания загрязняющих веществ в экосистему, представляющий собой ключевой процесс в системе Земля.

Скорость осаждения атмосферных загрязнителей на сушу и водные поверхности Земли определяется метеорологическими факторами, такими как температура, осадки, влажность и ветер, свойствами осаждённого газа или частиц (как физических, так и химических), а также характеристиками поверхностей, на которые осаждаются эти соединения. Сочетание всех этих факторов определяет, как долго данный атмосферный загрязнитель будет оставаться в атмосфере, на каком расстоянии от своего источника он будет переноситься ветром и какое количество этого загрязнителя будет удалено из атмосферы.

Соответствие Целям в области устойчивого развития

Рисунок 1. Ущерб, нанесённый озоном листьям фасоли обыкновенной (фасоль чёрная Прето), возрастает при продолжении воздействия озона: вначале уровень ущерба невелик (слева), затем симптомы усиливаются (в центре и справа).

Атмосферное осаждение связано посредством различных воздействий на систему Земля с несколькими целями Организации Объединённых Наций в области устойчивого развития (ЦУР). Осаждение определённых атмосферных загрязнителей, таких как химически активные азот, сера, озон, ртуть и чёрный углерод, могут влиять на здоровье человека и наносить серьёзный ущерб экосистемам и растительности, оказывая при этом негативное воздействие на продуктивность сельского хозяйства и усугубляя влияние изменения климата.

Например, осаждение озона на растительность серьёзно влияет на устойчивое обеспечение продовольствием, кормами и волокнами во всём мире (ЦУР 2 — Ликвидация голода). Помимо своего прямого вклада в радиационное воздействие, озон также может влиять на него косвенно путём нанесения ущерба растительности, что снижает продуктивность растений и тем самым приводит к сокращению поглощения двуокиси углерода растениями и в результате к повышению её содержания в атмосфере (ЦУР 13 — Борьба с изменением климата) (IPCC, 2013; WMO, 2018). По оценкам, ущерб, нанесённый озоном, может привести к глобальным экономическим потерям в размере 10–20 млрд долларов США из-за его пагубного воздействия на основные продовольственные культуры, такие как пшеница, соя и кукуруза (Avnery et al, 2011). Ориентировочно годовые потери урожая из-за озона (связанные с озоном разрывы в урожайности, средняя величина за 2010–2012 годы) составили 12,4%, 7,1%, 4,4% и 6,1% для сои, пшеницы, риса и кукурузы соответственно, в результате чего общий объём потерянного урожая составил 227 Тг (Mills et al., 2018). На рисунке 1 показан пример ущерба растению, нанесённого озоном, а также ухудшение состояния растения с течением времени. Более старые листья растения пострадают больше, чем молодые, поскольку они будут подвержены воздействию озона в течение более длительного периода.

Аналогичным образом атмосферное осаждение химически активного азота оказывает непосредственное влияние на состояние экосистемы, сельскохозяйственное производство на обрабатываемых и необрабатываемых землях и изменение климата. Было показано, что высокие уровни осаждения азота вызывают подкисление почвы и поверхностных вод, ухудшение качества воды и эвтрофикацию, а также влияют на рост растений и разнообразие видов растений и животных. Суммарное осаждение азота может привести к насыщению почв азотом, что, в свою очередь, может привести к утрате биоразнообразия, подкислению почвы, ухудшению качества воды и сокращению роста лесов. Таким образом, понимание и картографирование атмосферных осаждений в глобальном масштабе имеет чрезвычайно важное значение, особенно в связи с тем, что атмосферные осаждения связаны с 7 из 17 ЦУР Организации Объединённых Наций. 

Измерение атмосферного осаждения и метод объединения данных измерений и результатов моделирования

Рисунок 2. Во время учебного курса ЦОПКГСА по суммарному атмосферному осаждению на станции ГСА в Хоенпайсенберге. Пробоотборники осадков (слева) и различные пробы собранного атмосферного осаждения на фильтрах (справа).

Влажное осаждение атмосферных загрязнителей измеряется путём отбора проб осадков и измерения концентраций рассматриваемых загрязнителей и количества выпавших осадков (рис. 2). Сухое осаждение обычно оценивается путём измерения концентраций газов и частиц у поверхности Земли и использования компьютерных моделей для расчёта соответствующей скорости их сухого осаждения, т. е. скорости, с которой эти загрязнители осаждаются на поверхность Земли. Оба метода требуют дорогостоящих и сложных сетей измерений, которые охватывают большие территории, таких как сети, координируемые ГСА. Влажное и сухое осаждение также оценивается с помощью моделей переноса химических веществ (МПХВ), объединяющих данные кадастров выбросов с результатами моделирования метеорологических и атмосферных процессов в региональном и/или глобальном масштабах. Подходы, использующие измерения и моделирование, имеют свои преимущества и недостатки, и ни один из них не является совершенным.

Существующие карты атмосферного осаждения в глобальном масштабе основаны на ограниченном количестве данных измерений или на расчётах МПХВ. Оба типа карт содержат большие неопределённости: измерения осаждений недостаточны или вообще отсутствуют на больших территориях планеты (Африка, Азия, Австралия, Южная Америка и океаны), а модели переноса химических веществ неизбежно зависят от допущений и упрощений в распределении и параметризации выбросов.

Чтобы преодолеть эти ограничения и получить максимальную пользу от обоих подходов, был разработан новый метод создания карт осаждения, названный «Объединение данных измерений и результатов моделирования» (ОИМ). ОИМ объединяет наилучшие имеющиеся данные измерений влажных и сухих осаждений, включая атмосферные концентрации, с наилучшими имеющимися оценками осаждения на основе МПХВ с использованием статистических методов. Этот метод «сдвигает» или корректирует модельные оценки, приближая их к истинным значениям путём включения или «усвоения» данных измерений подобно тому, как данные наблюдений метеорологических переменных, таких как температура, скорость ветра, направление ветра и относительная влажность усваиваются в моделях численного прогноза погоды (ЧПП) для повышения точности прогнозов погоды. Однако в отличие от ЧПП данные измерений атмосферного осаждения не могут включаться в модели осаждения в реальном времени или в режиме, близком к реальному времени, поскольку данные измерений, связанных с осаждением, после сбора должны обрабатываться и анализироваться. Поэтому данные наблюдений усваиваются на более поздней стадии или задним числом.

Результатом этого процесса являются карты атмосферного осаждения, обеспечивающие более точные оценки как влажного, так и сухого осаждения, чем те, которые могли бы быть получены с помощью одних только наблюдений или одних только оценок на основе моделей.

Методы ОИМ были разработаны и успешно применены в нескольких странах, включая Канаду, Швецию и США, но их ещё предстоит использовать в глобальном масштабе. На рисунках 3 (a, b) и 4 показаны примеры карт осаждения высокого разрешения, созданных на основе OИМ соответственно в Канаде, США и Швеции. Эти методы обеспечивают научно-методическую основу для увеличения масштабов карт осаждения от национального и регионального до глобального масштаба.

Рисунок 3 (а) и (b). Современные карты суммарного атмосферного осаждения, подготовленные на основе объединения данных измерений и результатов моделирования. Рисунок 3 (а) (слева) — карта суммарного осаждения азота в 2010 году в кг N га-1 год-1, подготовленная Министерством окружающей среды и изменения климата Канады (Schwede et al., 2019), рисунок 3 (b) (справа) — карта суммарного осаждение азота в 2010 году в кг N га-1 год-1, подготовленная Управлением по охране окружающей среды США (Schwede et al., 2019).

Инициатива ВМО по объединению данных измерений и результатов моделирования для оценки глобального суммарного атмосферного осаждения (ОИМ-ГСАО)

Рисунок 4. Карта осаждения серы в 2017 году в Швеции в мгS м-2 год-1, подготовленная Шведским гидрологическим и метеорологическим институтом (Leung et al., 2019)

В настоящее время ГСА имеет возможность привлекать и координировать деятельность ведущих экспертов по атмосферному осаждению и ОИМ со всего мира, чтобы разрабатывать и применять методы ОИМ для подготовки глобальных карт осаждения. Они будут опираться на последние достижения в области моделирования переноса химических веществ и использовать спутниковые наблюдения за атмосферными осаждениями, а также сеть станций приземных измерений концентраций и потоков осаждений, которые координируются Научной консультативной группой ВМО по суммарным атмосферным осаждениям.

Цель инициативы состоит в том, чтобы использовать сочетание региональных и глобальных моделей атмосферного переноса и наблюдений для подготовки высококачественных карт суммарного (влажного и сухого) атмосферного осаждения, а также оценок потоков атмосферных загрязнителей в глобальном масштабе в режиме, близком к оперативному. Эта инициатива, находящаяся пока ещё на ранних этапах, известна под названием «Объединение данных измерений и результатов моделирования для оценки глобального суммарного атмосферного осаждения» (ОИМ-ГСАО). Стоит отметить, что современные карты атмосферного осаждения на основе ОИМ представляют собой результат усилий, предпринятых отдельными странами или двумя странами, работающими совместно, и они являются национальными или региональными по масштабу.

В настоящее время многим странам не хватает возможностей и знаний, чтобы объяснить необходимость учёта атмосферного осаждения при принятии научных решений и решений для выработки политики и планирования, которые связаны с Целями ООН в области устойчивого развития. Карты осаждения на основе ОИМ в глобальном масштабе, созданные на основе наилучших оценок измерений и моделей, послужат для информационного обеспечения и поддержки этих процессов принятия решений.

Глобальные высококачественные карты осаждения и концентраций и файлы соответствующих данных позволят правительственным учреждениям и другим заинтересованным сторонам оценить влияние атмосферного осаждения химических веществ на здоровье населения, экосистемы суши и океанов, поверхность сельскохозяйственных угодий и изменение климата. Их решения и действия должны основываться на наилучших из имеющихся научных данных. ГСА уже играет ведущую роль в сборе данных и контроле качества приземных измерений осаждения. В рамках ОИМ-ГСАО она также будет играть ключевую роль в содействии оперативному выпуску карт атмосферного осаждения на основе ОИМ в глобальном масштабе (а также в региональном масштабе в районах мира, не достаточно охваченных измерениями) и в обеспечении ООН и её государств-членов достоверными результатами и знаниями. Это нашло отражение в следующем Заявлении о перспективном видении для Инициативы ОИМ-ГСАО:

Заинтересованные стороны смогут получить доступ к высококачественным глобальным картам высокого разрешения, отображающим суммарное атмосферное осаждение, для удовлетворения нужд общества, поскольку они касаются окружающей средой и глобального устойчивого развития.

Осуществление Инициативы ОИМ-ГСАО

План осуществления ГСА ВМО на 2016–2023 годы основывается на концепции «наука для обслуживания». В этом контексте Инициатива ОИМ-ГСАО является одним из новых видов обслуживания ГСА, указанных на Всемирном метеорологическом конгрессе в июне 2019 года в резолюции 60, касающейся потребностей пользователей. С учётом этой перспективы ОИМ-ГСАО ставит следующие цели.

• Создавать и распространять высококачественные глобальные карты на основе ОИМ и информационную продукцию высокого пространственного разрешения в отношении атмосферного осаждения в режиме, близком к оперативному (включая соответствующие массивы данных измерений и результаты моделирования переноса химических веществ с гарантированным качеством).
• Постоянно совершенствовать оперативную продукцию посредством научно-исследовательских инноваций в области мониторинга осаждения, моделирования переноса химических веществ, методов усвоения/объединения данных и других систем наблюдения (например, спутниковые измерения).
• Постоянно взаимодействовать с пользователями данных, заинтересованными сторонами и партнёрами для удовлетворения их растущих потребностей и решения важнейших задач.
• Обеспечивать специализированные процедуры, технические консультации и заказную продукцию для конкретных пользователей и заинтересованных сторон (например, продукцию, касающуюся осаждения, характерного для конкретной экосистемы; производные индикаторы; долгосрочные тренды осаждения).
• Наращивать потенциал (технический/институциональный/кадровый) и устанавливать контакты с соответствующими научными/ политическими сообществами и организациями, для которых информация об осаждении не известна, недостаточно используется ими или доступ к ней ограничен.
• Сотрудничать с существующими партнёрами в рамках ВМО и ООН, региональными и национальными программами измерений (например, сети, спутники) в целях поддержки расширения и совершенствования наблюдений за осаждением в малоизученных районах.
• Повышать точность и совершенствовать прогнозы осаждения, качества воздуха и климата за счёт подготовки рекомендаций о рассмотрении атмосферного осаждения в рамках подхода к моделированию системы Земля для суши, льда, океанов и атмосферы.
• Обеспечивать возможности и сотрудничать с пользователями и заинтересованными сторонами в целях применения текущих и будущих знаний о глобальном осаждении, полученных на основе ОИМ-ГСАО, для оценки влияния изменений в осаждении на изменение климата Земли, экосистем, выбросов и общества в рамках взаимосвязи с соответствующими Целями ООН в области устойчивого развития.
• Разработать официальный План осуществления для организации и реализации Инициативы ОИМ-ГСАО в соответствии с заявленными краткосрочными и среднесрочными целями.

В рамках Инициативы ОИМ-ГСАО будет введена в эксплуатацию комплексная оперативная система, которая включает сбор данных измерений и результатов моделирования, применение методов ОИМ, а также разработку и предоставление продукции и обслуживания. Для осуществления Инициативы потребуется комплексный и скоординированный подход к деятельности, которая охватывает несколько различных областей науки об атмосфере. К этим областям относятся: изучение состава атмосферы и измерение осаждения (например, с помощью станций ГСА, региональных и национальных измерительных сетей), моделирование переноса химических веществ (в региональном, национальном и глобальном масштабах), кадастры выбросов, усвоение данных измерений/ результатов моделирования, управление базами данных и распространение и предоставление продукции.

Для достижения целей Инициативы ОИМ-ГСАО всё обслуживание и продукция, предоставляемые в рамках этой Инициативы, будут ориентированы на потребности пользователей. Это будет достигнуто путём консультаций и обеспечения обратной связи на совещаниях и рабочих семинарах, направленных на определение конкретных потребностей пользователей.

Инициатива ОИМ-ГСАО была выдвинута в феврале 2019 года на совещании экспертов в штаб-квартире ВМО в Женеве с участием специалистов в области наблюдений и моделирования атмосферного осаждения, аэрозолей и химически активных газов, методов ОИМ для обеспечения продовольственной безопасности и экосистем. Совещание определило технические и финансовые аспекты, связанные с осуществлением этой Инициативы, и началась работа над планом её осуществления.

В данный момент введены в действие многие научные и технические элементы. В настоящее время в рамках Инициативы изыскиваются финансовые средства для дальнейшей работы по подготовке карт глобального осаждения. ГСА приветствует как взносы в натуральной форме, так и финансовые взносы Членов и партнёров ВМО на реализацию инициативы ОИМ-ГСАО. Несколько научных, общественных и политических организаций ожидают регулярного выпуска глобальных карт на основе ОИМ-ГСАО в рамках этой Инициативы. Выражение признательности: В основе данной статьи лежит Концептуальная записка Инициативы ОИМ-ГСАО, в подготовке которой принимали участие Венке Ос, Камилла Андерссон, Аманда Коул, Фрэнк Дентенер, Джошуа Фу, Коринн Гэли-Лако, Мария Канакиду, Лоренцо Лабрадор, Кобус Пинаар, Донна Шведе и Роберт Вет.

Авторы

Лоренцо Лабрадор, Секретариат ВМО

Клавдия Волощук, Секретариат ВМО

Аманда Коул, Министерство окружающей среды и изменения климата Канады

 

Литература

Avnery, S., Mauzerall, D.L, Liu, J. and Horowitz, L.W. (2011).  Global crop yield reductions due to surface ozone exposure:  1.  Year 2000 crop production losses and economic damage.  Atmospheric Environment, 45:13, pp. 2284-2296.

Leung, W., Alpfjord Wylde, H. and Andersson, C.  (2019).  National environmental assessment with the MATCH Sweden system, evaluation of results for the years 2015-2017 (in Swedish 2015-2017.  Swedish Meteorological and Hydrological Institute. https://www.smhi.se/polopoly_fs/1.146627!/Slutrapport2015-17_M%C3%96.pdf.

Mills, G., Sharps, K., Simpson, D., Pleijel, H., Broberg, M., Uddling, J., Jaramillo, F., Davies, D., Dentener, F., Van den Berg, M., Agrawal, M., Agrawal., S.B., Ainsworth, E.A., Büker, P., Emberson, L., Feng, Z., Harmens, H., Hayes, F., Kobayashi, K., Paoletti, E., and Van Dingenen, R. (2018).  Ozone pollution will compromise efforts to increase global wheat production. (2018). Global Change Biology, 24: 8, pp. 3560-3574.  doi.org/10.1111/gcb.14157.

Schwede, D., Cole, A., Vet, R., and Lear, G.  (2019). On-going U.S.-Canada collaboration on nitrogen and sulfur deposition.  EM: The Magazine for Environmental Managers, June 2019.

IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge (UK) and New York, Cambridge University Press

WMO, 2018: WMO Reactive Gases Bulletin. No 2: Highlights from the Global Atmosphere Watch Programme. Geneva.