Самые отдалённые и самые холодные уголки земного шара
- Author(s):
- Арни Сноррасон, Эйстейн Годёй, Сью Баррелл, Родика Ниту

Описание рисунка (наверху): Антарктида — заброшенная база и станция наблюдений (Фото: Сью Баррелл)
ВМО приняла комплексный подход к системе Земля для того, чтобы решения относительно погоды, воды и климата были более обоснованными благодаря комплексному мониторингу и прогнозированию всех соответствующих компонентов земной системы. Действие этого подхода также распространяется на самые отдалённые и самые холодные части земного шара — Арктику, Антарктику (рис. 1) и высокогорные районы, где криосфера является характерной особенностью (IPCC, 2019).
Комплексный подход к системе Земля позволяет лучше представить сложные взаимодействия между различными компонентами системы — атмосферой, океанами, гидросферой и криосферой. Он в значительной степени зависит от усвоения сопряжённых данных для обеспечения согласованности и более эффективного использования наблюдений за взаимодействиями, которые зависят от нескольких компонентов, в интересах численных моделей прогнозирования системы Земля.
Усвоение данных является критически важным компонентом как не сопряжённых, так и сопряжённых моделей прогнозирования системы Земля. Поскольку пространственное и временное разрешение этих моделей постоянно увеличивается, для обеспечения наиболее последовательного представления компонентов системы Земля требуются улучшенные наблюдения in situ и дистанционное зондирование. Улучшение пространственного и временного разрешения наблюдений, а также расширение числа наблюдаемых переменных необходимо для дальнейшего повышения эффективности систем численного прогнозирования.
В криосферных районах — полярных или горных — выпуск точных и надёжных прогнозов во всех временных масштабах является более сложной задачей, чем в других районах. Понимание и способность моделировать некоторые процессы, уникальные для этих районов, ограничены, например, мелкомасштабные процессы, происходящие во время образования морского льда, выпадения снега, твёрдых осадков, а также внутри облаков смешанной фазы и стабильных пограничных слоёв. Ограничивающие факторы в настоящее время включают i) ограниченную доступность наблюдений in situ, в частности наблюдений за снегом и льдом, ii) неоптимальное усвоение спутниковых наблюдений на снежных и ледовых поверхностях в полярных регионах, iii) ограниченную доступность надлежащих дистанционных и спутниковых наблюдений в полярных и горных районах (снежный покров, ледники и т. д.), и iv) ограниченный обмен надёжными данными и доступ к имеющимся данным в режиме, близком к реальному времени.
Данные о криосфере для гидрометеорологической и климатологической информации и обслуживания
Многие сферы применения и обслуживания в рамках полномочий Членов ВМО, а также в рамках более широкого научного сообщества, всё чаще требуют постоянного доступа к данным о криосфере. Такие данные дополняют метеорологические, гидрологические и океанические данные, а также данные, используемые в области моделирования и реанализа. Связанные с климатом изменения в районах, где есть снег, морской лёд, ледники и многолетняя мерзлота, могут вызвать процессы обратной связи и изменения в режимах регулирования осадков и пресной воды на больших территориях — вплоть до масштабов континентов и полушарий.
Данные о криосфере для усвоения данных в моделях системы Земля
Данные наблюдений за снегом и льдом всё чаще используются для усвоения в моделях численного прогнозирования погоды (ЧПП) и оказывают существенное влияние на эффективность этих моделей. Данные о снеге, ледниках, морском льде и многолетней мерзлоте также всё чаще используются для численного прогнозирования климата, сезонного прогнозирования, оперативного анализа, реанализа климата и для проверки моделей.
В контексте крупномасштабных сопряжённых моделей, в частности в отношении данных о криосфере, обмен данными о снеге и льде, выходящий за рамки институциональных, секторальных и политических границ, имеет большое значение для развития гидрометеорологического и климатического обслуживания (Helmert et al., 2018). Недостаточный потенциал для прогнозирования в отдалённых горных районах может показаться несущественным, но воздействие распространяется вниз по течению рек, а социально-экономические последствия ощущаются населением, живущим в нижнем течении рек и в низменных районах.
Данные о криосфере для гидрологии
Поскольку все крупные реки берут начало в горах, их часто называют «водонапорными башнями мира» (Immerzeel et al., 2020). Горная криосфера — ледники, снег, многолетняя мерзлота и сезонномёрзлый грунт — играет основополагающую роль в обеспечении и регулировании ресурсов пресной воды для примерно половины населения Земли (Egan and Price, 2017). К этой половине, в частности, относятся жители густонаселённых низменных районов, таких как дельта Ганга и Брахмапутры.
Снег, ледники, многолетняя мерзлота и сезонномёрзлый грунт служат в качестве резервуаров пресной воды. Данные о таянии снега и льда необходимы для понимания изменчивости водных ресурсов. Краткосрочный мониторинг криосферы имеет критически важное значение для прогнозирования весеннего таяния и быстроразвивающихся паводков, планирования производства гидроэлектроэнергии, наличия воды в засушливых районах, например в Андах (Schoolmeester et al., 2018) и ирригации, в то время как таяние ледников является ключевым предиктором долгосрочного дефицита воды.
Рисунок 2. Вклад криосферы в водообеспеченность в бассейнах крупных рек Азии, оценённый на основе данных с 1998 по 2012 год, опубликованных Huss et al., 2017 (иллюстрация Норы Кребс, ВМО) |
Многие страны полагаются на прогнозы таяния снега (с заблаговременностью от одного до нескольких месяцев вперёд), чтобы предсказать речной сток и потенциальные паводки и обеспечить оповещение о паводках (рис. 2). Увеличение частоты выпадения дождя на снег повышает риск схода лавин и наводнений. В то время как увеличенный речной сток в Арктику приносит огромное количество пресной воды в Северный Ледовитый океан и окружающие моря, тем самым влияя на океаническую циркуляцию.
Необходимо дальнейшее совершенствование понимания и моделирования гидрологического цикла для холодных районов. Доступ к наблюдениям имеет решающее значение, например для лучшего моделирования взаимосвязи между осадками и стоками, включая вклад многолетней мерзлоты и сезонномёрзлого грунта.
Данные о криосфере — данные для прогнозирования ледовых явлений и обслуживания
Надёжные оценки протяжённости и объёма морского льда в Северном Ледовитом океане и Южном океане вокруг Антарктиды необходимы для понимания изменения климата, инициализации численных прогнозов погоды, прогнозирования морского льда и оперативных реанализов сопряжённой системы океан–лёд (Zuo et al., 2019).
Месячные и сезонные ориентировочные прогнозы наличия и динамики морского льда очень востребованы морской индустрией для безопасной навигации и работы в полярных водах (рисунки 3 и 4).
|
|
Постоянное сокращение толщины арктического морского льда и площади многолетнего морского льда приводит к большей подвижности морского ледяного покрова и увеличению изменчивости ледовых условий. Эти изменения требуют иного подхода к своевременности и горизонтальному разрешению ледовых карт и прогнозов погоды для морских перевозок в высокоширотных районах.
Рисунок 5. Площадь арктического морского льда в сентябре составила 106 км2 по данным спутниковых наблюдений и результатов ПССМ6. Весьма вероятные диапазоны показаны для ССП1-2.6 и ССП3-7.0. Предполагается, что Арктика станет практически свободной ото льда около середины столетия по сценариям средних и высоких уровней выбросов ПГ. В основе данного рисунка — рисунок РП.8 в МГЭИК (2021). (Наблюдения добавлены проф. Эдом Хокинсом (http://www.climate-lab-book.ac.uk/2021/adding-observations/) (Материал любезно предоставлен Томасом Лавернье) |
Для преодоления существующих ограничений необходимы усовершенствования в моделировании морского льда (и сопряжённой системы океан–лёд) как для Арктики, так и для Южного океана (рис. 5). Эти ограничения частично связаны с недостатком данных, полученных для полярных океанов в целом, особенно для широкой полосы антарктической зоны морского льда, и частично с трудностями в получении надёжной продукции по морскому льду на основе доступных в настоящее время данных дистанционного зондирования. Поскольку более молодой однолетний лёд становится всё более преобладающим, что приводит к установлению сезонного ледового режима в полярных районах, критически важно, чтобы оперативные ледовые службы включали более своевременные и точные ледовые данные в свою деятельность по мониторингу.
Криосфера и изменяющийся климат
Данные об изменениях в Антарктическом и Гренландском ледяных щитах (рис. 6) и о горных ледниках необходимы для понимания и моделирования повышения уровня моря. Более миллиарда людей, а также экосистемы — будь то на маленьких островках в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах или в крупных прибрежных городах мира — находятся в ситуации, вызывающей озабоченность. Систематические климатические данные о снеге и льде также необходимы для надёжного инженерного проектирования инфраструктуры в холодном климате, например для транспорта, зданий, водоснабжения и т. д. Они также важны для решения проблемы береговой эрозии и последующих изменений береговых линий. Данные о состоянии подземного льда становятся критически важными для планирования землепользования и оценки потенциального выброса парниковых газов.
![]() Рисунок 6. Изменение климата значительно меняет условия проектирования инфраструктуры в регионах, где присутствуют снег и лёд, вызывая тем самым необходимость разработки стратегий адаптации (деревня Иттоккортоормиит — Восточная Гренландия), (фото: Сью Баррелл). |
Изменения в криосфере и природные опасные явления
![]() |
Комплексные подходы к мониторингу гидрометеорологических изменений, включающие информацию о криосфере, необходимы для разработки систем заблаговременных предупреждений о надвигающихся, связанных с изменениями рисках и экстремальных явлениях. Их спектр широк — от лавин, катастрофических наводнений в результате таяния снега (Rössler et al., 2014), наводнений при прорыве ледниковых озёр (НПЛО или jökulhlaups), ледяных заторов на реках и озёрах, запруд рек из-за наступающих ледников, разрушения берегов, оползней и разрушения склонов до увеличения частоты появления айсбергов на навигационных маршрутах и других опасностей, связанных с криосферой. Ледниковые озёра вызвали ряд самых разрушительных наводнений в мире, например в Андах (Huggel et al., 2020) и Гиндукушских Гималаях. В условиях быстроменяющегося климата доступ к точным каталогам и описаниям прошлых событий, а также к надёжным климатическим базам данных имеет решающее значение для обоснования оценок опасности (GAPHAZ, 2017) и подготовки стратегий адаптации (рис. 7).
Распространение обмена данными на полярные и горные районы
Разрабатывая Единую политику в отношении данных, ВМО признаёт и реагирует на необходимость расширения доступа к данным о криосфере на глобальном уровне для дальнейшего улучшения и поддержания критически важного гидрометеорологического и климатического обслуживания, предоставляемого её Членами. Эта политика поможет реализовать видение и стратегию ВМО в отношении комплексного подхода к мониторингу, моделированию и прогнозированию системы Земля. Конечной целью является дальнейшее информирование Членов ВМО и обеспечение для них возможности предоставлять обслуживание, имеющее критически важное значение для обеспечения безопасности и благополучия их граждан.
Новая политика признаёт, что в отличие от давно существующих инфраструктур и систем мониторинга погоды, климата и гидрологических процессов, систематический мониторинг криосферы появился только в последние десятилетия под влиянием исследований климатической системы и в основном на основе подхода «снизу вверх».
Однако, несмотря на повышенный интерес, мониторинг во многих горных и полярных регионах осуществляется по-прежнему в недостаточном объёме из-за высокой стоимости, трудного доступа (рис. 8), экстремальных условий эксплуатации, недостаточного местного потенциала, нахождения в юрисдикции нескольких государств, слабости или отсутствия институциональных полномочий. Даже метеорологические станции в этих районах немногочисленны. Этот недостаток негативно влияет на эффективность моделей, приводя, например, к появлению систематической ошибки, связанной с высотой, при прогнозировании осадков в высокогорье.
![]() Рисунок 8. Высокогорные наблюдения. Cтанция Мюллер Хат, Новая Зеландия, находится на высоте 1818 м над уровнем моря. Попасть на станцию можно только на вертолёте. Ежегодное накопление снега более 4 метров. Фото любезно предоставлено Кристианом Заммитом; вклад в эксперимент ВМО по взаимному сравнению измерений твёрдых осадков (ЭВСТО), отчёт ВМО № 131 (Nitu et al., 2018) |
Прогресс в удовлетворении потребностей в наблюдениях за криосферой с помощью космических систем был достигнут в основном для полярных районов, в меньшей степени — для горных районов. Остаётся много пробелов в наборе элементов, за которыми осуществляются наблюдения, а также в доступе к данным космических наблюдений за криосферой и их усвоении.
Во многих странах системы наблюдения за криосферой по-прежнему находятся в ведении разных учреждений с разными полномочиями — от научно-исследовательских, академических, гидроэнергетических организаций, морских и ледовых служб до космических агентств, национальных метеорологических и гидрологических служб (НМГС) и других, при этом ключевую роль продолжают играть научно-исследовательские учреждения. Во многих развивающихся странах наблюдения и исследования криосферы по-прежнему являются частью финансируемых на международном уровне проектов, при этом связи с национальными учреждениями, включая НМГС, ограничены или отсутствуют.
Данные о криосфере в рамках Единой политики в отношении данных
Обмен данными важен для исследовательских организаций (Pan et al., 2021), учитывая их стремление расширить понимание взаимодействий между атмосферой, криосферой, гидросферой и биосферой. Это особенно актуально, поскольку они стремятся дать ответы на всё более сложные вопросы о социально-экономических и экологических последствиях беспрецедентных изменений климата.
Международное научное сообщество предпринимает активные шаги по обеспечению более широкого доступа к данным исследований. Принципы FAIR в отношении данных (Wilkinson et al., 2016), опирающиеся на четыре основополагающих компонента, — удобные для поиска, доступные, функционально совместимые, пригодные для повторного использования — представляют собой набор руководящих принципов высокого уровня для владельцев данных, полученных в результате исследований. FAIR уделяет особое внимание расширению возможностей соответствующих устройств по автоматическому поиску и использованию данных в дополнение к возможностям для повторного использования данных частными лицами, при этом обеспечивается установление прав собственности и обеспечивается защита интеллектуальной собственности, например с помощью лицензий.
В рамках Единой политики в отношении данных ВМО признаёт наличие большого объёма данных, имеющихся у широкого научного сообщества, и тот вклад, который они могут внести в стратегическое направление деятельности ВМО, касающееся системы Земля. Поэтому в рамках Политики подчёркивается необходимость укрепления двустороннего взаимодействия и обмена данными между оперативными и научно-исследовательскими учреждениями и выражается стремление чётко сформулировать принципы и преимущества, которые она обеспечит для всех заинтересованных сторон. В частности, Единая политика в отношении данных призывает к свободному обмену приоритетными данными о системе Земля (то есть как «базовыми», так и «рекомендуемыми» данными) между Членами ВМО, в том числе для целей исследований с бюджетным финансированием без каких-либо условий. Это отражает важность результатов исследований и идей для обеспечения постоянного развития потенциала по всем аспектам полномочий ВМО.
Политика также призывает Членов удовлетворять при любой возможности запросы относительно установления прав собственности в качестве средства обеспечения признания и защиты прав интеллектуальной собственности владельцев данных, насколько это возможно. В соответствующих случаях для доступа к научным данным, их отслеживания и цитирования могут использоваться цифровые идентификаторы объектов (ЦИО). Признание прав собственности является взаимовыгодным для владельцев и пользователей данных, а цитирование позволяет научному сообществу продемонстрировать финансирующим организациям, как используются их данные.
Глобальная служба криосферы (ГСК) ВМО — упрощение доступа к наблюдениям и данным о криосфере
Глобальная служба криосферы (ГСК) ВМО выступает в качестве координатора разработки скоординированных подходов оперативных и исследовательских сообществ в поддержку ключевых наблюдений за криосферой in situ и с использованием дистанционного зондирования, а также в поддержку доступа к данным и информации о состоянии криосферы. Компонент наблюдений ГСК является неотъемлемой частью Интегрированной глобальной системы наблюдений ВМО (ИГСНВ). Портал данных ГСК размещается в Норвежском метеорологическом институте и поддерживается Институтом исследований снега и лавин, который входит в состав Швейцарского федерального института исследований леса, снега и ландшафта (WSL). Через свой портал данных ГСК стремится обеспечить доступ (Bavay et al., 2020) к данным о криосфере и вспомогательным данным в реальном времени и в архивах (в виде последовательных временных рядов климатических данных) через экономически эффективные механизмы в рамках Информационной системы ВМО (ИСВ), опираясь на существующий обмен данными внутри и вне ВМО. В дополнение к ИСВ ГСК способствует включению особых для криосферы функций в Глобальную систему обработки данных и прогнозирования (ГСОДП) ВМО, поддерживая специализированное обслуживание для полярных и высокогорных районов.
|
Данные поступают от НМГС, а также от других оперативных и научных организаций (рис. 9), причём последние используют целый ряд разлиподходов к управлению данными, зачастую совершенно отличных от тех, которые используются в сообществе ВМО. ГСК использует инструменты и процедуры, доступные через ИГСНВ и ИСВ, для установления связей между научными сообществами, занимающимися исследованием криосферы, и поставщиками и пользователями данных ВМО. Это включает 1) присвоение идентификаторов станций ИГСНВ для средств наблюдения, 2) использование метаданных ИГСНВ для документирования средств наблюдения, 3) стандартизацию и регистрацию средств наблюдения за криосферой наряду с метеорологическими, климатическими и другими средствами наблюдения в базе данных ОСКАР/Поверхность ВМО, 4) документирование потребностей и возможностей в отношении наблюдений за криосферой в базе данных ОСКАР/ Потребности, 5) стандартизацию и функциональную совместимость, которые повышают возможность обнаружения комплектов данных о криосфере в рамках ИСВ, 6) обмен данными о криосфере для оперативных целей через ИСВ и 7) предоставление доступа к бесплатным и неограниченным данным ВМО для сообщества, не относящегося к НМГС.
Реализация Единой политики ВМО в отношении данных стимулирует улучшение связей между поставщиками данных о криосфере и НМГС. Хотя использование инструментов, предложенных при посредничестве ГСА может обойтись недёшево для многих поставщиков данных, есть стремление к тому, чтобы они в свою очередь оказались в выигрыше, получив доступ к данным нескольких поставщиков и возможность контролировать обмен данными, использование и повторное использование общих данных, а также возможность влиять на дальнейшее развитие инструментов, имеющих отношение к ним. Возможность сообщать об имеющихся данных также поможет выявить пробелы и возможности наблюдений. Например, ожидается взаимная выгода, если данные о снеге, собранные на региональном уровне, будут по умолчанию передаваться организациям национального уровня и НМГС (Vionnet et al., 2021).
На практическом уровне ГСК поддерживает и обеспечивает вклад поставщиков данных с ограниченными ресурсами и возможностями для управления данными, предоставляя пакет программного обеспечения для преобразования данных из неструктурированных в структурированные NetCDF/CF (в соответствии с принципами FAIR) через портал данных ГСА (Bavay, Fiddes and Godøy, 2020).
Партнёрства для доступа к данным из полярных и высокогорных районов
Значительные шаги были предприняты ГСК в качестве посредника по вопросам данных для полярных и высокогорных районов. Что касается полярных районов, то существующее взаимодействие между ГСК и объединённым Комитетом по арктическим данным (КАД) Устойчивой сети наблюдений в Арктике (УСНА) и Международного научного комитета по Арктике (МНКА), а также Научным комитетом по управлению антарктическими данными (НКУАД) Научного комитета по исследованию Антарктики (СКАР) предоставляет возможности для расширения сотрудничества, что приведёт к расширению доступа к имеющимся данным. Примечательно, что СКАР, как научный комитет Системы Договора об Антарктике, уполномочен содействовать бесплатному и неограниченному доступу к антарктическим научным данным и информации. Согласно документам КАД, данные об Арктике существуют и независимо циркулируют в рамках комплексной Арктической информационной экосистемы (AIE — Pulsifer et al., 2020), в состав которой входят институты и центры данных, но её целью является наращивание потенциала для поддержки соответствующих сфер применения и связи с потребностями в глобальных данных для удовлетворения региональных потребностей и повышения устойчивости к бедствиям в Арктике.
Для высокогорных районов ландшафт данных гораздо более раздроблен (Thornton et al., 2021, Shahgedanova et al., 2021). Предпринимаются коллективные усилия (Adler, Pomeroy and Nitu, 2020) по устранению препятствий с помощью таких механизмов, которые поддерживаются в рамках Инициативы по исследованию гор и её флагманских направлений деятельности, таких как «ГЕО Горы» и Международная сеть по исследованию гидрологии горных водосборных бассейнов (МСИГГВБ). В 2019 году ГСК подписала 5-летний меморандум о взаимопонимании с программой «Окружающая среда третьего полюса», в котором особое внимание уделяется установлению взаимодействия с Центром данных об окружающей среде третьего полюса (Xin Li et al., 2021, также # 10). Аналогичная работа проводится с другими исследовательскими центрами данных для дальнейшего упрощения доступа к важнейшим потокам данных о криосфере и вспомогательных данных.
Эти партнёры признают, что ВМО имеет все возможности для того, чтобы играть ключевую роль в отношении политики и практики в области данных, способствуя углублению интеграции за пределами конкретных регионов и областей. С этой целью в случае принятия Единая политика в отношении данных воплотит на практике принципы взаимодействия между партнёрами, владеющими данными о криосфере, которые готовы делиться и обмениваться этими данными на международном уровне. Эта политика вновь станет примером для сообществ партнёров, как и в случае с Международным полярным годом (МПГ) 2007–2008, когда ВМО совместно с Международным советом по науке создала инновационную рамочную основу для управления данными, чтобы поддержать цели заинтересованных сообществ. Со времени МПГ сообщества партнёров ВМО добились значительного прогресса в управлении данными и информацией, при этом заметно возросла актуальность руководящих принципов FAIR.
Эти области прогресса предлагают потенциальные выгоды для Членов ВМО, поскольку Единая политика в отношении данных разработана таким образом, чтобы соответствовать своим нынешним целям и адаптироваться к будущим потребностям.
|
Заключение
Сосредоточение внимания ВМО на мониторинге, моделировании и прогнозировании системы Земля увеличивает необходимость интеграции данных о криосфере в поддержку всего обслуживания, связанного с погодой и климатом. Единая политика в отношении данных позволяет применять более систематический подход к обмену и использованию данных о криосфере в сочетании с данными из более традиционных областей деятельности ВМО. Ожидается, что реализация этой политики сыграет важную роль в расширении доступа к данным и достижении нужного пользователям пространственно-временного разрешения. В то же время нынешние владельцы этих данных, включая данные о криосфере, которые находятся вне сферы деятельности НМГС, получат ощутимую пользу.
В результате улучшения обмена данными, инициированного Единой политикой в отношении данных, ожидается взаимная выгода для ВМО, научных и других сообществ. Доступ к каталогам с описанием событий прошлого и надёжным климатическим данным, которые лежат в основе оценок опасности, позволит учёным и НМГС оказать более эффективную помощь мировому сообществу в решении ряда крупных проблем, возникающих в связи с быстроменяющимся климатом (рис. 10).
Укрепление партнёрских отношений в поддержку эффективного обмена данными о криосфере в рамках ИГСНВ, ИСВ и ГСОДП необходимо для достижения амбициозных целей комплексного подхода ВМО к системе Земля. Преимущества будут ощутимыми и значительными, но успех будет в решающей степени зависеть от способности установить взаимовыгодное сотрудничество между различными сообществами и владельцами данных в области криосферы.
Установление прав собственности на данные по соответствующему запросу, как это предусмотрено в рамках Политики, обеспечивает признание и защиту индивидуальных прав на интеллектуальную собственность и является важным аспектом для повышения эффективности и долговечности партнёрских отношений.
ВМО осуществляет многолетнее и инновационное сотрудничество с научным сообществом, и успех Политики в отношении данных, действующей в рамках Международного Полярного года 2007–2008, является тому подтверждением. Единая Политика в отношении данных станет примером для сообществ партнёров. Она демонстрирует чёткую цель — обеспечить продолжение успешного сотрудничества с сообществом, занимающимся исследованием криосферы, в будущем.