Преимущества мониторинга состава атмосферы и международного обмена данными

Состав атмосферы и его изменения оказывают разнообразное влияние на нашу жизнь и окружающую среду. Например, повышение концентраций парниковых газов вызывает глобальное потепление, которое усиливает экстремальные явления погоды и приводит к закислению океана. Растущие уровни загрязнения воздуха представляют угрозу для здоровья человека, экосистем и сельскохозяйственной продукции. Чтобы понять состояние воздуха, которым мы дышим, происходящие в нём изменения, его воздействия и факторы, обусловливающие эти изменения, необходимы наблюдения за составом атмосферы и открытый обмен данными во всех секторах. Предполагается, что новая Единая политика ВМО в отношении данных будет способствовать дальнейшему укреплению и расширению этого обмена. Текст этого документа впервые включает данные о составе атмосферы в качестве важнейшей дисциплинарной области деятельности ВМО и устанавливает организационную политику для их обмена. В нём также чётко признаётся взаимодополняющий характер исследований и оперативной деятельности и взаимовыгодный обмен данными между двумя сообществами. 

Глобальная служба атмосферы ВМО (ГСА) оказывает помощь государствам и территориям — Членам ВМО в наблюдениях за составом атмосферы и в обмене данными наблюдений. Однако данные о составе атмосферы производятся различными организациями внутри и за пределами национальных метеорологических и гидрологических служб (НМГС), включая национальные и субнациональные учреждения по охране окружающей среды, научные круги и частный сектор. Следовательно, обмен данными о составе атмосферы происходит далеко за пределами сообщества ВМО и вследствие этого новая политика ВМО в отношении данных вызывает большой интерес и весьма актуальна для ГСА.

Чтобы добиться цели Парижского соглашения относительно ограничения глобального потепления значительно меньше 2°С, многие страны пообещали перейти к нулевым выбросам парниковых газов. Без доступа к данным наблюдений за атмосферой и обмена ими мы бы не узнали о повышении концентраций парниковых газов с начала индустриализации и не смогли бы проследить за последующим развитием или идентифицировать очаги выбросов для принятия мер.
 

Рисунок 1. Наблюдение озона в Ушуайе, Аргентина. Озонозонды измеряют озон и метеорологические переменные на разных высотах по мере подъёма зонда до тех пор, пока шар-пилот не лопнет (Источник: Лино Кондори).

Важные области применения данных о составе атмосферы

Многолетние измерения параметров атмосферы являются важными для обоснования и поддержки политики, а также для того, чтобы в конечном счёте показать успешность принимаемых мер. Например, многолетние данные о составе атмосферы подтверждают начало восстановления озонового слоя, что является примером успешных действий по охране окружающей среды. Истощение стратосферного озона было одной из экологических проблем, которые привели к подписанию Монреальского протокола в 1987 году с целью поэтапной ликвидации веществ, разрушающих озоновый слой. Об успехе этого договора можно судить по восстановлению озонового слоя в верхней стратосфере за пределами полюсов со скоростью 1–3 % за десять лет (WMO, 2018а). Наблюдения за озоноразрушающими веществами, стратосферным озоном и ультрафиолетовым (УФ) излучением обеспечивают данные наблюдений в поддержку Протокола. Наблюдения проводятся с использованием разнообразных методов и приборов с земли и из космоса. Вертикальные профили озона измеряются с помощью озонозонда. Пример озонозонда при подготовке к запуску показан на рис. 1. Анализ многолетних и прошедших контроль качества наблюдений за хлорфторуглеродом ХФУ-11 показал замедление темпов снижения его концентраций в атмосфере после 2012 года, что связано с повышением глобальных выбросов, поступающих из восточной Азии (Montzka et al., 2018; WMO, 2018b).

Концентрации парниковых газов также документально подтверждаются многолетними измерениями по всему земному шару. Глобальный анализ этих наблюдений, представленный в ежегодном Бюллетене ВМО по парниковым газам (см. рис. 2), показывает, что двуокись углерода (СО2 ) превысила уровень 400 млн^-1 на всех станциях ГСА в Северном полушарии в 2014 году. Такая же информация содержится в Бюллетене за 2016 год, когда в отдалённых точках Южного полушария, таких как глобальная станция ГСА «Кейп Грим», эта отметка также была превышена. В 1989 году, когда была создана ГСА, средняя глобальная концентрация СО₂ составляла 353 млн^-1.
 

Рисунок 2. Глобально усреднённая доля CO2 . Красной линией показано среднемесячное значение без учёта сезонных колебаний; синие точки и синяя линия отображают среднемесячные значения. Для анализа использовались данные 133 станций. Данные предоставляет и анализирует Мировой центр данных по парниковым газам, находящийся в ведении Японского метеорологического агентства (Источник: Бюллетень ВМО по парниковым газам № 16, 2020 г.).

Плохое качество воздуха связано с атмосферными загрязнителями (аэрозоли и химически активные газы), что, по оценкам, ежегодно является причиной семи миллионов преждевременных смертей по всему миру (Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), 2016). Данные об аэрозолях и химически активных газах важны для определения серьёзных угроз здоровью, и они используются в оценках Глобального бремени болезней (Shaddick et al., 2021). Данные наблюдений также используются для контроля соблюдения стандартов качества воздуха и для слежения за изменениями численности загрязнителей в результате проводимой политики (UNECE, 2016). Предоставление таких данных во времени, близком к реальному, имеет важнейшее значение для повышения точности прогнозов, для систем раннего предупреждения и для принятия мер по смягчению последствий. 

Рисунок 3. Ущерб, наносимый озоном сельскохозяйственным культурам. Ущерб возрастает при продолжении воздействия озона: вначале уровень ущерба невелик (слева), затем симптомы усугубляются (в центре и справа) (Источник: К. Шарпс, ICP Vegetation).

Помимо последствий для здоровья, загрязнение воздуха оказывает существенное влияние на сельское хозяйство из-за чрезмерного осаждения компонентов азота и серы, а также озона. Приземный озон является одним из основных загрязнителей воздуха, влияющих на урожайность; при этом ежегодные глобальные потери ведущих сельскохозяйственных культур (пшеница, рис, кукуруза и соя), по оценкам, составляют от 3 до 16 %, или 14–26 млрд долларов США (Avnery et al., 2011; Mills et al., 2018). Механизмы, за счёт которых озон влияет на растения и сельскохозяйственные культуры, хорошо изучены с точки зрения качества, но плохо поддаются количественной оценке. На рис. 3 показано повреждение культуры озоном.

Ряд нестойких загрязнителей также влияет и на климат, например озон и аэрозоли. Помимо других разных воздействий, они вносят вклад в радиационное воздействие. Например, дымовые аэрозоли, связанные с пожарами, влияют на радиацию и тем самым на прогноз погоды (описано в Бюллетене ВМО по аэрозолям (ВМО, 2021b)). Чтобы лучше понимать их различные воздействия на климатическую систему, крайне важно также проводить наблюдения за нестойкими загрязнителями.
 

Источники данных о составе атмосферы и тербования

Как указано ранее, подготовка данных о составе атмосферы осуществляется в НГМС и других организациях. Обычно наблюдения за контролируемыми загрязнителями проводятся агентствами по защите окружающей среды. Высококачественные наблюдения с исследовательскими целями, включая ограниченные по времени измерения, проводятся научно-исследовательскими институтами и университетами. Наземные измерения in situ дополняются измерениями in situ с самолётов (например ИАГОС), а также дистанционным зондированием, как наземным, так и спутниковым. Недавно появились новые источники данных, связанные с гражданской наукой, и данные из этих источников всё чаще получают с помощью недорогих датчиков (WMO, 2021а).

Сбор данных наблюдений должен осуществляться таким образом, чтобы обеспечить сопоставимость данных из различных источников для получения согласованной на глобальном уровне продукции и понимания пространственно-временных изменений состава атмосферы. С этой целью ГСА разрабатывает руководящие принципы для осуществления измерений и средства обеспечения и контроля качества. Краткая сводка данных Мирового центра данных по парниковым газам служит примером информации, которую можно получить на основе такой согласованной продукции. На рис. 4 показана эволюция во времени и географическое распределение СО₂. Помимо явно заметного увеличения СО₂ с течением времени, показаны более низкие концентрации СО₂ в Южном полушарии, а также менее выраженный сезонный цикл, чем в Северном полушарии, из-за меньшей площади суши и, следовательно, меньшей растительности.
 

Рисунок 4. Изменение зонально усреднённых среднемесячных молярных долей CO2. Зонально усреднённые молярные доли были рассчитаны для каждой 20° зоны (Источник: Мировой центр данных по парниковым газам (ЯМА, 2020 г.))

Несмотря на рост сети наблюдений ГСА, остаются существенные пробелы (Laj et al., 2019). Большие территории земного шара не имеют инфраструктуры для наблюдений. По политическим, коммерческим и организационным причинам, а также из-за отсутствия возможностей, данные некоторых наблюдений не доходят до международного сообщества. На рис. 5 показана ограниченная доступность измерений на примере сравнения результатов реанализа и измерений озона ГСА. В рамках Оценочного доклада о тропосферном озоне предприняты большие усилия по сбору всех имеющихся данных для глобальной оценки различных показателей, исследуемых разными сообществами пользователей (Lewis, 2017). Это первый важный шаг к повышению доступности данных, даже если исходные данные не предоставляются, и он свидетельствует о большом количестве существующих данных, которые используются не в полной мере.
 

Рисунок 5. Глобальное распределение концентраций приповерхностного озона, измеренных станциями сети ГСА (2000–2009 гг.), наложенное на смоделированные концентрации озона на основе реанализа мониторинга климата и состава атмосферы (2003–2010 гг.). Среднемесячное значение за июль (Источник: Отчёт ГСА 209 (ВМО, 2013)).

Одной сложной проблемой является доступность данных, а другой — качество данных наблюдений. Некоторые данные наблюдений поступают без какой-либо сопутствующей информации об их качестве, что препятствует их полноценному использованию. Требования к этим данным диктуются качеством конечной продукции и обслуживания, предоставляемого на её основе, и касаются не только качества самих данных наблюдений, но и своевременности их предоставления. Потребности в данных о составе атмосферы определяются с помощью трёх целевых областей применения в рамках расширенного регулярного обзора потребностей ВМО и включены в ряд других областей применения. Например, мониторинг состава атмосферы охватывает области применения, связанные с оценкой распределения и анализом пространственно-временных изменений состава атмосферы в региональном и глобальном масштабах. Такие области применения требуют очень низких уровней неопределённости и хорошего глобального или регионального охвата данными, тогда как требования к своевременности обмениваемых данных могут быть довольно мягкими и при этом обеспечивать высокое качество данных наблюдений.

В отличие от этого, прогнозирование изменений состава атмосферы и связанных с ними последствий для окружающей среды охватывает области применений глобального и регионального масштабов с горизонтальным разрешением, подобным разрешению глобального численного прогноза погод (примерно 10 км и больше), и жёсткими (во времени, близком к реальному) требованиями к своевременности. Неопределённость данных наблюдений, обмениваемых с целью прогнозирования, может быть выше, чем для мониторинга. Этот тип применений поддерживает, например, предупреждения о песчаных и пыльных бурях, прогноз туманной дымки и метеорологические прогнозы распространения химических веществ. Пример проверки прогноза во времени, близком к реальному, показан на рис. 6. Конкретный набор требований, касающихся неопределённости, своевременности, пространственного представления и плотности, относится к городским областям применений, нацеленных на мегаполисы и крупные городские комплексы. При таких применениях необходимо горизонтальное разрешение в несколько километров и меньше, а в некоторых случаях предъявляются жёсткие требования к своевременности предоставления данных. Отличительной чертой этой категории применений является акцент на исследованиях в поддержку оперативного обслуживания, такого как прогнозирование качества воздуха, при котором используются такие подходы, как экспериментальные проекты и демонстрация возможностей. Помимо упомянутых здесь областей, многие другие области применения опосредованно получают пользу от данных о составе атмосферы. Например, данные о составе атмосферы повышают качество оценки радиационного воздействия в численных прогнозах погоды и проекциях климата (ВМО, 2021b).
 

Рисунок 6. Проверка во времени, близком к реальному, прогноза приземного озона, полученного с помощью системы мониторинга атмосферы, действующей в рамках программы «Коперник» (СМАК,) с использованием данных со станции ГСА Ушуайя, Аргентина. СМАК использует данные об озоне с 15 станций ГСА для проверки во времени, близком к реальному (Eskes et al., 2021) (Источник: Оценка глобальных прогнозов ЕЦСПП/СМАК).

Управление и обмен данными о составе атмосферы

Подход к обмену данными о составе атмосферы зависит в основном от двух факторов: от организации, которая производит данные, и от национальной политики в области обмена данными. Наблюдения, производимые правительственными учреждениями с использованием государственного финансирования, часто согласуются с принципами открытых данных, когда данные предоставляются бесплатно посредством государственных порталов. К ним относятся данные о загрязнении для соблюдения национальных и международных норм качества воздуха с обязательствами по предоставлению отчётности.

Для научного сообщества данные являются интеллектуальной собственностью и часто предоставляются лишь после опубликования соответствующих статей, что может произойти спустя длительное время после проведения измерений. Университеты, научно-исследовательские институты и другие организации обычно собирают эти данные в течение ограниченного периода времени. В целом эти данные вносят значительный вклад в работу сообщества ВМО, занимающегося оперативной деятельностью, хотя во многих случаях это не является основной целью сбора данных. Сообщество по исследованию состава атмосферы приняло в целом так называемые принципы F.A.I.R. (Findable (удобные для поиска), Accessible (доступные), Interoperable (функционально совместимые), Reusable (пригодные для повторного использования)). Однако принципы F.A.I.R. явным образом не содействуют открытому и неограниченному доступу, и, если это необходимо, такие условия должны быть чётко сформулированы: данные должны быть открытыми как в техническом (т. е. доступными в машиночитаемом стандартном формате, пригодном для обработки компьютерной программой), так и в правовом отношении (т. е. должна быть чётко сформулированная лицензия на право коммерческого и некоммерческого использования и повторного использования без ограничений).

Данные исследований обычно хранятся в специализированных хранилищах данных или в архивах на основе облачной платформы. В связи с тем, что одна и та же исследовательская инфраструктура используется несколькими проектами, инициативами и программами, дублирование данных во многих архивах представляет серьёзную проблему, которая в настоящее время обсуждается сообществом. Хранилища метаданных, позволяющие использовать данные нескольких проектов/сетей, рассматриваются в качестве одного из возможных решений, позволяющих избежать многократного представления данных (см. рис. 7). Ведение этих архивов также представляет серьёзную проблему с точки зрения финансирования и управления быстро растущими объёмами данных. Кроме этого, широко используются цифровые идентификаторы объектов (ЦИО), которые обеспечивают транспарентность, прослеживаемость и идентификацию, особенно при взаимодействии между сообществами, занимающимися оперативной, исследовательской и прикладной деятельностью. Дальнейшие технологические разработки, связанные с лицензированием данных, которые позволили бы признать право собственности на данные и первоисточники, поддержат исследователей в том, чтобы осуществлять обмен данными максимально свободно. Нельзя не отметить, что индивидуальные лицензии и ограничения могут привести к непростой ситуации, когда лицензии можно будет «складывать в штабеля».
 

Рисунок 7. В рамках спонсируемых ВМО порталов метаданных ОСКАР/Поверхность и СИСГСА учитываются многочисленные организационные структуры, имеющие программы/сети наблюдений. Похожая концепция реализуется в Норвежском институте исследования воздуха (НИЛУ). В НИЛУ располагается одна из многочисленных организационных структур — Мировой центр данных ГСА по аэрозолям и химически активным газам. Данные могут быть связаны с несколькими структурами, при этом удаётся избежать многократного представления данных (Источник: НИЛУ).

Доступ к коммерческим данным и данным, относящимся к гражданской науке, значительно меньше структурирован и даже может предоставляться по подписке. Проекты в рамках гражданской науки обычно имеют специальные веб-сайты. Однако часто существует различие между обменом исходными и обработанными (продукция, диаграммы) данными, причём обмен последними осуществляется в значительно более открытом формате, чем обмен исходными данными. Это может существенно ограничить потенциальные возможности для оценки качества базовых исходных данных.

Сбор, контроль качества и публикация данных станций наблюдения ГСА осуществляется специализированными Мировыми центрами данных. Существует также ряд содействующих центров, предоставляющих данные содействующих сетей. Метаданные имеются в Системе информации о станциях ГСА (СИСГСА), являющейся частью системы ОСКАР/Поверхность. Эти центры данных работают над упорядочением процедур представления данных и доступа к ним и продолжат эту деятельность в рамках общей концепции объединённой системы управления данными ГСА, которая позволит получить полностью функционально совместимый доступ ко всем данным ГСА. Пример информации о данных, имеющихся в Мировом центре данных об озоне и УФ-излучении (МЦДОУФ), показан на рис. 8. ГСА продолжит поддерживать связь с другими заинтересованными организациями (содействующими и исследовательскими сетями, космическими агентствами, агентствами по окружающей среде и др.), чтобы упорядочить форматы метаданных и данных и таким образом способствовать использованию данных ГСА и других данных в различных областях применения (WMO, 2017).
 

Рисунок 8. Информация об имеющихся данных на сайте «Поиск/загрузка данных» Мирового центра данных об озоне и УФ-излучении (Источник: МЦДОУФ).

Регистрация и идентификация являются условиями, которые не ограничивают допуск и повторное использование, но могут иметь критически важное значение для мотивации научного сообщества к предоставлению своих данных для обмена. Без ссылок и документального подтверждения того, что данные используются, научному сообществу трудно продемонстрировать ценность своих данных финансирующим их организациям. Права на интеллектуальную собственность могут быть гарантированы посредством лицензирования данных, которое определяет право пользования и обеспечивает пользователям правовую безопасность. Это позволяет пользователям из научно-образовательной сферы и частного сектора создавать эффективные сценарии использования и бизнес-модели, основанные на конкретных правах пользования.
 

Преимущества Единой политики ВМО в отношении данных

Широкая реализация Единой политики ВМО в отношении данных весьма важна для успешного предоставления многих видов обслуживания, связанного с составом атмосферы. Как и в других случаях, описанных в статье 2 и в статье 9, для усовершенствованного своевременного прогнозирования экстремальных явлений, а также для поддержки политики в отношении окружающей среды, требуется открытый международный обмен данными. Реализация Единой политики ВМО в отношении данных может способствовать прогрессу во многих областях применения — от совершенствования прогнозов качества воздуха до поддержки механизмов транспарентности под эгидой Рамочной конвенции об изменении климата ООН (РКИК ООН). Для эффективного использования данных в конкретных областях применения необходимо знать качество данных. Тщательная оценка неопределённости данных обеспечивает полезную дополнительную информацию о пригодности данных для конкретного вида обслуживания. Доступность данных во времени, близком к реальному, важна для таких сфер применения, как прогнозы и предупреждения, которые должны выпускаться своевременно. Для других областей применения, например для реанализа и анализа трендов, своевременность обмена данными менее важна.

Принятие этой политики многими организациями Членов ВМО, помимо НМГС, обеспечит полноценную и экономически эффективную реализацию достижений применительно к обслуживанию и политике в области окружающей среды.

Необходимо усовершенствовать обмен данными между сообществом ВМО, занимающимся оперативной деятельностью, и научным сообществом. Научно-исследовательские проекты часто требуют доступа к внешним данным и обслуживанию в области окружающей среды, включая прогностическую информацию и ряды данных наблюдений, поэтому существует закономерная взаимозависимость между исследованиями и оперативной деятельностью. Научное сообщество может не иметь доступа или влияния на оперативные данные (данные наблюдений и выходные результаты моделей) или форматы данных, что затрудняет функциональную совместимость данных, их интерпретацию и научный прогресс. Желательно упорядочить протоколы обмена данными. ВМО может предложить научному сообществу рекомендации относительно протоколов обмена данными (стандарт метаданных ИГСНВ и инфраструктура ИСВ), чтобы оптимизировать ценность данных, полученных в результате исследований, хотя очевидные преимущества этого предложения нужно представить научному сообществу. В свою очередь ВМО должна облегчить доступ к оперативным данным для более широкого сообщества, подчёркивая взаимную выгоду от обмена данными как для академических, так и для сообществ, занимающихся оперативной деятельностью, в целях углубления общего понимания и знаний о системе Земля. 

Текущая политика ВМО широко известна в научном сообществе, но этому сообществу необходимы чёткие указания по вопросу лицензий, а также чёткие определения терминов «базовые» и «рекомендуемые» данные. Лицензирование, вероятно, станет критически важным фактором успеха в плане содействия облегчению обмена данными между Членами ВМО за пределами традиционного сообщества НМГС. Стандартизация лицензий на данные ВМО может оказать существенную помощь в восприятии Единой политики ВМО в отношении данных. Приведение политики ВМО в отношении данных в соответствие с существующими лицензиями (такими как Creative Commons, широко используемыми в научном сообществе) поможет обеспечить её принятие в академических кругах и частном секторе и предотвратить существующие препятствия для пользователей.

Независимо от того, насколько своевременными или точными являются требования к данным для конкретной области применения, общее требование заключается в том, чтобы данные вообще были доступны. ВМО имеет все возможности для того, чтобы использовать опыт, накопленный за долгую историю оперативного обмена данными, и распространить его также на данные о составе атмосферы.