Використання системи даних NASA Giovanni для геопросторових досліджень змін клімату Центральної України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський державний аграрно-економічний університет, Україна

Використання системи даних NASA Giovanni для геопросторових досліджень змін клімату Центральної України

Вовк Валентин Михайлович

кандидат геол.-мін. наук, доцент

доцент кафедри наук про Землю та хімії

Анотація

просторово-часовий прогнозування кліматичний ризик

Продемонстровано ефективність використання системи даних NASA Giovanni для виявлення регіональних особливостей просторово-часового розподілу основних кліматичних показників території Центральної України в умовах глобального потепління. Методами порівняльної візуалізації та аналізу часових рядів для останніх десятиріч встановлені відносно високі регіональні темпи зростання поверхневої температури (0,063°С за рік), а також незначне збільшення опадів (1 мм/рік). Прогнозується зростання кліматичних ризиків особливо в літній період в умовах значного підвищення температури і зменшення кількості опадів.

Ключові слова: Giovanni NASA, зміни клімату. температура повітря. атмосферні опади, парникові гази, Центральна Україна.

Вступ

Проблема сучасних змін довкілля і клімату стає все більш актуальною у зв'язку із виникненням кліматичних загроз та необхідністю адаптації до наслідків глобального потепління. Вивченню цієї проблеми присвячена значна кількість наукових праць. В переважній їх більшості, а також у останньому зведеному звіті «Зміна клімату 2023» [1] головним чинником сучасного глобального потепління називається антропогенний - значне збільшення вмісту парникових газів в атмосфері в результаті діяльності людини Зв'язок між емісією парникових газів, їх концентрацією в атмосфері та зростанням глобальної температури продемонстровано на рис. 1.

а б c

Рис. 1. Причинно-наслідкові зв'язки між антропогенними викидами парникових газів (а), зростанням їх концентрації в атмосфері (б) та глобальним потеплінням (с) [1]

Аналіз опублікованих результатів проведених досліджень цієї проблеми показав, що для території України темпи зростання приземної температури у ХХІ°ст. становлять 1,2-2,1°С за 50 років [2, 3]. У найближчі десятиріччя для України очікується перерозподіл кількості опадів між сезонами та за територією, а також збільшення кількості днів з опадами [2, 3, 4].

В науках про Землю все більш активно використовуються дані космічного дистанційного зондування, вдосконалюються методи їх опрацювання за допомогою геоінформаційних технологій [5]. Найбільш широко застосовуються результати зондування атмосфери - як для прогнозів погоди, так і для досліджень змін клімату [5, 6]. Одним із найбільш відомих і доступних веб-середовищ, яке ефективно використовується для відображення та аналізу супутникових геофізичних даних є Giovanni NASA [6, 7, 8, 9].

Мета і завдання

В даній роботі зроблена спроба оцінити ефективність використання веб-ресурсу Giovanni для оцінки і прогнозу регіональних особливостей змін клімату.

Основними завданнями були - застосувати інструменти Giovanni для проведення порівняльної візуалізації та просторово-часового аналізу динаміки основних кліматичних показників для території Центральної України, а також на основі виявлених тенденцій спрогнозувати зміни кліматичних умов на найближче майбутнє.

Дані, методи та інструменти

Всі дані, методи та інструменти, що були використані в даному дослідженні. пов'язані з веб-платформою Giovanni. Від моменту створення в 2003 році NASA Geospatial Interactive Online Visualization ANd aNalysis Infrastructure (Giovanni) - система геопросторової інтерактивної онлайн-візуалізації і інтерактивного аналізу надає доступ до широкого спектру даних дистанційного зондування, надаючи можливість дослідникам застосовувати вибрані дані до широкого кола дослідницьких тем.

Рис. 2. Основні панелі в робочому вікні веб-платформи Giovanni з прикладом налаштування для створення карти просторового розподілу температур на поверхні території України впродовж 1980-1990 років

Giovanni зосереджується в основному на даних, отриманих за допомогою дистанційного зондування в області складу атмосфери, атмосферної динаміки, опадів, гідрології та сонячного випромінювання [7]. На середину 2023 року доступно понад 2070 змінних, які відрізняються своєю просторовою та тимчасовою роздільною здатністю, а також доступними часовими рядами. Для кожної змінної вказується назва, джерело, часова та просторова роздільна здатність, початкова та кінцева дати та одиниці (включаючи вибір різних одиниць) доступні у форматі таблиці (рис. 2).

Дані, доступні в Giovanni, надходять від багатьох різних місій, систем даних і постачальників даних. Для даного дослідженні використано наступні глобальні моделі і системи кліматичних даних.

AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) [10] - глобальна модель і система кліматичних дистанційних даних NASA роздільною здатністю 41 км в широтному напрямку. Використані дані температури земної поверхні, опадів, концентрації парникових газів (CH4, CO2).

MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications) [11] - ретроспективний аналіз сучасної епохи для досліджень і застосувань надає кліматичні дані, починаючи з 1980 року. У даному проекті NASA гіперспектральне випромінювання та мікрохвильові спостереження асимілюються з наборами даних GPS. Просторова роздільна здатність становить близько 50 км в широтному напрямку. MERRA-2 дозволяє проводити моніторинг кліматичних параметрів майже в реальному часі. Для візуалізації та аналізу використані набори температурних даних та опадів.

GEOS-Chem [12] - глобальна тривимірна модель хімічного складу атмосфери, створена на основі метеорологічних даних із системи спостереження за Землею Годдарда (GEOS) управління глобального моделювання та асиміляції NASA. Проведено аналіз показників динаміки концентрацій вуглекислого газу.

Доступ до даних забезпечується набором інтерфейсів, кожен з яких дає змогу побудувати візуалізацію за параметрами одного або декількох супутникових інструментів (рис. 2).

Варіанти картографування включають усереднення за часом, анімацію, накопичення опадів, усереднене за часом накладання двох наборів даних і визначену користувачем кліматологію. Карти можна завантажити у форматі PNG, GeoTIFF або NetCDF для подальшого аналізу в середовищі ГІС. Для графіків часових рядів і завантажень CSV параметри включають усереднені дані за площею, різниці та сезонні дані. Функції візуалізації включають інтерактивне коригування області карти (збільшення області інтересу на результуючих картах), анімацію, активні діаграми розсіювання, коригування діапазону дат, вибір колірної палітри, контурування та масштабування (лінійне або логарифмічне) [7].

Результати та їх аналіз

За результатами порівняльної візуалізації (рис. 3) встановлено зростання температур біля поверхні (середньозважених за 10 років) за останні 43 роки (1980-2023) для усіх регіонів України. Для півдня та центру України зростання становить 2-2,5°С, для сходу, заходу і півночі - 1-1,5°С.

Для території Центральної України (рис. 4) температури поверхні розподіляються відповідно до загальної циркуляції атмосфери і розподілу тепла для території України, а саме - зростання від північного заходу до південного сходу. У цьому ж напрямку зростає і приріст температури - від 1,5°С до 2,5°С. На південному сході та північному заході території температура зросла на 2°С.

Аналіз часового ряду температур поверхні для Центральної України за роками (рис. 5 а) виявив зростання на 2,7°С (від 7,2°С до 9,9°С) з темпом 0,062°С за рік.

а б

Рис. 3. Порівняльна візуалізація розподілу температур поверхні території України: а - 1980-1990; б - 2013-2023 (синій прямокутник - Центральна Україна)

Рис. 4. Порівняльна візуалізація просторового розподілу температур поверхні території Центральної України: а - 1980-1990; б - 2013-2023

Посезонний аналіз змін температури (рис. 5 б) показав, що найбільші темпи зростання характерні для зимового періоду (0,1°С за рік), найменші - для весняного і осіннього (0,002°С за рік). Влітку теплішає на 0,05°С за рік.

Просторово-часовий розподіл кількості опадів проаналізовано з використанням системи даних AIRS та інструменту «накопичення вимірювань впродовж зазначеного часового відрізку в кожній точці сітки». За результатами аналізу (рис. 6 і 7) побудованих карт розподілу опадів за десятирічні часові відрізки (1983-2003 та 2003-2023) встановлено незначне збільшення середньорічних сум опадів на 45 мм, від 550 мм до 600 мм з темпом 1 мм за рік.

а б

Рис. 5. Часові ряди (1980-2022) температур поверхні для Центральної України з лініями тренду: а - за роками; б - за сезонами

Аналіз часових рядів із використанням системи дистанційних даних MERRA-2 (рис. 8 а) виявив збільшення річних сум опадів на 50 мм (від 540 до 590 мм), або на 1,02 мм/рік. Сезонні тренди опадів суттєво відрізняються між собою (рис. 8 б, 8 с, 8 д). В літній період впродовж останніх 43 років в Центральній Україні кількість опадів зменшилась на 60 мм (рис. 8 б) з темпом 1,4 мм/рік, тоді як взимку опадів стало більше на 60 мм (рис. 8 с), навесні - більше на 35 мм з темпом 0,8 мм/рік (рис. 8 б, 8 с, 8 д). Для осіннього сезону зафіксовано незначне зростання опадів - 15 мм (0,35 мм/рік).

а) б)

Рис. 6. Порівняльна візуалізація розподілу кількості опадів для території України з використанням карт накопичення за 1983-2003 та 2003-2023 роки (червоним виділена Центральна Україна)

Динаміка концентрації парникових газів оцінена на основі аналізу часових рядів метану (CH4) (рис. 9 а) та вуглекислого газу (CO2) (рис. 9 б). Зафіксовано збільшення концентрації CO2 в атмосфері регіону до 416 ppt (2021) з темпом зростання за останнє десятиріччя 2,7 ppt (частин на мільйон), або 0,64% за рік. Концентрація метану за останні 15 років зросла на 55 об'ємних частин до 1947 ppm. Темпи зростання CH4 - близько 3,7 ppm (частин на мільярд), або 0,18% на рік. На часовому відрізку 2003-2007 рр. зафіксована стабілізація його вмісту (рис. 9 а).

а) б)

Рис. 7. Порівняльна візуалізація просторового розподілу опадів для території Центральної України за 20-річні періоди: а) - 1983-2003; б) - 2003-2023

Для території Центральної України швидкість зростання концентрації CO2 в атмосфері (0,64% на рік) у 3,5 рази перевищує швидкість зростання концентрації CH4 (0,18% на рік).

Рис. 8. Часові ряди середньомісячних опадів (1980-2022) з лініями тренду для Центральної України: а) - впродовж року; за сезонами: б) - літо; с) - зима; д) - весна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Часові ряди концентрації парникових газів з лініями тренду території Центральної України: а) - метану (CH4); б) - вуглекислого газу (CO2)

Висновки

Система даних NASA Giovanni є ефективним веб-ресурсом для дослідження регіональних особливостей просторово-часового розподілу основних кліматичних показників завдяки доступності, простоті використання, значної кількості змінних, інструментів і методів їх обробки, зручним формам візуалізації.

Для території Центральної України з використанням Giovanni встановлено особливості динаміки температури, опадів та концентрації парникових газів в умовах глобального потепління. Темпи зростання температур за останні десятиріччя становлять 0,062°С за рік: в зимовий період - 0,1 °С за рік, влітку - 0,05°С за рік, навесні та восени - 0,002°С за рік. Річні суми опадів зростали на 1,02 мм/рік. В літній період відбулось зменшення опадів (1,4 мм/рік). Взимку, навесні та восени - зростання відповідно на 1,4 мм/рік, 0,8 мм/рік та 0,35 мм/рік.

Просторовий розподіл температур і опадів, а також їх динаміки пов'язаний з напрямком північний захід - південний схід, що узгоджується з процесами атмосферної циркуляції, розподілу тепла і опадів на території України.

Концентрації парникових газів в атмосфері регіону закономірно зростали. Темпи зростання CO2 (2,7 ppt, або 0,64% за рік) e три рази перевищують темпи накопичення CH4 (3,7 ppm 0,18% на рік).

Із врахуванням існуючих регіональних тенденцій розвитку природи і суспільства слід очікувати кризових явищ, пов'язаних з швидкими темпами потепління, особливо в літній період. Є необхідність розробити регіональну програму і рекомендації щодо адаптації до нових кліматичних реалій.

Візуалізація і аналіз кліматичних даних були виконані за допомогою онлайн-системи даних Giovanni, яка розроблена та підтримується NASA GES DISC.

Список використаних джерел

1. Climate Chamge 2023. AR6 Sinthesis Report. Retrieved from: https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/.

2. Замфірова М.С., Хохлов В.М. (2020). Режим температури повітря та опадів в Україні в 2021-2050 роках за даними ансамблю моделей CORDEX. Український гідрометеорологічний журнал. (25), 17-27. https://doi.org/10.31481/uhmj.25.2020.02.

3. Краковська С.В., Паламарчук Л.В., Гнатюк Н.В. & Шпиталь Т.М. (2018). Проекції приземної температури та відносної вологості повітря в областях України до середини XXI ст. за даними ансамблів регіональних кліматичних моделей. Геоінформатика, (3), 62-77.

4. Хохлов В.М., Замфірова М.С. (2022). Проекції режиму опадів для території України в найближче тридцятиріччя. Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. (1), 54-60. https://doi.org/10.17721/2306-5680.2022.1.5.

5. Довгий С.О., Бабійчук С.М., Кучма Т.Л., Томченко О.В., Юрків Л.Я. (2020). Дистанційне зондування Землі: аналіз космічних знімків у геоінформаційних системах: навч.-метод. посіб. Київ: Національний центр «Мала академія наук України». ISBN 978-617-7945-11-5.

6. Liu, Z. & Acker, J. (2017), Giovanni: The bridge between data and science, Eos, 98. https://doi.org/10.1029/2017EO079299.

7. Giovanni. The bridge between data and science. Retrieved from: https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/.

8. Wang, S., Wang, J., Zhan, Q., Zhang, L., Yao, X & Li, G. (2023). A unified representation method for interdisciplinary spatial earth data. Big Earth Data 7(1): 136155. https://doi.org/10.1080/20964471.2022.2091310.

9. Asker, J., Soebiyanto, R., Kiang, R. &Kempler, S. (2014). Use of the NASA Giovanni Data System for Geospatial Public Health Research: Example of Weather-Influenza Connection. ISPRS Int. J. Geo-Inf. 3(4), 1372-1386. https://doi.org/10.3390/ijgi3041372.

10. AIRS. NASA Get Propulsion Laboratori. Retrieved from: https://airs.jpl.nasa.gov/data/about-the-data/earth-coverage/.

11. MERRA-2 Progect. Global Modeling and Assimilation Office. NASA. Retrieved from: https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2/.

12. GEOS SYSTEMS. Global Modeling and Assimilation Office. NASA. Retrieved from: https://gmao.gsfc.nasa.gov/GEOS_systems/.

Размещено на Allbest.ru