Показательный проект по космическому мониторингу экстремальных погодных и климатических явлений для Восточной Азии и западной части Тихого океана

Метеорологические наблюдения ясно показывают, что глобальное изменение климата происходит с начала промышленной революции. Это изменение особенно заметно примерно с 1950 года и включает в себя изменения в экстремальных погодных и климатических явлениях. Изменения в экстремальных погодных и климатических явлениях могут значительно усилить воздействие на общество, что приведёт к увеличению числа бедствий во всём мире. Одним из наиболее подверженных стихийным бедствиям регионов мира является Азиатско-Тихоокеанский регион. С 1970 года в результате стихийных бедствий в Азиатско-Тихоокеанском регионе погибло два миллиона человек, что составляет 59% от общего числа погибших в мире. Наиболее частыми опасными природными явлениями в регионе являются гидрометеорологические явления [1]. Существует настоятельная необходимость в том, чтобы разработать и применить новые средства глобального мониторинга этих всё более частых и серьёзных опасных явлений, в том числе с использованием современных методов спутникового дистанционного зондирования.

Признавая важность этой проблемы, ВМО приступила к осуществлению двухгодичного (2018– 2019 годы) показательного проекта по космическому мониторингу экстремальных погодных и климатических явлений. Основное внимание в рамках проекта уделяется засухе и сильным осадкам в регионе Юго-Восточной Азии и Тихого океана. В июне 2019 года Восемнадцатый Всемирный метеорологический конгресс (Кг-18) рассмотрел результаты и рекомендовал распространить этот проект на другие регионы ВМО, а также принял план осуществления для перехода к оперативной стадии. В этой статье рассматриваются результаты показательного проекта, полученные в рамках двух тематических исследований в Австралии: во время засухи тысячелетия и в период экстремальных осадков, вызванных явлением Ла-Нинья 2010/11 года.

Важность передачи знаний

Показательный проект был развёрнут в соответствии с рекомендациями состоявшегося в феврале 2017 года практического семинара ВМО по оперативному космическому мониторингу экстремальных погодных и климатических явлений. В работе семинара приняли участие представители спутниковых операторов, научно-исследовательских учреждений, региональных климатических центров ВМО (РКЦ) и национальных метеорологических и гидрологических служб (НМГС) с целью активизации диалога по вопросам более широкого использования данных и продукции космических наблюдений для мониторинга экстремальных погодных и климатических явлений.

В ходе этого практического семинара было признано, что многие развивающиеся и наименее развитые страны не получают пользы от существенного прогресса, достигнутого в сфере космических наблюдений в большинстве геофизических областей, при этом некоторые виды продукции с высоким разрешением доступны в квазиреальном режиме времени, что даёт возможности для их более широкого использования в целях космического мониторинга экстремальных погодных и климатических явлений. Участники рекомендовали укреплять кадровый и технологический потенциал путём передачи знаний с тем, чтобы все страны могли в полной мере пользоваться преимуществами современных космических данных и производной продукции. РКЦ могли бы обеспечить такую передачу знаний. В соответствии с рекомендациями практического семинара ВМО развернула показательный проект, чтобы обосновать необходимость использования данных космических наблюдений и продукции для мониторинга экстремальных погодных и климатических явлений  

Ситуация в Азиатско-Тихоокеанском регионе

Большинство НМГС в странах Юго-Восточной Азии и Тихого океана для мониторинга экстремальных осадков применяют традиционные наземные наблюдения с использованием дождемеров. Наблюдения с помощью дождемеров обеспечивают точные точечные измерения осадков, однако данные ограничены местоположением станций метеорологических наблюдений. В Австралии, например, пространственное распределение дождемеров неравномерно: в то время как наиболее густонаселённые регионы хорошо охвачены наблюдениями, пространственный охват в других регионах, таких, как западная часть Тасмании и внутренние районы страны, недостаточен. Эта проблема неравномерного пространственного охвата типична для Азиатско-Тихоокеанского региона, где плотность размещения дождемеров во многих районах недостаточна. Поэтому дополнительные оценки осадков, полученные на основе наблюдений из космоса, позволили бы лучше изучить потребности различных пользователей в информации об осадках.

Современная оперативная климатическая продукция для мониторинга засухи, полученная на основе наземных наблюдений, как правило, ориентирована на выявление дефицита осадков в течение продолжительных периодов времени (от месяцев до лет) с использованием процентильного и/или децильного анализа. Сильные осадки обычно определяются в месячном временном масштабе (хотя дождемеры позволяют получить данные с более высоким временным разрешением). Используя наблюдения из космоса, можно осуществлять мониторинг экстремальных осадков в течение более коротких периодов времени — пяти дней, недели и более продолжительных периодов, вплоть до одного месяца с тем, чтобы удовлетворить текущие и будущие потребности пользователей. Таким образом, с помощью наблюдений из космоса можно удовлетворять потребности пользователей в информации об экстремальных осадках в более коротких временных масштабах. Как РКЦ, так и НМГС рассматривают мониторинг экстремальных погодных и климатических явлений в более коротких временных масштабах как ценное дополнение к своей оперативной продукции для расширения климатического обслуживания пользователей в Азиатско-Тихоокеанском регионе.

Стандартизированный индекс осадков (СИО) также широко используется для обнаружения и мониторинга метеорологической засухи. Положительные значения СИО соответствуют количеству осадков выше медианного значения, а отрицательные — количеству осадков ниже медианного значения. Условия засухи классифицируются, когда значения СИО равны или ниже –1,0. Например, условия, при которых СИО равен –1,0 или ниже классифицируется как «умеренно сухие», –1,5 или ниже — как «очень сухие» и –2,0 или ниже — как «чрезвычайно сухие».

Продукция по осадкам

Цель показательного проекта заключалась в том, чтобы продемонстрировать преимущества использования космических наблюдений за экстремальными осадками для оперативного обслуживания, предоставляемого РКЦ и НМГС. Проект осуществлялся в Регионах II (Азия) и V (юго-западная часть Тихого океана) ВМО, охватывая географическую область региона Юго-Восточной Азии и Тихого океана — от 40° с.ш. до 45° ю.ш; от 50° в.д. до 160° з.д. Спутниковые данные и продукцию для региона обеспечивают две организации — Японское агентство аэрокосмических исследований (ДЖАКСА) и Центр климатических предсказаний Национального управления по исследованию океанов и атмосферы (ЦКП/НУОА).

В рамках показательного проекта определение засухи и сильных осадков основывалось на определении экстремальных явлений, приведённом в Пятом оценочном докладе Рабочей группы I Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК): «Экстремальное метеорологическое явление представляет собой явление, которое редко наблюдается в конкретном месте и в конкретное время года. Определений понятия «редкo» множество, однако метеорологическое явление обычно считается экстремальным, если наблюдается столь же редкo или ещё реже, чем 10-й или 90-й процентиль функции распределения вероятности, оцениваемой по данным наблюдений. По определению, характеристики того, что называют экстремальной погодой, в абсолютном смысле могут варьировать в зависимости от того или иного места. Если режим экстремальной погоды сохраняется некоторое время, например в течение сезона, то его можно классифицировать как экстремальное климатическое явление, особенно если он приводит в среднем или в целом к явлению, которое само по себе является экстремальным (например засуха или сильные дожди в течение сезона)».

Рекомендации ВМО и широкие консультации с поставщиками и пользователями спутниковых данных (РКЦ и НМГС в регионе Юго-Восточной Азии и Тихого океана) определили, что показательный проект должен быть направлен на удовлетворение потребностей пользователей в мониторинге экстремальных осадков в коротких временных масштабах. Используя предоставляемую в режиме, близком к реальному времени, спутниковую продукцию ДЖАКСА и ЦКП/НУОА для оперативного мониторинга «сильных осадков» и «засухи» в целях климатического анализа в рамках показательного проекта для пользователей, было разработано обслуживание климатической информацией на период от пяти дней до недели и месяца.

Продукция ДЖАКСА по осадкам готовится на основе Системы глобального спутникового картирования осадков (ГСКО)[3]. Для пользователей показательного проекта в Азиатско-Тихоокеанском регионе ДЖАКСА предоставило оценки средних значений количества осадков, полученные на основе версии 6 ГСКО для часовых, суточных (00.00–23.00 по Всемирному скоординированному времени), пятидневных, недельных (понедельник — воскресенье), десятидневных и месячных осадков с пространственным разрешением квадрата сетки 0,1° по широте и долготе. Кроме того, были предоставлены статистические данные по суточным, пятидневным и недельным экстремальным осадкам (от 90-го до 99-го процентиля) и процентной доле дождливых дней (>=1 мм/день) в месяце. Для мониторинга засухи был предоставлен СИО (за 1 месяц, за 2 месяца и за 3 месяца) для квадратов сетки над сушей с пространственным разрешением квадрата сетки 0,25° по широте и долготе. Эти данные предоставлялись в течение нескольких часов с момента наблюдения.

ЦКП/НУОА предоставил пользователям показательного проекта аналогичный набор продукции на основе спутниковых оценок осадков, полученных методом морфинга в Центре климатических предсказаний (КМОРФ) (подробная информация содержится в [4]). Климатология продукции КМОРФ определена на 20-летний период — с 1998 по 2017 год. В дополнение к СИО были также предоставлены еженедельный приведённый разностный индекс растительности (ПРИР) и еженедельный индекс состояния растительного покрова (ИРП).  

Тематическое исследование: мониторинг засухи в Австралии

Рисунок 1. СИО за период июнь–июль–август 2007 года, полученный на основе ГСКО ДЖАКСА (слева) и скорректированных на смещение данных осадков (СКОРР) КМОРФ ЦКП/НУОА (справа).

Рисунок 2. Децили осадков для Австралии за период июнь–июль–август 2007 года, полученные по дождемерным наблюдениям Австралийского бюро метеорологии.

В рамках показательного проекта была рассмотрена полезность космических наблюдений для мониторинга засухи в Австралии в 2007 году, который стал чрезвычайно важным годом засухи тысячелетия, с использованием значений СИО за три месяца, полученных на основе данных ГСКО ДЖАКСА.

Около 70 % территории Австралии получает менее 500 мм осадков в год, за счёт чего эти районы относятся к категории засушливых или полузасушливых. Поэтому в Австралии мониторинг засухи имеет чрезвычайно важное значение для принятия обоснованных решений в сельском хозяйстве, управлении рисками стихийных бедствий, водопользовании и других секторах. Австралийское бюро метеорологии (АБМ) объявляет о засухе, если осадки в течение трёх месяцев остаются в пределах самого нижнего дециля осадков, зарегистрированных для этого района в прошлом [5]. Оперативные данные АБМ, сбор которых начался в Австралии более 100 лет назад, показывают, что в среднем засуха наблюдается раз в 18 лет, однако степень и продолжительность засух варьируются.

Одна из сильнейших засух в Австралии — засуха тысячелетия — произошла в 2000-е годы, затронув обширные территории страны. Сильно пострадал бассейн рек Мюррей и Дарлинг, являющийся крупнейшим сельскохозяйственным районом Австралии. Так же сильно пострадало водоснабжение многих крупных и небольших городов, включая Мельбурн, Сидней, Брисбен и Аделаиду. Засуха началась с дефицита дождевых осадков в 1996/97 году и продолжалась в течение нескольких засушливых лет, вплоть до 2001/02 года. В 2006 году юго-восточные части Австралии пережили второй, самый засушливый год за весь период наблюдений. К 2007 году в бассейне рек Мюррей и Дарлинг седьмой год подряд количество осадков было ниже средней величины. Сухая жаркая погода продолжалась в Австралии вплоть до начала 2010 года. Явление Ла-Нинья 2010/11 года — одно из сильнейших за период наблюдений — положило конец засухе тысячелетия. Оно вызвало рекордные осадки в бассейне рек Мюррей и Дарлинг и осадки выше средней величины на юго-востоке страны. Непрекращающиеся осадки выше средней величины значительно увеличили запасы поверхностных вод и почвенной влаги, прекратив засуху.

Значения СИО за три месяца для периода июнь– июль–август 2007 года (рис. 1) в бассейне рек Мюррей и Дарлинг, полученные на основе ГСКО ДЖАКСА и КМОРФ ЦКП/НУОА, оказались ниже –1,5 («очень сухо») в районах, определённых как «районы с осадками значительно ниже среднего» на карте децилей осадков, составленной на основе наблюдений дождемеров АБМ (рис. 2). Таким образом, наблюдения из космоса согласовывались с наблюдениям in situ в бассейне рек Мюррей и Дарлинг на юго-востоке Австралии, где плотность наземных наблюдений является высокой. Однако наблюдались заметные расхождения между значениями СИО и картами децилей осадков в центральных областях страны, где плотность наземных наблюдений очень низкая. Это показывает ценность спутниковых оценок осадков для обнаружения и мониторинга засухи, особенно в районах, где дождемерные наблюдения ограничены или отсутствуют.

Тематическое исследование: сильные дожди в Австралии

Рисунок 3. Децили осадков для Австралии за декабрь 2010 года, полученные по дождемерным наблюдениям Австралийского бюро метеорологии. Экстремальные осадки, зарегистрированные в некоторых частях на западе и востоке Австралии в декабре 2010 года, были связаны с явлением Ла-Нинья 2010/11 года.

Рисунок 4. Месячные процентили осадков ГСКО ДЖАКСА (слева) и КМОРФ ЦКП/НУОА (справа) за декабрь 2010 года.​

Во втором исследовании рассматриваются два случая сильных осадков на территории Австралии в декабре 2010 года и январе 2011 года, которые вызвали обширное наводнение.

«Экстремальными» считаются осадки, когда их среднее количество за установленный период превышает определённый процентильный порог, например, от 90-го до 99-го процентиля. В Австралии наблюдались такие экстремальные осадки во время явления Ла-Нинья в 2010/11 году, при этом 2011 год был третьим по влажности годом с 1900 года, когда в Австралии на национальном уровне начались наблюдения за осадками. В среднем по Австралии и в том и в другом году осадки значительно превысили среднее значение: 690 мм (на 225 мм выше среднего многолетнего значения, составлявшего 465 мм) в 2010 году и 699 мм (на 234 мм выше среднего многолетнего значения, составлявшего 465 мм) в 2011 году.

Явление Ла-Нинья 2010/11 года оказало значительное влияние на осадки в Австралии. Это явление обычно связано с увеличением количества осадков на севере и востоке страны. В период Ла-Нинья 2010/11 года осадки существенно превышали среднее значение на большей части материковой Австралии в течение девяти месяцев с июля 2010 года до марта 2011 года. Было установлено несколько новых рекордов по количеству осадков в Австралии: сентябрь, декабрь и март оказались самыми влажными за весь период наблюдений, а октябрь и февраль оказались вторыми по влажности за этот период. Рекордные осадки во время Ла-Нинья 2010/11 года привели к обширному наводнению во многих районах в период с сентября 2010 года по март 2011 года, включая Квинсленд, большие территории на севере и западе Виктории, Новый Южный Уэльс, северо-западную область Западной Австралии и восточную часть Тасмании.

Процентили месячных осадков, полученные с помощью ГСКО ДЖАКСА и КМОРФ ЦКП/НУОА за декабрь 2010 года (см. рис. 4 на стр. 64), использовались для анализа широкомасштабного наводнения, произошедшего в австралийском штате Квинсленд в декабре 2010 года. Муссонная ложбина пересекла побережье Кораллового моря 23 декабря, вызвав проливные дожди на обширной территории штата Квинсленд от залива Карпентария до Золотого Берега. Затем последовали обильные осадки 25 декабря, обусловленные выходом на побережье тропического циклона «Таша». К 28 декабря почти половина штата Квинсленд была затоплена; экономический ущерб достиг 6 миллиардов австралийских долларов. Области осадков выше 95-го процентиля, показанные на картах ГСКО и КМОРФ, соответствовали децилям осадков «значительно выше средних», полученным на основе дождемерных наблюдений АБМ (рис. 3). Более того, процентили недельных осадков за 20–26 декабря (рис. 5) показывают, что экстремальные осадки в Квинсленде были успешно выявлены с помощью двух видов спутниковой продукции по осадкам.

Сильные осадки в австралийском штате Виктория в январе 2011 года стали вторым рассмотренным случаем сильных осадков. Очень интенсивные осадки с 12 по 14 января вызвали серьёзное наводнение на большой территории западной и центральной частей штата Виктория. Наводнение 2011 года было описано как одно из сильнейших наводнений в истории штата; от него пострадали свыше 50 населённых пунктов. Свыше 1730 земельных участков было затоплено и свыше 17000 домов лишились электроснабжения. Общий ущерб составил два миллиарда австралийских долларов.

Рисунок 5. Недельные процентили осадков ГСКО ДЖАКСА (слева) и КМОРФ ЦКП/НУОА (справа) за 20–26 декабря 2010 года.

Рисунок 6. Недельные процентили осадков ГСКО ДЖАКСА (слева) и КМОРФ ЦКП/НУОА (справа) за 10–16 января 2011 года.

Процентили недельных осадков ГСКО ДЖАКСА и КМОРФ ЦКП/НУОА за период 10–16 января 2011 года (рис. 6) показывают области осадков выше 99-го процентиля, чётко свидетельствуя о том, что эти части штата Виктория находились под влиянием экстремальных осадков. Во всех этих случаях ГСКО и КМОФ показали весьма схожие результаты в описании общих пространственных характеристик и масштаба экстремальных явлений, хотя существуют небольшие различия из-за разницы как в продукции, так и в периодах, определяющих базовую климатологию экстремальных явлений.

Эти примеры показывают, что наблюдения из космоса обеспечивают ценную информацию для мониторинга сильных осадков.

Заключение

Чрезвычайно важно поддерживать дождемерные сети in situ; однако первые результаты показательного проекта в Азиатско-Тихоокеанском регионе демонстрируют, что оценки экстремальных осадков на основе космических наблюдений представляют собой эффективное решение для расширения возможностей РКЦ и НМГС для мониторинга засухи и сильных осадков. Такие возможности позволят поставщикам обслуживания оказывать помощь правительственным структурам и местным сообществам в информационной поддержке принятия решений для адаптации к изменчивости и изменению климата. Признавая достижения показательного проекта в оказании помощи РКЦ и НМГС в странах Восточной Азии и Тихого океана, Восемнадцатый Всемирный метеорологический конгресс (Кг-18) принял План осуществления космического мониторинга экстремальных погодных и климатических явлений (КМЭПКЯ) (подробная информация содержится в [6]). Он также одобрил его ввод в действие с 1 января 2020 года, что будет указывать на переход проекта в оперативную фазу. Кг-18 также обратился к техническим комиссиям ВМО и соответствующим региональным ассоциациям с просьбой рассмотреть возможность осуществления подобных показательных проектов в Африке и Южной Америке.

Авторы

Юрий Кулешов, Австралийское бюро метеорологии, Австралия

Такудзи Кубота, Научно-исследовательский центр наблюдений за Землёй, Японское агентство аэрокосмических исследований (ДЖАКСА), Япония

Томоко Тасима, Научно-исследовательский центр наблюдений за Землёй, Японское агентство аэрокосмических исследований (ДЖАКСА), Япония

Пинпин Се, Центр климатических предсказаний, Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы (НУОА), США

Тосиюки Курино, Секретариат ВМО

Пер Хехлер, Секретариат ВМО

Лиза В. Александер, Университет Нового Южного Уэльса, Австралия

 

Литература

Asia-Pacific Disaster Report 2019: The Disaster Riskscape across Asia-Pacific – Passways for Resilience, Inclusion and Empowerment. UNESCAP [Internet]. 2019.

IPCC AR5 WG I, Annex III Glossary [Internet]. 2013.

Kubota T, Shige S, Hashizume H, Aonashi K, Takahashi N, Seto S, Hirose M, Takayabu YN, Ushio T, Nakagawa K, Iwanami K, Kachi M & Okamoto K. Global Precipitation Map Using Satellite-borne Microwave Radiometers by the GSMaP Project: Production and Validation. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2007:45(7, part 2):2259-2275. DOI: 10.1109/TGRS.2007.895337

Xie P, Joyce R, Wu S, Yoo S-H, Yarosh Y, Sun F & Lin R. Reprocessed, Bias-Corrected CMORPH Global High-Resolution Precipitation Estimates from 1998. Journal of Hydrometeorology. 2017:18(6):1617-1641. DOI: 10.1175/JHM-D-16-0168.1

Drought definition in Australia [Internet]. 2019.

The Space-based Weather and Climate Extremes Monitoring (SWCEM) - East Asia and Western Pacific Regional Sub-project in Operation - Implementation Plan [Internet]. 2019.