Spatio-temporal variation of outgoing thermal radiation of the earth by space-based IR spectrometer IKFS‑2

全文:

1. ВВЕДЕНИЕ

Проблемы изучения современных изменений климата Земли, факторов, которые его определяют, а также экономических, политических и экологических последствий разного рода, являются очень актуальными в наше время [Катцев и др., 2014; Акентьева и др., 2017; Lee et al., 2023]. Исследования радиационного баланса (РБ), определяющего климат Земли, ведутся уже многие десятилетия [Будыко, 1969]. При этом используются различные измерения, теоретические и численные исследования.

Радиационный баланс R системы (например, планеты Земля) определяется разностью между количеством солнечной радиации, поглощенной планетой, и количеством радиации, излучаемой ей обратно в космос. Выражение для R можно записать в следующем виде [Тимофеев, Васильев, 2003]:

$R=Q_{\infty }\left(1-A\right)-F_{\infty }$, (1)

где Q_∞ – средний поток прямой солнечной радиации на верхней границе атмосферы, A – альбедо поверхности Земли, F_∞ – средний поток уходящей длинноволновой радиации Земли.

С 2000 г. программа CERES (Clouds and the Earth’S Radiant Energy System) обеспечивает глобальные наблюдения за РБ и его компонентами на верхней границе атмосферы, в самой атмосфере и на поверхности, а также за сопутствующими облачными, аэрозольными и метеорологическими характеристиками в различных временных и пространственных масштабах [Wielicki et al., 1996; Loeb et al., 2016]. Для этого используются специальные приборы, алгоритмы и программы валидации для обеспечения высокого качества данных, характеризующих РБ [Shunlin et al., 2019].

Для оценки РБ в рамках программы CERES используются измерения аппаратуры космических аппаратов на приполярных солнечно-синхронных орбитах. Всего запущено шесть приборов CERES на четырех космических аппаратах (https://space.oscar.wmo.int/instruments/view/ceres). К настоящему времени функционируют три из них на спутнике Terra, S-NPP (Suomi National Polar-Orbiting Partnership) и NOAA-20. Приборы измеряют интегральные потоки отраженного излучения Солнца и собственного излучения Земли (СИЗ) в диапазонах 0.3–5.0, 0.3–100 и 8–12 мкм [9]. Для исследований одной из компонент РБ – СИЗ во всей области ИК спектра – также привлекаются измерения спутниковой аппаратуры высокого спектрального разрешения [Harries et al., 2001; Brindley et al., 2003; Anderson et al., 2004; Phulpin et al., 2007; Brindley et al., 2016; Тимофеев и др., 2018].

Анализ многолетних рядов измерений спектров СИЗ с помощью спутниковых гиперспектральных (высокого спектрального разрешения) ИК-зондировщиков AIRS, IASI, CrIS описан в работах [Zhang et al., 2017; Wang et al., 2019; Wang et al., 2021; Whitburn et al., 2022]. В работах [Brindley et al., 2015; Whitburn et al., 2021] проанализированы измерения спектров СИЗ ИК-зондировщиком IASI для нескольких периодов, приведены оценки временных трендов спектров и обсуждены обуславливающие их факторы. Например, согласно [Whitburn et al., 2021], СИЗ в среднем за период 2008–2017 гг. уменьшается в полосах поглощения СО₂ и CH₄, что, как считают авторы, связано с увеличением содержания этих парниковых газов в атмосфере. В работе также анализируется влияние на СИЗ процессов ENSO (или El Niño/Southern Oscillation) и PDO (или Pacific Decadal Oscillation), приводящих к изменению температуры поверхности океана.

В настоящем исследовании анализируются изменения спектров СИЗ по данным измерений инфракрасным Фурье-спектрометром ИКФС-2 на борту спутника “Метеор-М” № 2 в период 2015–2022 гг. Анализ основан на использовании только данных измерений интенсивностей СИЗ без привлечения какой либо дополнительной априорной информации, численных методик обработки данных (например, выделения безоблачных ситуаций, переход от интенсивностей к потоком и т. д.), которые могут заметно влиять на результаты анализа.

2. ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

2.1. Спутниковый ИК-зондировщик ИКФС-2

В июле 2014 г. был запущен российский метеорологический спутник “Метеор-М” № 2, на борту которого размещена целевая аппаратура для дистанционного зондирования атмосферы и поверхности Земли. Один из приборов – ИК Фурье-спектрометр ИКФС-2 – предназначен для получения информации об атмосфере и поверхности для численных прогнозов погоды и изучения современных изменений климата Земли [Успенский и др., 2021; Успенский и др., 2022]. Основные технические характеристики ИКФС-2 приведены в работах [Завелевич и др., 2008; Головин и др., 2013; Timofeyev et al., 2019].

Прибор ИКФС-2, в отличие от аппаратуры CERES, измерял потоки СИЗ в узких телесных углах (горизонтальное разрешение прибора ~30 км). Измерения проводились в ИК области спектра (660–2000 см^-1) с разрешением ~0.5 см^-1 в течение 2014–2022 гг. В данной работе анализируются пространственно-временные вариации спектров СИЗ в диапазоне 660–1300 см^-1, для которого погрешности измерений минимальны (0.1–0.2 мВт/м² cм^-1 cр). В этой спектральной области находятся полоса поглощения СО₂ 15 мкм (660–750 см^-1), часть окна прозрачности 8–12 мкм (800–950 см^-1), полоса озона 9.6 мкм (100–1100 см^-1), а также спектральные линии и полосы поглощения водяного пара и других атмосферных газов (например, CH₄ и N₂O – 1250–1300 см^-1). Данная спектральная область содержит от ~47 до 73% полного интегрального теплового излучения планеты в зависимости от средней температуры атмосферы (т. е. от сезонов и регионов).

Для указанной спектральной области были рассчитаны среднемесячные и среднегодовые спектры за период 2015–2022 гг. по всему земному шару и для шести широтных зон (от –90° до 90° с шагом 30°). За 2014 г. доступно всего 5 месяцев, поэтому в работе данные за этот год не рассматриваются. Таким образом, получено 96 среднемесячных и 8 среднегодовых спектров в виде средних по всему земному шару и для каждой выделенной широтной зоны. Спектры, осредненные за 2015 г., приняты за референсные, с которыми сравнивались остальные.

2.2. Интегральные значения СИЗ и яркостная температура

Высокие качество и стабильность абсолютной калибровки измеренных с помощью ИКФС-2 спектров подтверждены результатами сопоставлений с измерениями откалиброванных спутниковых приборов, в частности, SEVIRI/Meteosat, IASI/Metop, см. [Успенский и др., 2022; Timofeyev et al., 2019]. Это позволило проанализировать в работе, наряду с осредненными спектрами интенсивностей, интегральные значения СИЗ в спектральной области 660–1300 см^-1.

Также в исследовании рассмотрены яркостные температуры (ЯТ) излучения в Кельвинах, рассчитанные на основе измеренных спектров с помощью функции Планка. Анализ ЯТ позволяет оценить вклад определенных атмосферных слоев и исследовать физические причины изменений СИЗ. Так, в окне прозрачности 8–12 мкм СИЗ формируется в значительной степени поверхностью планеты или облаками. Вклад тех или иных слоев атмосферы в распределение интенсивности излучения в полосах поглощения атмосферных газов зависит от их оптической плотности. Например, СИЗ в центре полосы поглощения СО₂ 15 мкм формируется в стратосфере, а СИЗ в ее крыльях – в тропосфере.

2.3. Регрессионный анализ измеренных спектров

Хотя период измерений прибора ИКФС-2 относительно мал (около 8 лет), представляет интерес оценка временных трендов СИЗ в терминах среднемесячных значений. Для этого воспользуемся аппроксимационной моделью спектров, построенной с помощью множественной линейной регрессии (МЛР). Пример использования подобной модели можно найти в статье [Bernet et al., 2019]. Общий вид уравнения МЛР с учетом сезонных вариаций представлен в виде следующего выражения (2)

$I_{MLR}=a+b\times t+{\sum }_n^N{c}_n\times \sin \frac{2\pi }{I_n}\times t+d_n{\sum }_n^N\cos \frac{2\pi }{I_n}\times t$, (2)

где I_n = 12, 6, 4, 3 в зависимости от n; t – месяц. Благодаря изменению параметра I_n гармоническая функция представляет изменение в виде волны с длиной 12, 6, 4 и 3 месяцев; a, b, c_n и d_n – коэффициенты множественной линейной регрессии. Данная функция хорошо описывает сезонную вариацию средних интегральных интенсивностей – как глобальных, так и в широтных зонах. Анализ показывает, что основной вклад вносит 12-месячное изменение гармоники.

Таким образом, исключение части с гармониками из среднемесячных значений интегрального СИЗ на основе измерений ИКФС-2 позволит уменьшить влияние сезонного изменения СИЗ, связанного с обращением Земли вокруг Солнца.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Вариации среднегодовых глобальных спектров уходящего излучениях Земли

На рис. 1 приведены спектры разностей среднегодовых глобальных СИЗ за период 2016–2022 гг. относительно 2015 г. (ГГГГ – 2015 г.) в спектральной области 660–1300 см^-1. Максимальные разности наблюдаются в 2016 г., что обусловлено максимальным значением СИЗ в этот год. Положительные разности в течение 2016–2019 гг. означают, что значения среднегодового глобального СИЗ в эти годы больше, чем в 2015 г. При этом разности в период 2016–2019 гг. уменьшаются, что указывает на постепенное уменьшение значений СИЗ. Начиная с 2020 г. разности отрицательны. Это указывает на то, что значения СИЗ с 2020 г. меньше значений в период 2015 г.

 

Рис. 1. Спектры разностей среднегодового глобального СИЗ в диапазоне 660–1300 см^-1 за 2016–2022 гг. относительно 2015 г. по данным измерений ИКФС-2

 

Общие вариации СИЗ за весь исследуемый период максимальны в окне прозрачности 800–950 см^-1 и достигают ~1.0 Вт/м² см^-1 ср. В центральных частях полос поглощения СО₂ 15 мкм (670–700 см^-1) и озона 9.6 мкм (970–1070 см^-1) вариации СИЗ заметно меньше. Это обусловлено формированием СИЗ в этих спектральных областях в стратосфере и низким влиянием на него меняющихся тропосферных облаков.

Для более наглядного представления временного изменения глобального среднегодового СИЗ, на рис. 2 представлено СИЗ в виде интегрированных значений в исследуемой спектральной области.

 

Рис. 2. Временное изменение среднегодового глобального интегрального СИЗ в спектральной области 660–1300 см-1 за 2016–2022 гг. относительно 2015 г. по данным измерений ИКФС-2

 

Как следует из рис. 2, за период 2016–2021 гг. среднегодовое глобальное СИЗ уменьшилось почти на 0.5 Вт/м² ср. с последующим незначительным увеличением в 2022 г. Этот процесс уменьшения СИЗ может являться одной из причин положительного разбаланса РБ, что также отмечено в ряде публикаций (например, в [Susskind et al., 2012; Dewitte et al., 2017; Dewitte et al., 2018; Loeb et al., 2021; Dübal et al., 2021]). Под положительным разбалансом понимается положительная разность между приходящим к Земле коротковолновым и уходящим длинноволновым излучением (R в выражении 1).

На рис. 3 приводятся среднегодовые глобальные спектры ЯТ за период 2016–2022 гг. относительно 2015 г. Максимальные ЯТ наблюдаются для 2016 г. В период 2017–2021 гг. наблюдается постепенное уменьшение яркостной температуры. Однако в 2022 г. средний глобальный спектр ЯТ увеличился по сравнению с 2021 г. Общее уменьшение средних ЯТ в окне прозрачности (850–950 см^-1) за весь период измерений достигает ~1К. Значительно меньшие изменения ЯТ наблюдаются в центральной части полосы поглощения СО₂ 15 мкм (650–700 см^-1). Это обусловлено тем, что СИЗ на длинах волн центра полосы поглощения СО₂ формируется в стратосфере. Увеличение содержания СО₂ в атмосфере в течение исследуемого периода и повышение высот формирования СИЗ на определенных длинах волн объясняет изменение СИЗ за счет положительного вертикального градиента температуры в стратосфере. Снижение ЯТ в окне прозрачности (800–950 см^-1) можно объяснить тем же подъемом излучающих слоев, но уже в тропосфере и отрицательным вертикальным градиентом температуры в тропосфере, а также увеличением количества тропосферных облаков и их сильным влиянием на СИЗ (в среднем по всему земному шару) [Ceppiand, Nowack, 2021].

 

Рис. 3. Временное изменение спектра средних глобальных ЯТ Земли в спектральной области 660–1300 см^-1 за 2016–2022 гг. относительно 2015 г.

 

Подобное же уменьшения СИЗ и ЯТ в окне прозрачности было зарегистрировано при анализе измерений прибора IASI [Susskind et al., 2012].

3.2. Пространственная изменчивость среднего СИЗ

На рис. 4 приведены средние за 2015–2022 гг. спектры СИЗ для шести широтных зон (90° с. ш. –90° ю. ш. с шагом 30°) по данным измерений ИКФС-2. Рисунок демонстрирует значительные пространственные вариации среднего за 8 лет спектра СИЗ, прежде всего в окне прозрачности 8–12 мкм. Вариации достигают 50% и более. Значительные вариации СИЗ в окне прозрачности обусловлены широтными изменениями температуры поверхности и нижней тропосферы, а также состоянием облачности в тропосфере. С другой стороны, широтные изменения относительно малы в полосе поглощения СО₂ 15 мкм в интервале 660–720 см^-1. Это обусловлено не только относительной температурной стабильностью стратосферы, но и как отмечалось выше, отсутствием влияния тропосферных облаков.

 

Рис. 4. Средние за 2015–2022 гг. спектры СИЗ в диапазоне 660–1300 см^-1 для шести широтных зон на основе измерений ИКФС-2

 

На рис. 5 представлены спектры разности среднего СИЗ для шести широтных зон за 2016–2022 гг. относительно 2015 г. на основе измерений ИКФС-2 для северного и южного полушарий. Приведенные данные демонстрируют сильно различающееся межгодовое изменение СИЗ по пространству. Это частично обусловлено широтными вариациями самих средних спектров СИЗ.

 

Рис. 5. Спектры разностей среднегодового СИЗ за 2016–2022 гг. относительно 2015 г. в диапазоне 660–1300 см^-1 в северном (слева) и южном (справа) полушариях для шести широтных зон (90° с. ш. –90° ю.ш с шагом в 30°)

 

В полярном регионе обоих полушарий (60°–90°) разности СИЗ относительно 2015 г. преимущественно положительны во все годы на всем выделенном спектральном диапазоне. В северном полушарии в полярной области в 2016 г. наблюдаются максимальные разности с последующим уменьшением. СИЗ в 2021 г. примерно равно СИЗ в 2015 г. В южном полушарии в полярной области максимальное среднегодовое излучение наблюдается в 2019 г., а излучение в 2021 г. также близко к излучению в 2015 г. По анализу изменения межгодовых спектров СИЗ в полярных областях обоих полушарий трудно судить о значимом уменьшении СИЗ с 2015 по 2022 гг.

В средних широтах северного полушария (30°–60°с.ш.) почти во все годы наблюдаются отрицательные разности. Это означает, что СИЗ в период 2016–2022 гг. меньше, чем в 2015 г. Причем с годами излучение уменьшается. В южном полушарии (30°–60° ю. ш.) не наблюдается выраженного постепенного уменьшения СИЗ с 2015 до 2022 гг. Так, излучение в 2021 г. выше, чем в 2016. Кроме того, в средних широтах южного полушария межгодовое изменение спектров СИЗ наименьшее, спектры ближе всего к значениям 2015 г.

В тропиках обоих полушарий (0°–30°) наблюдаются наибольшие вариации СИЗ (до ~3 мВт м^-2 см^-1 ср). Разности преимущественно отрицательные, что говорит о меньших значениях СИЗ в период с 2016 по 2022 гг. по сравнению с 2015 г. В этих областях наблюдается выраженное постепенное уменьшение СИЗ с 2019 до 2022 гг.

Приведем спектры разностей разностей средних ЯТ за 2016–2022 гг. относительно 2015 г. для шести широтных зон (рис. 6).

 

Рис. 6. Спектры разностей средних ЯТ за 2016–2022 гг. по сравнению с 2015 г. в диапазоне 660–1300 см^-1 в северном (слева) и южном (справа) полушариях Земли для шести широтных зон (90° с. ш. –90° ю.ш с шагом в 30°)

 

Из графиков видно, что в северном полушарии изменений ЯТ заметно больше, чем в южном полушарии. Особенно большие различия между полушариями наблюдаются в тропиках и средних широтах.

В северном и южном полушариях в полярных широтах (60°–90°) значения ЯТ в период 2016–2022 гг. не имеют выраженной тенденции к уменьшению или увеличению. Однако, они выше, чем в 2015 г. (кроме 2021 г.). Максимум яркостных температур наблюдается в 2016 г. За все годы измерений ИКФС-2 в среднем уменьшение значений ЯТ достигает ~1.5 К. В 2021 г. значения ЯТ примерно совпадают со значениями в 2015 г. В полярной области южного полушария наблюдаются большие вариации значений ЯТ в полосе поглощения СО₂ 15 мкм (~660–720 см^-1). Объяснение такого поведения значений ЯТ требует привлечение дополнительных данных и анализа.

В средних широтах (30°–60°) изменения значений ЯТ с годами существенно меньше в обоих полушариях по сравнению с полярными районами. Особенно изменения малы в южном полушарии. Яркостные температуры почти во все года периода 2015–2022 гг. ниже, чем в 2015 г. При этом с годами значения ЯТ в средних широтах преимущественно уменьшается. Например, для ЯТ на длинах волн 900 см^-1 падение составляет ~0.75 К. Изменения ЯТ заметно больше в северном полушарии по сравнению с южным.

Ситуация в тропиках северного полушария (0–30° с.ш.) близка к средним широтам. Наблюдается более выраженное уменьшение значений ЯТ с 2015 до 2022 гг., которое достигает ~1.5–2.0 К. В тропиках южного полушария (30–0° ю.ш.) наблюдается такая же ситуация, как и в северном – выраженное уменьшение яркостной температуры с 2015 по 2022 гг. Однако, величины разностей яркостных температур меньше, чем в тропиках северного полушария и составляют ~1.5 К.

В целом, в обоих полушариях в средних и низких широтах наблюдается уменьшение средней ЯТ с 2015 по 2022 гг. В северных широтах среднегодовые значения ЯТ не имеют монотонного изменения. При этом в южном полушарии уменьшение яркостной температуры в абсолютных величинах меньше, чем в северном примерно на ~0.5 К.

Для иллюстрации среднего временного хода СИЗ на рис. 7 приведены значения интегрального излучения для шести широтных зон (в спектральной области 660–1300 см^-1). В северном полушарии (рис. 7а) в тропиках наблюдается почти монотонное уменьшение СИЗ с 2016 до 2022 гг. (за исключением 2019–2020 гг.). В средних широтах и полярной зоне северного полушария уменьшение интегрального СИЗ менее выражено.

 

Рис. 7. Временные изменения среднегодовых интегральных СИЗ в спектральной области 660–1300 см^-1 за 2016–2022 гг. относительно 2015 г. в северном (а) и южном (б) полушариях по данным ИКФС-2

 

В южном полушарии (рис. 7б) наблюдается схожая ситуация, но при меньших амплитудах разностей СИЗ относительно 2015 г. В тропиках присутствует почти постоянное уменьшение СИЗ с 2016 по 2022 гг. В средних широтах и полярной областях СИЗ уменьшается не так выражено. В средних широтах интегральные значения СИЗ близки к излучению в 2015 г., тогда как в полярных максимум излучения наблюдается в 2019 г.

В тропиках и средних широтах наблюдается в среднем уменьшение СИЗ. В полярных широтах изменение СИЗ не выражено. В табл. 1 приведены значения абсолютного и относительного уменьшения интегральных значений СИЗ диапазона 660–1300 см^-1 за период 2015–2022 гг. Относительные значения приводятся в% к среднему интегральному СИЗ для конкретной широтной зоны. Из таблицы видно, что наибольшее уменьшение наблюдается в районах тропиков (1–1.4 мВт м^-2 см^-1 ср).

 

Таблица 1. Абсолютные и относительные уменьшения интегральных значений СИЗ в диапазоне 660–1300 см^-1 за 2015–2022 гг. для шести широтных зон Земли по данным измерений ИКФС-2

Полушарие \ Зона	90-60°	60-30°	30-0°
Северное мВт м-2 см-1 ср (%)	0.5 (1.3)	0.2 (0.9)	1.4 (3.2)
Южное мВт м-2 см-1 ср (%)	0.06 (0.3)	0.2 (0.7)	1.0 (2.3)

 

3.3. Оценки трендов средних значений СИЗ

На рис. 8 приводятся временные ряды среднемесячного интегрального глобального СИЗ в спектральной области 660–1300 см^-1 по данным измерений ИКФС-2 (зеленая кривая) и модели МЛР (красная кривая). В том числе на рис. 8 нанесена кривая СИЗ с уменьшенным сезонным ходом (зеленая пунктирная кривая) благодаря вычитанию членов МЛР с гармоническими функциями из измеренных значений СИЗ. Для данной кривой построен линейный тренд (синяя пунктирная прямая).

 

Рис. 8. Временные ряды глобального среднемесячного интегрального СИЗ на основе данных ИКФС-2 и модели МЛР за 2015–2022 гг.

 

Регрессионная модель хорошо описывает сезонное изменение интегральных среднемесячных значений СИЗ. Систематическая погрешность модели составляет ~0% со стандартным отклонением 0.9%. Коэффициент корреляции между измеренной и рассчитанным интегральным глобальным СИЗ составляет 0.93. Максимумы интегральных значений СИЗ приходятся на период с весны до осени, а минимум в период с осени до весны. Полная амплитуда сезонных вариаций составляет ~2 Вт/м².

Коэффициент детерминации (R²) линейного тренда интегральных значений СИЗ с уменьшенным влиянием сезонного изменения составляет 0.21, а коэффициент регрессии (slope) – 0.0057 ± ± 0.0011 Вт м^-2 ср^-1. За весь период измерений ИКФС-2 (96 месяцев, с 2015–2022 гг.) интегральные значения СИЗ уменьшились на 0.55 ± ± 0.11 Вт м^-2 ср. Отметим, что несмотря на низкое значение R² (0.21) погрешность тренда относительно небольшая и составляет ~20%. Это может быть связано с тем, что тренд и его погрешность оцениваются для ряда среднемесячных значений, осредненных глобально, т. е. на основе десятков миллионов реализаций измерений ИКФС-2 в год.

Результаты оценок трендов интегральных значений СИЗ в шести широтных зонах двух полушарий Земли по данным измерений ИКФС-2 приведены в табл. 2. Оценки трендов по измерениям приведены также в работах [Whitburn et al., 2021; Raghuraman et al., 2021; Forster et al., 2021]. Оценки трендов, полученные в данном исследовании, качественно согласуются с данными из указанных работ. Количественные различия связаны с разными периодами исследований.

 

Таблица 2. Характеристики изменения интегральных значений СИЗ в спектральной области 660–1300 см^-1 за период 2015–2022 гг. на глобальном масштабе и для шести широтных зон по данным спутниковых измерений ИКФС-2 и модели МЛР.

Широтная зона	R2	Коэффициент регрессии ± погрешность, Вт м-2 ср	Изменение СИЗ за период 2015–2022 гг. ± погрешность, Вт м-2 ср
90°–60° с. ш.	0.02	–0.0025 ± 0.0018	–0.24 ± 0.17
60°–30° с. ш.	0.22	–0.0047 ± 0.0009	–0.45 ± 0.09
30°–0° с. ш.	0.57	–0.0140 ± 0.0012	–1.34 ± 0.12
0°–30° ю. ш.	0.46	–0.0099 ± 0.0011	–0.95 ± 0.11
30°–60° ю. ш.	0.09	–0.0022 ± 0.0007	–0.21 ± 0.07
60°–90° ю. ш.	0.002	–0.0006 ± 0.0015	–0.06 ± 0.14
Глобальный	0.21	–0.0057 ± 0.0011	–0.55 ± 0.11

 

Анализ трендов для шести широтных зон показал, что в полярных и средних широтах северного и южного полушария тренды интегральных значений СИЗ малы (менее 0.005 Вт м^-2 ср) при низкой достоверности (R² не более 0.22). Можно сделать вывод, что в этих зонах интегральное СИЗ за 2015–2022 гг. (8 лет) почти не изменилось. Однако в экваториальных широтах обоих полушарий Земли тренды СИЗ относительно высоки (более 0.01 Вт м^-2 ср) при коэффициентах детерминации 0.46 и 0.57 для южного и северного полушария, соответственно. Для экваториальной зоны за период 2015–2022 гг. средние интегральные значения СИЗ уменьшились на 1.3 ± 0.1 Вт м^-2 ср в северном и на 0.95 ± 0.1 Вт м^-2 ср в южном полушариях.

Кроме того, проведено исследование влияния особенностей атмосферной циркуляции – квазидвухлетнее колебание (КДК) и Эль-Ниньо – Южного колебания (ЭНЮК) на временные вариации СИЗ. В модель МЛР (2) были добавлены параметры, характеризующие указанные явления, полученные с данных сайтов https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/ (КДК) и https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/southern-oscillation-indices-signal-noise-and-tahitidarwin-slp-soi (ЭНЮК) в виде среднемесячных. Согласно исследованию, влияние временного изменения данных параметров, характеризующих крупномасштабные особенности состояния атмосферы, не привели к существенному улучшению или ухудшению аппроксимации СИЗ с помощью модели МЛР (изображения не приводятся). Возможно, это связано с малостью временного периода. Наибольшее, но все равно незначительное, влияние наблюдается для зоны тропиков (увеличение КК с 0.57 до 0.6). Это может быть связано с тем, что явления КДК и ЭНЮК происходят в области тропиков.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе проанализированы изменения собственного излучения Земли в период 2015–2022 гг. по данным измерений высокого спектрального разрешения с помощью российского спутникового прибора ИКФС-2. Для этого были рассчитаны средние спектры собственного излучения Земли (СИЗ) в спектральной области 600–1300 см^-1 для всей поверхности Земли и шести широтных зон (от –90° до 90° с шагом 30°). Проведенный анализ показал:

1. Глобальные значения СИЗ в спектральной области 660–1300 см^-1 в среднем уменьшаются за период 2015–2022 гг. Общие вариации СИЗ за весь исследуемый период максимальны в окне прозрачности 800–950 см^-1 и достигают ~1.5 Вт м^-2 см^-1 ср. В полосах поглощения СО₂ 15 мкм и озона 9.6 мкм вариации СИЗ заметно меньше. Это связано с формированием излучения на этих длинах волн в стратосфере (особенно в области центра полосы поглощения 15 мкм) и малости влияния тропосферных облаков.
2. Глобальное среднегодовое интегральное СИЗ уменьшалось в течение 2015–2021 гг. на ~0.5 Вт м^-2, что может быть одной из причин наблюдающегося положительного радиационного баланса Земли.
3. Анализ глобальной средней яркостной температуры (ЯТ) указывает на ее постепенное уменьшение в период 2017–2021 гг., однако в 2022 г. наблюдается рост по сравнению с оценками за 2021 г. Уменьшение средней ЯТ за весь период измерений достигает ~1К в окне прозрачности (850–950 см^-1). Значительно меньшее изменение ЯТ (0.2–0.5 К) наблюдается в центральной части полосы поглощения СО₂ 15 мкм (~650–700 см^-1), что обусловлено формированием СИЗ в центре полосы СО₂ в стратосфере.
4. Выявлены заметные различия в поведении СИЗ за рассмотренный период в зависимости от широтной зоны. В полярных широтах обоих полушарий изменения СИЗ за период 2015–2022 гг. немонотонные. По анализу изменения спектров СИЗ в полярных областях обоих полушарий за весь период трудно судить о значимом уменьшении СИЗ с 2015 по 2022 гг.

В средних широтах северного полушария СИЗ уменьшается в период 2015–2022 гг. В южном полушарии не наблюдается выраженного уменьшения СИЗ с 2015 до 2022 гг. Также в средних широтах южного полушария изменение спектров СИЗ за весь период наименьшее.

В тропиках обоих полушарий наблюдаются наибольшие абсолютные вариации СИЗ (до ~3 мВт м^-2 см^-1 ср). Разности преимущественно отрицательные, что говорит о меньших значениях СИЗ в период с 2016 по 2022 гг. по сравнению с 2015 г. В этих областях наблюдается выраженное постепенное уменьшение СИЗ с 2019 по 2022 гг., причем в южном полушарии они заметно меньше, чем в северном (~на 0.5 мВт м^-2 см^-1 ср).

5. Тренды среднемесячного интегрального СИЗ в спектральной области 660–1300 см^-1 в полярных и средних широтах обоих полушарий малы и составляют менее 0.005 Вт м^-2 ср при низкой достоверности (R² не более 0.22). Вероятно, в полярных областях СИЗ за 8 лет почти не изменилось. Однако в экваториальных широтах обоих полушарий Земли тренды СИЗ относительно высоки (более 0.01 Вт м^-2 ср) при коэффициентах детерминации 0.46 и 0.57 для южного и северного полушария, соответственно. За период 2015–2022 гг. в этой области планеты СИЗ уменьшилось на 1.3 ± 0.1 Вт м^-2 ср в северном и на 0.95 ± 0.1 Вт м^-2 ср в южном полушарии.
6. Согласно оценкам с помощью модели множественной линейной регрессии, влияние таких особенностей атмосферной циркуляции, как квазидвухлетнее колебание (КДК) и Эль-Ниньо – Южное колебание (ЭНЮК), на изменение СИЗ за 2015–2022 гг. оказалось незначительным.

5. БЛАГОДАРНОСТИ

Основные работы по анализу временных вариаций спектров собственного излучения Земли выполнены при поддержке СПбГУ, шифр проекта 116234986.

作者简介

Yu. Timofeev

Saint Petersburg State University

Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

G. Nerobelov

Saint Petersburg State University; Scientific Research Centre for Ecological Safety of the Russian Academy of Sciences; Russian State Hydrometeorological University

编辑信件的主要联系方式.
Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Saint Petersburg; Saint Petersburg; Saint Petersburg

D. Kozlov

Keldysh Research Center

Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

I. Cherkashin

Keldysh Research Center

Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

P. Nerobelov

Saint Petersburg State University; Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University

Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Saint Petersburg; Saint Petersburg

A. Rublev

Planeta Scientific Research Centre (European Branch)

Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Uspensky

Planeta Scientific Research Centre (European Branch)

Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

Yu. Kiseleva

Planeta Scientific Research Centre (European Branch)

Email: akulishe95@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件