Translated by Marina Agarkova

Экстремальные погодные явления, такие как внезапные ливни или продолжительные засухи, нарушают экономику, экосистемы и сообщества. Эти явления тесно связаны с аэрозолями — крошечными атмосферными частицами, которые влияют на гидрологический цикл, изменяя свойства облаков и осадков. Понимание взаимодействия между аэрозолями, облаками и гидрологическим циклом имеет важное значение для управления изменчивостью климата.

Последние достижения в области космических технологий, в частности спутников, произвели революцию в исследованиях аэрозолей. Космические технологии, в частности спутниковые датчики, такие как системы обнаружения и определения дальности с помощью света (LiDAR) и многоугловые спектрорадиометры, обеспечивают детальные наблюдения за распределением и поведением аэрозолей, что позволяет ученым связывать присутствие аэрозолей с характером осадков и проблемами водных ресурсов (Winker et al. 2009). Предоставляя действенные данные, спутниковые технологии улучшают прогнозы и информируют о стратегиях решения кризисов, связанных с водой.

В этой статье объясняется, как аэрозоли влияют на гидрологический цикл, влияя на образование облаков и осадков. В нем также исследуется как спутниковые технологии позволяют осуществлять точный мониторинг этих последствий, предоставляя критически важные данные для повышения устойчивости к изменению климата и информирования о стратегиях устойчивого управления водными ресурсами.

Влияние аэрозолей на гидрологический цикл

Аэрозоли — это мелкие частицы в атмосфере, которые существенно влияют на гидрологические процессы на Земле. Эти частицы, которые происходят как из естественных, так и из антропогенных источников, взаимодействуют с солнечной радиацией и атмосферной влагой, влияя на механизмы образования облаков и осадков.

Для образования облачных капель требуются аэрозольные частицы. Таким образом, концентрация, размер и состав аэрозолей, которые служат ядрами конденсации облаков (CCN), определяют свойства облаков (Kaufman, Tanré, and Boucher 2002; Khatri, Yoshida, and Hayasaka 2023). В регионах с высокой концентрацией аэрозолей эти частицы увеличивают количество облачных капель при одновременном уменьшении их размера. Это явление, известное как «эффект Туми», усиливает отражательную способность облака, что уменьшает способность облака к выпадению осадков (Twomey 1974). Kaufman et al. (2002) отметили, что в загрязненных районах обилие аэрозольных частиц конкурирует за конденсированную воду во время образования облаков, что еще больше уменьшает размер капель на 20-30 процентов, что делает их менее эффективными при образовании осадков. На рисунке 1 показан этот аэрозольный эффект. Это воздействие имеет решающее значение для понимания и прогнозирования экстремальных климатических явлений, таких как засухи и наводнения, поскольку оно подчеркивает значительное влияние аэрозолей на микрофизику облаков и региональные гидрологические процессы.

В частности, в контексте изменчивости климата значение аэрозолей возрастает по мере того, как деятельность человека продолжает изменять состав атмосферы. Промышленные выбросы, обезлесение и изменения в землепользовании оказали значительное влияние на производство, распределение и осаждение аэрозолей. Эти изменения усиливают воздействие аэрозолей на образование облаков, характер осадков и региональные климатические системы (López-Romero et al. 2021). Понимание аэрозольно-климатических взаимодействий имеет важное значение для совершенствования климатических моделей и прогнозирования последствий изменения климата, особенно в регионах, уязвимых к экстремальным погодным явлениям.

Космические технологии для наблюдения за аэрозолями

Космические технологии изменили исследования аэрозолей, предоставив непрерывные глобальные данные с высоким разрешением. Эти достижения позволяют точно измерять свойства аэрозоля, такие как оптическая глубина, распределение и временные изменения. Мониторинг значительно улучшил наше понимание поведения аэрозолей и их источников. Некоторые из спутниковых миссий, способствующих получению этих знаний, обобщены в таблице 1.

С помощью спутниковых инструментов, которые предоставляют точные данные о свойствах аэрозолей с высоким разрешением, можно более эффективно восполнить критический дефицит знаний. Как показано на рисунке 2, глобальная оптическая глубина аэрозолей, наблюдаемая MODIS, подчеркивает пространственное распределение и концентрацию аэрозолей, которые имеют решающее значение для понимания их регионального и глобального воздействия.

Роль спутниковых технологий в мониторинге аэрозолей для прогнозирования гидрологического цикла

«Глобальное дистанционное зондирование свойств аэрозолей и облаков играет важную роль в исследованиях погоды, климата и окружающей среды.» - Профессор Чжаньцин Ли, Университет Мэриленд

Спутниковые технологии улучшают наше понимание гидрологического цикла, отслеживая распределение аэрозолей и его взаимодействие с образованием облаков и осадками.

Например, данные MODIS об оптической глубине аэрозолей были использованы для выявления подверженных засухе районов, где высокие концентрации аэрозолей связаны с уменьшением осадков (Parth Sarthi, Kumar, and Barat 2021). Особенно это заметно в засушливых и полузасушливых зонах, где аэрозольные изменения отражательной способности облаков значительно снижают количество осадков. Вертикальные профили аэрозолей CALIPSO позволяют получить дополнительное понимание, показывая, как аэрозольные слои влияют на микрофизику облаков и осадки (Winker et al. 2009). В тропических регионах возвышенные слои аэрозолей усиливают зарождение льда, что изменяет интенсивность и распределение штормов.

Эти выводы были учтены в гидрологических моделях, что позволило улучшить прогнозирование экстремальных погодных условий, таких как ливневые паводки или продолжительные засухи, и поддержать целевое управление водными ресурсами. Выявляя горячие точки аэрозоля, спутниковые данные также информируют о стратегиях сокращения выбросов, направленных на стабилизацию осадков.

Практическое применение на основе космических наблюдений

Смягчение последствий засухи в регионе Ближнего Востока и Северной Африки (БВСА)

Регион БВСА граничит с пустыней Сахара и является самым пыльным регионом в мире. В регионе БВСА аэрозоли, связанные с частицами пыли, оказывают серьезное воздействие на сельское хозяйство и водные ресурсы. Данные со спутника MODIS свидетельствуют о том, что частые пыльные бури, усугубляемые обезлесением и деградацией земель, связаны с изменением режима выпадения осадков. Эти штормы повышают уровень аэрозолей в атмосфере, уменьшая размер капель облаков и ограничивая количество осадков. The World Bank (2019) сообщил, что песчаные и пыльные бури обходятся региону в миллиарды долларов ежегодно, влияя на общественное здравоохранение, сельское хозяйство и инфраструктуру. В ответ на это Африканский союз при поддержке Всемирного банка в 2007 году запустил крупный проект по восстановлению лесов под названием «Великая зеленая стена». Инициатива направлена на восстановление 15 миллионов гектаров земли вдоль пояса протяженностью 7 775 км от Дакара до Джибути. Проект включает в себя посадку деревьев и кустарников для стабилизации почвы, уменьшения запыленности и увеличения количества осадков (Всемирный банк 2019).

Улучшение прогнозов азиатского летнего муссона

Космические наблюдения также имеют важное значение для прогнозирования муссонных осадков путем отслеживания распределения аэрозолей и его воздействия на круговорот воды, что имеет решающее значение для сельского хозяйства и водных систем в Южной Азии. Например, Kuhlmann и Quaas (2010) использовали данные спутника CALIPSO за 2007–2009 годы, чтобы показать, что аэрозоли из таких мест, как пустыня Такла-Макан, Аравийское море и близлежащие загрязненные районы, нарушают перенос водяного пара и образование облаков, что приводит к задержке осадков. В северной Индии более высокие концентрации аэрозолей были связаны с задержкой муссонов и меньшим количеством осадков, что привело к потерям урожая и нехватке воды. Ganguly et al. (2012) обнаружили, что ископаемое топливо и аэрозоли, сжигающие биомассу, сокращают количество летних муссонных осадков на большей части Индийского субконтинента, в первую очередь из-за местных выбросов. Интегрируя данные об аэрозолях в модели прогнозирования, такие как MODIS, CALIPSO и VIIRS, метеорологи могут более точно прогнозировать характер муссонов, помогая фермерам корректировать графики посева и лучше управлять орошением, тем самым сокращая потери урожая и повышая продовольственную безопасность.

Стратегические рекомендации

Данные, полученные в результате спутникового мониторинга аэрозолей и их влияния на гидрологический цикл, имеют жизненно важное значение для оптимизации водных ресурсов и снижения риска экстремальных погодных условий. Тем не менее, такие проблемы, как ограниченный доступ к данным и слабое обеспечение соблюдения установок, должны быть решены, чтобы в полной мере использовать спутниковые технологии для устойчивого управления водными ресурсами. Чтобы извлечь максимальную пользу из этих аналитических сведений, рекомендуется выполнить следующие действия:

1. Интегрировать несколько источников данных: объединение спутниковых данных с наземными измерениями улучшает гидрологические модели и прогнозы. Например, объедините данные MODIS и AERONET (Aerosol Robotic Network) с измерениями местных метеостанций для улучшения прогнозирования аэрозолей и осадков, особенно в районах с высоким содержанием аэрозолей (Remer et al. 2005).
2. Включить мониторинг аэрозолей в установки: В горячих точках аэрозолей, таких как регион БВСА, используйте спутниковые данные для управления проектами по контролю выбросов и лесовосстановлению. Введите более строгие правила в зонах с высоким уровнем выбросов и уделите приоритетное внимание лесонасаждению для уменьшения пылевых бурь.
3. Содействовать вовлечению общественности: повышение осведомленности о воздействии аэрозолей на доступность воды в запыленных районах. Вовлекайте фермеров и местных лидеров в усилия по лесонасаждению и сохранению почв на основе спутниковых данных, определяющих приоритетные зоны вмешательства.
4. Разработать локализованные системы раннего предупреждения: использование аэрозольных данных со спутников в режиме реального времени для поддержки разработки или совершенствования систем раннего предупреждения о засухах и наводнениях. Создайте региональные станции мониторинга для получения практической информации для фермеров и менеджеров по водным ресурсам.

Заключение

Аэрозоли, хотя и незаметны невооруженным глазом, являются мощными двигателями гидрологических и климатических систем Земли. Спутниковые технологии стали важными инструментами для понимания и прогнозирования того, как аэрозоли влияют на эти погодные условия. Предоставляя точные данные о распределении аэрозолей, эти технологии помогают нам прогнозировать изменения в количестве осадков и поведении муссонов, что имеет решающее значение для таких регионов, как Южная Азия, где вызванные аэрозолями задержки муссонов серьезно влияют на урожай и доступность воды.

Заглядывая в будущее, по мере улучшения интеграции спутниковых данных, это станет еще более важной в формировании стратегий управления водными ресурсами. С помощью усовершенствованных инструментов для прогнозирования и понимания поведения аэрозолей мы можем более эффективно решать проблему нехватки воды, сокращать потери в сельском хозяйстве и защищать экосистемы. Согласовывая политику и местную практику с этими данными, мы можем обеспечить более устойчивое будущее водных ресурсов во всем мире.