Численное моделирование высокоточного гиперспектрального мониторинга климатической системы Земли с помощью космической группировки CLARREO.

Глобальный климат Земли определяется радиационным балансом нашей планеты, т.е. балансом полученной Землей солнечной энергии и излученной ею в космическое пространство. Теоретически мониторинг радиационного баланса Земли (РБЗ) должен осуществляться во всём диапазоне длин волн спектра электромагнитного излучения: от нуля до бесконечности, что практически реализовать невозможно, но уже сейчас реальна эксплуатация систем, осуществляющих мониторинг не менее 95% радиационных потоков климатической системы Земли с высоким спектральным разрешением и приемлемой точностью.
Последние несколько десятилетий (с 1970-х) космические системы наблюдений (ERBE, СРРБ, CERES) фиксируют устойчивый радиационный дисбаланс Земли. Текущая оценка глобального дисбаланса составляет около +0.7 Вт/м2. Это свидетельство того, что Земля продолжает получать энергии больше, чем излучать, т.е. идёт нагрев нашей планеты. Однако для оценки катастрофичности климатических последствий и возможной адаптации к ним наряду с экспериментальной констатацией факта нагрева требуется ещё и адекватная диагностика причин радиационного дисбаланса и как следствия глобального потепления.
Основными недостатками действующих космических систем наблюдений за долговременными климатическими изменениями РБЗ, в частности системы CERES, являются их недостаточные аппаратурные характеристики: точность, спектральная представительность и стабильность измерений. Кардинально изменить ситуацию должна перспективная космическая система CLARREO (Climate Absolute Radiance and Refractivity Observatory). В преддверие активной фазы миссии CLARREO наиболее актуальной исследовательской задачей является выяснение потенциальных возможностей новейшей системы детектировать малые за длительный промежуток времени изменения основных геофизических параметров, характеризующих климатическую систему Земли.
На смену оперативной системе CERES должно прийти поколение принципиально новых измерительных приборов. Беспрецедентно высокая точность и стабильность измерений CLARREO позволят в значительной степени решить важнейшие задачи диагностики всех составляющих климатической системы «поверхность-атмосфера» Земли. Главная особенность новейшей системы состоит в переходе от использования радиометров к гиперспектрометрам в качестве основных измерительных приборов. Космическая группировка CLARREO будет формироваться с июля 2018 г. (запуском двух CLARREO-1) по май 2020г. (запуском ещё двух CLARREO-2). Важной отличительной особенностью обсерватории CLARREO, включающей четыре спутника, движущихся друг за другом по одной и той же орбите является возможность взаимной калибровки с широкополосной аппаратурой CERES, а также с уже работающими оперативными зондирующими системами. Измерения с помощью аппаратуры, установленной на сегментах CLARREO, позволят восстанавливать значения практически всех наиболее важных геофизических параметров окружающей среды. Высокая эффективность перехода от одиночных спутников к космическим группировкам была первоначально доказана ещё на примере спутниковой системы «А-поезда» и сейчас это становится основным системным подходом [1].
При детектировании долговременных климатических изменений наряду с абсолютной точностью измерений ключевую роль играет информационное содержание спектрометрической информации. Подобно тому как «отпечатки пальцев» человека идентифицируют его личность, так и высокоразрешенные спектры излучения характеризуют текущее (мгновенное) состояние климатической системы. Однако для выделения очень малых климатических изменений в гиперспектральных измерениях следует отфильтровать значительный мелкомасштабный кратковременный «погодный» шум, путем пространственно-временного усреднения. Пространственные масштабы значимых климатических изменений даже на региональном уровне составляют сотни километров, а временные – от месяца и дольше. Особенно важно при анализе климатических изменений усреднять сами гиперспектры, а не результаты восстановления по ним геофизических параметров, т.к. процедура восстановления существенно нелинейная и будет приводить к некорректным результатам при оценке малых линейных трендов изменений.
В преддверии получения реальных гиперспектральных измерений CLARREO важные экспертные результаты можно получить с помощью ансамбля модельных рядов гиперспектров, вычисленных на основе данных наиболее совершенных климатических моделей, реализующих различные сценарии климатических изменений. В этом случае в рамках каждой климатической модели мы обладаем исчерпывающей информацией: точно знаем модель, вносимые естественные и антропогенные изменения, выходные данные модели (в виде основных геофизических параметров) для разных временных интервалов прогноза от месяцев до десятилетий. Далее, используя современные модели переноса излучения, на основе временного ряда выходных данных климатических моделей рассчитываем соответствующие им временные ряды гиперспектров, согласованные с характеристиками измерительной аппаратуры, с целью анализа их обнаружительной способности по отношению к климатическим изменениям [2].
Данный доклад представляет экспериментальную технологию и результаты численных экспериментов по моделированию возможностей наблюдений малых изменений климатической системы на основе аппаратурных характеристик перспективной космической системы CLARREO. Нами анализируется практически весь спектр возможных радиационных наблюдений из космоса: УДР - уходящая длинноволновая радиация (в диапазоне 200–2000 cm–1 или 5–50 мкм, что составляет 95% собственного излучения Земли) и УКР – уходящая коротковолновая радиация (в диапазоне 320–2300 нм, что составляет 96% отраженного солнечного излучения Земли). Максимальное спектральное разрешение для УДР принималось равным 0.5 cm–1, для УКР – 4-нм. При этом учитывалась возможность достижения беспрецедентно высокой точности измерений: для УДР – 0.065 K, для УКР – 0.3%.
Процесс переноса излучения - один из наиболее важных и сложных процессов в климатической системе. Адекватный расчет переноса излучения даже в относительно широких спектральных интервалах является достаточно трудоемким. Гиперспектральное же моделирование требует ещё больших вычислительных мощностей и поэтому, как правило, производиться на высокопроизводительных системах. К настоящему времени современные гетерогенные (CPU+GPU) компьютерные системы реализуются в основном в виде больших специализированных кластеров (суперкомпьютеров). Мы для гиперспектрального имитационного моделирования использовали аппаратно-программный комплекс (АПК) с приемлемой вычислительной производительностью на основе всего четырёх оптимизированных ПК в одном из компьютерных классов МФТИ. Каждый ПК нашего АПК включает 4-х ядерный центральный процессор (CPU) Intel Core i5-3330 и графический ускоритель (GPU) Nvidia Geforce GT 640 (с 384-ю ядрами). Радиационное моделирование осуществляется с одновременным использованием вычислительных мощностей и центрального процессора (CPU) и графического ускорителя (GPU). Процесс параллельности вычислений обеспечивается технологиями CUDA/OpenCL. Важной особенностью нашей организации распараллеливания вычислений является возможность распараллеливания как по спектру (для разных спектральных интервалов), так и по пространству (для разных пикселей географической сцены). При проведении расчетов был использован полинейный алгоритм (LBL) для наиболее высокоточного моделирования с максимальным спектральным разрешением (LBLRTM).
Анализ усредненных высокоразрешённых спектральных откликов на климатические изменения позволяет оценить величины радиационного форсинга при изменении различных геофизических параметров. При индивидуальном изменении различных климатических переменных (оставляя при этом остальные зафиксированными) можно оценить радиационную чувствительность каждой из них: например, эффект увеличения содержания метана и углекислого газа, влияние изменения температуры тропосферы и стратосферы, изменения содержания водяного пара в тропосфере и т.д.
За последние 35 лет (1980-2015 гг.) потепление наблюдалось во всех широтных зонах, однако наиболее значительный рост температуры был зафиксирован в высоких широтах северного полушария. Так если глобальная аномалия приземной температуры в 2016 году (признанным самым тёплым за всю историю наблюдений) достигла 1°С, то в зоне 64°-90°с.ш. она составила уже около 3°С. Одним из важных механизмов, объясняющим это экстремальное потепление, было выявление массированных выбросов метана в атмосферу вследствие деградации подводной мерзлоты в восточносибирском арктическом регионе, где наблюдается наиболее выраженная динамика климатических изменений. Таяние вечной мерзлоты в этом регионе также вносит существенный вклад в возникновение планетарного максимума основных парниковых газов — углекислого газа и метана — над Арктикой. Парниковый эффект самого метана и дополнительного оксида углерода, возникающего при его окислении и приводят к экстремально ускоренному потеплению.
В настоящее время проводятся расчеты применительно к выявлению детектирующей способности системы CLARREO по отношению к наиболее опасным аномалиям динамики геофизических параметров в восточносибирском регионе. И хотя получены только первые предварительные результаты, нет сомнений, что данный подход, основанный на моделировании гиперспектральных измерений по данным длительных наблюдений, позволит оценить потенциальные возможности космической системы CLARREO применительно к идентификации катастрофических климатических изменений в наиболее проблемных регионах РФ.