Опыт использования спутниковых данных о составе атмосферы для регионального экологического мониторинга: критический разбор и план развития методологии обработки

Спутниковые наблюдения за составом и содержанием примесей в атмосфере до сих пор редко используются в России для задач экологического мониторинга и оценки регионального загрязнения воздушной среды, хотя доступность данных дистанционного зондирования атмосферы в виде баз обработанных результатов для дальнейших геофизических исследований постоянно растёт. В предыдущей работе (Зеленова, Громов, 2026) была предпринята попытка на примере региона Убсунурской котловины - объекта Всемирного наследия ЮНЕСКО, показать, что из результатов спутниковых измерений можно извлечь практически значимые сведения о загрязнении воздуха для региона в разные сезоны, с характерными зимними инверсиями, летними застоями воздуха и горно-котловинной циркуляцией, а также локализовать существующие источники выбросов энергетической и угольной отраслей. Для оценки реальности анализа было выбрано сопоставление с данными модельного реанализа приземного состава атмосферы (Inness et al., 2019), как один из адекватных способов проверки полученных статистических характеристик загрязнения атмосферы.
В ходе решения задачи оценки характерного уровня загрязнения атмосферы региона вне влияния крупных локальных источников выбросов и с учетом интереса к ситуации на особо охраняемых природных территориях были использованы доступные данные спутника Sentinel-5P TROPOMI, на борту которого установлена аппаратура для непрерывного измерения за содержанием газов в атмосфере. В качестве исходных материалов из баз спутниковых данных извлечены данные содержания диоксида серы в столбе атмосферы, рассчитаны поля среднемесячных значений, оценена повторяемость превышений уровня, выбранного как характеристика «фонового содержания» (Fioletov et al., 2015), а также квантильные временные ряды и оценки многолетних трендов. По визуализации последних выявлен согласованный годовой ход значений с максимумом в отопительный период, по картам осредненных характеристик отмечается устойчивая пространственная приуроченность квантильных превышений к району вокруг г. Кызыла, а также показано отсутствие значимых трендов изменений за 2021–2025 гг. Эти результаты подтвердили принципиальную применимость спутниковых данных для целей и задач регионального мониторинга экологического состояния природных территорий.
Последующий методический аудит использованного подхода и соответствия результатов характеристикам, используемым в полевых исследованиях и моделировании, показал, что часть количественных оценок требует пересмотра. Осреднение данных для месячных полей арифметическим средним некорректно для сильно скошенных распределений разовых суточных значений внутри пикселя, представляющего минимальный геометрический размер области для данных. В расчете полей для пространственного анализа не были определены критерии регионального и локального фона, а следовательно, превышение квантильного порога не означает высокую концентрацию. Тест на существование трендов применён без учёта сезонной зависимости результатов наблюдений, а зимний пробел в данных объяснён только облачностью, тогда как заметный вклад в возможность измерений вносят также снежный покров и низкое положение Солнца. Пересчёт содержания газа (SO2) в столбе атмосферы в его приземную концентрацию через использование высоты пограничного слоя приводил к получению систематически завышенных значений и показал, что такое упрощённое приближение для горных котловин неприменимо, а наблюдаемая корреляция в значительной мере объясняется общей сезонностью. При этом, пространственное разрешение использованного модельного реанализа не позволило выделять, а следовательно, количественно подтвердить выявленные по спутниковым данным локальные зоны.
Предложен план дальнейшего развития методики для получения более обоснованных результатов. Первый этап — ревизия спутниковых данных: выяснить, какой из ограничивающих факторов (облачность, снежный покров, низкое положение Солнца) действительно определяет появление пробелы в данных зимой, можно ли уменьшить их количество, и убедиться, что систематический сдвиг в рядах спутниковых измерений не меняется со временем. Второй этап - пересчёт статистик и параметров: переход от среднего арифметического к медиане, проверка распределений, введение двухуровневой системы фона (региональной и локальной), построение карт локальных аномалий. Третий этап - корректное сопоставление продуктов: приведение к единой сетке, удаление сезонной составляющей, оценка согласованности по остаткам. Четвёртый этап - оценка трендов сезонным непараметрическим тестом с доверительными интервалами (Hirsch, Slack, 1984). Пятый этап - расширение периода наблюдений за счёт других спутниковых приборов и привлечение наземных измерений. Шестой этап – подготовка методических рекомендаций по обработке спутниковых данных для характеристики регионального загрязнения атмосферы, включая информацию (разделы) об ограничениях использования.
Опыт первой обработки данных в исследованиях данного направления показал, что спутниковый мониторинг качества воздуха для России методически перспективен, но требует более строгой проработки методической базы требований к данным и их статистической обработке.
Исследование проводится в рамках темы «Развитие методов и технологий мониторинга и оценки загрязнения природной среды вследствие трансграничного атмосферного переноса загрязняющих веществ и кислотных выпадений (ЕЭК ООН: ЕМЕП, МСП КМ; EAНET)» плана НИТР Росгидромета, рег. номер 125031703847-1. Оценка данных пространственных оценок и локализации источников сделана в работах по Госзаданию FMWS-2024-0009 №1023032700199-9 Института географии РАН.