От наблюдений за атмосферой и анализа парниковых газов к оценкам выбросов: смелая научная инициатива

Рисунок 1. Глобально усреднённая мольная доля диоксида углерода (СО2) по наблюдениям на станциях, вносящих вклад в Программу ГСА.

Воздействия изменения климата становятся всё более очевидными. Правительства решают проблему изменения климата посредством международных соглашений, таких как Парижское соглашение, подписанное в 2015 году. Для оценки прогресса в достижении климатических целевых показателей правительства утвердили процесс представления отчётности о национальных выбросах парниковых газов (ПГ) в соответствии с согласованными протоколами. Эти протоколы были утверждены Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) и описаны в Руководящих принципах МГЭИК по национальным кадастрам парниковых газов 2006 года (IPCC, 2006). В мае 2019 года Пленарное заседание МГЭИК одобрило Уточнение к Руководящим принципам (в печати), в котором изложена важная роль атмосферных наблюдений и анализа для улучшения оценок национальных выбросов ПГ. В Уточнении 2019 года описываются ключевые компоненты и этапы, которые должны применяться при использовании атмосферных измерений и результатов инверсных моделей для сравнения с оценками кадастра (Глава 6, Обеспечение качества / Контроль и проверка качества).

Точные и достоверные измерения в атмосфере основных парниковых газов показали увеличение их концентраций во всём мире (рис. 1). Однако концентрации озоноразрушающих веществ, которые также являются ПГ, в последнее десятилетие снижались в соответствии с Монреальским протоколом. Глобальная сеть наблюдений за ПГ, координируемая Глобальной службой атмосферы (ГСА) ВМО, оповещает нас об опасных изменениях в климатической системе.

Концентрации ПГ в атмосфере являются результатом равновесия между выбросами ПГ от источников и их поглощением поглотителями (см. рис. 2) и зависят от процессов переноса и перемешивания. Чтобы ограничить глобальное потепление, важно определить количество источников, поскольку над ними можно установить контроль. Однако оценка выбросов на основе атмосферных наблюдений является совсем не простой задачей, так как необходимо выявить взаимосвязь меж ду концентрациями в данной точке наблюдения и вышележащими источниками. Эта взаимосвязь определяется посредством оценки атмосферного переноса и может быть смоделирована с помощью модели атмосферного переноса. Такое моделирование предъявляет со значительной степенью точности высокие требования к качеству функционирования модели.

Первые попытки использовать атмосферные наблюдения для оценки выбросов парниковых газов были предприняты в 1980-е годы (например, CFC-11, Fraser et al., 1983). Эти ранние исследования в основном касались масштабов от глобального до континентального, опираясь на модели с низким разрешением и наблюдения, осуществляемые редкой глобальной сетью, в первую очередь в рамках глобальной программы отбора проб в колбы Национального управления по исследованию океанов и атмосферы (НУОА). Количественная оценка выбросов в больших масштабах крайне важна, но она описывает только чистые глобальные выбросы, которые констатируют увеличение долгоживущих ПГ в атмосфере. Однако эти оценки дают мало информации об отдельных источниках и процессах, необходимых для директивных органов, которым нужно принимать меры на национальном, субнациональном или региональном уровнях. С расширением сети наблюдений, особенно в развитых странах, и увеличением возможностей и разрешения моделей атмосферного переноса стала возможной оценка выбросов в более мелких национальных масштабах.

Рисунок 2. Атмосферные концен- трации парниковых газов являются результатом равновесия между источниками (что попадает в атмосферу) и поглотителями (что извлекается из неё). Суммарный вклад в глобальный углеродный бюджет с 1870 года. Нарушение углеродного равновесия является пробелом в нашем нынешнем понимании источников и поглотителей. (Источник: Глобальный углеродный бюджет за 2018 год, Глобальный углеродный проект).

Научные сообщества, занимающиеся проблемами атмосферы, углеродного цикла и изменения климата, провели ряд исследований касательно потенциальных возможностей для измерения концентрации парниковых газов в атмосфере, а также анализ результатов моделирования, чтобы рассчитать и помочь обосновать улучшенные оценки выбросов парниковых газов (например, National Research Council (2010 г.), Ciais et al. (2010 г.), IPCC (2010 г.)). В результате этих исследований был сделан вывод о том, что реализация такого подхода потребует дополнительных инвестиций в исследования, увеличение плотности хорошо откалиброванных измерений атмосферных ПГ и улучшение возможностей для моделирования атмосферного переноса и усвоения данных.

Необходимость согласования и документирования методологий для оценки выбросов на основе атмосферных наблюдений, а также обмена передовым опытом привела к учреждению на Семнадцатом Всемирном метеорологическом конгрессе в 2015 году Интегрированной глобальной информационной системы по парниковым газам (ИГИСПГ) (Бюллетень ВМО 66 (1), 2017 г.)

Оценки выбросов для поддержки национальных кадастров

Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИКООН), вступившая в действие в 1994 году, в настоящее время является практически общемировым соглашением, в котором участвуют 197 стран. Сторонам Конвенции было предложено «периодически обновлять, публиковать и предоставлять (...) национальные кадастры антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями всех парниковых газов, не контролируемых Монреальским протоколом». В начале методологии не были чётко определены, и странам было предложено сообщать данные только в той степени, в которой позволяли имеющиеся у них возможности. Тем не менее, многие страны начали собирать и сообщать информацию о выбросах ПГ, хотя и с разным уровнем детализации и периодичности.

После вступления в силу Киотского протокола в 2005 году представление годовых национальных докладов о кадастрах (НДК) стало обязательным для всех (развитых) стран, включённых в Приложение 1. Подробности были указаны в Руководящих принципах МГЭИК 2006 года, в которых был предложен многоуровневый подход. Простейший уровень 1 базируется на коэффициентах выбросов (КВ) по умолчанию, а в более подробные уровни 2 и 3 могут быть включены методы, данные и модели для конкретных стран. Ещё один шаг вперёд был сделан, когда Парижское соглашение ввело обязательное предоставление НДК раз в два года всеми подписавшими его странами. Подготовка и представление НДК представляет серьёзную трудность для развивающихся стран, которым ещё предстоит освоить процесс представления официальных докладов.

Подготовка кадастра выбросов ПГ является сложной задачей, поскольку необходимо использовать широкий спектр информации в зависимости от типа источника. Социально-экономические и другие статистические данные могут быть не предоставлены своевременно и с достаточной степенью детализации. Национальные кадастры выбросов обеспечивают детальную информацию об отдельных источниках, что позволяет лицам, определяющим политику, оценить их относительную долю в объёме выбросов и разработать эффективные меры по сокращению выбросов. Однако качество этих кадастров можно оценить только путём их проверки на предмет полноты и соответствия рекомендуемым процедурам. Наиболее важный показатель с точки зрения последствий изменения климата, а именно объём суммарных выбросов на страну, невозможно оценить, используя независимые средства.

Поскольку атмосферные концентрации реагируют на суммарный объём всех выбросов, оценки, полученные на основе наблюдений, могут обеспечить весьма ценные ограничения суммарных выбросов страны. В то же время они менее пригодны для предоставления информации об отдельных категориях источников, так как многие источники и поглотители взаимодействуют между собой. В этом смысле кадастры и оценки, полученные на основе наблюдений, являются взаимодополняющими и должны использоваться вместе для повышения и укрепления доверия к национальным оценкам выбросов. С помощью сетей наблюдений с высокой плотностью и измерений вспомогательных параметров, таких как изотопный состав парниковых газов или концентрации других газов, одновременно поступающих в атмосферу, можно собрать дополнительную информацию для конкретного источника с целью подтверждения достоверности национальных кадастров выбросов, используя не только показатель суммарных выбросов страны. Оценки на основе наблюдений могут быть особенно ценными для малых газовых составляющих, учитывая большую неопределённость в их выбросах.

Достижения в области науки

Оценки суммарных национальных выбросов, полученные на основе методов обратного моделирования, значительно улучшились за последние 20 лет. Реализация такого подхода предусматривает сочетание атмосферных наблюдений и моделирования и включает в себя четыре ключевых компонента, из которых каждый получил значительное развитие за этот период времени.

• Наблюдения за атмосферой стали намного точнее, и в настоящее время в наличии имеются более надёжные приборы. Кроме того, частота измерений и количество пунктов наблюдений значительно увеличились и при этом во многих странах, таких как Австралия, Китай, Германия, Индия, Швейцария, Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии и Соединенные Штаты Америки, развиваются расширенные сети. Кроме того, спутниковое дистанционное зондирование ПГ значительно продвинулось со времени первых измерений общего содержания СО₂ и метана (CH₄) в вертикальном столбе атмосферы, выполненных с помощью SCIAMACHY в 2002 году. Сегодня такие спутники, как GOSAT, OCO-2 и TROPOMI, обеспечивают наблюдения с точностью, достаточной для того, чтобы ограничить выбросы в больших региональных масштабах. Тем не менее для работы с выбросами в масштабе отдельных стран и проблемных районов потребуется дальнейшее улучшение охвата, разрешения, перечня наблюдаемых газов и точности. КЕОС координирует деятельность, связанную с наблюдениями за системой Земля со спутников, и разрабатывает долгосрочные стратегии их развития. В частности, недавно была определена глобальная архитектура для мониторинга CO₂ и CH₄, которая включает мониторинг текущего состояния спутниковых измерений ПГ и опирается на ИГИСПГ как на общую платформу6.
• Развивающаяся с течением времени трёхмерная метеорология добилась значительных успехов благодаря улучшению усвоения данных, увеличению вычислительной мощности, более качественному представлению атмосферных процессов и более высокому пространственному разрешению. Например, горизонтальное разрешение оперативных глобальных моделей прогнозирования погоды изменилось с 80 км 20 лет назад до 9–20 км в настоящее время с аналогичным улучшением вертикального разрешения.
• Модели переноса, работа которых обусловливается этими трёхмерными метеорологическими полями, были значительно усовершенствованы благодаря их применению во множестве исследовательских проектов. Теперь они могут использовать больше метеорологических параметров при более высоком пространственном и временном разрешении, чем раньше. Кроме того, были разработаны онлайновые интегрированные модели, которые одновременно и последовательно рассчитывают метеорологические параметры и перенос парниковых газов в рамках одной и той же модели.
• В инверсных моделях, которые объединяют информацию, полученную в результате наблюдений в атмосфере, и выходные данные моделей атмосферного переноса, произошли важные изменения благодаря более эффективному использованию современных алгоритмов, оптимально сочетающих информацию наблюдений в атмосфере со знаниями о распределении выбросов.

Примеры некоторых стран 

 

Соединенное Королевство 

Рисунок 3. Оценки выбросов ГФУ-134а в СК. Величины, включённые в кадастр: фиолетовым цветом показаны выбросы, представленные в 2013 году; чёрным цветом показаны выбросы, представленные в 2019 году. Оценки, полученные в результате обратного моделирования (InTEM): синим цветом показаны оценки, полученные с использованием данных одного пункта наблюдений, оранжевым цветом показаны оценки, полученные с использованием данных трёх пунктов наблюдений, зелёным цветом показаны оценки, полученные с использованием данных четырёх пунктов наблюдений.

Для оценки качества выбросов, включённых в национальный кадастр, СК использует полностью независимый метод (описанный в Arnold et al., 2018) для получения оценок своих выбросов ПГ, основанных на сочетании наблюдений за атмосферой и обратного моделирования. Результаты ежегодно включаются в НДК СК и направляются в РКИК ООН. СК использует значительные различия в кадастре выбросов и оценках на основе наблюдений для определения компонентов кадастра, которые заслуживают дальнейшего изучения. Сеть пунктов наблюдений СК, называемая UK DECC (получение данных о выбросах, связанных с изменением климата) (Stanley et al., 2018), состоит в основном из высотных башенных телекоммуникационных вышек, оснащённых современным оборудованием для наблюдения. Они измеряют СО₂, СН₄, закись азота (N₂O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF₆) и трифторид азота (NF₃) с высокой частотой, достоверностью и точностью.

Недавний пример того, как оценки выбросов, полученные на основе наблюдений, использовались для обоснования корректировки традиционной кадастровой оценки, показан на рис. 3. В Докладе о кадастре СК за 2013 год годовые оценки выбросов для ГФУ-134a (фиолетовые столбцы), газа, преимущественно используемого в мобильных системах кондиционирования воздуха и, в меньшей степени, для распыления аэрозолей, неизменно были более чем на 50 % выше, чем оценки, полученные на основе наблюдений (синие и оранжевые столбцы), начиная с 1998 года. Этот результат мотивировал СК поручить отраслевому эксперту пересмотреть оценки выбросов ГФУ-134а в кадастре СК. В итоге кадастровая оценка была пересмотрена и приближена к оценкам, полученным в результате обратного моделирования, что видно по чёрным столбцам на рисунке. Чтобы устранить этот разрыв полностью, многое ещё предстоит сделать. 

Швейцария 

Рисунок 4. Швейцарская сеть измерений CarboCount, созданная в 2012 году для измерения CH4 и CO2. На станции Беромюн- стер дополнительные приборы были уста- новлены в 2016 и 2019 годах для измерения N2O и синтетических ПГ соответственно. (Источник: Oney et al., 2015).

В 2012 году Швейцария создала сеть наблюдений за ПГ, которая включила в себя одну высотную башню, дополнительные пункты наблюдений на вершинах гор и менее высотные башни (см. рис. 4, Oney et al., 2015). Вместе с длительным рядом данных наблюдений на высокогорной станции Юнгфрауйох, эти измерения были использованы для оценки выбросов CH₄ в Швейцарии, которые, как было установлено, согласуются с оценками из национального кадастра (Henne et al., 2016). С 2016 года эти оценки ежегодно включаются в Приложении к НДК Швейцарии для РКИК ООН. Установленная согласованность подтверждена для всех лет, рассмотренных к настоящему времени (2013–2017 годы).

Дополнительные измерения N₂O были организованы в 2016 году, и первая оценка, полученная на основе этих измерений, была опубликована в НДК Швейцарии за 2019 год. Оценка предполагает, что выбросы N₂O, в отличие от CH₄, могли быть занижены до 30 %. Однако из-за значительной неопределённости в кадастре и оценках, полученных на основе наблюдений, различие не было статистически значимым, и для подтверждения этих различий потребуются ещё многие годы наблюдений.

Поскольку наблюдения за ГФУ и другими синтетическими ПГ выполняются только на станции Юнгфрауйох, для оценки выбросов ГФУ используется более простой метод межвидовой корреляции, не требующий моделирования атмосферного переноса. Эти оценки также включаются в НДК Швейцарии с 2016 года и демонстрируют в целом согласованность с традиционными цифрами в кадастре для большинства видов. Чтобы получить более точные оценки для синтетических газов, в августе 2019 года были начаты дополнительные измерения на высотной вышке Беромюнстер (рис. 4). 

Австралия 

Австралия включила проверку достоверности данных с использованием атмосферных наблюдений в свой годовой НДК в 2009 году. Выбросы синтетических ПГ (ГФУ, ПФУ и SF₆) в юго-восточной части Австралии оцениваются Организацией по научным и промышленным исследованиям для стран Содружества (КСИРО) и Метеорологическим бюро в СК на основе наблюдений за атмосферой, выполняемых на мысе Грим, Тасмания, с использованием методов обратного моделирования и межвидовой корреляции. Выбросы этих синтетических ПГ в юго-восточной части Австралии приводятся к масштабу выбросов для всей Австралии на основе численности населения или видов деятельности. 

Станция на мысе Грим, Тасмания (Источник: Бюро метеорологии).

Сравнение оценок выбросов, полученных на основе атмосферных наблюдений, с выбросами, включёнными в традиционный австралийский кадастр, показало значительные различия для отдельных ГФУ, ПФУ и SF₆, но суммарные выбросы этих синтетических ПГ по обеим оценкам в целом согласовывались.

В соответствии с рекомендацией МГЭИК ежегодные австралийские КВ ГФУ, начиная с 2006 года, и КВ SF₆, начиная с 2010 года, были скорректированы в соответствии с выбросами ГФУ и SF₆, оценёнными на основе атмосферных концентраций и трендов, измеренных и выявленных на мысе Грим. В дополнение к уточнению годовых КВ, колебания в выбросах ГФУ, наблюдаемые на мысе Грим, также используются для того, чтобы варьировать составом газов в модели выбросов ГФУ, используемой в кадастре. КВ ПФУ в кадастре до настоящего времени не были скорректированы так, чтобы отразить оценки выбросов ПФУ, полученные на основе данных атмосферных наблюдений. В будущем Австралия планирует использовать наблюдения за ПГ, выполняемые на различных станциях (например, Аспендейл, Виктория) и платформах, таких как исследовательские суда, применяя более целенаправленно методы обратного моделирования и межвидовой корреляции для повышения точности оценок региональных и национальных выбросов, полученных на основе наблюдений.

Поскольку в Руководящих принципах МГЭИК 2006 года не содержится каких-либо рекомендаций по непосредственному использованию оценок выбросов, полученных на основе обратного моделирования, Австралия решила использовать колебания в смоделированных оценках для корректировки годовых показателей выбросов ГФУ и SF₆. Сильная сторона такого подхода заключается в том, что он позволяет кадастровым оценкам выбросов чётче отражать улучшения в отраслевой практике в части обработки газов, технического обслуживания оборудования и его вывода из эксплуатации. 

Роль ИГИСПГ в получении оценок выбросов на основе наблюдений 

Как документ, касающийся составителей кадастров, Уточнение 2019 года к Руководящим принципам МГЭИК не содержит подробных указаний по осуществлению национальной системы измерения и моделирования атмосферы. Вместо этого он содержит ссылки на примеры стран, рекомендации ГСА ВМО по методам наблюдений и План осуществления научной деятельности ИГИСПГ для получения дальнейших рекомендаций. Руководящие принципы МГЭИК 2006 года и Уточнение 2019 года способствуют использованию оценок выбросов, полученных на основе измерений в атмосфере, но при этом сохраняют осторожность в отношении возможных трудностей при реализации такого подхода.

Что касается поиска наиболее эффективного способа использования атмосферных измерений для подготовки оценок выбросов, то в Плане осуществления научной деятельности ИГИСПГ описывается ряд методов, доступных для создания новых и улучшения существующих национальных систем. Запланированные или уже опробованные методы предоставляют рекомендации относительно типа алгоритмов обратного моделирования, моделей атмосферного переноса, выбора мест для наблюдений, а также относительно типа измерительных устройств и того, какие дополнительные параметры можно измерять. Есть также новые, присущие конкретной стране проблемы, с которыми сталкиваются те, кто применяет оценки, полученные на основе атмосферных измерений. Например, существующие рабочие примеры национальных систем созданы в странах, отделённых от соседей океанами или горными хребтами. Возникающие метеорологические инверсии в стране, расположенной с подветренной стороны от мощных источников ПГ, повлекут за собой другие проблемы.

Как сообщество экспертов, ИГИСПГ имеет все возможности для поддержки приобретения и оценки необходимых экспертных знаний, а также для предоставления рекомендаций по преодолению технических трудностей на основе современной науки и опыта национальных групп, которые уже создали рабочие системы. Специалисты, применяющие в своей стране подход на основе наблюдений с целью поддержки в подготовке кадастра парниковых газов, могут связаться с группой ИГСПГ через её веб-сайт (ig3is.wmo.int). Они получат адресную консультацию с учётом конкретных обстоятельств и условий в их стране. 

Литература 

Arnold, T. et al., 2018: Inverse modelling of CF4 and NF3 emissions in East Asia. Atmospheric Chemistry and Physics, 18:13305–13320.

Ciais, P. et al., 2010: Geo Carbon Strategy. Geneva, GEO Secretariat / Rome, Food and Agriculture Organization of the United Nations.

Fraser, P.J. et al., 1983: Global distribution and southern hemispheric trends of atmospheric CCl3F. Nature, 302:692–695.

Henne, S. et al., 2016: Validation of the Swiss methane emission inventory by atmospheric observations and inverse modelling. Atmospheric Chemistry and Physics, 16(6):3683–3710.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2006: 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories Programme (H.S. Eggleston, L. Buendia, K. Miwa, T. Ngara and K. Tanabe, eds). Hayama, Japan, Institute for Global Environmental Strategies.

———2010: Expert Meeting on Uncertainty and Validation of Emission Inventories (H.S. Eggleston, J. Baasansuren, K. Tanabe and N. Srivastava, eds.). Utrecht, the Netherlands, 23–25 March 2010.

———2019 Refinement to the 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories (advance publication version, accepted by IPCC).

National Research Council, 2010: Verifying Greenhouse Gas Emissions: Methods to Support International Climate Agreements. Washington, DC, The National Academies Press.

Oney, B. et al., 2015: The CarboCount CH sites: Characterization of a dense greenhouse gas observation network. Atmospheric Chemistry and Physics, 15(19):11147–11164.

Stanley, K.M. et al., 2018: Greenhouse gas measurements from a UK network of tall towers: technical description and first results. Atmospheric Measurement Techniques, 11(3):1437–1458.

Всемирная метеорологическая организация, 2018: ВМО. Бюллетень по парниковым газам, № 14, 22 ноября 2018. Женева.

Авторы

Шамиль Максютов, Национальный институт исследований окружающей среды, Япония

Доминик Брюннер, Empa, Швейцарская Федеральная лаборатория металловедения и технологий

Алистар Мэннинг, Метеорологическое бюро, СК

Пол Фрезер, КСИРО, Сектор океанов и атмосферы, Австралия

Оксана Тарасова, Секретариат ВМО

Клавдия Волощук, Секретариат ВМО