МНОГОЛЕТНИЕ ТРЕНДЫ СУММАРНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ТРОПОСФЕРЫ В РАЗНЫХ ШИРОТНЫХ ЗОНАХ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

1. ВВЕДЕНИЕ

Многие научно-технические приложения используют данные международной службы GPS (IGS) для определения точного позиционирования. Основными источниками погрешностей в GPS-геодезии являются ошибки орбиты космических аппаратов GPS и тропосферные задержки распространения сигналов [Bevis et al., 1992; Zhang et al., 2019; Nilsson, Elgered, 2008; Durre et al., 2009]. В величине полной тропосферной задержки наиболее значимую роль играет гидростатическая составляющая. Негидростатическая составляющая тропосферной задержки существенна в теплое время года, она сильно зависит от распределения водяного пара в нижней части атмосферы. Атмосферный водяной пар составляет более 60 % естественного парникового содержания и не может быть с достаточной точностью определен по поверхностным метеорологическим наблюдениям. Водяной пар постоянно циркулирует в пределах всей толщи нижней атмосферы, он испаряется на поверхности Земли и в результате конденсации образует облака, а затем возвращается на земную поверхность в виде осадков. Испарение воды в основном происходит за счет солнечного тепла, процесс конденсации воды и выпадения осадков способствует дополнительному выделению тепла в тропосфере. Вариации влагосодержания также могут быть вызваны другими факторами изменения температуры, например изменением содержания других парниковых газов [Nilsson, Elgered, 2008; Bernet et al., 2020]. В работах [Zhang et al., 2019; Nilsson, Elgered, 2008; Durre et al., 2009; Bernet et al., 2020; Makama, Lim, 2019; Ross, Elliott, 2001; Davis et al., 1985] показана связь между изменениями массы вертикально интегрированного водяного пара и температуры. Было обнаружено, что над открытым океаном повышение температуры на 1 К приводит к увеличению IWV примерно на 5–7 % [Mears et al., 2007]. Известно, что положительные тренды IWV в глобальном масштабе проявляют себя все более явно, что в первую очередь связано с эффектом глобального потепления [Ross, Elliott, 2001; Chen, Liu, 2016]. В работе [Ross, Elliott, 2001] показаны положительные тренды IWV по радиозондовым наблюдениям на большинстве станций Северного полушария [Dembelov, Bashkuev, 2023a].

Зенитная тропосферная задержка, определяемая в результате обработки GPS-измерений, позволяет получать значения суммарного влагосодержания в условном вертикальном столбе от земной поверхности до уровня нижней части стратосферы с достаточно высокой точностью. Регулярные GPS-измерения являются важным подходом к исследованию содержания атмосферного водяного пара с независимыми от погодных условий наблюдениями и высоким пространственно-временным разрешением [Haase et al., 2003; Hagemann et al., 2003; Dembelov, Bashkuev, 2023a]. Качество данных PW по GPS-измерениям проверялось радиометром водяного пара в пункте BADG (Бадары), сравнения показали очень хорошее совпадение результатов [Dembelov, Bashkuev, 2022b].

На территории Восточной Сибири на протяжении около 25 лет выполняются постоянные GPS-измерения. С каждым годом количество пунктов наблюдения увеличивается. Рассматриваются три базовых пункта наблюдения, расположенных в разных широтных зонах Восточной Сибири: IRKT (52°13.35' с.ш., 104°19.12' в.д., h=502 м) – среднеширотный континентальный пункт; YAKT (62°01.87' с.ш., 129°40.84' в.д., h=103 м) – северный континентальный пункт; TIXI (71°38.24' с.ш., 128°52.14' в.д., h=53 м) – арктический пункт. Помимо задач по высокоточному позиционированию, GPS-наблюдения удобно использовать в решении задач, связанных с зондированием атмосферы. Постоянные измерения позволяют получать текущие данные о полной зенитной тропосферной задержке сигналов ZTD (м) [Nilsson, Elgered, 2008]. На приемлемом расстоянии от перечисленных GPS-станций находятся пункты запусков радиозондов. Радиозондирования позволяют определять непосредственные значения суммарного влагосодержания нижней атмосферы, а также средневзвешенные значения температуры в условном вертикальном столбе T_m.

При построении продолжительных трендов возможны случайные ошибки, которые в процессе анализа легко устранимы. Кроме того, в течение всего периода GPS-наблюдений имеют место пропуски измерений, которые замещаются моделированием с использованием приземных метеорологических данных. Чем более продолжительны по времени такие замещения, тем менее достоверными будут результаты, описывающие общую картину изменения выявленного уровня влагосодержания тропосферы. Долгосрочные тренды по радиозондовым наблюдениям могут давать заметные искажения из-за недостаточных высот зондирований, отклонений зондирований, связанных с сильным ветром, и других погрешностей измерений [Chen, Liu, 2016]. При едином заранее отработанном подходе обработки GPS-данных и последующем моделировании многолетнего ряда наблюдений можно подобные ошибки свести к минимуму и получить наиболее достоверные тренды изменения суммарного влагосодержания атмосферы [Dembelov, Bashkuev, 2023a].

2. ЗЕНИТНАЯ ТРОПОСФЕРНАЯ ЗАДЕРЖКА И СУММАРНОЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ

Нижняя нейтральная часть атмосферы представляет собой в основном смесь сухих газов, которые в целом описывают гидростатическую компоненту тропосферной задержки и водяного пара, который определяет «влажную» составляющую тропосферной задержки. Гидростатическая часть атмосферы однородна и несложна в моделировании, тогда как «влажная» часть атмосферы распределена очень неравномерно и проявляется с большой вариативностью по времени, особенно в теплый период года [Dembelov, Bashkuev, 2022b].

В связи с быстрым круговоротом воды в атмосфере и с изменением температуры в зависимости от высоты над земной поверхностью распределение водяного пара неоднородно как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Водяной пар быстро уменьшается с высотой по мере охлаждения атмосферы. Относительно уровня Мирового океана почти половина всего влагосодержания находится в атмосферном слое до высоты 2 км. Менее 5–6 % воды находится выше 5 км, а на уровне стратосферы ее количество составляет менее 1 %. Относительная влажность уменьшается с высотой примерно от 60–90 % у поверхности до 20–40 % при 300 гПа (около 9 км) [Davis et al., 1985; Abraham, Goldblatt, 2022]. ZTD может быть выражена как сумма гидростатической ZHD и «влажной» ZWD составляющих: ZTD=ZHD (расчетная)+ZWD (оценочная). Сигнал от спутника системы GPS, проходя сквозь нижнюю атмосферу, проделывает путь, который отличается от геометрического расстояния на некоторую величину dS [Dembelov, Bashkuev, 2022a]. В зенитном направлении обе компоненты задержки имеют наименьшие значения и они увеличиваются приблизительно обратно пропорционально синусу угла возвышения. При нормировании расстояния dS к зениту получается ZTD [Bevis et al., 1992]:

(1)

Здесь n(h) – показатель преломления, зависящий от высоты h; N(h)=10⁶(n(h)–1) – нормализованный индекс рефракции; h_s – высота расположения приемной антенны относительно уровня моря; dh – дифференциальное приращение высоты; Atm – путь луча, который фактически проходит от спутника до приемной антенны сквозь атмосферу; Vac – путь условного луча, который представляет собой геометрическое расстояние от спутника до антенны [Dembelov, Bashkuev, 2022a].

3. УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ZTD

Предполагается, что высотный профиль показателя преломления меняется по модели, учитывающей «сухую» и «влажную» компоненты для N [Hopfield, 1969]:

(2)

Здесь N_D=77.6p/T – индекс рефракции для сухого воздуха; N_W=373000e/T² – индекс рефракции для водяного пара; p – атмосферное давление (гПа); T – температура воздуха (К); e – парциальное давление водяного пара (гПа); h_D=40136+148.72∙t – эффективная высота «сухой» компоненты (м), где t – температура воздуха (°С) [Hopfield, 1969]; h_W – максимальная высота для «влажной» компоненты (м). Для всех рассматриваемых пунктов наблюдения примем высоту h_W=11 км [Dembelov, Bashkuev, 2022a].

Подставив формулу (2) в формулу (1) и выполнив интегрирование, получим формулы для расчета значений ZHD и ZWD по приземным метеорологическим данным [Dembelov, Bashkuev, 2022a]:

(3)

(4)

Формулы для определения зенитной тропосферной задержки сигналов (3) и (4) являются упрощенным вариантом формулы Хопфильд [Hopfield, 1969]. Для рассматриваемых пунктов наблюдения IRKT, YAKT и TIXI (рис. 1) выполнены сравнительные расчеты ZTD по формулам (3) и (4) и по известным формулам Саастамойнена [Saastamoinen, 1972] с использованием метеорологических данных за весь 2021 г. Среднее отклонение разности расчетов было не более 0.0018 м, коэффициент кросс-корреляции между результатами расчетов был на уровне 0.98. Такая высокая точность подтверждает, что формулы (3) и (4) для расчета ZHD и ZWD с использованием приземных метеорологических данных, наряду с формулами Саастамойнена, являются приемлемыми для моделирования тропосферных задержек.

4. СУММАРНОЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

В результате обработки GPS-данных программой GAMIT [King, Bock, 2000], помимо результатов по высокоточному позиционированию, выдается ZTD и ее горизонтальные градиенты в виде отдельных файлов в универсальном формате. Сравнение данных ZTD, полученных в результате GPS-измерений, с данными, рассчитанными по формулам (3) и (4), показало хорошее совпадение [Dembelov, Bashkuev, 2023b]. Суммарное влагосодержание IWV в тропосфере в условном вертикальном столбе с единичной площадью поперечного сечения 1×1 м пропорционально значению влажной составляющей ZWD [Lukhneva et al., 2016]. Значения ZWD по GPS-наблюдениям получаются вычитанием рассчитанных по формуле (3) значений ZHD из измеренных значений ZTD. Осаждаемая вода PW (м) определяется в виде колонки жидкой воды. Имеет место соотношение PW=IWV/ρ, где ρ – плотность жидкой воды (кг/м³). Зачастую уровень влагосодержания описывается параметром PW.

Суммарное влагосодержание тропосферы IWV определяется над пунктом наблюдения по данным ZWD по формуле [Lukhneva et al., 2016; Dembelov, Bashkuev, 2022b]:

(5)

где k₂ – вторая постоянная преломления (K²/гПа) [Davis et al., 1985]; R_W – газовая постоянная для водяного пара (Дж∙К⁻¹кг⁻¹) [Lukhneva et al., 2016]; T_m – «средневзвешенная» температура по упругости водяного пара в вертикальном столбе над точкой приема (К). Параметр T_m определяется отношением интегралов [Bevis et al., 1992]:

(6)

5. ТОЧНОСТЬ МОДЕЛЕЙ T_m

Средневзвешенная температура атмосферы (T_m) является ключевым параметром, используемым для расчета осаждаемого водяного пара PW по измеренным значениям ZWD [Ma et al., 2022]. Для выявления моделей T_m для каждого пункта наблюдения использовались данные РЗ в пунктах аэрологии Росгидромета – Ангарск, Якутск и Тикси. Эти пункты РЗ расположены на допустимом для анализа расстоянии от соответствующих GPS-пунктов [Haase et al., 2003]. Данные РЗ извлекаются из набора данных веб-сайта Университета штата Вайоминг (США), где предлагается удобный способ доступа и загрузки глобальных данных радиозондирований. Данные РЗ содержат необходимые вертикальные профили метеорологических параметров (атмосферное давление, температура и давление водяного пара), как правило, с временным периодом два раза в сутки. В большинстве случаев пункты GPS-наблюдений и пункты РЗ не совпадают по месторасположению. Для целей сопоставления данных удаление до 50 км является вполне приемлемым [Haase et al., 2003]. Пункт РЗ Ангарск расположен на расстоянии около 42 км от пункта IRKT. Разность по высоте пунктов наблюдения не превышает 60 м. Пункты РЗ в Якутске и Тикси расположены не дальше 6 км от пунктов GPS-наблюдений YAKT и TIXI соответственно. Разность по высоте расположения над уровнем моря не превышает 40 м [Dembelov, Bashkuev, 2023b].

На рис. 2 показаны изменения значений приземной температуры T и средневзвешенной температуры T_m, рассчитанной по формуле (6), для трех рассматриваемых пунктов наблюдения с 2012 по 2021 г. Сравнение разницы значений Т – T_m представлено в табл. 1. Средние отклонения и среднеквадратические отклонения (СКО) существенно зависят от годовых температурных максимумов и минимумов [Dembelov, Bashkuev, 2023b]. Пункт РЗ Тикси расположен непосредственно на берегу Северного Ледовитого океана (рис. 3), и он постоянно подвержен арктическим ветрам, поэтому радиозонды часто значительно отклоняются от зенитного направления относительно пункта запуска. С этим связана не настолько высокая корреляция между T и T_m.

На рис. 4 показаны соотношения T и T_m для пункта РЗ Ангарск за 10-летний (6957 измерений) и 23-летний (13613 измерений) периоды. Как видно из рис. 4, выявленные линейные регрессии оказались очень близки (T_m=0.688·T+77.1 и T_m=0.687·T+76.9), поэтому для определения IWV по формуле (5) достаточно учитывать регрессию для T_m за 10-летний срок.

На рис. 5 представлены соотношения T_m и T для пунктов Якутск и Тикси за 10-летний период с 2012 по 2021 г. Соотношение между T_m и T можно аппроксимировать регрессией в виде линейной и степенной функции. Рис. 5 демонстрирует, что квадратичная функция более точно выражает связь между двумя параметрами [Li et al., 2022]. Для Якутска средние отклонения значений T_m, полученных по формуле (6), от аппроксимаций линейной и квадратичной регрессий равны соответственно 3.76 и 3.45 К. Аналогично для Тикси – 4.16 и 3.83 К соответственно [Dembelov, Bashkuev, 2023b].

6. СРАВНЕНИЕ PW, ПОЛУЧЕННЫХ ПО GPS-ИЗМЕРЕНИЯМ И РАДИОЗОНДИРОВАНИЯМ

Помимо программного пакета GAMIT, используется метод GNSS-позиционирования PPP (Precise Point Positioning) [Kalinnikov, Khutorova, 2019; Jiang et al., 2020], который позволяет одним двухчастотным GPS-приемником достичь точности определения координат в пределах нескольких сантиметров. На основе метода PPP-обработки первичных данных реализуются вспомогательные программы и онлайн сервисы для получения данных по тропосферной задержке сигналов GPS. Для этого используются точные эфемериды, предоставляемые пользователям несколькими национальными и международными организациями, при этом не используется корректирующая информация сетей постоянно действующих базовых станций. Необходимо отметить, что по 2020 г. включительно оба метода давали очень близкие результаты по тропосферой задержке. Но с 2021 г. для обработки GPS-данных используется обновленная версия GAMIT, в которую по умолчанию включены новые утилиты по атмосферной задержке.

Приемные антенны пунктов GPS-наблюдения IRKT, IRKM и IRKJ установлены в одном месте в г. Иркутске на территории ВСФ ВНИИФТРИ (рис. 6), поэтому получаемые значения тропосферных задержек в этих трех пунктах абсолютно идентичны и взаимозаменяемы.

На рис. 7 приведено сравнение результатов по ZTD, полученных при обработке первичных данных по программе GAMIT и по методу PPP для пункта IRKJ за 2021 г. Наблюдается высокий уровень взаимной корреляции полученных графиков, при этом за исключением летнего периода имеет место значительное отклонение результатов, получаемых при обработке программой GAMIT. Сравнение полученных данных в течение июля 2021 г. показало взаимную корреляцию не хуже 0.98 и среднее отличие в пределах 0.56 %. Значения ZTD за весь 2021 г. определялись на основе метода PPP.

Радиозондирования являются инструментом непосредственных наблюдений за уровнем влагосодержания тропосферы, поэтому они представляют собой источник независимых данных для проверки качества обработанных данных по PW, полученных по GPS-наблюдениям. Постоянный пункт GPS-наблюдений ANGR запущен в 2021 г. Он расположен на расстоянии 1.7 км от места запусков радиозондов Ангарск. На рис. 8 представлены сравнительные графики изменения уровня влагосодержания PW, которые определены по GPS-наблюдениям в пунктах IRKJ и ANGR и по данным РЗ над г. Ангарском за январь и июль 2021 г. За период с 1 по 31 января коэффициент взаимной корреляции между значениями PW по GPS-наблюдениям в обоих пунктах и РЗ оказался практически одинаковым (К=0.91), причем среднее отклонение разницы наблюдений в пунктах IRKJ и РЗ (Ангарск) оказалось немного меньше разницы в пунктах ANGR и РЗ (Ангарск), соответственно 0.63 и 0.65 мм. В течение июля, когда влагосодержание тропосферы характеризуется максимальными значениями, среднее отклонение разницы наблюдений в пунктах IRKJ и РЗ (Ангарск) соответствовало 2.03 мм, а в пунктах ANGR и РЗ (Ангарск) – 1.86 мм. Cравнения с радиозондированиями показывают, что среднее отклонение в январе относительно средних значений в пункте ANGR около 14 %, а в пункте IRKJ – порядка 18 %. Аналогичные сравнения для июля в пункте ANGR оказались в пределах 8 %, а в пункте IRKJ равны 7 %.

На рис. 9 представлены гистограммы разницы GPS PW – РЗ PW для трех пунктов наблюдения – IRKT, YAKT и TIXI за десятилетний период наблюдений. Для пункта IRKT использована линейная регрессия T_m=77+0.69·T (см. рис. 4) для расчета IWV по формуле (5). Для пунктов YAKT и TIXI использованы квадратичные регрессии соответственно T_m=425–1.87·T+0.0046·T² и T_m=669–3.78·T+0.0084·T² (см. рис. 5). Для пункта IRKT в интервал ±4 мм попадает 78 % результатов разницы GPS PW – РЗ PW, аналогично для пункта YAKT попадает 77 %, для TIXI попадает 75 %.

7. СРАВНЕНИЕ МНОГОЛЕТНИХ ТРЕНДОВ PW ПО ДАННЫМ РЗ, МЕТЕОРОЛОГИИ И GPS

Рассмотрены многолетние изменения значений суммарного влагосодержания в виде осаждаемой воды PW по набору данных GPS-наблюдений и РЗ. В рядах наблюдений отсутствующие данные по GPS-измерениям и РЗ заполнялись значениями PW по метеоданным с использованием формул (4) и (5). Для пункта IRKT доля заполненных значений PW по метеорологическим данным не превысила 5 % в ряду по РЗ и 7 % в ряду по GPS-наблюдениям. В пунктах YAKT и TIXI соответствующие показатели составили: по РЗ – 0 и 6 %, по GPS-наблюдениям – 9 и 8 %. На рис. 10 представлены 23-летние изменения PW, полученные по данным РЗ (рис. 10, а) и в результате обработки GPS-данных (рис. 10, б) для пункта наблюдения IRKT. Во временном ряде по РЗ рассчитанные значения PW на основе метеоданных выделены красным цветом. Аналогично, во временном ряде по GPS-измерениям значения PW, полученные с использованием метеоданных, отображены темно-синим цветом. На рис. 11 и 12 представлены аналогичные 23-летние изменения PW по РЗ и GPS-наблюдениям для пунктов наблюдения YAKT и TIXI. Черные линии показывают общий тренд изменения PW за весь 23-летний срок наблюдений.

Как видно из рис. 10 и 11, в пунктах IRKT и YAKT наблюдаются отрицательные тренды PW по данным запусков радиозондов на уровне –0.14 мм и –0.73 мм за десятилетие соответственно. В то же время GPS-измерения в этих двух пунктах показывают положительные тренды на уровне +0.32 и +0.33 мм за десятилетие соответственно. Разнонаправленные результаты десятилетних трендов PW по РЗ и GPS-наблюдениям в первую очередь объясняются редкими радиозондовыми наблюдениями (не чаще двух раз в сутки), а также учетом всех запусков радиозондов, в том числе с недостаточной максимальной высотой зондирования. GPS-измерения же рассматриваются через каждые три часа [Dembelov et al., 2023]. Для пунктов IRKT и YAKT, расположенных в континентальной зоне с большими амплитудами годовых и суточных температурных колебаний, для большей достоверности результатов требуются более частые наблюдения. Необходимо отметить, что в данных условиях определение трендов многолетнего изменения суммарного влагосодержания тропосферы по результатам радиозондирований является некорректным.

Приземная температура в обоих пунктах имеет положительную тенденцию изменения за десятилетие (+0.36 К в пункте IRKT и +0.72 К в пункте YAKT). В приарктическом пункте TIXI наблюдаются положительные тренды как по РЗ (+0.33 мм за десятилетие), так и по GPS-наблюдениям (+0.36 мм за десятилетие) [Dembelov et al., 2023]. За эти же 23 года наблюдений приземная температура за десятилетие изменялась с трендом +1.1 К. В табл. 2 представлены рассматриваемые десятилетние тренды в указанных пунктах наблюдения. Как видно из табл. 2, десятилетние тренды PW по GPS-измерениям в трех пунктах наблюдения показывают довольно близкие положительные значения, тогда как десятилетние тренды приземной температуры воздуха в этих же пунктах значительно увеличиваются по мере увеличения географической широты.

В работах [Chen, Liu, 2016; Wang et al., 2016] отмечалось, что изменение суммарного влагосодержания тропосферы не везде коррелирует с изменением температуры, существуют заметные региональные различия. Во внутриконтинентальных районах корреляция между изменениями PW и приземной температурой меньше, чем над океанами. В некоторых регионах даже отмечаются противоположные тенденции [Wagner et al., 2006]. Значительные изменения PW и приземной температуры в последние годы, показанные в табл. 2, больше связаны с поведением самого водяного пара. Водяной пар гораздо больше других парниковых газов поглощает инфракрасной энергии, которая поступает от земной поверхности. Увеличение содержания водяного пара в атмосфере усиливает потепление, вызванное также другими парниковыми газами. Он поглощает тепло, исходящее от земной поверхности, и задерживает его выход в открытое пространство. Это больше увеличивает нагрев атмосферы, что приводит к еще большему влагосодержанию в атмосфере. Это явление известно как эффект «положительной обратной связи» [Zhou et al., 2023].

Значительное увеличение суммарного влагосодержания тропосферы по данным РЗ и GPS-наблюдений над пунктом TIXI несомненно связано с процессом ускоренного потепления Арктики. Увеличение влагосодержания в атмосфере подтверждает роль местного испарения в усилении арктического гидрологического цикла при потеплении климата, а не притока водяного пара в Арктику извне. В целом, полученные тренды PW и приземной температуры показывают усиление процесса глобального потепления в Арктической зоне.

В рис. 13 отражены десятилетние изменения скорости трендов суммарного влагосодержания (∆PW). Рассмотрены временные интервалы от 10 (1999–2008 гг.) до 23 лет (1999–2021 гг.). Для каждого пункта наблюдения рассмотрены изменения тренда ∆PW по РЗ наблюдениям, приземной метеорологии (meteo PW) и GPS-измерениям. Приземная метеорология подразумевает расчет PW с использованием формул (4) и (5). Наблюдается хорошая консолидация графиков по метеорологической модели и GPS-измерениям, когда учитываются более продолжительные тренды. Тренды по GPS-измерениям за 1999–2019, 1999–2020 и 1999–2021 гг. по всем трем пунктам показали фактически одинаковое значение на уровне 0.34±0.02 мм за десятилетие [Dembelov, Bashkuev, 2023a]. Для пункта IRKT среднее отклонение разницы GPS PW – meteo PW составило 0.15 мм; разницы РЗ PW – meteo PW составило 0.37 мм. Для пункта YAKT среднее отклонение составило соответственно 0.23 и 0.33 мм, для пункта TIXI 0.24 и 0.29 мм соответственно. Таким образом, регулярные GPS-измерения дают наиболее устойчивый многолетний тренд суммарного влагосодержания нижней атмосферы.

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для определения уровня влагосодержания по набору данных GPS-измерений выявлялись линейные и квадратичные эмпирические модели для T_m по результатам радиозондирований в пунктах аэрологии Росгидромета вблизи рассматриваемых пунктов наблюдения IRKT, YAKT и TIXI. Показано, что для YAKT и TIXI квадратичная модель лучше описывает связь между приземной температурой T и средневзвешенной T_m.

Построены 23-летние ряды суммарного влагосодержания атмосферы на основе данных радиозондирований и GPS-измерений для пунктов IRKT, YAKT и TIXI. За период 1999–2021 гг. рассмотренные тренды PW, оцененные на основе РЗ, для IRKT и YAKT оказались отрицательными, –0.14 и –0.73 мм за десятилетие. Многолетние GPS-измерения в этих двух пунктах показали положительные тренды на уровне +0.32 и +0.33 мм за десятилетие соответственно. В приарктическом пункте TIXI обнаружены положительные изменения PW как по РЗ (+0.33 мм за десятилетие), так и по GPS-наблюдениям (+0.36 мм за десятилетие) [Dembelov, Bashkuev, 2023b]. Изменения приземной температуры воздуха в трех пунктах демонстрируют существенный рост с юга на север (+0.36 К в пункте IRKT, +0.72 К в YAKT и +1.1 К в TIXI). Радиозондирования, помимо того, что они выполняются всего лишь два раза в сутки, имеют некоторые недостатки, которые могут заметно влиять на качество получаемых данных [Haase et al., 2003], поэтому GPS-измерения показали наиболее достоверные 23-летниие изменения влагосодержания тропосферы в трех выбранных пунктах наблюдения.

Суммарное влагосодержание в атмосферном воздухе постоянно меняется и в основном зависит от температуры воздуха и от солнечной радиации, которая необходима в процессе испарения воды с земной поверхности. Существенные увеличения PW и приземной температуры в трех пунктах наблюдения (табл. 2) подтверждают активное проявление эффекта «положительной обратной связи» в последние годы. Особенно сильно это наблюдается в пункте наблюдения TIXI, где проявляется процесс ускоренного потепления Арктики.

Рассмотренные временные ряды: с 1999–2008 (10 лет) до 1999–2021 гг. (23 года) для каждого пункта наблюдения по GPS-измерениям показали консолидированное значение на уровне 0.34±0.02 мм за десятилетие. Хотя за те же 23 года рассмотрения изменения средней приземной температуры за десятилетие заметно отличались и составили +0.36 К для IRKM; +0.72 К для YAKT и +1.1 К для TIXI. Связь изменения PW от изменения температуры проявлялась по GPS-наблюдениям, но по РЗ подобная зависимость отсутствовала.

Таким образом, выполненное исследование, основанное на анализе данных GPS-наблюдений и радиозондирований, позволяет сделать вывод о существенных положительных трендах влагосодержания тропосферы в различных широтных зонах Восточной Сибири. В ходе работы были построены длинные временные ряды PW, что позволило выявить как устойчивые тенденции (в частности, по GPS-данным), так и методологические ограничения радиозондов, связанные с частотой запусков, высотной дискретностью, отклонениями по расстоянию, запаздыванием отсечек и другое.

Интеграция регулярных GPS-наблюдений с метеорологическими и радиозондовыми данными создает надежную основу для удовлетворительного по точности моделирования атмосферных процессов и анализа региональных последствий глобального потепления.

9. БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают благодарность научному сотруднику Казанского федерального университета В.В. Калинникову за предоставленную возможность расчетов полной зенитной тропосферной задержки по данным GPS-измерений методом PPP.

10. ЗАЯВЛЕННЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ / CONTRIBUTION OF THE AUTHORS

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

All authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

11. РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ / DISCLOSURE

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

The authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.