الاستشعار عن بعد وتغير المناخ

4 يوليو 2023

روابط سريعة :-

إعداد: أ.د.عطية الجيار

أستاذ بمعهد بحوث الأراضي والمياه والبيئة بمركز البحوث الزراعية

يؤدي الاستشعار عن بعد ونظام المعلومات الجغرافية دورا محوريا في رسم الخرائط البيئية، واستكشاف المعادن، والزراعة، والغابات، والجيولوجيا، والمياه، والمحيطات، وتخطيط البنية التحتية وإدارتها، وتخفيف الكوارث وإدارتها، وما إلى ذلك، وقد نما الاستشعار عن بعد ونظام المعلومات الجغرافية كأداة رئيسية لجمع معلومات عن كل جوانب الأرض تقريبا خلال العقود القليلة الماضية.

تابعونا على قناة الفلاح اليوم

تابعونا على صفحة الفلاح اليوم على فيس بوك

في السنوات الأخيرة، توافرت بيانات ساتلية ذات استبانة مكانية وطيفية عالية للغاية وتضاعفت التطبيقات فيما يتعلق بأغراض مختلفة. ساهم الاستشعار عن بعد ونظام المعلومات الجغرافية إسهاما كبيرا في الأنشطة التنموية، حيث تقدم الاستشعار عن بعد بالأقمار الصناعية تقدما كبيرا في فهم النظام المناخي وتغيراته، من خلال تحديد العمليات والحالات المكانية والزمانية للغلاف الجوي والأرض والمحيطات.

في هذا المقال نستعرض بعض الاكتشافات المهمة حول النظام المناخي الذي لم يتم اكتشافه بواسطة النماذج المناخية والرصدات التقليدية؛ على سبيل المثال، النمط المكاني لارتفاع مستوى سطح البحر وتأثيرات التبريد لزيادة الهباء الجوي الستراتوسفير.

أصبحت الرؤى الجديدة ممكنة من خلال التغطية المكانية العالمية والدقيقة التي لا مثيل لها لرصد الأقمار الصناعية، ومع ذلك فإن المدة القصيرة لسلسلة المراقبة وشكوكها لا تزال تشكل تحديات لالتقاط الاتجاهات القوية طويلة الأجل للعديد من متغيرات المناخ.

ثم نشير إلى الحاجة إلى العمل المستقبلي والأنظمة المستقبلية للاستفادة بشكل أفضل من الاستشعار عن بعد في دراسات تغير المناخ.

أولا: بيانات الرصد ومحاكاة النماذج هي أسس فهمنا للنظام المناخي

– يعد الاستشعار عن بعد بالأقمار الصناعية (SRS) – الذي يكتسب معلومات عن سطح الأرض وتحت السطح والغلاف الجوي عن بُعد من أجهزة الاستشعار الموجودة على متن الأقمار الصناعية (بما في ذلك الأقمار الصناعية الجيوديسية) – عنصرا مهما في عمليات رصد النظام المناخي.

منذ أن تم إجراء أول مراقبة فضائية للإشعاع الشمسي وانعكاس السحب باستخدام مقاييس إشعاع على متن القمر الصناعي Vanguard-2 في عام 1959، أصبحت SRS تدريجيا طريقة بحث رائدة في دراسات تغير المناخ.

– يسمح استخدام الأقمار الصناعية بمراقبة حالات وعمليات الغلاف الجوي والأرض والمحيط على عدة نطاقات مكانية وزمانية. على سبيل المثال، يعد أحد أكثر الأساليب كفاءة لرصد الغطاء الأرضي وتغيراته عبر الزمن عبر مجموعة متنوعة من المقاييس المكانية.

– كثيرا ما تُستخدم بيانات الأقمار الصناعية مع النماذج المناخية لمحاكاة ديناميكيات النظام المناخي ولتحسين الإسقاطات المناخية.

– تساهم بيانات الأقمار الصناعية أيضا بشكل كبير في تحسين منتجات إعادة تحليل الأرصاد الجوية التي تُستخدم على نطاق واسع في أبحاث تغير المناخ، على سبيل المثال، إعادة تحليل المركز الوطني للتنبؤ البيئي (NCEP). أدرج النظام العالمي لرصد المناخ (GCOS) من أصل 50 متغيرا مناخيا أساسيا (ECVs) باعتبارها تعتمد بشكل كبير على عمليات المراقبة عبر الأقمار الصناعية.

– تُستخدم البيانات من SRS أيضا على نطاق واسع لتطوير تدابير الوقاية والتخفيف والتكيف للتعامل مع تأثير تغير المناخ.

– على الرغم من المساهمات المذكورة أعلاه من SRS، هناك مخاوف بشأن ملاءمة بيانات الأقمار الصناعية لرصد وفهم تغير المناخ. تتطلب دراسات تغير المناخ أن يتم معايرة / التحقق من صحة الملاحظات واتساقها، وتوفير أخذ العينات الزمانية والمكانية الكافية على مدى فترة زمنية طويلة.

– مع ذلك، غالبا ما تحتوي بيانات الأقمار الصناعية على شكوك ناجمة عن التحيز في أجهزة الاستشعار والاسترجاع، فضلا عن التناقضات بين بعثات الأقمار الصناعية المستمرة باستخدام نفس أجهزة الاستشعار. يتطلب استخدام رصد الأقمار الصناعية في دراسات تغير المناخ تحديدا واضحا لهذه القيود.

– في هذا الاستعراض نناقش مساهمة SRS في فهمنا لتغير المناخ والعمليات التي ينطوي عليها. نحن نركز على الاكتشافات التي تدعم تقنية SRS والتي أثبتت أو تحدت معرفتنا الأساسية بتغير المناخ.

– هدفنا الرئيسي هو الكشف عن المساهمات الفريدة والقيود الرئيسية لتطبيق SRS كما هو مستخدم في هذه الدراسات.

ثانيا: ملاحظات النظام المناخي

عادة ما يتم جمع الملاحظات الأرضية التقليدية على فترات زمنية ثابتة مع تغطية مكانية محدودة، بينما يسمح SRS بالمراقبة المستمرة على النطاق العالمي. وقد عزز هذا بشكل كبير فهمنا للنظام المناخي وتغيراته.

ثالثا: الاحتباس الحراري

– قدم اتجاه الاحترار لمتوسط درجة حرارة سطح الأرض منذ أواخر القرن التاسع عشر دليلاً على التأثيرات البشرية على المناخ العالمي.

– تم تحديد هذا الاتجاه لأول مرة من خلال تحليل الحالات الشاذة في السلاسل الزمنية لدرجة حرارة الهواء بالقرب من سطح الأرض والتي تم تسجيلها بواسطة محطات الطقس. ومع ذلك تم تحدي وجود هذا الاتجاه باستمرار بسبب التحيزات في سجلات الطقس الناجمة عن أشياء مثل سوء تحديد مواقع الأجهزة وتأثير تغيرات استخدام الأراضي / الغطاء الأرضي.

– توفر بيانات الأقمار الصناعية طريقة مستقلة للتحقيق في اتجاهات درجات الحرارة العالمية، لا سيما على سطح المحيط وفي الغلاف الجوي.

– تعمل درجات حرارة سطح البحر (SSTs) للمحيطات – التي ترتبط ارتباطا مباشرا بنقل الحرارة بين الغلاف الجوي والمحيطات – كمؤشرات مهمة لحالة النظام المناخي.

– يسمح لنا مقياس الإشعاع المتقدم عالي الدقة الموجود على متن أقمار المحيطات والغلاف الجوي (NOAA) بمراقبة SST في جميع أنحاء العالم. لوحظت زيادة في درجة حرارة سطح البحر في جميع أحواض المحيطات منذ السبعينيات، بمتوسط زيادة تقدر بـ0.28 درجة مئوية من 1984 إلى 2006.

رابعا: الثلج والجليد

– يعد تراجع الغطاء الجليدي والجليد مؤشرا هاما على ظاهرة الاحتباس الحراري. يمكن أن يسبب ذوبان الجليد والغطاء الجليدي الموسمي ردود فعل إيجابية من خلال خفض البياض لسطح الأرض، وهذا الأخير يساهم في ارتفاع مستوى سطح البحر (SLR). لعبت البيانات من SRS دورا مهما في مراقبة ديناميكيات امتداد الجليد والأغطية الجليدية.

– تمت مراقبة مدى الغطاء الجليدي (SCE) فوق نصف الكرة الشمالي بشكل روتيني منذ عام 1967 باستخدام مستشعرات النطاق المرئي وأجهزة استشعار الموجات الدقيقة التي تحملها الأقمار الصناعية.

– أظهرت السلاسل الزمنية المعاد بناؤها استنادا إلى مجموعة بيانات NOAA SCE والقياسات في الموقع أنه، بشكل عام، تم تقليل SCE فوق نصف الكرة الشمالي بمقدار 0.8 مليون كيلومتر مربع لكل عقد في مارس وأبريل من 1970 إلى 2010.

– تشير مقارنة SCE الأخيرة مع قيم ما قبل 1970 إلى انخفاض بنسبة 7٪ و11٪ في مارس وأبريل، على التوالي.

– هذا الاتجاه يتوافق مع الاحترار العالمي الملحوظ على سطح الأرض.

– تعرض عمليات رصد الأقمار الصناعية أيضا أنماطا إقليمية قوية من SCE التي تتأثر بتقلب المناخ الإقليمي.

– يتم رصد مدى الجليد البحري بشكل أساسي بواسطة مستشعرات الميكروويف السلبية مثل أجهزة الاستشعار / أجهزة التصوير الخاصة بالميكروويف (SSM / I). يُظهر النمط الأخير الذي تم تحديده من سجلات الأقمار الصناعية أن امتداد الجليد البحري في القطب الجنوبي قد زاد بنسبة 1.5 ± 0.4٪ لكل عقد من 1979 إلى 2010.

– يفترض الباحثون أن هذه الزيادة الطفيفة كانت ناجمة عن انخفاض انتقال الحرارة إلى أعلى في المحيطات وزيادة تساقط الثلوج.

– ينعكس الوضع في القطب الشمالي، حيث تُظهر أرصاد الأقمار الصناعية اتجاها سلبيا عاما يبلغ 4.1 ± 0.3٪ لكل عقد في تلك الفترة، مع حدوث أكبر اتجاه سلبي في الصيف. هذا بالنظر إلى أن متوسط عمر الجليد متعدد السنوات آخذ في التناقص، وانخفضت النسبة المئوية للجليد الأقدم من 50٪ من حزمة الجليد متعددة السنوات إلى 10٪ من 1980 إلى 2011.

– تم تقدير الخسائر الجماعية للصفائح الجليدية في القطب الجنوبي عن طريق قياس تغيرات ارتفاع السطح من بيانات قياس الارتفاع بالأقمار الصناعية (التي تم جمعها بواسطة الأقمار الصناعية مثل ERS-1 / -2 وEnvisat وICESat وCryoSat-2) أو عن طريق قياس كتلة الجليد التغييرات باستخدام بيانات الأقمار الصناعية لاستعادة الجاذبية وتجربة المناخ (GRACE).

– يُظهر كلا التقديرين أن الصفائح الجليدية في القطب الجنوبي تفقد كتلتها. وجدت أحدث الدراسات أن هذه الصفائح الجليدية القطبية ساهمت بمتوسط 0.59 ± 0.2 مم في العام في معدل SLR العالمي منذ عام 1992. ومع ذلك، فإن تقديرات معدلات فقدان الكتلة شديدة التباين.

– كل من الأساليب المستندة إلى GRACE والمستندة إلى مقياس الارتفاع لها قيود، وقد حققت الجهود المبذولة للجمع بين نقاط القوة في الاثنين نجاحا جزئيا فقط. جنبا إلى جنب مع الاتجاه المتوسط، تم الكشف عن تسارع تصريف الجليد في القطب الجنوبي من خلال تسجيلات الرادار المحمولة على القمر الصناعي. تشير هذه النتيجة والدراسات اللاحقة إلى أن التفاعل بين الجليد والمحيط يقود الكثير من الزيادة الأخيرة في فقدان الكتلة من الصفائح الجليدية في القطب الجنوبي.

– تم الاستشهاد بانحسار الأنهار الجليدية للجبال العالمية والقلنسوة الجليدية (GICs) كعلامة واضحة على ظاهرة الاحتباس الحراري. ومع ذلك، تظهر أرصاد الأقمار الصناعية أن مدى وحجم الذوبان لبعض أنظمة الأنهار الجليدية كانا أقل من المتوقع.

– استنادا إلى بيانات مقياس إشعاع الانعكاس والانبعاث الحراري المتقدم المنقول عبر الفضاء (ASTER) وبيانات رصد القمر الصناعي في الأرض (سبوت)، كانت ديناميكيات الأنهار الجليدية في منطقة الهيمالايا شديدة التباين بين عامي 2000 و2008. على الرغم من تراجع نسبة 65٪ من الأنهار الجليدية المتأثرة بالرياح الموسمية، إلا أن 50٪ من الأنهار الجليدية في منطقة كاراكورام في شمال غرب جبال الهيمالايا كانت تتقدم أو مستقرة.

– كان فقدان الكتلة في GICs العالمية التي تم تقييمها باستخدام قياسات GRACE خلال الفترة 2003-2010 (باستثناء GICs المحيطية في جرينلاند والقطب الجنوبي) أقل بنسبة 30٪ من نتيجة توازن الكتلة في الموقع.

– في الجبال العالية في آسيا، قُدِّر معدل ضياع الأنهار الجليدية من حيث مساهمة مستوى سطح البحر بنحو 0.01 ± 0.06 مم في العام، وهو أقل بكثير من 0.13 – 0.15 مم في العام المحسوبة بواسطة دراسات أخرى.

– عدم اليقين، فهي تُظهر تراجعا غير منتظم للأنهار الجليدية وتغيرات إقليمية تم التحقق منها من خلال الملاحظات في الموقع. كما أنها تشير إلى أن المساهمة المقدرة للمياه من ذوبان الأنهار الجليدية في SLR قد تكون أقل من المتوقع في مناطق معينة. من الواضح أن العوامل المسببة بخلاف درجة حرارة السطح يجب أخذها في الاعتبار عند توقع التطور المستقبلي للأنهار الجليدية.

خامسا: تغيير مستوى سطح البحر

– يتحكم مستوى سطح البحر بالظروف المناخية التي تتأثر بتغير المناخ وتقلبه. على أساس مواقع المراقبة ذات الجودة العالية لسجلات قياس المد والجزر، قُدِّر متوسط SLR العالمي بـ1,9 ± 0.4 مم في العام منذ عام 1961. رصدات قياس الارتفاع عبر الأقمار الصناعية باستخدام القمر الصناعي TOPEX / Poseidon الذي أطلقته وكالة ناسا والمركز الوطني للدراسات. (Spatiales CNES)، التي رسمت خريطة تضاريس سطح المحيط من عام 1992 إلى عام 2006، بالإضافة إلى متابعتها ومهام أخرى، لاحظت متوسط SLR عالميا يبلغ حوالي 3.2 ± 0.8 مم في العام بين عامي 1992 و2010.

– تم الكشف عنها من خلال رصد الأقمار الصناعية. ومع ذلك ربما كانت هذه الأنماط المكانية سمات عابرة تأثرت بظاهرة النينيو / النينيا أو الإشارات ذات الفترة الأطول. كما تم اكتشاف انتشار الدوامات المتوسطة (نصف قطرها حوالي 100 كم أو أقل) في المحيطات من خلال عمليات الرصد الساتلية، مما أدى إلى تغيير عميق لفهمنا العلاقة بين دوران مستوى سطح البحر والمحيطات.

– كان المتوسط العالمي SLR منذ العقد الأخير من القرن العشرين المقدر من بيانات الأقمار الصناعية أعلى بكثير من ذلك المحسوب من بيانات مقياس المد والجزر خلال القرن العشرين. ومع ذلك، نظرا لقصر فترة البيانات (حوالي عقدين) من قياس الارتفاع عبر الأقمار الصناعية، يمكن أن يتأثر المعدل المقدر الأعلى لـSLR بالتغيرات المحيطية بين السنوات أو التباينات الأطول، وليس بالضرورة تسريع SLR.

– إن معرفة سبب تغيير معدل SLR أمر مهم لتوقعاته المستقبلية القوية. استبعد التحقق من ملاحظات قياس الارتفاع مقابل بيانات مقياس المد والجزر احتمال أن يكون هذا التغيير في الاتجاه زائفا، أو ناتجا عن التحيزات في بيانات الأقمار الصناعية.

– لم تُظهر معايرات مقياس المد والجزر أي انحراف في الاتجاه في بيانات قياس الارتفاع الساتلية المجمعة لمدة 18 عاما.

– كان المتوسط العالمي SLR من سجلات قياس المد والجزر وحده 2.8 ± 0.8 مم في العام للفترة 1993-2009، وهو لا يختلف بشكل كبير عن القيم المقدرة من قياس الارتفاع بالقمر الصناعي. تحتوي قيم SLR على تغير ثابت (من التغيرات في المحتوى الحراري الكلي والملوحة) ومكونات تغير الكتلة.

– في دراسات ميزانية مستوى سطح البحر، يجب أن يكون إجمالي SLR المقاس من مقاييس الارتفاع الساتلية مساويا لمجموع مكافئ SLR لتغيرات الكتلة التي لاحظها GRACE وتغير مستوى سطح البحر الثابت المقاس بواسطة الشبكة في الموقع لبيانات الهيدروغرافيا المجمعة.

– على سبيل المثال، من خلال نظام Argo (مجموعة عالمية من 3000 عوامة حرة الانجراف التي تقيس درجة حرارة وملوحة 2000 متر العلوي من المحيط). تظهر النتائج الأولية اتفاقا عاما في المناطق التي تعمل فيها أنظمة المراقبة الثلاثة.

مع ذلك لا يمكن إغلاق ميزانية مستوى سطح البحر بالكامل بمجموعات البيانات الموجودة. يجب معالجة الأخطاء المنهجية في كل نظام مراقبة، والخطأ في نمذجة تعديل التوازنات الجليدية (GIA) (المحاسبة عن ارتداد سطح الأرض بعد الجليدية)، وهناك حاجة إلى فترات مراقبة أطول.

– تقدير الاتجاهات بدقة في المتوسط العالمي SLR لا يزال مهمة صعبة. هناك حاجة إلى فترة مراقبة أطول للتمييز بين التباين بين السنوات والعقد من الاتجاه طويل الأجل في سجلات مستوى سطح البحر. قياسات الارتفاع الساتلية لمتوسط مستوى سطح البحر للمناطق خارج المنطقة 66 درجة شمالا -66 درجة جنوباً غير متاحة بسهولة.

قدمت الجهود الأخيرة لاستخدام بيانات قياس الارتفاع متعددة السواتل التي تغطي المحيط الخالي من الجليد لتوليد بيانات أسبوعية عن مستوى سطح البحر للشبكات للمناطق الواقعة بين 66 و82 درجة شمالا حلا جزئيا.

سادسا: الإشعاع الشمسي

– من المهم تتبع التغيرات في لمعان الشمس (مقاسة بالإشعاع الشمسي الكلي TSI)، لتحديد ما إذا كان التباين الطبيعي في الإشعاع الشمسي قد ساهم بشكل كبير في تغير المناخ مؤخرا. بدأت المراقبة الساتلية لـTSI في عام 1978 باستخدام مقاييس إشعاع الاستبدال الكهربائي ذات التجويف النشط. تشير عمليات المحاكاة المناخية إلى أن الاختلاف في TSI كان له تأثير ضئيل على الاحترار العالمي. حددت إحدى الدراسات أن الشمس ربما تكون قد ساهمت بنسبة 25-35٪ من الاحترار العالمي 1980-2000. تم العثور على تأثير ضئيل تقريبًا في دراسة لاحقة باستخدام نفس البيانات، وتم اقتراح قيود منهجية الاسترجاع التي تم استخدامها سابقا.

– حددت الدراسات الحديثة الطرق المحتملة التي يؤثر بها التباين في الإشعاع الطيفي الشمسي على المناخ. أظهرت القياسات المأخوذة من جهاز مراقبة الإشعاع الطيفي (SIM) على متن القمر الصناعي لتجربة الإشعاع الشمسي والمناخ (SORCE) أن الأشعة فوق البنفسجية قد انخفضت خلال دورة الطاقة المغناطيسية الشمسية أربع إلى ست مرات أكثر مما كان متوقعا من حسابات النموذج.

– يتم تعويض هذا الانخفاض جزئيا عن طريق زيادة الإشعاع عند أطوال الموجات المرئية. ارتبطت هذه التغيرات الطيفية بانخفاض كبير في أوزون الستراتوسفير تحت ارتفاع 45 كم من 2004 إلى 2007، مما تسبب في تأثير مضاعف في جميع أنحاء الغلاف الجوي وساهم في الاحترار السطحي العالمي.

– تم أيضا ربط التباين في الإشعاع فوق البنفسجي الشمسي بالشتاء البارد في شمال أوروبا وكندا باستخدام قياسات SIM كمدخلات لتشغيل النماذج المناخية. ومع ذلك ، يعتقد البعض الآخر أن الاختلاف الملحوظ هو نتيجة لتصحيح ناقص لاستجابة الجهاز للتغييرات أثناء القياسات المبكرة في المدار أو الانجرافات غير المكتشفة في حساسية الأجهزة.

– لا يمكن تأكيد التغيير الحقيقي في الطيف الشمسي وتأثيره إلا عندما تصبح قياسات SIM الأطول فترة متاحة ويتم أخذ المزيد من العوامل في الاعتبار في محاكاة نماذج المناخ.

سابعا: الغبار الجوي

– يمكن للجسيمات الموجودة في الغلاف الجوي والمعروفة باسم الهباء الجوي أن تولد تأثيرا تبريدا على نظام المناخ، مما يؤدي إلى مواجهة آثار الاحترار لغازات الدفيئة البشرية المنشأ من خلال التأثير على كل من الإشعاع الجوي وعمليات السحب والتساقط.

– تم تحديد التغييرات الأخيرة في تركيز الهباء الجوي من خلال العمق البصري للهباء الجوي (AOD)، وهو مشتق من الملاحظات المسجلة بواسطة أجهزة الاستشعار البصرية المرئية والأشعة تحت الحمراء على متن سواتل مختلفة. منذ عام 1982، تُظهر هذه البيانات اتجاهًا سلبيًا في طبقة التروبوسفير فوق أمريكا الشمالية ومعظم أوروبا، واتجاها إيجابيا في جنوب وشرق آسيا. من المحتمل أن يصل التأثير الإجمالي العام لهذه التغييرات الإقليمية إلى اتجاه سلبي صغير ، يُعزى إلى الجهود المبذولة في أمريكا الشمالية وأوروبا للسيطرة على تلوث الهواء والتصنيع السريع في البلدان الآسيوية.

– النتائج مهمة، حيث تنتج الهباء الجوي في طبقة التروبوسفير تأثيرا إشعاعيا مباشرا وغير مباشر يمكن أن يغير بشكل كبير الأنماط الإقليمية لتغير المناخ. زادت تركيزات الهباء الجوي في الستراتوسفير بنسبة تصل إلى 10٪ منذ عام 2000، على عكس الافتراضات المستخدمة في النماذج المناخية بأن طبقة الهباء الجوي الستراتوسفير الخلفية ثابتة.

– ربما تسببت هذه الزيادة في تأثير إشعاعي سلبي يبلغ حوالي 0.1 واط في المتر المربع، مما يعني تبريدا عالميا يبلغ حوالي 0.07 درجة مئوية وبالتالي أقل بنسبة 10٪ من SLR منذ عام 2000. وتعزى الزيادة إلى انبعاثات البراكين صغيرة الحجم.

– توفر الملاحظات الساتلية للتأثيرات المناخية المباشرة وغير المباشرة بواسطة الهباء الجوي مقارنات مستقلة للنماذج المناخية. يُحسب التأثير الإشعاعي المباشر للهباء البشري المنشأ من خلال الجمع بين الملاحظات الساتلية لميزانية الإشعاع وAOD. تبلغ القيمة المقدرة حوالي 1.0 ± 0.34 واط لكل متر مربع، وهي أكبر من 0.5 ± 0.4 واط لكل متر مربع.

– تشمل تفسيرات هذا الخلاف التحيز في بيانات الأقمار الصناعية ونقص النماذج في محاكاة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبصرية للهباء الجوي. تتراوح الآثار غير المباشرة للهباء الجوي التي يتم تقييمها باستخدام بيانات الأقمار الصناعية من -0.2 إلى -0.5 وات في المتر المربع ، وهو أصغر بثلاث إلى ست مرات من تقديرات النموذج.

– أحد أسباب هذا الاختلاف هو أن الأساليب المعتمدة على الأقمار الصناعية تستخدم العلاقة الحالية بين محتوى الماء السحابي المرصود وAOD لتحديد القيم السابقة للتصنيع لتركيز القطرات، ولكن ربما يكون السبب الرئيسي هو المبالغة في تقدير النماذج، لأنها لا تزال غير قادرة على ذلك. محاكاة العمليات السحابية بدقة.

– يتم فهم التفاعلات بين السحابة والهباء الجوي والتهطال بشكل أفضل أيضا من خلال ملاحظات SRS. تُظهر بيانات السحاب والهباء الجوي أن جزيئات الغبار التي يتم رفعها إلى طبقة السحب الباردة تعزز تكوين بلورات الجليد في السحب فائقة التبريد وتقلل من بياض السحب – مما يؤدي بدوره إلى تقليل انعكاس الإشعاع الشمسي وتقليل تأثيرات التبريد.

ثامنا: السحاب

– يعمل التأثير المناخي وردود الفعل من السحب على ضبط تدفق الطاقة في جميع أنحاء نظام الأرض. صافي تأثير السحابة (NCF) هو يقدر بـ -21 واط في المتر المربع من خلال الجمع بين نماذج المحاكاة مع تجربة ميزانية إشعاع الأرض (ERBE) ورصد السحب ونظام الطاقة المشعة للأرض (CERES).

– تُحسب ردود الفعل السحابية على التغيرات المناخية قصيرة الأجل على أنها قيمة موجبة تبلغ 0.54 ± 0.74 واط في المتر المربع على أساس الملاحظات الساتلية لميزانية إشعاع الجزء العلوي من الغلاف الجوي. توفر هذه التقديرات قيودًا جيدة لنماذج المناخ.

– تكون مخرجات النموذج للتعليقات السحابية قصيرة المدى (النطاق العشري) في نفس نطاق الملاحظات الساتلية ، مما يشير إلى أن النماذج المناخية يمكن أن تحاكي استجابة السحب للتغيرات المناخية قصيرة الأجل. ومع ذلك ، تعتبر التغذية المرتدة من السحب أكثر الظواهر المناخية تعقيدا وأقلها فهما.

– على سبيل المثال، أظهرت القياسات التي تم إجراؤها باستخدام مقياس طيف التصوير متعدد الزوايا (MISR) على متن القمر الصناعي Terra انخفاضا في ارتفاع السحابة الفعالة العالمية بين عامي 2000 و2010. وقد يؤدي خفض قمة السحابة إلى ردود فعل سلبية على السحابة لم يتم أخذها في الاعتبار من قبل.

– ومع ذلك، لا تزال منتجات السحابة الساتلية تفتقر إلى الدقة والمدة اللازمتين لاكتشاف الاتجاهات في خصائص السحابة التي تعتبر بالغة الأهمية لفهم التغذية المرتدة طويلة الأجل (على نطاق مئوي) للتغيرات المناخية.

– لفهم التغذية الراجعة السحابية بشكل أفضل، يلزم إجراء عمليات رصد ثابتة طويلة المدى للأقمار الصناعية لأنواع السحب وخصائصها الفيزيائية، فضلا عن التأثيرات الإشعاعية.

تاسعا: بخار الماء وهطول الأمطار

– يعد بخار الماء من الغازات الدفيئة المهمة حيث يساهم بحوالي 50٪ من تأثير الاحتباس الحراري العالمي الحالي.

– تتنبأ النماذج بأن احترار المناخ سيزيد من الرطوبة النوعية للغلاف الجوي (مما يؤدي إلى ردود فعل إيجابية)، وبالتالي، يؤدي إلى تضخيم الاحترار بقوة. من عام 1988 إلى عام 2003 ، لوحظت زيادة قدرها 0.4 ± 0.09 مم لكل عقد من المياه القابلة للتساقط في طبقة التروبوسفير فوق المحيط باستخدام بيانات SSM / I.

– تم الكشف أيضا عن ارتباط قوي بين محتوى بخار الماء في التروبوسفير ودرجة حرارة السطح فوق مزيج المحيط والأرض خلال الفترة 1988-2008 باستخدام مزيج من بيانات SSM / I والمسبار اللاسلكي (الأجهزة المستضافة على بالونات الطقس).

– أظهرت سجلات مسبار الأشعة تحت الحمراء عالي الدقة (HIRS) من 1979 إلى 2009 زيادة متوسطة في محتوى بخار الماء في طبقة التروبوسفير العليا فوق المناطق الاستوائية. على الرغم من ملاحظة التغيرات الإقليمية والموسمية وبين السنوات وحتى الأطول التي تستجيب للأحداث المناخية العشرية مثل النينيو التذبذب الجنوبي (ENSO)، إلا أن ملاحظات الأقمار الصناعية تدعم باستمرار ردود فعل إيجابية لبخار الماء في التروبوسفير على مقياس زمني طويل.

– تم الكشف عن اتجاه مختلف في رصد محتوى بخار الماء في الستراتوسفير. أشارت مجموعات البيانات الساتلية المأخوذة من تجربة حدوث الهالوجين (HALOE)، وتجربة الأيروسول والغاز الاستراتوسفيري الثانية (SAGEII) ومسبار أطراف الميكروويف (MLS) إلى أن محتوى بخار الماء في الستراتوسفير زاد باستمرار من عام 1980 إلى عام 2000، ثم انخفض بنسبة 10٪ بين عامي 2000 و2009، مما ساهم في تسطيح اتجاه الاحتباس الحراري.

– تدعم الملاحظات الساتلية أيضًا النظرية القائلة بأن محتوى بخار الماء في الستراتوسفير منظم بإحكام من خلال درجة حرارة التروبوبوز الاستوائية، على الرغم من أن الفصل قد يحدث على نطاق زمني قصير. قدمت هذه النتائج إثباتا قويا لقدرات النماذج المناخية لمحاكاة ردود الفعل من بخار الماء.

– يلعب هطول الأمطار دورا أساسيا في دورة المياه والطاقة العالمية، وترتبط اختلافاته ارتباطا وثيقا بتغير المناخ. يمكن استرجاع التباين المكاني والزماني لهطول الأمطار على النطاق العالمي من الملاحظات التي يتم إجراؤها بواسطة أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء على متن الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض، وأجهزة استشعار الموجات الدقيقة المنفعلة التي تحملها الأقمار الصناعية التي تدور في مدار قطبي والرادارات النشطة مؤخرا على متن القمر الصناعي TRMM وخلفياته.

– أشارت سجلات الأقمار الصناعية بين عامي 1987 و2006 إلى أن استجابة التهطال للاحترار العالمي كانت 7٪ K-1 من الاحترار السطحي، وهي أعلى بكثير من 1–3٪ K-1 التي تنبأت بها النماذج المناخية. أثارت الملاحظة نقاشا حادا حول ما إذا كان هناك تباين كبير بين اتجاهات هطول الأمطار المرصودة والمنمذجة.

– على الرغم من الدراسات أدى استخدام السلاسل الزمنية للقمر الصناعي الأطول إلى معدلات زيادة أقل، ولا تزال هذه النتائج تعتبر غير حاسمة بسبب قصر السلسلة.

– كما وجد أن العلاقة بين هطول الأمطار المرصودة بواسطة الأقمار الصناعية والشذوذ في درجة الحرارة السطحية العالمية على نطاق سنوي ضعيف خلال 1988 – 2008 إذا تمت إزالة التأثير الواسع النطاق بما في ذلك ENSO والانفجارات البركانية.

– أظهر مسح لنواتج هطول الأمطار طويلة الأجل المتوفرة المعتمدة على الأقمار الصناعية في الغالب اتجاها ضئيلا أو معدوما في هطول الأمطار العالمي.

– توضح هذه النتائج المتباينة مشاكل اكتشاف اتجاه متوسط عالمي قوي لهطول الأمطار، نتيجة للتنوع الكبير في هطول الأمطار، والتحيزات المنهجية المرتبطة بالأدوات، والتفسير غير الكافي لخصائص السطح والغلاف الجوي.

– على الرغم من عدم اليقين بشأن الاتجاه العام، فقد عززت عمليات المراقبة عبر الأقمار الصناعية بشكل كبير فهمنا للعمليات المناخية التي تتحكم في تقلب هطول الأمطار. على سبيل المثال، تأثير درجة حرارة سطح البحر على نمط هطول الأمطار الإقليمي على نطاقات زمنية متعددة السنوات ومتعددة العقود، وانتشار اتجاهات “الرطوبة أكثر رطوبة” و”الجفاف الجاف” في المناطق المدارية.

عاشرا: القيود والحلول

يمكن تحديد ثلاثة قيود متكررة من هذه الدراسات: فترات بيانات قصيرة لسجلات الأقمار الصناعية، والتحيزات المرتبطة بالأدوات، والشكوك في عمليات الاسترجاع.

ا – فترات قصيرة من مجموعات بيانات الأقمار الصناعية:

– قد يواجه الباحثون الذين يستخدمون سلاسل زمنية قصيرة من بيانات الأقمار الصناعية صعوبة في الفصل بشكل موثوق بين الاتجاهات طويلة الأجل والتغيرات بين السنوية والعقدية.

– بشكل حدسي، لاكتشاف الاتجاهات الأكثر دقة في تغير المناخ، يجب أن تتمتع عمليات المراقبة عبر الأقمار الصناعية بالاستمرارية والاتساق والتجانس على المدى الطويل (وهذا يعني أن العوامل غير المناخية مثل الأدوات وطرق المراقبة لها تأثيرات متجانسة على جميع البيانات المرصودة).

– ومع ذلك، لا توجد متطلبات موحدة لطول المراقبة. حددت بعض الدراسات الحد الأدنى من المتطلبات لمتغيرات المناخ ، والتي تتراوح من 40 عاما لتتبع تغير لون المحيطات 89 إلى 60 عاما لتحديد SLR90. اقترح النظام العالمي لرصد المناخ GCOS 30عامًا للمراقبة الساتلية للنظام المناخي.

هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد أطوال السلاسل الزمنية الساتلية المطلوبة لاكتشاف الاتجاهات الموثوقة في متغيرات المناخ الأخرى. يوضح فحص أطوال ECVs التي تم إنشاؤها من الملاحظات الساتلية أن بعض السلاسل الزمنية أطول بالفعل من 30 عاما. يعتمد توفر المزيد من السلاسل الزمنية ذات الطول المناسب على قدرتنا على الحفاظ على استمرارية مهام الأقمار الصناعية الحالية.

ب – التحيزات المرتبطة بالأدوات:

تتم عمليات رصد العديد من المتغيرات المناخية بواسطة أجهزة استشعار ساتلية تم تصميمها في الأصل لرصد الأرصاد الجوية.

– الدقة الخشنة أجهزة الاستشعار التي تحملها بعض الأقمار الصناعية لا يمكنها التقاط العمليات المناخية التي تحدث على نطاقات مكانية دقيقة. على سبيل المثال، أجهزة استشعار الأقمار الصناعية غير قادرة على توفير الملاحظات بدقة عالية بما يكفي لوصف “الاضطراب” الصغير الحجم المرتبط بتقلب درجة حرارة الغلاف الجوي وبخار الماء.

– بالإضافة إلى ذلك ، لا تتمتع أجهزة الاستشعار الساتلية بالدقة المطلوبة للكشف عن اتجاهات خاصية السحابة. وهذا يتطلب أجهزة استشعار جديدة ذات دقة ودقة مكانية عالية بما يكفي لرصد الظواهر المناخية ذات الأهمية. توفر النظم الحالية تغطية زمنية غير كافية لدراسة العمليات المناخية سريعة التطور. يجب معالجة هذا النقص. الحل المحتمل هو كوكبة من الأقمار الصناعية الصغيرة التي تراقب نفس الموقع خلال فترة زمنية معينة.

– تتأثر نتائج سجلات الأقمار الصناعية المستخدمة في الكشف عن الاتجاهات واسترجاع المستويات المطلقة لمتغيرات المناخ بشكل كبير بمدى حل حالات عدم اليقين المرتبطة بأجهزة الاستشعار. تم التأكيد على هذه الخطوة المهمة في النقاش حول الاتجاه في الإشعاع الشمسي. تم الاستشهاد بالانحرافات غير المكتشفة في حساسية المستشعر باعتبارها السبب الرئيسي للطيف الظاهر للتغيير.

– تفقد أجهزة استشعار الأقمار الصناعية تدريجيا حساسية القياس الإشعاعي والاستقرار أثناء تشغيلها، لذا فإن المعايرة الجيدة ضرورية. لا يمكن إعادة معايرة بعض أجهزة استشعار الأقمار الصناعية بعد الإطلاق بسبب عدم وجود معايرات دقيقة على متن الطائرة أو في المدار.

– تم تطوير إجراءات لمعايرة هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار لكنها قد تظل تحتوي على شكوك. التحيزات الناتجة عن انحرافات الأجهزة شائعة أيضا في بيانات الأقمار الصناعية. تمر الأقمار الصناعية بتغير بطيء في وقت العبور عند خط الاستواء المحلي وانحلال الارتفاع المداري، مما يضيف تأثيرا زائفا للاتجاهات المكتشفة. يجب معالجة هذه التحيزات من خلال تطبيق إجراء تصحيح نهاري على البيانات أو عن طريق تحديد موقع المدار الدقيق للأقمار الصناعية.

– يمكن أن تزداد حالات عدم اليقين أيضا عند الجمع بين الملاحظات من أنظمة ساتلية مختلفة لتكوين سجلات طويلة الأجل. إذا لم يتم تطوير ومعايرة إجراءات دمج البيانات من أنظمة مختلفة بشكل جيد، فمن المحتمل أن تكون أوجه عدم اليقين عالية في مجموعات البيانات المجمعة.

– تم العثور على تقرير الزيادة المفاجئة في منطقة الجليد البحري في القطب الجنوبي ليكون اكتشافا خاطئا ناتجا عن التحول من نظام SSM إلى مقياس إشعاع المسح المتقدم بالموجات الدقيقة لنظام مراقبة الأرض AMSRE.

– يمكن تقليل هذا النوع من المشكلات من خلال السماح بتداخل وقت التشغيل بين الأدوات بحيث يمكن إجراء معايرات بين الأجهزة لمعرفة التحيز النسبي. على سبيل المثال، تسمح أوقات إطلاق القمر الصناعي Topex / Poseidon وخلفه بالقياسات الترادفية والمعايرة بين الأقمار الصناعية. تتبنى العديد من بعثات الأقمار الصناعية الجديدة هذا النهج.

ج – عدم اليقين في عمليات الاسترجاع:

– تعد عمليات الاسترجاع مفتاحا لتحويل الإشارات الكهرومغناطيسية من أجهزة استشعار الأقمار الصناعية إلى قياسات متغيرات المناخ.

– لذلك يمكن أن تكون الشكوك تؤثر على حجم الاتجاهات المكتشفة بل وتغير اتجاهها – على سبيل المثال، الاتجاهات الإيجابية والسلبية لدرجة حرارة التروبوسفير المستمدة من نفس بيانات الأقمار الصناعية باستخدام عمليات استرجاع مختلفة.

– يجب أن تستمر ممارسات مثل إنتاج عدة مجموعات بيانات ساتلية من متغيرات المناخ بشكل مستقل وإجراء دراسات مقارنة بينية ، وأن يتم توسيعها للمساعدة في تحديد المشاكل المحتملة.

– تظهر الدراسات الحديثة أن المدخلات الشائعة المستخدمة في عمليات الاسترجاع هي مصدر مهم لعدم اليقين. أحد العوامل الرئيسية في التقديرات المتباينة لمعدل فقدان الكتلة للصفائح الجليدية التي نوقشت سابقًا هو قيم GIA المختلفة التي اعتمدتها مجموعات بحث مختلفة.

– في دراسات تركيزات الهباء الجوي في الغلاف الجوي، كثيرا ما يتم الاستشهاد بالانبعاثات السطحية والبياض والمعلومات السحابية وخصائص الهباء الجوي التي تؤثر بشكل كبير على دقة AOD المسترجعة.

– يواجه الباحثون العديد من الخيارات لهذه المدخلات المشتركة. على سبيل المثال، تتوفر سبعة أنواع من بيانات الغطاء الأرضي العالمي المستمدة من بيانات الأقمار الصناعية لنمذجة سطح الأرض. هناك حاجة إلى دراسات لتقييم جودة المدخلات الشائعة المستخدمة في عمليات الاسترجاع وتحديد تأثيرها على أوجه عدم اليقين في المنتجات النهائية.

– إلى جانب إجراء تحسينات في الأجهزة و عمليات الاسترجاع، ستساعد بيانات التحقق عالية الجودة الباحثين على معايرة الأدوات وضبط وقياس مستوى عدم اليقين في مجموعات بيانات الأقمار الصناعية.

– هناك حاجة ملحة لمزيد من الشبكات المرجعية العالمية لمعايرة بيانات الأقمار الصناعية والتحقق من صحة منتجات البيانات. ومع ذلك، يجب ملاحظة عدم التطابق المكاني والزماني بين الرصدات الساتلية ومجموعات بيانات التحقق من الصحة وأخذها في الاعتبار في هذه العملية. بناءً على معرفة أفضل بالأخطاء في الأدوات، يجب إجراء إعادة تحليل صارمة بانتظام لإزالة الأخطاء في البيانات طويلة المدى المستشعرة عن بعد.

– يوفر هذا النهج أفضل أمل لإنتاج سجلات مناخية عالية الجودة من البيانات التي تم جمعها بواسطة الأقمار الصناعية الحالية وأسلافها.

الاستنتاجات

– لقد أظهرنا في هذا الاستعراض أن SRS قدمت مساهمات حاسمة لفهمنا لنظام المناخ وتغيراته. يوفر مصدرا مستقلا للملاحظات للتحقق من صحة النماذج المناخية ونظريات المناخ.

– على الرغم من قصر السلاسل الزمنية الساتلية وما يرتبط بها من أوجه عدم اليقين التي حدت حتى الآن من اكتشاف الاتجاهات القوية طويلة الأجل في بعض متغيرات المناخ، فإن التقدم المحرز في كل من الأجهزة والاسترجاع، مصحوبا بتراكم سجلات الأقمار الصناعية، يمكن أن يعالج ذلك. من خلال الجمع بين قوة الاستشعار عن بعد السلبي والنشط.

– يعد الاستخدام المبتكر لبيانات الأقمار الصناعية الحالية أيضا طريقا لإنتاج سجلات مناخية طويلة الأجل. وخير مثال على ذلك هو استخدام NOAA لبيانات الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض المؤرشفة لإنتاج بيانات درجة حرارة السطوع لمدة 30 عاما – أي درجة الحرارة الفعالة لجسم أسود يشع نفس مقدار الطاقة لكل وحدة مساحة بنفس الأطوال الموجية مثل الجسم المرصود.

– جنبا إلى جنب مع تقدم العلوم والتكنولوجيا في SRS، هناك حاجة إلى تعاون دولي قوي ودعم حكومي لتعزيز دورها في دراسات تغير المناخ.

– تم تنفيذ العديد من المبادرات الدولية – ولا سيما مركز معلومات أنظمة المراقبة العالمية (GOSIC)، والنظام العالمي للرصد الجيوديسي (GGOS) والنظام العالمي لنظم رصد الأرض (GEOSS) – لتنسيق الجهود لإنتاج ونشر مناخ ساتلي عالي الجودة السجلات.

– خططت الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد الأوروبي وعدة دول أخرى لبعثات ساتلية جديدة لمراقبة المناخ.

– ومع ذلك، فإن النشاط الأخير لمرصد الإشعاع والانكسار المطلق للمناخ (CLARREO) وبعثات التشوه وهيكل النظام الإيكولوجي وديناميكات الجليد (DESDynI) تظهر أن هذه المبادرات تعتمد على مستوى عالٍ من التزام الحكومة.

– من الواضح أن “أعيننا في الفضاء” ستساهم بشكل أكبر في التقاط الاتجاهات الحقيقية لتغير المناخ إذا تم تنفيذ الأنشطة المذكورة أعلاه بالكامل.

المراجع

Allan, R. P. Combining satellite data and models to estimate cloud radiative effect at the surface and in the atmosphere. Meteorol. Appl. 18, 324–333 (2011).

Brown, R. D. & Robinson, D. A. Northern Hemisphere spring snow cover variability and change over 1922–2010 including an assessment of uncertainty. Cryosphere. 5, 219–229 (2011).

Cavalieri, D. & Parkinson, C. Arctic sea ice variability and trends, 1979–2010 Cryosphere. 6, 881–889 (2012).

Davies, R. & Molloy, M. Global cloud height fluctuations measured by MISR on Terra from 2000 to 2010. Geophys. Res. Lett. 39, L03701 (2012).

Ghent, D., Kaduk, J., Remedios, J. & Balzter, H. Data assimilation into land surface models: The implications for climate feedbacks. Int. J. Remote Sens. 32, 617–632 (2011).

Horwath, M., Legresy, B., Remy, F., Blarel, F. & Lemoine, J.‑M. Consistent patterns of Antarctic ice sheet interannual variations from ENVISAT radar altimetry and GRACE satellite gravimetry. Geophys. J. Int. 189, 863–876 (2012).

Joughin, I., Alley, R. B. & Holland, D. M. Ice-sheet response to oceanic forcing. Science 338, 1172–1176 (2012).

Mei, L. et al. Validation and analysis of aerosol optical thickness retrieval over land. Int. J. Remote Sens. 33, 781–803 (2012).

Parkinson, C. & Cavalieri, D. Antarctic sea ice variability and trends. Cryosphere Discuss. 6, 931–956 (2012).

Quaas, J., Boucher, O., Bellouin, N. & Kinne, S. Which of satellite- or model-based estimates is closer to reality for aerosol indirect forcing? Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, E1099-E1099 (2011).

Saha, S. et al. The NCEP climate forecast system reanalysis. Bull. Am. Meteorol. Soc. 91, 1015–1057 (2010).

الوسوم

4 يوليو 2023

الاستشعار عن بعد وتغير المناخ