1. Уточнение используемых спектральных областей и интервалов для получения новой информации о вертикальной структуре содержания различных газов в период 2009-2020 в Петергофе.
В 2021 году проведена интерпретация наземных измерений спектров солнечного ИК излучения высокого спектрального разрешения на станции NDACC в Петергофе за 2009–2019 гг. для получения содержания СО2 в тропосфере и стратосфере на основе методики, предложенной в работе [Tимофеев и др., 2021]. Задача по оптимизации определения среднего для сухой атмосферы отношения смеси углекислого газа (ХСО2) из спектральных измерений Фурье-спектрометра (ФС) Bruker 125HR решалась с помощью программного обеспечения (ПО) PROFFIT [Hase et al., 2004], используемого на ряде станций международной наблюдательной сети NDACC [De Maziere et al., 2018]. Методика решения обратной задачи была оптимизирована для определения общего содержания (ОС) СО2 на станции St. Petersburg в работах [Виролайнен и др., 2015; Virolainen, 2018; Virolainen et al., 2020]. В настоящей работе упомянутая методика была модифицирована для определения ХСО2 в двух слоях атмосферы, «условной тропосфере» (0–12 км) и «условной стратосфере» (12–55 км).
1.1. Калибровка данных наземных спектроскопических измерений ХСО2 по данным стационарного Фурье-спектрометра Bruker 125HR на основе измерений вторичного эталона Bruker EM27-SUN.
Существуют две международные наземные спектроскопические сети наблюдений газового состава атмосферы – NDACC (Network for the Detection for Stratospheric Change (https://www.ndaccdemo.org/)) и TCCON (Total Carbon Column Observing Network (http://www.tccon.caltech.edu/)). Эти сети используют разные спектральные области при дистанционных спектроскопических исследованиях газового состава атмосферы Земли. Сеть NDACC – среднюю ИК область, а сеть TCCON – ближнюю ИК область. В используемых спектральных областях поглощение, например СО2, обусловлено различными спектральными линиями – разными по интенсивностям, полуширинам и по температурной зависимости этих важнейших параметров тонкой структуры молекулярного поглощения. Как следствие, заметно отличаются данные измерений двух сетей. Данные измерений сети TCCON проходят международную калибровку.
В период 2019–2020 гг. сотрудники СПбГУ совместно с немецкими коллегами участвовали в измерительной кампании Emission Monitoring Mobile Experiment (EMME). В рамках данной кампании проводились измерения антропогенного вклада Санкт-Петербурга в общее содержание СО2 и других газов при помощи мобильных Фурье-спектрометров Bruker EM27/SUN [Makarova et al., 2021; Alberti et al., 2021]. В специальных исследованиях (лабораторных и натурных) было показано, что прибор позволяет определять содержание парниковых газов с малыми случайными и систематическими погрешностями. На базе этого прибора создана новая наземная сеть COCCON (COllaborative Column Carbon Observing Network), дополняющая наземную сеть TCCON (Total Carbon Column Observing Network) для проведения измерений упомянутых газов в международной шкале [Frey et al., 2019]. С помощью одного из приборов в течение 2019 г. и нескольких месяцев в 2020 г. проводились измерения XCO2 на станции в г. Петергофе. Используя более точные измерения мобильного прибора в г. Петергофе, мы провели коррекцию данных, полученных при помощи стационарного спектрометра Bruker-125HR за период с 2009 по 2019 гг. Коррекция данных стационарных измерений позволила существенно снизить рассогласования между двумя типами измерений, например, среднеквадратические расхождения уменьшились с 11.21 ppm до 1.6 ppm, систематические отличия стали равными нулю. В дальнейшем скорректированный массив данных использовался в различных исследованиях. В Приложении приведен рис. 1, демонстрирующий результаты проведенной калибровки.
1.2. Разработка нового подхода к выбору оптимальных спектральных интервалов и минимизации влияния на погрешности определения содержания СО2 «мешающих газов».
В результате численных исследований 2020-2021 гг. были определены новые схемы измерения СО2, позволяющие определять содержание СО2 во всей атмосфере с относительной погрешностью менее 0.5% (⁓ 2 ppm). Кроме того, была проанализирована эффективность использования расчетных масок для исключения сильного влияния посторонних газов, прежде всего водяного пара. Расчетные маски позволяют существенно снизить влияние посторонних газов за счет полного исключения из вторичной схемы интерпретации отдельных линий поглощения, например, водяного пара. При этом, однако, уменьшается число используемых спектральных измерений и увеличивается влияние случайных погрешностей измерений спектров солнечного излучения. Отметим, что для стратосферы использование расчетной маски позволяет достичь максимальной точности определения содержания СО2 в 0.41%.
2. Массовая интерпретация наземных измерений спектров прямого солнечного ИК излучения в Петергофе за период 2009-2019 гг. и получение новой информации о вертикальной структуре содержания СО2.
В 2021 году проведена интерпретация данных наземных измерений спектров солнечного излучения в Петергофе за период 2009–2019 гг. и получен новый массив данных о содержании СО2 в тропосфере и стратосфере. Десятилетний период наземных спектроскопических измерений позволил оценить сезонную изменчивость содержания СО2, а также долговременные тренды в различных слоях атмосферы. Как и следовало ожидать, максимальные средние содержания СО2 за 2009–2019 гг. наблюдались в тропосфере (410 ppm), чуть меньше во всей атмосфере (409 ppm) и меньше на 3-4 ppm в стратосфере. Долговременные тренды СО2 максимальны в тропосфере (2.44±0.09 ppm/год), составляют 2.22±0.07 ppm/год в слое 0–50 км и минимальны в стратосфере (2.17±0.10 ppm/год). Отличие трендов содержания СО2 в стратосфере и тропосфере составляет 0.27 ppm/год и статистически достоверно. Сопоставление полученных нами трендов с независимыми оценками показывает хорошее согласие. В Приложении (рис. 2, 3) приведены примеры полученных новых результатов.
Сопоставление спутниковых (Фурье-спектрометр АСЕ) и наземных (Фурье-спектрометр Bruker 125HR) измерений содержания СО2 в нижней стратосфере (слой 12–18 км) показало хорошее согласие между двумя типами измерений. В среднем наземные измерения превышают спутниковые на 2.8 ppm (менее 1%), стандартные отклонения составляют ⁓ 5.0 ppm. Коэффициент корреляции между двумя измерениями – 0.77. Рис. 4 Приложения иллюстрирует результаты.
По результатам сопоставлений наземных и спутниковых (прибор АСЕ) измерений содержания ХСО2 в 2021 году подготовлена публикация, принятая в печать в журнале «Оптика атмосферы и океана» [Никитенко и др., 2022].
3. Сравнения измерений и численного моделирования содержания СО2 в различных слоях атмосферы.
Для дальнейшего анализа полученных экспериментальных данных о содержании СО2 мы использовали результаты реанализа европейской службы CAMS (Copernicus Stratosphere Monitoring Service). Следует напомнить, что в рамках программы Copernicus осуществляется реанализ содержания парниковых газов (CH4, CO2, N2O) и метеорологических параметров с различным пространственным и временным разрешением (в частности, например для пространственного разрешения ⁓ 75 км и временного – 3 часа). В данном исследовании мы также использовали численную трехмерную модель атмосферной химии GEOS-Chem (GC) версии 12.9.3 (http://www.geos-chem.org, doi:10.5281/zenodo.3974569). Модель GC применялась для глобального моделирования переноса СО2 в атмосфере в офлайн режиме. В качестве метеорологических данных был использован реанализ MERRA-2, подготовленный в NASA Global Modeling and Assimilation Office (GMAO).
В данных исследованиях СО2 рассматривался, как трассер без учета химических реакций. В Приложении (рис. 5) дан пример сравнений измерений и результатов моделирования. Приведенные данные показывают, что в ОС и тропосферном СО2 минимум наблюдается в конце лета (поглощение СО2 растениями в процессе фотосинтеза), а максимум наблюдается в конце зимы и весной. При этом амплитуды сезонных вариаций примерно одинаковы для ОС СО2 и тропосферы (около 2% или 8 ppm), но для тропосферы они немного больше. Сезонная изменчивость СО2 в стратосфере заметно меньше (амплитуда около 0.4%, ⁓1.6 ppm), а максимумы наблюдаются весной и в конце года.
Сравнения сезонного хода в стратосфере со спутниковыми данными АСЕ (в широтном поясе 50–60 с.ш.) показывает близкое согласие времени максимумов (в мае и летом), но некоторые отличия в минимумах (конец года и март) [Foucher et al., 2011].
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что данные моделирования CAMS хорошо согласуются с наземными измерениями содержания СО2 во всем атмосферном столбе и тропосфере, но несколько хуже в стратосфере (среднее отклонение менее 0.5% в тропосфере и более 1% в стратосфере, R ⁓ 0.8–0.9). Сезонный тренд СО2 по данным CAMS хорошо повторяет наблюдения во всем атмосферном столбе и тропосфере, но неправильно представляет стратосферный сезонный ход газа.
Численное моделирование с помощью модели GEOS-Chem содержания СО2 имеет достаточно адекватное соответствие с измерениями для всего атмосферного столба и тропосферы (среднее отклонение чуть более 1%, R ⁓ 0.7–0.8), но существенно хуже, чем CAMS, представляет вариации содержания СО2 в стратосфере (занижает измерения до ⁓ 9%).
4. Наземные спектроскопические измерения вертикальных профилей содержания озона и их валидация на основе сопоставлений с данными спутниковых измерений прибора MLS.
Важность озона в земной атмосфере, обусловленная его влиянием на УФ освещенность поверхности, термический режим стратосферы и т.д. стимулируют постоянный его мониторинг различными наземными и спутниковыми методами измерений.
На станции NDACC St. Petersburg в Петергофе (СПбГУ) определение вертикальных профилей содержания озона осуществлялось с помощью программного обеспечения (ПО) PROFFIT [Hase et al., 2004]. При решении обратной задачи анализировались спектры поглощения солнечного излучения в 5 микроокнах полосы поглощения озона 9.6 мкм в интервале 991–1014 см-1. Методика интерпретации спектральных измерений подробно рассмотрена в работе [Виролайнен и др., 2013]. Суммарная систематическая погрешность определения профиля озона составляет 5–8% на высотах от 0 до 60 км и определяется, в основном, погрешностью задания спектроскопической информации и, в меньшей степени, погрешностями задания температурного профиля (до 2% в стратосфере).
Спутниковый прибор MLS (Microwave Limb Sounder) измеряет вертикальные профили температуры и содержания многих газов и, в том числе, озона [Waters, et al., 2006]. Погрешности измерений вертикальных профилей содержания озона на высотах 10–80 км меняются очень сильно от 2–3% в стратосфере и до 100% в мезосфере. В данных исследованиях было проведено сопоставление измерений вертикальной структуры содержания озона наземным методом с помощью ФС Bruker со спутниковыми измерениями прибора MLS с учётом сглаживания профилей MLS с усредняющими ядрами наземного метода. Результаты сопоставлений показывают хорошее согласие двух типов измерений (с учетом их собственных погрешностей). Отличия в высотной области 20–60 км не превышают 20%. Существенный рост отличий ниже 20 км обусловлен существенным ростом погрешностей спутникового метода. Коэффициент корреляции между двумя типами измерений достаточно высок (0.7 – 0.9) в слое 10–27 км, а выше 40 км составляет 0.4 и меньше. Одно из возможных объяснений такого поведения коэффициента корреляции — рост случайных погрешностей обоих типов измерений с ростом высоты. Примеры результатов сопоставлений приведены в Приложении (рис. 6, 7). Результаты сопоставлений наземного и спутникового методов опубликованы в Материалах 19-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» [Бордовская и др., 2021] и подготовлены для публикации в журнале Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса.
Литература
Бордовская Ю.И., Я. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев. Сравнения наземного и спутникового методов определения вертикальных профилей содержания озона // Материалы 19-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2021. C. 151. DOI 10.21046/19DZZconf-2021a.
Виролайнен Я.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Еременко М., Дюфор Г. Определение содержания озона в различных слоях атмосферы с помощью наземной Фурье-спектрометрии // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 52. № 2. С. 191–200.
Виролайнен Я.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В. Сравнение спутниковых и наземных измерений общего содержания озона. Иссл. Земли из космоса. 2013. № 4. С. 83–91.
Никитенко А.А., Ю.М. Тимофеев, Я.А. Виролайнен, Г. М. Неробелов, А.В. Поберовский. Сравнения измерений стратосферного содержания СО2 наземным и спутниковым методами // Оптика атмосферы и океана. В печати.
Тимофеев Ю.М., Г.М. Неробелов, А.В. Поберовский, Н.Н. Филиппов, 2021: Определение содержания СО2 в тропосфере и стратосфере наземным ИК методом // Изв. РАН. ФАО. 2021. Т. 57. № 43. С. 322–333.
Alberti, C., Tu, Q., Hase, F., Makarova, M. V., Gribanov, K., Foka, S. C., Zakharov, V., Blumenstock, T., Buchwitz, M., Diekmann, C., Ertl, B., Frey, M. M., Imhasin, H. Kh., Ionov, D. V., Khosrawi, F., Osipov, S. I., Reuter, M., Schneider, M., and Warneke, T. Investigation of space-borne trace gas products over St. Petersburg and Yekaterinburg, Russia by using COCCON observations // Atmos. Meas. Tech. Discuss. [preprint], https://doi.org/10.5194/amt-2021-237, in review, 2021.
De Mazière, M., Thompson, A. M., Kurylo, M. J., Wild, J. D., Bernhard, G., Blumenstock, T., Braathen, G. O., Hannigan, J. W., Lambert, J.-C., Leblanc, T., McGee, T. J., Nedoluha, G., Petropavlovskikh, I., Seckmeyer, G., Simon, P. C., Steinbrecht, W., and Strahan, S. E. The Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC): history, status and perspectives // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 4935–4964, https://doi.org/10.5194/acp-18-4935-2018.
Foucher P.Y., A. Chedin, R. Armante, C. Boone, C. Crevoisier, and P. Bernath. Carbon dioxide atmospheric vertical profiles retrieved from space observation using ACE-FTS solar occultation instrument // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 2455–2470.
Frey, M., Sha, M. K., Hase, F., Kiel, M., Blumenstock, T., Harig, R., Surawicz, G., Deutscher, N. M., Shiomi, K., Franklin, J. E., Bösch, H., Chen, J., Grutter, M., Ohyama, H., Sun, Y., Butz, A., Mengistu Tsidu, G., Ene, D., Wunch, D., Cao, Z., Garcia, O., Ramonet, M., Vogel, F., and Orphal, J. Building the COllaborative Carbon Column Observing Network 745 (COCCON): long-term stability and ensemble performance of the EM27/SUN Fourier transform spectrometer // Atmos. Meas. Tech. 2019. V. 12. P. 1513–1530.
Hase, F., J.W. Hannigan, M.T. Coffey, A. Goldman, M. Höpfner, N.B. Jones, C.P. Rinsland, S.W. Wood. Intercomparison of retrieval codes used for the analysis of high-resolution, ground-based FTIR measurements // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2004. V. 87. P. 25–52.
Makarova, M. V., Alberti, C., Ionov, D. V., Hase, F., Foka, S. C., Blumenstock, T., Warneke, T., Virolainen, Ya. A., Kostsov, V. S., Frey, M., Poberovskii, A. V., Timofeyev, Yu. M., Paramonova, N. N., Volkova, K. A., Zaitsev, N. A., Biryukov, E. Y., Osipov, S. I., Makarov, B. K., Polyakov, A. V., Ivakhov, V. M., Imhasin, H. Kh., and Mikhailov, E. F. Emission Monitoring Mobile Experiment (EMME): an overview and first results of the St. Petersburg megacity campaign-2019 // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. P. 1047–1073.
Virolainen Ya.A., 2018: Methodical Aspects of the Determination of Carbon Dioxide in Atmosphere Using FTIR Spectroscopy // Journal of Applied Spectroscopy, 2018. V. 85. № 3. P. 462–469.
Virolainen, Y.A., Nikitenko, A.A. & Timofeyev, Y.M., 2020: Intercalibration of Satellite and Ground-Based Measurements of CO2 Content at the NDACC St. Petersburg Station // J. Appl. Spectrosc. 2020. V. 87. № 5. P. 888–892.
Waters J.W., Froidevaux L., Harwood R.S., Jarnot R.F., Pickett, H.M, Read, W.G, Siegel P.H., Cofield R.E., Filipiak M.J., Flower, D.A. Holden J.R., Lau G.K., Livesey N.J., Manney G.L., Pumphrey H.C., Santee M.L., Wu D.L., Cuddy D.T., Lay R.R., Loo M.S., Perun V.S., Schwartz M.J. , Stek P.C., Thurstans R.P., Boyles M.A., Chandra K.M., Chavez M.C., Chen G.-S., Chudasama B.V., Dodge R., Fuller R.A., Girard M.A., Jiang J.H., Jiang Y., Knosp B.W., LaBelle R.C., Lam J.C., Lee K.A., Miller D., Oswald J.E., Patel N.C., Pukala D.M., Quintero O., Scaff D.M., Van Snyder W., Tope M.C., Wagner P.A., Walch M.J. The Earth observing system microwave limb sounder (EOS MLS) on the aura Satellite // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2006. V. 44. № 5. P. 1075–1092.