Реферат
Проект посвящен исследованию возможностей использования данных наземных измерений прямого солнечного ИК излучения высокого спектрального разрешения для восстановления вертикальных профилей содержания атмосферных газов. Получена новая информация о вертикальной структуре содержания климатически важных газов (СО2, О3, HNO3) по наземным измерениям спектров прямого солнечного ИК излучения с высоким спектральным разрешением в Петергофе (59.88°N, 29.83°E,) за период 2009-2022 гг. Исследования проведены на основе теоретического и численного анализов информативности, погрешностей и вертикальной разрешающей способности наземных измерений вертикальных профилей указанных газов. Осуществлён анализ современной спектроскопической информации о параметрах тонкой структуры молекулярного поглощения атмосферных газов и выбор оптимальных спектральных областей и интервалов для решения обратной задачи – определения элементов вертикальной структуры содержания газов.
Проведена оптимизация программного обеспечения PROFFIT и на ее основе получен большой объем новых данных о содержании климатически важных газов (СО2, О3, HNO3) в отдельных слоях атмосферы. На основе полученной информации исследованы временные вариации вертикальной структуры содержания атмосферных газов (в том числе долговременные тренды), качество современных численных моделей газового состава атмосферы и проведена валидация различных спутниковых измерений содержаний СО2, О3, HNO3.
Введение
Газовый состав земной атмосферы играет значительную, определяющую роль в формировании погоды и климата, в стабильности озонового слоя Земли, в экологическом состоянии различных регионов нашей планеты. В последние десятилетия стало очевидным, что антропогенные источники парниковых газов существенно влияют на климат Земли. Исследования газового и аэрозольного состава атмосферы являются также актуальными в связи с проблемами восстановления и сохранения озонного слоя, а также с необходимостью оценки антропогенного влияния загрязняющих газов на атмосферу. Мониторинг газового состава атмосферы обуславливает необходимость высококачественного измерения общего содержания и вертикальных профилей содержаний парниковых газов, озона и озоноразрушающих газов, а также постоянного контроля за источниками и стоками ряда токсичных газов.
Измерения вертикальных профилей содержания климатически важных газов в России очень немногочисленны и осуществляются крайне редко. В связи с этим использование огромного массива наземных измерений спектров прямого солнечного ИК излучения высокого спектрального разрешения, полученных в Петергофе (СПбГУ) в период 2009-2019 гг. для получения информации о вертикальной структуре содержаний атмосферных газов очень важно и актуально. Важность исследований вертикальных профилей содержания климатически важных атмосферных газов определяется следующими основными причинами:
1. Эти профили определяют в значительной степени радиационные свойства атмосферы, например, компоненты радиационного баланса планеты – вертикальные профили поглощенной солнечной радиации и собственное излучение атмосферы.
2. Вертикальные профили содержания озоноразрушающих газов определяют процессы формирования озонового слоя и его долговременную динамику.
3. Вертикальные профили содержания газов определяются многочисленными физическими и химическими процессами, и, соответственно, их измерения дают ценную информацию об этих процессах.
Основная часть отчета о НИР
Цель проекта - получение новой информации о вертикальной структуре содержания климатически важных газов по наземным измерениям спектров прямого солнечного ИК излучения с высоким спектральным разрешением в Петергофе (59.88°N, 29.83°E,) за период 2009-2022 гг. и использование этих новых данных для анализа временных вариаций газового состава, качества современных численных моделей газового состава атмосферы и валидации спутниковых измерений.
В задачи проекта входили следующие исследования, полностью выполненные в рамках проекта:
1. Теоретический и численный анализ информативности, погрешностей и вертикальной разрешающей способности наземных измерений прямого солнечного ИК излучения высокого спектрального разрешения в фойгтовских и более сложных контурах спектральных линий различной интенсивности относительно вертикальных профилей содержания атмосферных газов.
2. Анализ современной спектроскопической информации о параметрах тонкой структуры молекулярного поглощения атмосферных газов и выбор оптимальных спектральных областей и интервалов, спектрального разрешения приборов для определения вертикальных профилей содержания различных газов.
3. Интерпретация наземных измерений спектров прямого солнечного ИК излучения в Петергофе за период 2009-2022 гг. и получение новой информации о вертикальной структуре содержаний климатически важных газов.
4. Анализ временных вариаций вертикальной структуры содержания атмосферных газов (в том числе долговременных трендов).
5. Сравнения полученных новых данных с результатами трехмерного численного моделирования газового состава атмосферы для анализа качества современных моделей.
6. Валидация различных спутниковых измерений газового состава на основе полученных новых данных.
На основе численных расчетов проведены методические исследования информативности и вертикального разрешения наземного спектроскопического ИК метода, основанного на измерениях спектров солнечного излучения высокого спектрального разрешения. Определены количественные оценки информативности (числа независимых параметров) и вертикального разрешения наземных измерений спектров солнечного ИК излучения с высоким спектральным разрешением относительно вертикальных профилей содержания СО2, O3 и HNO3. Выявлены основные факторы, определяющие положение, полуширину и другие характеристики усредняющих ядер (УЯ) дистанционного метода измерений вертикальной структуры содержания климатически важных газов. Результаты исследований позволили объективно определить оптимальные спектральные условия наземных измерений спектров солнечного излучения для определения вертикальной структуры содержания различных атмосферных газов.
Исследовано поведение УЯ при определении профилей содержания СО2 в различных спектральных линиях и спектральных областях ИК спектра. Определено, что данным методом возможно оценивать 3–4 независимых параметра вертикальной структуры СО2. Показано, что в зависимости от особенностей поглощения солнечного излучения (слабого, среднего и сильного поглощения в земной атмосфере) изменяются потолок высотного наземного зондирования и высотное разрешение дистанционных измерений. Измерения в линиях сильного поглощения дают максимальную информацию о содержании СО2 в нижней и средней тропосфере с вертикальным разрешением 3–5 км. Линии слабого поглощения обеспечивают информацию о содержании СО2 в стратосфере с вертикальным разрешением 10–25 км.
Вертикальное разрешение наземных дистанционных измерений содержания HNO3 было охарактеризовано с помощью УЯ для различных высот в тропосфере и стратосфере. Полуширины УЯ для тропосферы составляют 10–15 км, т.е. возможно определить содержание азотной кислоты во всей толще тропосферы. В стратосфере полуширины составляют 15–25 км. С высотой вертикальное разрешение наземного ИК-метода снижается.
На основе проведенных методических исследований сформулирована и решена обратная задача определения содержания СО2 в двух слоях атмосферы – тропосфере и стратосфере. Проведена интерпретация наземных спектров, измеренных в окрестностях Санкт-Петербурга в течение одного года (2018-2019 гг.). Для выбора наиболее качественных данных измерений и оптимальных спектральных областей на первом этапе были определены и проанализированы общие содержания СО2 во всей толще атмосферы. Для анализа точности нового ИК метода определения содержания CO2 в двух слоях осуществлены сопоставления восстановленных значений тропосферного и стратосферного содержания СО2 с независимыми измерениями (спутниковый прибор ACE) и результатами моделирования.
Получены численные оценки погрешностей определения общего содержания СО2 и его тропосферного и стратосферного содержания для различных спектральных схем использования наземных измерений спектров солнечного излучения прибором ФС Bruker 125HR в окрестностях Санкт-Петербурга. Определено, что:
- случайные погрешности измерений ОС СО2 составляют 0.5-1%, а систематические погрешности, обусловленные в основном погрешностями задания спектроскопических параметров спектральных линий, составляют 3-4% для разных спектральных окон и разных периодов измерений.
- анализ погрешностей определения содержания СО2 в тропосфере и стратосфере для различных спектральных схем измерений и различных временных периодов показывает, что они изменяются в широких пределах от 1 до 8 %.
На основе анализа расчетов погрешностей для различных спектральных схем, а также сравнений с независимыми измерениями и моделированием выбраны две спектральные схемы, состоящие из измерений солнечных спектров в области 2600 см-1 и 3100-3300 см-1 для определения содержания СО2 в тропосфере и стратосфере.
Анализ измерений спектров солнечного ИК излучения программой PROFFIT c регуляризацией Тихонова-Филипса для выбранных оптимальных спектральных схем позволил исследовать временной ход содержания СО2 в тропосфере и стратосфере. Показано, что тропосферные и стратосферные средние отношения смеси сухой атмосферы ХСО2 в среднем достаточно близки к друг другу. В большую часть рассматриваемого периода тропосферные ХСО2 превышают стратосферные значения, причем это превышение составляет 5-10 ppm. Это превышение обусловлено антропогенными эмиссиями мегаполиса Санкт-Петербурга и достигает ~ 15 ppm и более в зимнее время. В летние периоды и начале осени наблюдается обратная картина – стратосферные значения ХСО2 превышают тропосферные, что связано с процессами фотосинтеза – поглощения СО2 в тропосфере растительностью. При этом это превышение достигает ~ 10-20 ppm. Такой инверсионный вертикальный ход среднего отношения смеси неоднократно регистрировался в самолетных и спутниковых измерениях в летний период.
Разработан новый подход к выбору оптимальных спектральных интервалов и минимизации влияния на погрешности определения содержания СО2 «мешающих газов». Подход основан на создании и использовании расчетной маски для минимизации влияния на решение обратной задачи мешающих газов, прежде всего водяного пара. Численные эксперименты показали, что при исключении отдельных линий поглощения водяного пара при применении программы обращения PROFFIT можно достичь минимальных погрешностей определения содержания СО2 в стратосфере.
В связи с проведением в период 2019-2020 гг. сотрудниками СПбГУ совместно с немецкими коллегами измерительной кампании Emission Monitoring Mobile Experiment (EMME) (определение антропогенных эмиссий Санкт-Петербурга) были получены измерения содержания СО2 двумя Фурье-спектрометрами - стационарном Bruker 125HR и мобильном Bruker EM27/SUN. С учетом того, что спектрометр Bruker EM27/SUN является вторичным международным эталоном измерений содержания СО2, была осуществлена калибровка данных измерений стационарного спектрометра Bruker 125HR за весь период наблюдений 2009 – 2020 гг. Калибровка позволила сформировать новую базу измерений средних отношений смеси сухой атмосферы XСО2 с нулевым систематическим сдвигом (по отношению к международной шкале) и стандартным отклонением, не превышающем 1.6 ppm (2009-2022 гг.).
Разработана оптимизированная схема интерпретации наземных спектроскопических ИК измерений солнечных спектров для определения содержания HNO3 в Петергофе (2009-2022 гг.) со случайными погрешностями 14%, 2% и 4% в слоях 0–15 км (условная тропосфера), 15–50 км (условная стратосфера) и 0–50 км, соответственно.
Проведена интерпретация наземных измерений прямого солнечного излучения в полосе озона 9.6 мкм и получены вертикальные профили содержания озона.
Результаты массовой интерпретации наземных спектроскопических измерений в Петергофе за период 2009-2020 гг. позволили оценить временные и сезонные вариации вертикальной структуры содержания атмосферных газов (в том числе долговременные тренды). Сезонный ход стратосферного содержания СО2 демонстрирует максимум в осеннее время, что согласуется с данными спутниковых измерений. 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. Максимальные значения содержания HNO3 в слое 15–50 км наблюдаются зимой, в слое 0–50 км и 0–15 км - в начале весны. Минимум содержания в слое 15–50 км приходится на летнее время, общего содержания (ОС) – ранней осенью, а содержания в слое 0–15 км – осенью и в начале зимы. Вариации среднего сезонного хода меняются от -30% до +60%, от -25% до +25%, от -25% до +30% для тропосферы, стратосферы и ОС HNO3. За период 2009–2022 гг. не наблюдается статистически значимых трендов в содержании HNO3 над Санкт-Петербургом в рассматриваемых атмосферных слоях.
Новые данные о вертикальной структуре газов были сопоставлены с данными моделирования и независимыми спутниковыми измерениями.
Новая информация о вертикальной структуре СО2 сопоставлена с независимыми измерениями (спутниковый Фурье-спектрометр АСЕ) и с результатами численного моделирования (данные реанализа европейской службы CAMS (Copernicus Stratosphere Monitoring Service) и моделирования с помощью модели GEOS-Chem).
Сравнения наземных (Bruker 125HR) и спутниковых (Фурье-спектрометр АСЕ) 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. Амплитуды сезонных вариаций по наземным измерениям примерно одинаковы для общего содержания СО2 и тропосферы (около 2% или 8 ppm). 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.) показывают близкое согласие времени максимумов (в мае и летом), но некоторые отличия в минимумах (конец года и март).
Сравнения измерений содержания СО2 в различных слоях атмосферы с результатами реанализа европейской службы CAMS (Copernicus Stratosphere Monitoring Service) показало, 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, коэффициенты корреляции R ⁓ 0.8-0.9).
Результаты численного моделирования с помощью модели GEOS-Chem содержания СО2 адекватно соответствуют измерениям для всего атмосферного столба и тропосферы (среднее отклонение чуть более 1%, R ⁓ 0.7–0.8), но существенно хуже, чем CAMS, представляют вариации содержания СО2 в стратосфере (занижают измерения до ⁓ 9%).
Сопоставление наземных измерений содержания HNO3 в Петергофе с данными спутниковых измерений приборами MLS и ACE-FTS продемонстрировали, что измерения согласованы между собой в пределах суммарных погрешностей. Стандартное отклонение разностей составляет 8.5% для пар Петергоф-ACE-FTS и 9.3% для пар Петергоф-MLS, коэффициенты корреляции – 0.88 и 0.93, соответственно. Систематическая разность между наземными и спутниковыми данными в 5–6% объясняется отсутствием единой методики абсолютной калибровки различных измерений.
Проведено сравнение результатов наземных измерений общего содержания озона (ОСО) со спутниковыми измерениями приборами ИКФС-2, OMI, TROPOMI и результатами численного моделирования, а данных о содержании озона в 3-4 слоях атмосферы - со спутниковыми измерениями прибором MLS. Результаты сопоставлений наземных измерений со спутниковыми измерениями прибора MLS показывают хорошее согласие двух типов измерений (с учетом их собственных погрешностей). Отличия в высотной области 20-60 км не превышают 20%.
Заключение
Исследования и разработки, проведенные в рамках проекта, позволили полностью выполнить все поставленные перед исполнителями проекта задачи, а именно:
1. Проведен теоретический и численный анализ информативности, погрешностей и вертикальной разрешающей способности наземных измерений прямого солнечного ИК излучения высокого спектрального разрешения относительно вертикальных профилей содержания CO2, О3, HNO3.
2. В результате анализа современной спектроскопической информации о параметрах тонкой структуры молекулярного поглощения атмосферных газов выбраны оптимальные спектральные области и интервалы, разработаны оптимизированные методики интерпретации для определения вертикальных профилей содержания CO2, О3, HNO3.
3. Проведена массовая интерпретация наземных измерений спектров прямого солнечного ИК излучения в Петергофе за период 2009-2022 гг. и получена новая информация о вертикальной структуре содержания климатически важных газов (CO2, О3, HNO3).
4. Проанализированы временные, сезонные вариации (в том числе долговременные тренды) вертикальной структуры содержания указанных атмосферных газов.
5. Проведены сравнения полученных новых данных с результатами трехмерного численного моделирования вертикальной структуры содержания CO2, О3, HNO3 для анализа качества современных моделей.
6. Проведена валидация различных спутниковых измерений газового состава на основе полученных новых данных о вертикальной структуре содержания CO2, О3, HNO3.
Публикации
1. Comparison of Stratospheric CO2 Measurements by Ground- and Satellite-Based Methods; Nikitenko A. A., Timofeev Yu. M., Virolainen Ya. A., Nerobelov G. M., Poberovskii A. V. (Saint-Petersburg State University); Atmospheric and Oceanic Optics, 35, 4; 08.2022; DOI: 10.1134/S1024856022040145.
2. Анализ информативности наземного ИК спектрометрического метода определения вертикальной структуры содержания HNO3 в атмосфере; Виролайнен Я.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Поляков А.В. (Санкт-Петербургский государственный университет); Оптика атмосферы и океана, 35, 11; 2022; DOI: 10.15372/AOO20221105.
3. Сравнение наземного и спутникового методов определения вертикальных профилей содержания озона; Бордовская Ю. И., Я. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев (Санкт-Петербургский государственный университет); Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 19, 2, 2022; DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-225-231.
4. Анализ наземных спектроскопических измерений содержания СО2 в Петергофе; Никитенко А. А., Г. М. Неробелов, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский (Санкт-Петербургский государственный университет); Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 18, 6; 2021; DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-6-265-272.
5. Determining Both Tropospheric and Stratospheric СО2 Contents Using a Ground-Based IR Spectroscopic Method; Timofeyev Yu. M., Nerobelov G. M., Poberovskii A. V., Filippov N. N. (Санкт-Петербургский государственный университет); Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics, 57, 3; 05.2021; DOI: 10.1134/S0001433821020110.
6. Анализ информативности и вертикального разрешения наземного спектроскопического ИК-метода определения вертикальной структуры CO2; Тимофеев Ю.М., Филиппов Н.Н., Поберовский А.В. (Санкт-Петербургский государственный университет); Оптика атмосферы и океана, 33, 11; 2020; DOI: 10.15372/AOO20201102.
7. Сравнения спутникового и наземного методов определения вертикальных профилей содержания озона; Бордовская Ю.И., Виролайнен Я.А., Тимофеев Ю.М. (Санкт-Петербургский государственный университет); Материалы 19-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2021. C. 151. DOI 10.21046/19DZZconf-2021a.