научная статья по теме АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ СОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПО ДАННЫМ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ СОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПО ДАННЫМ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 2, с. 201-209

УДК 551.510.4

АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ СОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПО ДАННЫМ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2015 г. М. В. Макарова*, О. Кирнер**, Ю. М. Тимофеев*, А. В. Поберовский*, Х. Х. Имхасин*, С. И. Осипов*, Б. К. Макаров*

*Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, Ульяновская ул., 1 E-mail: zaits@troll.phys.spbu.ru **Технологический институт Карлсруэ Кайзерштрассе 12,76131 Карлсруэ, Германия E-mail: ole.kirner@kit.edu Поступила в редакцию 10.01.2014 г., после обработки 04.06.2014 г.

Представлен совместный анализ результатов Фурье-спектрометрических измерений СН4 и расчетов модели EMAC для станции Петергоф (СПбГУ) за 2009—2012 гг. Систематические рассогласования между наблюдениями и моделью составляют 1.3% и 0.3% соответственно величин для общего содержания и средней по столбу концентрации СН4. Высокая корреляция для экспериментального и модельного массивов общего содержания (r = 0.8) показывает, что EMAC воспроизводит изменчивость общего содержания СН4 в атмосфере за счет метеорологических процессов. На основе данных моделирования проведен анализ влияния метеорологических условий, характерных для Фурье-спектрометрических наблюдений, на получаемые оценки среднего значения общего содержания и средней концентрации СН4. Показана возможность существования систематических сдвигов (до ~0.4%) экспериментальных оценок среднего значения относительно "истинного". Этот факт необходимо учитывать при сравнениях климатологических или модельных данных с результатами Фурье-спектрометрических измерений в особенности для станций с относительно небольшим количеством дней наблюдений.

Ключевые слова: атмосферный метан, атмосферная ИК Фурье-спектрометрия, транспортно-фото-химические модели атмосферы.

DOI: 10.7868/S0002351515010083

ВВЕДЕНИЕ

Метан является одним из важнейших парниковых газов в атмосфере Земли. Это обусловлено особенностями строения его молекулы и спектральными диапазонами, где расположены полосы поглощения СН4. Поскольку метан является долгоживущим газом и его временные изменения в атмосфере относительно невелики, системы наблюдений (как наземные, так и спутниковые) должны обладать высокой измерительной точностью [1—3].

Основную информацию об атмосферном метане в настоящее время получают по данным глобальных наземных сетей GAW/NOAA (WMO Global Atmosphere Watch) [11, 12], NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) [13] и TCCON (Total Carbon Column Observing

Network) [14], а также благодаря спутниковым программам измерений SCIAMACHY [15], AIRS [16], IASI [17], TES[18] , GOSAT [19].

В нашей стране важное значение в исследованиях метана сыграли наземные измерения его общего содержания по спектрам солнечного излучения с низким спектральным разрешением, которые осуществлялись в последние 20—40 лет в ИФА РАН [20], ИЭМ [21] и СПбГУ [22].

С 2009 г. на станции атмосферного мониторинга СПбГУ [23] при помощи Фурье-спектрометра высокого спектрального разрешения Bruk-er IFS 125 HR ведутся комплексные измерения важнейших климатически и химически активных малых газовых составляющих атмосферы [24—26]. С этого же 2009 г., действует Атмосферная Фурье-станция УрФУ, расположенная в Коуровской аст-

рономической обсерватории [27], входящая в международную сеть измерений TCCON.

Необходимо также упомянуть усилия ИОА СО РАН, где на сети сибирских станций осуществляются измерения концентраций метана на башнях [28]. ГГО им. Воейкова проводит регулярные измерения приземных концентраций СН4 на нескольких станциях сети Росгидромета [29]. Долговременными рядами измерений приземной концентрации метана обладает МГУ [30]. Усилиями ИФА РАН осуществляется проект TROICA [31], в рамках которого передвижная обсерватория курсирует по железным дорогам России, обеспечивая широтные и долготные разрезы различных характеристик атмосферы и в том числе приземных концентраций метана.

Настоящая работа посвящена анализу временных изменений СН4 в атмосфере для станции Петергоф за 2009—2013 гг. по данным измерений и результатов модели EMAC [32].

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

Фурье-спектрометрические измерения общего содержания СН4

Фурье-спектрометрические измерения проводятся в Петергофе (59.88° N, 29.82° E, 20 м над уровнем моря), примерно в 35 километрах к юго-западу от центра Санкт-Петербурга. Регистрация интерферограмм проводится в условиях безоблачного неба или при наличии достаточных для проведения регистрации спектров разрывов в облачности. Обычно измерения ведутся при разности оптического пути 180 см, что соответствует спектральному разрешению 0.005 см-1. Стабильность работы Фурье-спектрометра, а также его характеристики контролируются по измерениям кюветы с HBr, обрабатываемым программой LINEFIT [33].

Интерпретация высокоразрешенных спектров прямого солнечного излучения (определение общего содержания газов в атмосфере) осуществляется при помощи программного обеспечения SFIT2 v 3.92 [34], разработанного для сети NDACC. В качестве метеорологической информации, необходимой при обработке спектров, используются данные радиозондирования ГГО в пос. Воейково [35]. Априорными профилями концентраций газов в атмосфере служили профили, рассчитанные при помощи климатической модели WACCM (Whole Atmosphere Community Climate Model) [36] для измерительной станции в Петергофе.

При восстановлении общего содержания СН4 в столбе атмосферы мы придерживались стратегии, которая описана в работе [2]. При этом использовались три спектральных микроокна: 2613.7-2615.4,

2835.5-2835.8 и 2921.0-2921.6 см-1. Случайные относительные погрешности единичного измерения общего содержания СН4 не превышали 0.5%. Более подробно с методикой определения общего содержания СН4 можно познакомиться в работах [2, 37].

Средства моделирования

Значения общего содержания и средней по столбу концентрации СН4 за 2009-2012 гг. рассчитывались моделью EMAC (ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry model), разработанной в Институте химии им. Макса Планка [32]. EMAC является комбинацией модели общей циркуляции атмосферы ECHAM5 [38] и различных подмоделей, которые объединены интерфейсом MESSy (Modular Earth Submodel System) [39]. EMAC моделирует химические и динамические процессы от тропосферы до мезосферы (39 слоев по вертикали) с горизонтальным разрешением - 2.8° х 2.8°. Генерируемый EMAC массив значений общего содержания метана и средней по столбу концентрации СН4 представляет собой временные ряды с одиннадцатичасовым шагом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты наземных Фурье-спектрометрических (FTIR) измерений метана во всей толще атмосферы (2009-2013 гг.) в сравнении с расчетами модели EMAC (2009-2012 гг.) представлены на рис. 1 и 2. Рисунок 1 демонстрирует среднедневные значения общего содержания (TC), а рис. 2 -средние по столбу атмосферы концентрации (MF) метана.

Величина MF получена путем деления общего содержания TC метана на полное количество молекул в сухой атмосфере. Переход от общего содержания к величине средней концентрации позволяет исключить влияние вариаций давления на вариации метана. При расчетах MF были использованы: для измерений - данные метеорологического зондирования станции Воейково; для EMAC - данные собственного метеоблока модели. Отметим, что в настоящее время эта характеристика (MF) широко используется в моделировании, а также в космических и наземных системах дистанционных измерений (например, для приборов SCIAMACHY, GOSAT, на сети TCCON) [15, 19, 14].

Результаты моделирования за 2009-2012 гг. были согласованы по дате и времени с FTIR-из-мерениями путем интерполяции данных EMAC. Всего в 2009-2012 гг. для сравнения с моделью имеются 233 среднедневных значения TC и MF СН4. На рис. 1 и 2 внизу представлена разница

4.1Е + 019 4.0Е + 019

FTIR ♦ ♦ ♦ ЕМАС/РПЯ

- разница = FTIR - ЕМАС/РПЯ

— 3.9Е + 019

с С,

Н3.8Е + 019 К

С

3.7Е + 019

3.6Е + 019

2009

2010

2011 2012

Год

2013

1.5Е + 018 с«

ц

и н

0 |

Р

2014

Рис. 1. Измеренные и смоделированные среднедневные значения общего содержания (ТС) метана, а также разница между ними.

1.85

♦ ♦ кля

♦ ♦ * ЕМАС/ГТ1Я

— разница = РПЯ - ЕМАС/БТЖ

2009

2010

2011 2012

Год

2013

2014

I

0.04 £

а,

0ц и

-0.04 азн Р

Рис. 2. Измеренные и смоделированные среднедневные значения средней по столбу атмосферы концентрации (МБ) метана, а также разница между ними.

между БТ1Я измерениями и моделью. Пунктирной линией — среднее значение этой разницы.

Начиная с рис. 1, 2 и далее для анализируемых массивов данных будут использоваться следующие обозначения:

БТ1Я — данные, полученные при помощи наземных Фурье-спектрометрических измерений;

ЕМАС — полный временной ряд, генерируемый моделью ЕМАС;

ЕМАС/БТ1Я — выборка из результатов моделирования, согласованная по дате и времени с БТ1Я измерениями.

Экспериментальные данные, приведенные на рис. 1 и 2, рассматриваются нами в качестве среднедневных ТС и МБ метана, поскольку каждое значение — результат осреднения нескольких измерений СН4, полученных в течение дня. Исключение составляют обычно зимние измерения, ко-

Таблица 1. Основные статистические характеристики для массивов общего содержания метана КТ1Я, ЕМАС/КТ1Я и ЕМАС за 2009-2012 гг.

ТС Среднее, х1019 см-2 Медиана, х1019 см-2 ст, х1019 см-2 Минимум, х1019 см-2 Максимум, х1019 см-2 ца це

КТ1Я 3.827 ± 0.004 3.827 ± 0.004 0.06 (1.6%) 3.644 (02.04.2012) 4.027 (29.01.2012) 0.2 1.2

ЕМАС (все дни) 3.761 ± 0.001 3.757 ± 0.001 0.05 (1.3%) 3.627 (05.01.2012) 3.912 (28.01.2012) 0.3 0.2

ЕМАС/КТ1Я (дни измерений) 3.777 ± 0.003 3.777 ± 0.003 0.04 (1.2%) 3.636 (02.04.2012) 3.912 (28.01.2012) 0.3 0.9

Разница (КПЯ-ЕМАС/КПЯ) 0.05 ± 0.002 (1.3%) 0.05 ± 0.002 (1.3%) 0.04 (1%) -0.04 (-1.0%) 0.15 (3.9%) -0.1 -0.2

Таблица 2. Основные статистические характеристики для массивов средней по столбу концентрации метана КТ1Я, ЕМАС/КТ1Я и ЕМАС за 2009-2012 гг.

МБ Среднее, рршу Медиана, рршу ст, рршу Минимум, рршу Максимум, рршу ца це

КПЯ 1.7842 ± 0.001 1.7837 ± 0.001 0.017 (1.0

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»