научная статья по теме ГОДОВОЙ ХОД И ДОЛГОВРЕМЕННЫЙ ТРЕНД СОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ГОДОВОЙ ХОД И ДОЛГОВРЕМЕННЫЙ ТРЕНД СОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 4, с. 493-501

УДК 551.510.4

ГОДОВОЙ ХОД И ДОЛГОВРЕМЕННЫЙ ТРЕНД СОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРНОГО МЕТАНА В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

© 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 доработки 13.03.2014 г.

Статья посвящена анализу годового хода и долговременного тренда метана в атмосфере для станции Петергоф (СПбГУ) по данным Фурье-спектрометрических измерений и результатов расчетов модели EMAC. Получено, что амплитуда годового хода общего содержания СН4 для экспериментального и модельного массивов данных составляет 2.1% и 1.5% соответственно. Для средней по столбу атмосферы концентрации CH4 амплитуды годового хода меньше, чем для общего содержания, и равны для экспериментальных данных — 1.1%, для модели — 0.6%. Результаты локальных круглосуточных измерений приземных концентраций СН4 показали, что в 2013 г. средние по столбу атмосферы концентрации CH4 и амплитуды суточного хода локальной концентрации СН4 имели единую динамику сезонных изменений. Анализ, проведенный с использованием результатов моделирования выявил, что атмосферные условия, характерные для дней Фурье-спектрометрических измерений, могут приводить к увеличению амплитуды годового хода общего содержания CH4 в два с половиной раза, по сравнению с "истинной". Фурье-спектрометрические измерения и результаты расчетов модели EMAC показали рост СН4 в атмосфере за 2009—2012 гг. со скоростью ~0.2% в год. Добавление данных измерений за 2013 г. приводит к уменьшению значения тренда до ~0.13% в год.

Ключевые слова: тренды метана, годовой ход, метан, Фурье-спектрометрия, локальные измерения, транспортно-фотохимическое моделирование.

Б01: 10.7868/80002351515040082

ВВЕДЕНИЕ

Метан является третьим по важности после водяного пара и углекислого газа парниковым газом. С начала индустриальной эпохи концентрация метана удвоилась [1]. Несмотря на то, что начиная с 80-х годов XX века, исследования атмосферного СН4 ведутся достаточно активно, его источники до сих пор известны с недостаточной точностью, а современные изменения содержания метана в атмосфере демонстрируют особенности, требующие дополнительного изучения [2]. Если в начале XXI века наблюдались практически нулевые значения тренда метана в атмосфере [3], то в 2006 г. рост СН4 резко возобновился [4]. Причем для периода 2007—2009 гг. содержание СН4 в Северном полушарии увеличивалось со скоростью ~1% в год [5]. Увеличение зафиксировано как по результатам измерений приземных концентраций [6], так и общего содержания метана во всей толще атмосферы [4]. Основными

предположениями, выдвигаемыми в качестве причин наблюдающейся изменчивости тренда метана, являются влияние эмиссий болотных комплексов, которые зависят от температуры и количества осадков, рост антропогенных выбросов, выделение СН4 при таянии вечной мерзлоты и высвобождение метана в атмосферу из запасов ме-тангидратов Северного Ледовитого океана [2, 4, 7]. Однако причины, вызвавшие рост метана с 2006 г., точно не установлены и в настоящее время активно обсуждаются научным сообществом [2, 4—7].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

И МОДЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

В данной работе исследование годового хода и долговременного тренда метана в атмосфере проводится по данным наблюдений на станции атмосферного мониторинга СПбГУ в Петергофе и

4E + 019

3.9E + 019

U

^ 3.8E + 019 Я

и

3.7E + 019

FTIR

EMAC/FTIR EMAC

разница = FTIR—EMAC/FTIR разница = EMAC/FTIR—EMAC

1E +018 о

6E +017 s

зн

2E +017 £

Я

Ф

М

А

М

И И

Месяцы

А

С

О

Н

Д

Рис. 1. Средний годовой ход общего содержания СН4 за 2009—2012 гг. по данным Фурье-спектрометрии и модели ЕМАС, а также разница между средними годовыми ходами: (РТ1Я-ЕМАС/РТ1Я) и (ЕМАС/БИЯ—ЕМАС).

расчетов модели EMAC (2009-2012 гг.) [9]. К анализу привлечены как результаты Фурье-спектрометрических измерений за 2009-2013 гг. (см., например, работу [8]), так и данные локального мониторинга метана в атмосфере за 2013 г. Для круглосуточных измерений концентрации СН4 используется газоанализатор Los Gatos Research GGA — 24r-EP. Погрешность измерений данной аппаратуры составляет (0.3—1) ppbv в зависимости от времени накопления (100—5 с).

ГОДОВОЙ ХОД ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ И СРЕДНЕЙ ПО СТОЛБУ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА

В настоящей работе для анализируемых массивов данных используются следующие обозначения:

TC — общее содержание CH4 во всей толще атмосферы;

MF — средняя по столбу атмосферы концентрация CH4, полученная путем деления общего содержания TC метана на полное количество молекул в сухой атмосфере;

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

ЕМАС — полный временной ряд, генерируемый моделью ЕМАС;

ЕМАС/РТ1Я — выборка из результатов моделирования, согласованная по дате и времени с РТ1Я измерениями.

На рис. 1 и 2 приведен средний годовой ход величин ТС и МР СН4 за 2009—2012 гг., построенный по экспериментальным и модельным данным (рис. 1 и 2). Также приведена разница между средними годовыми ходами: (РТ1Я-ЕМАС/РТ1Я) и (ЕМАС/РТ1Я - ЕМАС).

Общее содержание СН4. Годовые изменения общего содержания СН4, полученные как по экспериментальным данным РТ1Я ТС, так и по выборочному модельному массиву ЕМАС/РТ1Я ТС, имеют схожий вид: два локальных минимума в марте и в июле и максимумы - январский и майский. Амплитуда годового хода общего содержания СН4 для массивов РТ1Я ТС и ЕМАС/РТ1Я ТС составляет 2.1% и 1.5% соответственно.

Разница между этими годовыми ходами (РТ1Я ТС-ЕМАС/РТ1Я ТС), представленная на рис. 1, изменяется в пределах от 0.5% (март) до 2.6% (ноябрь) и имеет выраженную сезонность, возрастая в осеннее время (сентябрь-ноябрь) Предполага-

годовой ход и долговременный тренд

495

I

л л

Я

о

1.82

1.80

1.78

1.76

РПЯ

ЕМАС/БТЖ ЕМАС

разница = РТЖ-ЕМАС/РТЖ разница = ЕМАС/РПЯ-ЕМАС РПЯ (Изана, 2001-2010 гг.) РПЯ (Цугшпитце, 2004-2009 гг.)

а, ту

и

ч

п

- 0.02

-0.02

Я

Ф

М

А

М

ИИ

Месяцы

А

С

О

н

д

& & а, ц

и н

з а

Рч

Рис. 2. Средний годовой ход средней по столбу атмосферы концентрации СН4 за 2009-2012 гг. по данным Фурье-спектрометрии и модели ЕМАС, а также разница между средними годовыми ходами: (РТШ-ЕМАС/РТШ) и (ЕМАС/РТЖ-ЕМАС).

1

0

ется, что это обусловлено недоучетом естественных источников метана в модели ЕМАС [10].

Ранее опубликованные результаты наших измерений с использованием классического спектрометра низкого разрешения СИКС (солнечный ИК-спектрометр) [11], показали, что для периода 1991-2007 гг. средний годовой ход с амплитудой ~3% имел максимум в декабре-январе и минимум в июне-августе, что отличается от годового хода по данным Фурье-спектрометрии (20092012 гг.). Однако годовые изменения для отдельных лет могут разниться как по характеру, так и по амплитуде. Например, по измерениям СИКС в 2006 г. наблюдался максимум в феврале и два минимума в апреле и сентябре [11], что схоже с сезонными изменениями РТ1Я ТС (рис. 1). В 1998 и 2002 гг. была зафиксирована аномально высокая амплитуда годового хода, которая примерно в два раза превышала среднюю [11].

Средние по столбу атмосферы концентрации СН4.

Из рис. 1 и 2 видно, что при переходе от общего содержания ТС СН4 к величинам средней по столбу концентрации МБ СН4 годовой ход изменяется.

Для данных РТ1Я МБ мартовский минимум годового хода стал более выраженным, летний минимум практически исчез; максимум наблюдается в ноябре вместо января (как для ТС СН4). На рис. 3 для сравнения даны графики, соответствующие годовым изменениям РТ1Я МБ за 2013 г. и 2009-2012 гг. Так, например, в 2013 г. весенний минимум наблюдался в течение двух месяцев -марта и апреля, в июле было зарегистрировано уменьшение СН4 до уровня весеннего минимума. Максимумы отмечались в мае-июне и сентябре.

Выборочный массив ЕМАС/БТ1Я МБ сохранил экстремумы в марте, августе и мае, а зимний максимум также переместился с января на ноябрь. Амплитуды годового хода МБ СН4 меньше,

2.3

2.2

л л

Я

и «

и

я

св &

Я

(U

Я Я

о

а

2.1

2.0

1.9

Суточный ход LMF CH4 Аппроксимация

Я Ф М А М И И

Месяцы 2013 г.

А

С

О

Рис. 3. Годовые изменения СН4: FTIR MF (2013 г., Петергоф); минимальные приземные концентрации (2013 г., Петергоф); приземные концентрации (Baltic Sea, 2002—2009 гг.); суточный максимум приземных концентраций (2013 г., Петергоф); средний годовой ход FTIR MF (2009—2012 г., Петергоф).

чем для ТС СН4, соответствующие значения приведены в третьем столбце табл. 1.

Сопоставим наши оценки с результатами, опубликованными в работах [12, 13], где анализировался годовой ход МР СН4 для станций Цуг-шпитце и Изана (табл. 1). С увеличением широты приблизительно на ~30° амплитуда сезонных колебаний МР СН4 возрастает примерно на 0.5%. Полученные нами модельные оценки амплитуды годового хода характерны скорее для субтропической станции Изана, чем для станции Петергоф.

Годовые изменения на станциях Изана и Цуг-шпитце, выраженные в процентах от среднего МР СН4, даны на рис. 2 (правая верхняя ось Y). Для субтропической станции Изана годовой ход заимствован из рис. 12 работы [13], а для среднеширот-ной станции Цугшпитце — из рис. 11 статьи [12].

Из рис. 2 видно, что годовые изменения для станций Петергоф и Изана, несмотря на разницу в амплитудах, ближе по характеру, чем годовые изменения для Петергофа и Цугшпитце. Отметим, что для всех трех пунктов измерений наблюдается

Таблица 1. Данные о географическом положении, периодах измерений и значениях амплитуд сезонного хода для станций Изана, Цугшпитце и Петергоф

Данные Изана (TCCON), 28° 18' N, 16°29' W 2370 м. над уровнем моря Цугшпитце (NDACC), 47.42° N, 10.98° E, 2964 м над уровнем моря Петергоф, 59.88° N, 29.82° E, 20 м над уровнем моря

Анализируемый период 2001-2010 2004-2009 2009-2012

Анализируемый ряд FTIR MF FTIR MF FTIR M

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»