ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 1, с. 16-27
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^^^
ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
НОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВАЛИДАЦИИ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СОДЕРЖАНИЯ NO2 С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА OMI НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ЗВЕНИГОРОДСКОЙ НАУЧНОЙ СТАНЦИИ
© 2013 г. А. Н. Груздев*, А. С. Елохов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук, Москва
*Е-таИ: a.n.gruzdev@mail.ru Поступила в редакцию 9.04.2012 г.
Сравнение результатов наземных измерений содержания М02 на Звенигородской научной станции и результатов измерений с помощью прибора 0М1 на борту спутника Е0$-Аига при пролетах спутника над станцией выявило, что среднее расхождение значений "незагрязненной" (главным образом стратосферной) части общего содержания М02 за весь срок совместных наблюдений находится в пределах ошибок измерений. Однако содержание М02 по спутниковым данным летом меньше значений, получаемых из наземных наблюдений, и больше их зимой. Высокая корреляция между наземными и спутниковыми данными в значительной степени обусловлена годовым ходом N0^ Корреляция ухудшается при сравнении данных по месяцам. В целом отмечено значительное расхождение между значениями содержания N02 в вертикальном столбе тропосферы по данным 0М1 и данным наземных измерений. Корреляция между спутниковыми и наземными данными, слабая в целом за год, возрастает зимой и весной. Коэффициент корреляции между наземными и спутниковыми данными о "незагрязненной" части общего содержания N02 увеличивается, а коэффициент корреляции между данными о тропосферном содержании N02 уменьшается с увеличением доли облаков. Отмечено соответствие между отдельными квазирегулярными вариациями внутрисезон-ного масштаба, выявленными в данных 0М1 и в наземных данных. Однако годовой ход тропосферного содержания N02 в спутниковых данных не соответствует по фазе годовому ходу в данных наземных измерений. Аномалия N02 в конце марта—начале апреля 2011 гг., вызванная затоком стратосферного воздуха из области арктической озонной "дыры", отчетливо проявившаяся в результатах наземных измерений на Звенигородской станции, в данных 0М1 не выявлена.
Ключевые слова: валидация, N0^ 0М1, дистанционное зондирование
DOI: 10.7868/S0205961412060024
ВВЕДЕНИЕ
Число атмосферных параметров, измеряемых со спутников, постоянно расширяется, а методы измерений совершенствуются. Тем не менее, результаты дистанционных измерений со спутников требуют валидации на основе данных независимых измерений. Значительный интерес в атмосферных исследованиях представляют результаты измерений состава атмосферы. Двуокись азота (NO2), наряду с другими окислами азота, играет важную роль в химии атмосферного озона. Измерения ее содержания в стратосфере особенно важны в связи с проблемой изменений озонного слоя, а измерения содержания в нижней тропосфере — в связи с проблемой антропогенного загрязнения атмосферы.
В 2004 г. Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) запущен спутник EOS-Aura,
научными задачами которого являются исследования озонного слоя, качества воздуха и климата Земли. На спутнике установлены несколько приборов и среди них — прибор OMI (Ozone Monitoring Instrument), разработанный специалистами из Нидерландов и Финляндии и предназначенный для исследования газового и аэрозольного состава атмосферы. Прибор OMI позволяет определять общее содержание (ОС) NO2 в вертикальном столбе атмосферы, а специальная методика анализа и обработки результатов измерений позволяет также оценивать значения содержания NO2 в загрязненном пограничном слое атмосферы и в вертикальном столбе тропосферы (Boersma et al., 2002). Другим достоинством этой аппаратуры является высокое пространственное разрешение (13 х 24 км2 в надире), что наряду с солнечно-синхронизованной орбитой спутника обеспечивает
высокую степень детализации широтно-долгот-ного распределения содержания NO2.
Результаты валидации данных OMI о содержании NO2 в вертикальном столбе стратосферы с использованием данных спектрометрических измерений на наземных станциях представлены в нескольких работах (Celarier et al., 2008; Ionov etal., 2008; Груздев, Елохов, 2009; Gruzdev, Elokhov, 2010). Данные OMI о содержании NO2 в тропосферном столбе также были сопоставлены с результатами независимых (наземных, спутниковых, самолетных) измерений (Boersma et al., 2008; Brinksma et al., 2008; Buscela et al., 2008; Celarier etal., 2008; Irie et al., 2008; Kramer et al., 2008; Wenig et al., 2008; Груздев, Елохов, 2009; Gruzdev, Elokhov, 2010). По мере отработки методики обработки данных измерений OMI, соответствие между значениями стратосферного содержания NO2 по результатам спутниковых и наземных измерений в целом улучшалось (Груздев, Елохов, 2009; Gruzdev, Elokhov, 2010). Отметим, что оно в значительной степени обусловлено хорошим соответствием особенностей годового хода NO2, который является доминирующей модой изменчивости NO2 в стратосфере. Достаточно большой объем данных наблюдений NO2 со спутника EOS-Aura, накопленный к настоящему времени, позволяет выполнить более тщательную их валидацию, с учетом сезонных особенностей и вариаций NO2 меньшего временного масштаба.
Цель представленной работы состоит в проведении такой валидации с использованием данных измерений содержания NO2 на Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, полученных при пролетах спутника над станцией в период измерений с октября 2004 г. по май 2011 г.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАННЫХ И МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЯ
Опишем кратко основные особенности данных об NO2 и методик их получения, которые необходимо учитывать при валидации. Более подробное изложение можно найти в (Boersma et al., 2002; Celarier et al., 2008; Груздев, Елохов, 2009).
Измерения с помощью прибора OMI
Прибор OMI измеряет рассеянную атмосферой Земли солнечную радиацию в ультрафиолетовой и видимой частях спектра со спектральным разрешением ~0.5 нм и пространственным (горизонтальным) разрешением 13 х 24 км2 в надире (Boersma et al., 2002; Celarier et al., 2008). Для определения содержания NO2 используется спектральный диапазон 415—465 нм. Непосредственно из измерений определяется содержание NO2 в
наклонном столбе атмосферы. Содержание М02 в вертикальном столбе атмосферы получается делением наклонного содержания на величину воздушной массы М02, которая зависит от ряда параметров, включающих геометрию наблюдений, альбедо подстилающей поверхности, форму вертикального профиля М02, характеристики облачности (высота, плотность, степень покрытия небосвода). Важно, что форма профиля и соответственно значение воздушной массы М02 существенно меняются в условиях загрязнения нижней тропосферы, при этом величина воздушной массы сильно зависит от облачности (Воегзша й а1.,
2002). Наличие облачности влияет и на величину воздушной массы в отсутствие нижнетропосферного загрязнения (Воегзша е! а1., 2002; Е8кез е! а1.,
2003), однако ее зависимость от доли облачности, согласно (Воегзша е! а1., 2002), не выявляется на фоне естественной изменчивости по причине малой концентрации М02 в фоновых условиях в тропосфере.
Процедура получения конечных данных о содержании М02 состоит из нескольких этапов, включающих предварительную обработку результатов измерений с целью выявления загрязненных регионов с высокими значениями тропосферного содержания М02 и фотохимическое моделирование. В итоге определяется фоновое значение общего содержания М02 (считается, что оно составляет "незагрязненную" часть ОС М02 в загрязненных районах), собственно ОС М02 (оно совпадает с фоновым значением в незагрязненных районах) и содержание М02 в загрязненном слое — как разность между ОС М02 и фоновым значением. Кроме того, оценивается содержание М02 в вертикальном столбе тропосферы, которое складывается из содержания в загрязненном слое и содержания в лежащем выше слое тропосферы в предположении незагрязненного профиля (форма которого предписана по результатам фотохимических моделей). Отметим, что фоновое значение ОС М02 определяется осреднением результатов измерений в околозональном направлении вне областей с загрязненной нижней тропосферой, с учетом конфигурации планетарных волн (Воегзша е! а1., 2002; Се1аг1ег е! а1., 2008; Груздев, Елохов, 2009). Поэтому получаемое из измерений 0М1 значение "незагрязненной" части ОС М02, вообще говоря, не равняется аналогичной по смыслу величине непосредственно в окрестности ЗНС, что и может служить одной из причин расхождения результатов наземных и спутниковых измерений этой переменной. Другой причиной может служить возможное влияние облачности на фоновое значение ОС М02 ввиду недостаточно точной оценки воздушной массы (см. выше).
Случайная ошибка измерений содержания NO2 в стратосферном столбе (а также в "незагрязненном" столбе атмосферы) при безоблачном небе составляет, по оценкам (Boersma et al., 2002), около 0.2 х 1015 и 0.8 х 1015 см-2 в незагрязненных и загрязненных условия соответственно. Согласно (Boersma et al., 2002), относительные ошибки оценок содержания NO2 в тропосферном столбе в безоблачных и облачных условиях составляют около 30 и 60% соответственно, в то время как по оценкам (Wenig et al., 2008) ошибки в безоблачных условиях заключены в большинстве случаев в пределах от 40 до 80%.
В работе использованы данные OMI за период с октября 2004 г. по май 2011 г. Использована выборка данных измерений OMI над Звенигородом, находящаяся в открытом доступе на сайте Центра валидации данных Aura (Aura Validation Data Center) http://avdc.gsfc.nasa.gov. Данные получены нами в мае 2011 г.
Измерения на Звенигородской станции
Звенигородская научная станция (55.7° с.ш., 36.8° в.д.) расположена в сельской местности на расстоянии около 50 км к западу от Москвы. Станция входит в состав международной Сети для обнаружения изменений состава атмосферы (Network for the Detection ofAtmospheric Composition Change — NDACC). Измерения содержания NO2 выполняются по рассеянной из зенита солнечной радиации в спектральном диапазон
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.