ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.510.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА ИЗ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЫСОКИМ СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
© 2008 г. Я. А. Виролайнен*, Ю. М. Тимофеев
Физический факультет Санкт-Петербургского государственного Университета Тел.: (812) 428-43-47; e-mail: Yana.Virolainen@JV14952.spb.edu Поступила в редакцию 03.12.2007 г.
Проанализированы погрешности определения вертикальной структуры содержания озона по данным наземных измерений прямого солнечного ИК-излучения Фурье-спектрометром Брюкера со сверхвысоким спектральным разрешением (0.01—0.002 см-1). Определены спектральные каналы, информативные относительно содержания озона в тропосфере и нижней стратосфере. Исследовано влияние на точность метода таких факторов, как неопределенности в задании температурного профиля, случайный шум измерения, спектральное разрешение прибора, вертикальное разрешение метода. Показано, что рассматриваемый метод позволяет восстанавливать профиль содержания озона с высоким вертикальным разрешением в тропосфере с погрешностью 20-25%, а в стратосфере — с погрешностью 15-25%.
ВВЕДЕНИЕ
Озон, один из важнейших климатически активных газов, играет значительную роль в фотохимических, динамических и радиационных процессах в атмосфере [1]. Стратосферный озон поглощает коротковолновую ультрафиолетовую (УФ) солнечную радиацию, озон в верхней тропосфере и нижней стратосфере вносит вклад в парниковый эффект, в нижней тропосфере — оказывает негативное влияние на здоровье человека и на всю биосферу в целом [2]. Измерения вертикальных профилей содержания озона в настоящее время осуществляются многими методами: наземными, аэростатными, спутниковыми. Важную роль играют измерения с помощью озоно-зондов. Различные методы имеют различные преимущества и недостатки. В частности, большинство дистанционных методов (как наземных, так и спутниковых) не позволяют определять вертикальные профили содержания озона в тропосфере в соответствии с требованиями ВМО по точности, периодичности, высотному диапазону, пространственному охвату и вертикальному разрешению [3]. В связи с этим важное значение имеет совершенствование методов измерений содержания озона. Отметим также, что наземные высококачественные измерения профилей содержания озона необходимы для валидации различных спутниковых измерений на регулярной основе.
В работах [4—8] предложен и изучен метод определения вертикальных профилей содержания озона на основе интерпретации наземных измерений спектров солнечного инфракрасного
(ИК) излучения с высоким спектральным разрешением. Идея метода состоит в измерении поглощения солнечного излучения в контурах отдельных линий (для этого требуется высокое спектральное разрешение порядка 0.02—0.001 см-1) и использовании особенностей поведения коэффициента поглощения в линиях поглощения, обусловленных соударением молекул. Как известно [9], при этом коэффициенты поглощения увеличиваются с падением давления в атмосфере в центрах линий поглощения и уменьшаются в "крыльях" линий. Это позволяет получить информацию именно об элементах вертикальной структуры содержания озона, а не только о его общем содержании. Укажем, что эффективность метода повышается с ростом длины волны, так как вклад уширения за счет столкновений молекул (лоренцевский контур линии) растет по сравнению с доплеровским уширением (доплеров-ский контур не зависит от давления).
Реализация наземного ИК-метода может быть осуществлена в различных полосах и линиях поглощения озона. Так, в базе данных И1ТКЛМ-2004 [10] приведены спектроскопические параметры более 300000 спектральных линий озона. В работах [4-8] исследованы погрешности наземного ИК-метода и приведены примеры его реализации и ва-лидации на основе сопоставлений с независимыми (контрольными) измерениями. Недостатком проведенных ранее исследований является относительно произвольный выбор спектральных областей и линий поглощения озона, а также не использование локальных приземных измерений концентрации
озона, которые в настоящее время можно производить с помощью относительно простых приборов. В частности, в цитированных работах предлагалось исследовать линии поглощения озона в полосах 4.7 и 9.6 мкм, но при этом игнорировались линии в районе полосы поглощения углекислого газа 15 мкм, влияние уширения за счет столкновений для которых более сильное.
Целью настоящей работы является исследование возможности повышения точности определения профиля озона на основе использования наземных измерений солнечного излучения Фурье-спектрометра Брюкера с разрешением 0.02—0.002 см-1 путем привлечения дополнительных каналов в линиях поглощения озона в длинноволновой области спектра и наземных измерений локальных концентраций приземного озона с помощью хемилюминесцент-ного или оптического газоанализаторов.
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРОВ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Фурье-спектрометр Брюкера (закупленный физическим факультетом СПбГУ в рамках национального проекта "Образование") позволяет измерять прошедшее через атмосферу солнечное излучение в широкой (3-18 мкм) ИК-области спектра со сверхвысоким спектральным разрешением 0.01-0.002 см-1. При таком высоком разрешении использование для решения обратной задачи всех линий поглощения озона, а также всех возможных каналов измерения спектрометра, потребует необоснованно долгих расчетов даже на современных ЭВМ, поэтому на первом этапе исследования для оптимизации схемы измерения необходимо определить наиболее информативные в отношении определения профиля озона каналы указанного прибора.
Параметры расчетов
Для устранения отрицательных значений в спектрах солнечного излучения после преобразования интерферограммы мы воспользовались апо-дизацией треугольником с аппаратной функцией
_ Б 8Ш2 (яБх)
ф(х) _ Б
(п Бх)2
где D - оптическая длина пути в приборе. Поскольку при наилучшем спектральном разрешении прибора (~0.002 см-1) время измерений достигает одного часа (D = 600 см) и состояние атмосферы (влажность и температура) может претерпеть заметные изменения, нами также анализируются измерения с более низким разрешением (0.01 см-1), но выполненные за более короткое время (10-15 мин). Отношение сигнал/шум в
первом случае составляет 100, во втором - 500 (по данным аналогичных приборов [4-6]). Нами также исследовался вариант измерений нескольких спектров солнечного излучения в течение часа со спектральным разрешением 0.01 см-1 при реализации отношения сигнал/шум, равного 1000, получаемого при осреднении нескольких измерений.
Выражение для прошедшей через атмосферу солнечной радиации ^-1, измеренной на высоте с давлением p0, в конечном спектральном интервале Дv с учетом аппаратной функции прибора, выглядит следующим образом (1):
_ | ф( ^
Ро
8ее ^
ехр \ -| ^ кV, р,^ }йр >dv. (1)
Ау о 1 ^
Здесь Sv - спектр солнечного излучения на верхней границе атмосферы [11]; kц ^ ^ и qpj - коэффициенты поглощения всех линий и континуумов и отношения смеси различных газов соответственно, (/ - индекс газа) на уровне с давлениемp.
В качестве характеристик тонкой структуры полос поглощения взяты параметры банка данных Н1ТКЛМ-2004 [10], а для расчета спектральных характеристик солнечного излучения - профили температуры и газовых компонент для лета (средние широты) из базы данных AFGL-86 [12]. Хотя измерения солнечного излучения проводятся в линиях поглощения озона, в расчетах учитывается поглощение водяным паром (континуальное и селективное), углекислым газом, хлор-фтор-углеродами CFC-11 и CFC-12, а также метаном и М20 (параметры радиационной модели см. подробнее в [13]).
Анализ информативности измерений
Для сокращения времени расчетов и оптимизации схемы измерения были проанализированы возможности восстановления профиля озона по измерениям излучения в различных спектральных областях. В качестве характеристики информативности измерений использовались матрица ошибок дистанционного метода 8 (2) и матрица усредняющих ядер A (3) [14].
8 _ (8-1 + КТ8-К)-1,
(2)
А _ (8-1 + КТ8-1 К)-1Кт8-1 К _ 8КТ8-К. (3)
Здесь 8а - априорная матрица изменчивости искомого вектора состояния атмосферы (в нашем случае температуры, влагосодержания, содержания озона и т.д.); К - матрица вариационных производных излучения по атмосферным параметрам; 8е - матрица некоррелированных ошибок измерения; T - знак транспонирования. Матрица 8 - позволяет проанализировать погрешности
Таблица 1. Отобранные для решения обратной задачи спектральные интервалы (см и число каналов при спектральном разрешении прибора 8v = 0.002/0.01 см-1
Интервал 724.1—724.55 763.5—763.8 992.8—993.1 1002.6—1003.05 1043.5—1043.8 1079.1—1079.4 1124.2—1124.5
Число каналов 500/100 330/66 330/66 500/100 330/66 330/66 330/66
восстановления профиля озона, а матрица А — вертикальное разрешение дистанционных измерений.
Для численных оценок информативности измерений для каждого рассмотренного случая был рассчитан прирост информационного содержания эксперимента Н [14]
Н =
1 2- ¿1
2М
(4)
В качестве априорной информации использовались модельные экспоненциальные матрицы со средними значениями из базы AFGL-86 [12] и следующими среднеквадратичными отклонениями (СКО): для температуры и отношения смеси водяного пара — 8°К и 60% (1.5° и 5% — при наличии данных радиозондирования) соответственно, для озона — 40%, для других газов — 20%. Радиус корреляции для всех атмосферных параметров был взят равным 5 км.
Схема измерений
За основу выбора спектральных областей измерений при решении обратной задачи были взяты области, рекомендованные в работах [4—6]. Для отбора дополнительных спектральных каналов были рассчитаны и проанализированы вариационные производные по вертикальному профилю содержания озона К, демонстрирующие чувствительность излучения к изменениям озона в различных слоях атмосферы, в широкой спектральной области 700—1200 см—1. Также были проанализированы вариации излучения в зависимости от вариаций озона, температуры и влагосодержа-ния. Из дальнейшего рассмотрения были исключены спектральные интервалы, в кото
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.