ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 1, с. 60-68
УДК: 551.510.42
СОДЕРЖАНИЕ НИТРАТА ХЛОРА В АТМОСФЕРЕ НАД САНКТ-ПЕТЕРБУРГОМ
© 2015 г. Я. А. Виролайнен*, Ю. М. Тимофеев*, А. В. Поберовский*, О. Кирнер**, М. Хёпфнер***
*Санкт-Петербургский государственный университет ул. Ульяновская, 1 198504 Санкт-Петербург, Петергоф E-mail: yana.virolainen@spbu.ru **Технологический Институт Карлсруэ, Вычислительный Центр им. К. Штайнбуха Германн-фон-Гельмгольц-Платц 1 76344 Эггенштайн-Леопольдсхафен, Германия ***Технологический Институт Карлсруэ, Институт метеорологии и исследования климата,
Германн-фон-Гельмгольц-Платц 1 76344 Эггенштайн-леопольдсхафен, Германия Поступила в редакцию 17.10.2013 г., после доработки 30.01.2014 г.
Впервые в России проведены наземные измерения общего содержания (ОС) нитрата хлора ClONO2 в атмосфере с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра (ФС) Bruker IFS-125HR. Средняя величина погрешности измерений ОС ClONO2, выполненных в 2009—2012 гг. в Петергофе, составляет (25 ± 10)%. Результаты сопоставлены с измерениями аналогичными приборами на станциях сети NDACC, со спутниковыми измерениями прибором MIPAS, а также с результатами численного моделирования ОС ClONO2 с помощью химико-климатической модели EMAC. Сезонный ход ОС ClONO2 одинаков для трех рассмотренных станций наблюдений (Петергоф, Kiruna и Eureka) с максимумом в феврале—марте, ярче выраженным в более высоких широтах. Выявлены высокие корреляции (R = 0.7—0.9) между данными спутникового прибора MIPAS, данными наземных измерений вблизи Санкт-Петербурга и рассчитанными по модели EMAC значениями. В среднем результаты моделирования меньше как наземных, так и спутниковых измерений. Как показал анализ сезонного хода среднемесячных значений ОС ClONO2 в районе Санкт-Петербурга, это различие обусловлено недооценкой моделью максимальных значений ОС ClONO2 в атмосфере.
Ключевые слова: Озоноразрушающие газы, нитрат хлора, Фурье-спектроскопия.
DOI: 10.7868/S0002351515010113
1. ВВЕДЕНИЕ
Нитрат хлора (ClONO2), наряду с хлористым водородом (HCl), является основным резервуаром активных соединений хлора в стратосфере. Молекулы ClONO2 играют важную роль в процессах каталитического разрушения озона [1, 2]. Количество разрушаемого озона в реакциях с участием хлорных соединений определяется соотношением между активными (озоноразрушающи-ми) газами, такими как Cl и ClO и неактивными газами-резервуарами ClONO2 и HCl. Поэтому для понимания процессов, происходящих в озоно-сфере, необходимо регулярно измерять содержание обоих газов-резервуаров активного хлора.
Впервые данные по содержанию ClONO2 в стратосфере были получены с помощью спектроскопических измерений прямого солнечного из-
лучения в ИК-области с аэростатов [3] и со спутника прибором ATMOS (Atmospheric Trace Molecule Spectroscopy) [4]. В последующие годы содержание ClONO2 измерялось с помощью космических приборов ATMOS, ILAS, MIPAS, ACE (см., например, [5—8]). Наземные спектроскопические измерения содержания ClONO2 впервые были осуществлены на станциях Jungfraujoch [9] и McMurdo [10]. В дальнейшем наземные измерения ClONO2 осуществлялись на многих станциях международной измерительной сети NDACC (Network for the Detection ofAtmospheric Composition Change) [11].
В данной работе приведены результаты первых в России измерений общего содержания (ОС) ClONO2 с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра (ФС) Bruker IFS-125HR высокого спектрального разрешения вблизи Санкт-Петербурга
Таблица 1. Характеристики измерений ФС Вгикег и данные для интерпретации спектров
Параметр Характеристика
Спектроскопия HITRAN 2008
Профили температуры Т(р) Дневные профили NCEP
Используемые спектральные окна, см-1 779.0-779.8
780.0-780.3
780.3-781.3
Используемая климатология (априорные профили) WACCM (одна для всех сезонов)
Влияющие газы H2O, CO2, O3, HNO3, C2H2
Спектральное разрешение ~0.008 см-1 при аподизации Norton-Beer medium [20]
Место измерений Петергоф (59.88° N 29.82° E)
Период измерений 04.2009-03.2012 (89 дней)
в 2009—2012 гг. [12]. В статье проведено сопоставление результатов с наземными измерениями ОС ClONO2 на ближайших станциях NDACC, со спутниковыми измерениями прибором MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) [13], а также с результатами численного моделирования ОС ClONO2 для Санкт-Петербурга с помощью химико-климатической модели EMAC [14].
2. НАЗЕМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ OC ClONO2
Для интерпретации результатов ИК-измере-ний солнечного излучения в настоящей работе использовался программный комплекс PROFFIT [15], разработанный в Технологическом институте университета Карлсруэ (Германия) и использующийся на ряде станций международной измерительной сети NDACC. Для расчетов ОС ClONO2 для каждого дня спектрометрических измерений задавались профили давления и температуры NCEP (National Center for Environmental Prediction), основанные на спутниковых и радиозондо-вых измерениях [16], а также априорная информация о профилях содержания ClONO2 и влияющих газов (см. табл.1) по данным численной модели WACCM (The Whole Atmosphere Community Climate Model) [17]. Для решения обратной задачи использовался алгоритм, основанный на методе регуляризации Тихонова—Филлипса [18, 19].
Основная информация об особенностях измерений ФС Bruker и интерпретации получаемых спектров приведена в табл. 1.
При интерпретации спектров первоначально восстанавливался вертикальный профиль содержания исследуемого газа, который потом интегрировался для получения ОС. Отметим, что в течение дня число измерений составляло от 1 до 18 спектров (типичные значения 5—6 спектров).
В данной статье анализируются результаты определения среднедневных значений ОС ClONO2,
т.е. полученные отдельные измерения ОС осредня-лись за день. Измерения солнечного излучения выполнялись с разностью хода 180 см-1, для обращения использовались спектры, полученные с широко используемой в Фурье-спектроскопии функцией аподизации Norton-Beer medium [20], спектральное разрешение при этом составляло 0.008 см-1. Из-за слабоселективного поглощения плавные по спектру систематические погрешности измерения сильно влияют на результат восстановления ОС ClONO2, поэтому все измеренные спектры были подвергнуты строгому отбору на предмет отсутствия в них существенных систематических погрешностей. В результате за все время измерений для определения ОС ClONO2 были отобраны 374 спектра за 89 дней измерений.
Следует отметить, что линии поглощения ClONO2 довольно слабые, функция пропускания в них составляет 0.98-0.99, поэтому погрешность определения ОС достаточно велика. Для оценки суммарной погрешности измерения ОС ClONO2 нами были рассмотрены следующие типы погрешностей:
— приборные (случайный шум измерений, погрешности задания аппаратной функции, положения нулевого уровня сигнала, точности наведения следящей системы);
— методические (качество спектроскопической информации различных газов, точность задания амплитуды и привязки солнечных линий);
— неопределенность задания условий измерений (вертикальных профилей температуры).
В табл. 2 перечислены задаваемые погрешности основных из указанных выше параметров, влияющих на точность определения ОС ClONO2, их относительный вклад в систематическую и случайную погрешность измерения, а также итоговые погрешности (систематическая, случайная и полная) для одного из типичных дней измерений. Вклад других источников ошибок в суммар-
Таблица 2. Характеристики погрешностей, вносимые различными источниками ошибок измерения ОС СЮМ02
Источник Величина усист Услуч 1 ^сист1 ^случ £
Сдвиг нулевой линии спектра 0.5% 0.5 0.5 1.48 (12%) 1.48 (12%) 2.09 (17%)
Эффективность модуляции 1% 0.5 0.5 0.12 (1%) 0.12 (1%) 0.17 (1.4%)
Фазовая ошибка 0.01 рад
Температурный профиль 1К (<9 км) 2К (9-35 км) 5К (>35 км) 0.3 0.7 0.02 (0.2%) 0.16 (1.3%) 0.16 (1.3%)
Интенсивность спектральных линий 10% 1.0 0.0 1.13 (9%) 0 1.13 (9%)
Полуширина спектральных линий 5%
Шум измерений Из невязки 0.0 1.0 0 1.17 (10%) 1.17 (10%)
Вклад всех ошибок 1.87 (15%) 1.90 (16%) 2.67 (22%)
Примечание. усист и усл5гч — веса систематической и случайной компонент погрешности, стсист и стсЛуЧ — величины систематической и случайной погрешности, Е — полная погрешность, в 1014 см-2.
ную погрешность измерения ОС меньше на несколько порядков.
Отметим, что систематическая погрешность приведена по модулю. Она может вносить как положительный, так и отрицательный вклад в суммарную систематическую погрешность. Так, например, для ошибок задания аппаратной функции вклад может быть положительным, для ошибок спектроскопической информации — отрицательным, знак вклада погрешностей задания температурного профиля также может зависеть от высоты [21].
Из таблицы хорошо видно, что погрешность измерения ОС С10М02 (как систематическая, так и случайная) в основном определяется погрешностью задания нулевого уровня сигнала. В этот источник погрешности входят все континуальные источники, в том числе спектральные подставки, задание континуального поглощения, синусоидальные добавки в спектр за счет хода лучей в оптической схеме прибора и т.д. Вклад этих ошибок тем выше, чем меньше содержание исследуемого газа в атмосфере на пути распространения излучения. В случайную погрешность также вносит существенный вклад шум измерений, который можно уменьшить за счет осреднения результатов большего числа идущих подряд наблюдений. При расчете систематической погрешности также нельзя пренебрегать погрешностью задания спектроскопической информации, которая, как правило, уменьшается с каждой последующей версией базы сданных спектральных линий атмосферных газов [22].
Подводя итог анализу погрешностей определения ОС С10М02 ФС Бгикег в Петергофе, следует отметить, что средняя величина погрешности измерений по всему ансамблю составляет (25 ± ± 10)%, при этом ее случайная составляющая — (18.7 ± 7.3)%, систематическая — (17.6 ± 7.3)%. В зимнее и весеннее время за счет более высоких
значений ОС относительная погрешность меньше. Летом же, когда молекулы ClONO2 активно распадаются под
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.