ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 4, с. 83-91
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
СРАВНЕНИЕ СПУТНИКОВЫХ И НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА
© 2013 г. Я. А. Виролайнен*, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский
Физический факультет Санкт-Петербургского государственного университета *E-mail: Yana.Virolainen@JV14952.spb.edu Поступила в редакцию 10.09.2012 г.
В работе проанализированы измерения общего содержания озона (ОСО), выполненные в 2009— 2012 гг. в окрестностях Санкт-Петербурга с помощью ИК-Фурье-спектрометра (ИКФС) (Петергоф, СПбГУ), фильтрового озонометра М-124 и спектрофотометра Добсона (станция ГГО в п. Воейко-во), а также спектрометром OMI (на борту спутника AURA). Проведено сопоставление ансамблей наземных измерений между собой, а также их сопоставление со спутниковыми данными. Показано, что среднеквадратичное (СК) отклонение от среднего рассогласования для всех приборов составляет 2.5—4.5%, при этом приборы ИКФС и Добсон, измеряющие по прямому Солнцу, лучше согласуются с OMI, чем М-124, измеряющий также и рассеянное в зенит солнечное излучение. При сопоставлении измерений ОСО прибором М-124 и прибором OMI (850 дней измерений) обнаружен сезонный ход рассогласований между двумя сериями измерений с амплитудой 1.5%. Осенью и зимой наземный прибор занижает данные по ОСО по сравнению со спутниковым прибором; весной и летом, наоборот, завышает. Также обнаружено, что прибор ИКФС систематически завышает данные по ОСО по сравнению с результатами измерений другими приборами от 1.4% (Добсон) до 3.4% (OMI). Учитывая пространственно-временное рассогласование независимых ансамблей измерений, анализ СК-расхождений между наземными и спутниковыми данными, прибор ИКФС (СПбГУ), может быть рекомендован для валидации спутниковых измерений ОСО.
Ключевые слова: общее содержание озона, дистанционные методы исследования атмосферы, Фурье-спектрометрия, валидация спутниковых измерений
Б01: 10.7868/80205961413030056
ВВЕДЕНИЕ
Исследования изменений содержания радиа-ционно-активных и озоноразрушающих атмосферных газов в земной атмосфере и их влияние на погоду и климат планеты являются одной из центральных проблем современных физики и химии атмосферы. Поэтому постоянный мониторинг их содержания очень важен для понимания процессов формирования климата Земли и прогнозов его изменений. Важную роль в формирование климата Земли играет атмосферный озон. Он определяет термическую структуру стратосферы, УФ-освещенность поверхности, является парниковым и токсичным газом в тропосфере.
В период 1997—2001 гг. общее глобальное содержание озона было на 3% меньше его общего содержания до 80-х годов прошлого столетия ^МО, 2003). Снижение общего содержания озона (ОСО) зависит от широты — нет его заметного снижения в тропиках, но наблюдается его снижение на широтах 30°—60° на 3—6% в зависимости от полушария. Снижение ОСО обусловлено, по современным представлениям, увеличением со-
держания соединений хлора и брома (за счет антропогенного влияния), рост которых был зафиксирован локальными и дистанционными (наземными и спутниковыми) измерениями. Проблема предотвращения разрушения озонного слоя стимулировала создание и совершенствование комплексной глобальной системы мониторинга ОСО, являющегося наиболее доступной для измерений и информативной характеристикой состояния озонного слоя (Перов, Хргиан, 1989).
Эта система в настоящее время включает подсистемы наземных и спутниковых измерений ОСО. Наземная сеть измерений использует, в основном, приборы Добсона, Брюера и М-124. Спутниковые измерения ОСО осуществляются различными методами — с помощью интерпретации измерений отраженного и рассеянного солнечного излучения и уходящего теплового излучения в различных областях спектра (Тимофеев, 2010).
Важной проблемой является взаимокалибровка различных систем измерений или валидация спутниковых измерений ОСО на основе сопо-
ставления со стандартизованными наземными измерениями.
НАЗЕМНЫЕ И СПУТНИКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОСО
C начала исследований озонного слоя атмосферы было предложено много различных вариантов наземной аппаратуры для измерений ОСО. Измерения ОСО с помощью спектрофотометров Добсона (Dobson, 1957) еще в 30-х годах прошлого столетия положили начало регулярным наблюдениям за ОСО. И в настоящее время эти приборы являются наиболее точными инструментами для измерений ОСО. В 1960-х годах были начаты наблюдения с помощью фильтровых озономет-ров М-83, а позже их сменили озонометры М-124 (Гущин, Соколенко, 1987). С середины 1970-х годов появились автоматизированные спектрофотометры Брюера (Brewer, 1973). Всемирная метеорологическая организация (ВМО) объединила большинство станций наблюдений ОСО в мировую озонную сеть, а приборы трех указанных выше типов стали ее инструментальной основой.
В настоящей работе анализируются наземные измерения ОСО с помощью двух приборов Главной геофизической обсерватории (ГГО) в п. Во-ейково (59.95° с.ш., 30.70° в.д.) — спектрофотометра Добсона и фильтрового озонометра М-124, а также измерения спектров прямого солнечного излучения Фурье-спектрометром Bruker 125HR (ИКФС) Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), которые проводятся в Петергофе (59.88° с.ш., 29.82° в.д.).
Спектрофотометр Добсона № 108 (ГГО) служит эталонным прибором озонометрической сети Росгидромета и регулярно (один раз в четыре года) проверяется в международных сравнениях с эталонным прибором ВМО. За период с 1984 по 2009 гг. расхождения с результатами измерений на эталонном приборе ВМО не превышали 1%. Наблюдения в основном выполняются по прямому Солнцу, погрешность единичного измерения ОСО при этом не превышает 2%.
В фильтровых озонометрах М-124 используются УФ-светофильтры, выделяющие два спектральных диапазона шириной около 20 нм с максимумами на длинах волн 302 и 326 нм (Шаламян-ский, 1993). Многолетние измерения с помощью озонометра M-124 показали, что их погрешность единичного измерения ОСО не превышает 5—8%, а погрешность определения среднего за день значения ОСО составляет 3—4%. Наблюдения ОСО с помощью озонометра М-124 № 403, который является рабочим прибором на озонометрической станции Воейково, проводятся ежедневно (восемь сеансов в день). В ясные дни проводятся параллельные наблюдения на спектрофотометре
Добсона, и максимальные расхождения с этим прибором, как правило, не превышают 10 е.Д.
Особенности Фурье-спектрометра Bruker 125HR, используемого для измерений спектров прямого солнечного ИК-излучения с высоким разрешением в СПбГУ, подробно описаны в работе (Поберовский, 2010). Сам ИК-метод получения данных по ОСО из измеряемых спектров исследован в работе (Виролайнен и др., 2011), там же приведены потенциальные погрешности метода. Измерения в стабильных атмосферных условиях дают погрешность единичного измерения ОСО порядка 2—3%.
Спутниковый прибор OMI Ozone Monitoring Experiment (Levelt et al, 2006) продолжает серию сканирующих в горизонтальном направлении спектрометров для надирных измерений уходящего (отраженного и рассеянного) излучения в различных диапазонах спектра, таких как TOMS, GOME и SCIAMACHY Прибор OMI работает на борту американского спутника AURA, запущенного в 2004 г. на околополярную солнечно-синхронную орбиту. На приборе выполняются измерения спектров уходящего излучения в области 270—500 нм с разрешением ~0.4 нм. Схема сканирования прибора OMI позволяет выполнять ежедневное глобальное картирование поля ОСО с пространственным разрешением в надире ~13 x 24 км2. Чтобы продлить ряд многолетних измерений с помощью спутниковой аппаратуры TOMS (начатых в 1978 г.), для интерпретации данных измерений OMI используется алгоритм TOMS версии 8. Заявленная погрешность измерений ОСО с использованием этого алгоритма составляет менее 2% (Bhartia, 2002).
АНАЛИЗ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ОСО
Для интерпретации ИК-измерений в настоящей работе использовался программный комплекс PROFFIT (Haze et al., 2004), разработанный в университете Карлсруэ (Германия) и использующийся на ряде станций международной измерительной сети NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change). Для каждого дня спектрометрических измерений задавалась метеорологическая информация (профили давления и температуры), полученная с помощью системы автоматической электронной почты NASA Goddard Space Center (http://www.nasa.gov/centers/ goddard/missions/index.html), а также априорная информация о профилях атмосферных параметров по данным численной модели WACCM (The Whole Atmosphere Community Climate Model) (http:// www.cesm.ucar.edu/working_groups/WACCM/).
В табл. 1 представлены общие данные по ИКФС, а также по характеристикам измерений и особенностям решения обратной задачи определения ОСО (спектральные каналы, разрешение,
Таблица 1. Характеристики измерений ИКФС и особенности их интерпретации
Параметр Характеристика
Спектроскопия HITRAN 2008
Профили температуры Т(р) Дневные профили NCEP
Программа интерпретации PROFFIT 9.6
991.25-993.80
1001.47-1003.04
Используемые спектральные окна, см-1 1005.00-1006.90
1007.35-1009.00
1011.15-1013.55
Используемая климатология (априорные профили) ^АССМ (одна для всех сезонов)
Влияющие газы Н2О, СО2, С2Н4, О3 (668), О3 (686)
Прибор Фурье-спектрометр Вгикег 125HR
Спектральное разрешение, см-1 -0.005
Место измерений Петергоф-Санкт-Петербург (59.88° с.ш., 29.82° в.д.)
Период измерений 04.2009-03.2012 (189 дн.)
Таблица 2. Сравнение наземных измерений с помощью приборов Добсона, ИКФС и М-124
Сопоставляемые приборы Число сопоставлений СК-расхождение, е.Д. (%) Среднее расхождение, е.Д. (%) СКО от среднего, е.Д. (%) Коэффициент корреляции
Добсон-М124 78 8.8 (2.6) 1.9 (0.6) 8.7 (2.5) 0.97 ± 0.01
ИКФС-Добсон 74 12.8 (3.7) 5.0 (1.4) 11.9 (3.4) 0.95 ± 0.01
ИКФС-М124 186 16.6 (4.8) 9.8 (2.8) 13.5 (3.9) 0.96 ± 0.01
— стандартное отклонение от среднего рассо-
I 1 \-~iN 2
гласования: а = Л——- ^=(х - у, - М) .
При расчете рассогласований в % абсолютные значения в е.Д., приведенные в табл. 2, отнесены к средним по ансамблю измерениям ОСО первым из пары перечисл
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.