ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 1, с. 72-84
СРАВНЕНИЕ СПУТНИКОВЫХ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ И САМОЛЕТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГАЗОВОГО СОСТАВА В ТРОПОСФЕРЕ НАД СИБИРСКИМ РЕГИОНОМ В ПЕРИОД ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ 2012 г. © 2014 г. М. Ю. Аршинов1, |С. В. Афонин]1, Б. Д. Белан1*,
В. В. Белов1, Ю. В. Гриднев1, Д. К. Давыдов1, Ф. Нэдэлек2, Ж.-Д. Париж3, А. В. Фофонов1
1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск, Россия 2 Лаборатория аэрологии, Тулуза, Франция 3 Лаборатория исследования климата и окружающей среды, Париж, Франция
* E-mail: bbd@iao.ru Поступила в редакцию 25.06.2013 г.
Проведено сравнение вертикальных профилей концентрации О3, СО, СО2 и СН4, измеренных с помощью самолета-лаборатории Ту-134 "Оптик" (СМЛ) и восстановленных по данным Фурье-спек-трометрометра IASI, работающего на спутнике MetOp Европейского космического агентства. Проведенное сопоставление показывает, что абсолютные различия концентрации озона между измерениями СМЛ—IASI могут изменяться от +55 до +15 млрд-1 у поверхности Земли и в нижней части пограничного слоя и от +30 млрд-1 до -15 млрд-1 на 7 км. Относительные разницы находятся в диапазоне +60%...+30% на уровне 0.5 км и +30%...-35% на уровне 7 км. Абсолютные различия концентрации оксида углерода между измерениями СМЛ-IASI могут изменяться от +80 до +2300 млрд-1. Относительные разницы находятся в диапазоне -140%...+98%. Для метана средние разницы измерений максимальны в пограничном слое, где наблюдается величина +90 млрд-1. Максимальная разница по данным всех профилей достигает в пограничном слое +220 млрд-1, а минимальная +8 млрд-1. Минимальные различия лежат в диапазоне от нуля у поверхности земли до —100 млрд-1 в верхней тропосфере. Средняя разница между измерениями СМЛ-IASI для диоксида углерода лежит в коридоре от -2 до -9 млн-1. В свободной тропосфере, выше 3 км разница почти постоянна и равна -6 млн-1. Максимальные разности измерений СО2 по всем полетам дают большую величину, а именно в пограничном слое атмосферы +14 и -4 млн-1. Минимальные разности лежат в диапазоне -7.-16 млн-1. При этом максимальные и минимальные относительные отклонения по всем полетам составляют +3.4 и -4.2% в пограничном слое. Полученные различия значительно больше, чем найденные ранее для фоновых условий. Возникает необходимость в улучшении моделей вертикального распределения газов используемых в алгоритмах обработки спутниковых данных.
Ключевые слова: атмосфера, газ, самолетное и космическое зондирование, сравнение БОТ: 10.7868/80205961414010023
ВВЕДЕНИЕ
В последние несколько десятилетий внимание мирового сообщества обращено к проблеме глобальных изменений окружающей среды и климата. Для оценки возможных изменений климата широко используется численное моделирование по разным сценариям тенденций в увеличении объемов выбросов и соответственно изменения состава атмосферы. Мониторинг состава воздуха осуществляется сетью станций Всемирной Метеорологической организации (ВМО). При этом сеть станций ВМО, с одной стороны, небольшая, с другой стороны, она неравномерно распределе-
на по земному шару. Это сильно осложняет процесс моделирования изменений климата и делает неоднозначной интерпретацию его результатов.
Многие ученые решение проблемы обеспечения данными современных моделей изменения климата связывают с организацией и проведением спутникового мониторинга атмосферы и подстилающей поверхности. В настоящее время запущены и осуществляют дистанционное зондирование (ДЗ) десятки искусственных спутников Земли (ИСЗ), совершенствуются методы и методики зондирования, оцениваются погрешности измерений того или иного параметра (Крамчани-
нова, Успенский, 2013; Кухарский, Успенский, 2009, 2010; Поляков и др., 2009, 2010, 2012а; Сафронов и др., 2012; Успенский и др., 2011). При этом для использования данных спутникового зондирования в целях мониторинга состава воздуха требуется, чтобы погрешность измерений не превышала 1—3% измеряемой величины (Крам-чанинова, Успенский, 2013; Кухарский, Успенский, 2009, 2010). Валидацию получаемых со спутника данных обычно проводят по наземным измерениям (Поляков и др., 2012б) или самолетным данным (Крамчанинова, Успенский, 2013; Кухарский, Успенский, 2009, 2010; De Laat et al., 2012; Klonecki et al., 2012; De Wachter et al., 2012; Pommier et al., 2012; Tanaka et al., 2012).
Так, в (Pommier et. al., 2012) выполнено сопоставление спутниковых измерений Фурье-спек-трометрометра IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer), работающего на борту ИСЗ MetOP (ESA — Европейское космическое агентство), и самолетных данных в рамках проекта PO-LARCAT, в ходе которого самолетное зондирование выполнялось с борта самолетов-лабораторий (СМЛ) WP-3D (NOAA, США), DC-8 (NASA, США), ATR-42 (CNRS, Франция), Falcon-20 (DLR, Германия) и российского АН-30 "Оптик-Э" (ИОА СО РАН). Было показано, что ошибки восстановления профиля СО составляют 21% в нижней тропосфере и 10% в верхней тропосфере. Сопоставления данных по общему содержанию СО, выполненного для SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CartograpHY), работавшего на борту ИСЗ ENVISAT-1 (ESA), дали хорошие результаты. Расхождения в большинстве случаев не превышали 4—6% (De Laat et al., 2012).Авторами данной работы было выполнено сравнение спутниковых и самолетных измерений газового состава в тропосфере над Югом Западной Сибири в фоновых условиях (Аршинов, 2013). Проведенное сопоставление показало, что абсолютные различия концентрации озона между СМЛ—IASI могут изменяться от +3 до +18 млрд-1 на высоте 0.5 км и от —8 млрд-1 до -38 млрд-1 на 7 км. Относительные разницы измерений находятся в диапазоне +8%...+30% на уровне 0.5 км и -12%...88% на уровне 7 км. Для профилей СО абсолютные различия концентрации СО между СМЛ-IASI могут изменяться от +32 до + 103 млрд-1 на высоте 0.5 км и от -18 млрд-1 до +23 млрд-1 на 3 км. Относительные разницы измерений находятся в диапазоне -4%. +48% на уровне 0.5 км и -8%...+20% на уровне 7 км. Максимальная разница для метана, по данным всех полученных вертикальных профилей, достигает в пограничном слое +150 млрд-1, а минимальная —10 млрд-1. Средняя относительная разница измерений изменяется от +2.8 до -0.5%. Максимальная же по всем полетам лежит в диапазоне от
+7.8 до +1.2%, минимальная — от —0.4 до —3.4%. Средняя разница измерений СО2 между СМЛ-1А81 лежит в коридоре ±1.5 млн-1, в то время когда индивидуальные вертикальные профили несопоставимы. Максимальные и минимальные разности по всем полетам дают большую величину, а именно, в пограничном слое атмосферы +10 и -12 млн-1 соответственно. Максимальные и минимальные относительные отклонения по данным всех полетов составляют в пограничном слое +2.3 и -3.3% соответственно. Выше пограничного слоя относительные отклонения уменьшаются до ±1.0%.
Следует отметить, что проводимые сопоставления спутниковых и самолетных данных показывают заметные расхождения как по времени года, так и по различным регионам. Поэтому верификация спутниковых измерений для различных регионов по-прежнему актуальна.
Подобная ситуация наблюдалась в Европейской части территории Российской Федерации летом 2010 г. (Бондур, 2011а, б; Во^иг, 2010).
Цель настоящей работы - сопоставление спутниковых и самолетных данных в условиях мощных лесных пожаров, которые наблюдались на территории Сибирского региона летом 2012 г. Этот период характеризовался ослаблением общей циркуляции атмосферы и плохим рассеиванием примесей. В воздухе большинства районов Сибири наблюдалась плотная дымка. Поэтому весьма интересен вопрос: насколько процессы задымления отразились в спутниковых измерениях?
ОБОРУДОВАНИЕ И РАЙОНЫ РАБОТ
Авторы данной работы осуществляют самолетное зондирование атмосферы над Сибирским регионом с начала 80-х годов прошлого века по настоящее время. Работы по определению вертикального распределения газов и аэрозоля вначале выполнялись на самолете лаборатории АН-30 "Оптик-Э" (Зуев и др., 1992; АпЬкЫп й а1., 2012). Затем весь комплекс оборудования был перенесен на СМЛ Ту-134 "Оптик" (Анохин и др., 2011).
Для измерений СО2 использовался прибор Li-6262 ^-Сог, США), недисперсионный инфракрасный газоанализатор, модифицированный в LSCE (Франция). В состав прибора включена система, которая регулирует температуру, поток и давление анализируемого воздуха. Поступающий в прибор забортный воздух осушался с использованием перхлората магния. Частота регистрации данных составляла 0.5 Гц. Калибровка прибора выполнялась в полете через каждые 30 мин, с использование поверочных газовых смесей с тремя высокоточными концентрациями. Эти газы находятся в баллонах высокого давления, которые маркированы последовательно как: "высокая", "низкая" и "справочная" смеси. Кон-
Высота, м 8000 6000 4000 2000 0
54
90
95
100 105 110 в.д., град
Рис. 1. Схема полетов СМЛ Ту-134 "Оптик" в ходе измерительной кампании.
центрации газов были проверены в лаборатории LSCE (Франция) до установки на борт самолета и соответствуют первичным стандартам BMO-CO2 от NOAA/ESRL (США). Используемые концентрации 370.60 ± 0.01, 380.47 ± 0.01 и 409.76 ± 0.01 млн-1 соответственно.
Измерение оксида углерода (СО) производилось корреляционным газоанализатором модели 48CTL Thermo Environment 1пс. (США). Диапазоны измерений: 0-500, 1000, 5000, 10000 млрд-1. Он модифицирован в Laboratoire d'Aérologie (Франция) и описан в (Nédélec et al., 2003). Это полностью автоматизированный инструмент, позволяющий проводить измерения с точностью 5 млрд-1. Модифицированный вариант осуществляет проверку приборного нуля каждые 20 мин. Для этого применяется новый датчик IR с лучшим охлаждением и температурным регулированием.
Поскольку имеется проблема измерения озона в условиях, отклоняющихся от фоновых, которая ранее обсуждалась в (Аршинов и др., 2002; Dunlea et al., 2006), то на борту СМЛ одновременно работали три озонометра: хемилюминесцентный 3-02П, разработанный и изготовленный в ЗАО "ОПТЭК" (г. Санкт-Петербург, Россия), и две ультрафиолетовых модели 49С Thermo Environment Inc. (США). Озонометры калибровались с помощью генератора озона ГС-2 произв
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.