ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 6, с. 50-56
СРАВНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ (GOSAT) И НАЗЕМНЫХ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ СОДЕРЖАНИЯ
МЕТАНА ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА © 2013 г. М. В. Макарова, Н. М. Гаврилов*, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский
Санкт-Петербургский государственный университет *Е-шаП: gavrilov@pobox.spbu.ru Поступила в редакцию 06.05.2013 г.
Проведено сравнение средних по столбу атмосферы отношений смеси метана, измеренных гиперспектральными методами наземной Фурье-спектроскопии на физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета (59.9° с.ш., 29.8° в.д.) в 2009—2012 гг., с аналогичными данными, полученными японским спутником GOSAT. Средние значения отношения смеси метана ХСН4 по спутниковым данным версии У01.хх на 17—21 млрд-1 меньше, чем соответствующие значения, полученные из наземных измерений при дисперсии ~13 млрд-1. Для версии данных GOSAT У02.хх занижение в среднем составляет 2 млрд-1, а дисперсия ~18 млрд-1. Это соответствует расхождениям Хсн, измеренным спутником GOSAT с данными международных сетей фурье-спектроскопических наблюдений ТССОМ и МБАСС.
Ключевые слова: атмосферный метан, общее содержание, наземные измерения, фурье-спектроскопия, спутник GOSAT, сравнение, валидация
DOI: 10.7868/S0205961413060055
ВВЕДЕНИЕ
Метан является вторым по важности антропогенным парниковым газом. Несмотря на его низкую концентрацию в атмосфере Земли, его вклад в антропогенный парниковый эффект составляет ~ 15%. Для локального мониторинга метана обычно используется метод забора и лабораторного анализа проб воздуха для определения отношения смеси CH4 вблизи земной поверхности или в тропосфере с использованием самолетов (Conway et al., 2003). Оптические спектрометрические методы измерений, основанные на регистрации ИК-спек-тров поглощения солнечной радиации, применяются для определения общего содержания СН4 во всей толще атмосферы, среднего по столбу атмосферы отношения смеси метана Xch4 или элементов вертикального распределения метана.
Данные наземных оптических измерений СН4 могут быть полезны для валидации спутниковых измерений, которые также дают информацию об общем содержании СН4 в столбе атмосферы. В этих исследованиях все большее распространение находит так называемая гиперспектральная аппаратура. Для проверки спутниковых наблюдений парниковых газов создана специальная международная сеть наземного мониторинга общего
содержания углерода в столбе атмосферы TCCON (The Total Carbon Column Observing Network), которая использует гиперспектральные фурье-спектрометрические (ФС) измерения прямого ИК-солнечного излучения для определения общего содержания CO2, CH4 и других климатооб-разующих газов (Wunch et al., 2011). Подобные ФС измерения проводятся также на международной наземной сети мониторинга изменений состава атмосферы NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change, см. http://www.ndsc.ncep.noaa.gov/).
В Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ) спектроскопические измерения общего содержания метана были начаты в 1991 г. (Mironenkov et al., 1996; Макарова et al., 2009). Эти измерения до 2009 г. осуществлялись с использованием солнечного ИК-спектрометра с разрешением 0.4—0.6 см-1. С января 2009 г. на кафедре физики атмосферы проводятся гиперспектральные наземные ФС-измерения с помощью интерферометра Bruker IFS 125 HR, имеющего высокое спектральное разрешение. Результаты измерений атмосферных малых газовых составляющих описаны в работах (Поберовский и др., 2010; Виролайнен и др., 2011; Поляков и др., 2011; Яговкина и др., 2011).
Первые глобальные спутниковые данные о содержании полного содержания метана в столбе атмосферы были получены с использованием прибора IMG/ADEOS, который измерял уходящее тепловое излучение с высоким спектральным разрешением (Kobayashi et al., 1999). Дальнейшие исследования были проведены приборами SCIAMACHY, AIRS, IASI, TES (Sussmann et al., 2005; Razavi et al., 2009; Xiong et al., 2010; Wecht et al., 2012). Несмотря на обширные программы наблюдений, географическое распределение метана и его источники остаются недостаточно выясненными (Solomon et al., 2007). Регулярные глобальные спутниковые измерения СН4 могут приблизить нас к решению этих проблем.
В январе 2009 г. был запущен спутник GOSAT (Global Greenhouse Gas Observation by Satellite), который является совместным проектом Японского агентства аэрокосмических исследований и Национального института исследований окружающей среды в Цукубе, Япония (Kuze et al., 2009). Спутник предназначен для космического мониторинга глобальных распределений общих содержаний СО2 и СН4 в столбе атмосферы и использует гиперспектральную аппаратуру. Средние по столбу отношения смеси двуокиси углерода XCOj и метана ХСщ восстанавливаются из данных теплового датчика для наблюдения углерода фурье-спектрометром в близкой инфракрасной области TANSO-FTS (Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observations — Fourier Transform Spectrometer), который установлен для измерений парниковых газов на борту спутника GOSAT (Yoshida et al., 2011).
Morino et al. (2011) выполнили предварительный анализ XCOj и XCH<, полученных спутником GOSAT, сравнив их с измерениями на наземной сети фурье-спектроскопии TCCON (см. выше). Они обнаружили значительное занижение спутниковых значений по сравнению с наземными наблюдениями. Позже сопоставления XCOj и XCH<, полученных другими алгоритмами восстановления XCO и XCH из данных GOSAT и TCCON, дали лучшее согласие между спутниковыми и наземными измерениями (Notholt et al., 2012; Cogan et al., 2012). Поскольку эти сравнения были выполнены для широт ниже 55° с.ш., то представляет интерес совместный анализ спутниковых (GOSAT) и наземных наблюдений на более высоких широтах и использущих различные алгоритмы восстановления.
В статье Гаврилова и Тимофеева (2013) проведено сравнение гиперспектральных измерений XCO со спутника GOSAT с наземными ФС наблюдениями. В настоящей работе мы сравниваем аналогичные данные о XCH , полученные в 2009—2012 гг. в
окрестностях Санкт-Петербурга на широте около 60° с.ш.
ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Измерения спектров солнечного излучения проводятся в Старом Петергофе (59.88° с.ш., 29.82° в.д., 20 м над уровнем моря), примерно в 35 км к юго-западу от центра Санкт-Петербурга. Регистрация интерферограмм проводится в условиях безоблачного неба или при наличии достаточных для проведения регистрации спектров разрывов в облачности. Обычно измерения ведутся при разности оптического пути 180 см, что соответствует спектральному разрешению 0.005 см-1. Время накопления и усреднения десяти интерферограмм, использующихся для получения одного спектра, составляет около 12 мин.
Интерпретация (определение общего содержания газов в атмосфере) высокоразрешенных спектров прямого солнечного излучения, измеренных Bruker IFS 125 HR, проводилась на основе стандартного международного программного обеспечения SFIT2 v 3.92 (Pougatchev et al., 1995; Rin-sland et al., 1998; Hase et al., 2004), разработанного для сети NDACC. Алгоритм SFIT2 при определении содержания газов в атмосфере использует метод статистической регуляризации с использованием итерационного метода Ньютона. В качестве источника информации о параметрах тонкой структуры линий молекулярного поглощения используется спектроскопическая база данных HITRAN-2004 (Rothman et al., 2005).
Основными входными параметрами SFIT2 являются: измеренный спектр солнечного излучения, величины разности оптического хода и апертуры прибора, зенитный угол Солнца, отношение сигнал/шум, метеорологические данные (профили температуры и давления в день измерения), априорная информация о профилях отношения смеси газов. Метеорологическая информация (давление, профиль температуры), необходимая при обработке спектров, поступает со станции радиозондирования ГГО (пос. Воейково) (см., например, Weather Web, 2013), которая находится в 50 км от Петергофа. В качестве априорных профилей концентраций газов в атмосфере были использованы профили, рассчитанные при помощи климатической модели WACCM (Whole Atmosphere Community Climate Model) (Garcia et al., 2007) непосредственно для измерительной станции в Петергофе (соответствующие широта, долгота и высота над уровнем моря).
Для восстановления общего содержания СН4 в столбе атмосферы используются обычные для сети NDACC спектральные интервалы в ИК-области (см., например, Sepulveda et al., 2012): 2613.72615.4, 2650.6-2651.3, 2835.5-2835.8 и 2903.6-
52
МАКАРОВА и др.
PPb 1850 -
1800 -
1750 -
1700
2009
2011 Год
2013
Рис. 1. Средние по столбу атмосферы отношения смеси метана (в млрд-1), измеренные со спутника GOSAT (данные версий У01.хх и У02.хх) и с земной поверхности вблизи Санкт-Петербурга.
ХснСПб, ppb
1800
1750
1700
1700
1750
XCHGOSAT, ppb
1800
Рис. 2. Сравнение пар значений Хсн4 (в млрд 1), измеренных вблизи Санкт-Петербурга и со спутника GOSAT версии данных У01.хх - (1) и У02.хх - (2), для которых различия между датами измерений не превышают двух дней. Линия 3 соответствует Хсн4 SPB = = Xсн4 GOS, а линии 4 и 5 сдвинуты от линии 3 в соответствии со средними значениями 5Хсн4 из таблицы для данных GOSAT версий У01.хх и У02.хх соответственно.
2904.03 см-1. Среднее значение отношения сигнал/шум в указанных спектральных диапазонах после процедуры отбраковки спектров составляет ~800.
Случайные относительные погрешности единичного измерения ХСН не превышают 0.5% (по
оценкам с помощью расчетов матрицы ошибок в рамках метода статистической регуляризации, реализованного в программе SFIT2). В условиях стабильной работы аппаратуры и стабильного состояния атмосферы вариации XCH в сериях спектров, измеренных в течение дня, обычно не превышают 1%.
РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНЕНИЙ
Для сравнения XCH , измеряемых вблизи Санкт-Петербурга с поверхности Земли и с борта спутника GOSAT, были выбраны интервалы одновременных измерений в 2009—2012 гг. Для этих временных интервалов из базы данных Национального института экологических исследований в Цукубе, Япония (NIES, 2012) были отобраны значения XC
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.