ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 6, с. 43-49
СРАВНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ (GOSAT) И НАЗЕМНЫХ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ СОДЕРЖАНИЯ СО2 ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА © 2013 г. Н. М. Гаврилов*, Ю. М. Тимофеев
Санкт-Петербургский государственный университет *Е-шаП: gavrilov@pobox.spbu.ru Поступила в редакцию 24.11.2012 г.
Выполнено сравнение средних по столбу атмосферы отношений смеси углекислого газа, измеренных методом наземной Фурье-спектроскопии на Петергофской базе Санкт-Петербургского государственного университета (59.9° с.ш., 29.8° в.д.) в 2009—2011 гг., с аналогичными данными, полученными японским спутником 0О8АТ. Сравнение показывает, что средние значения отношений смеси СО2 по спутниковым данным версии У01.хх на —9.8 ± 3 млн-1 меньше, чем соответствующие значения, полученные из наземных измерений. Для версии данных ООЗАТ У02.хх занижение в среднем составляет -4.7 ± 2.6 млн-1. Косвенно обнаружено некоторое завышение значений Хсо, измеряемых в районе Санкт-Петербурга по сравнению с данными сети наземных станций ТССОЙ, причины которого требуют дальнейших исследований.
Ключевые слова: углекислый газ, полное содержание, наземные измерения, Фурье-спектроскопия, спутник ООЗАТ, сравнение, валидация
БО1: 10.7868/80205961413040040
ВВЕДЕНИЕ
Для лучшего понимания особенностей глобальных циклов углерода и их влияния на изменение климата необходимы регулярные измерения атмосферного СО2. До недавнего времени большинство станций мониторинга CO2 использовало метод забора и химического анализа проб воздуха для определения отношения смеси CO2 вблизи поверхности земли (Convey et al., 2003) или в тропосфере с использованием самолетов. На станциях наблюдения, расположенных на удалении от активных источников и стоков CO2, могут применяться оптические спектрометрические методы определения общего содержания СО2 в столбе атмосферы. Эти методы используют регистрацию поглощения солнечной радиации в ИК-части спектра и измеряют среднее по столбу атмосферы отношение смеси CO2, XCO . В России этот метод используется с 1980 г. на научной станции Иссык-Куль учеными России и Киргизии. Подробный анализ результатов этих исследований приведен в работах (Кашин и др. 2007, 2008). В последние годы для наземных измерений содержания CO2 в столбе атмосферы регулярно применяется Фурье-спектроскопия высокого разрешения (Yang et al., 2002; Deutscher et al., 2010). С января 2009 г. на кафедре физики атмосферы Санкт-Петербургского
государственного университета (СПбГУ) в Старом Петергофе (59.9° с.ш., 29.8° в.д.) проводятся наземные измерения спектров прямого солнечного излучения в ИК-области с помощью Фурье-спектрометра высокого спектрального разрешения Bruker IFS-125HR (Поберовский, 2010).
Данные наземных оптических измерений CO2 также могут быть полезны для валидации спутниковых измерений, которые дают информацию об общем содержании СО2 в столбе атмосферы. Начиная с 2002 г., были проведены демонстрационные измерения содержания CO2 в столбе атмосферы с помощью прибора SCIAMACHY на спутнике ENVISAT (Barkley et al., 2006a, 2006б). В 2004 г. был запущен спутник EOS Aqua с прибором AIRS, который также позволяет определять содержания CO2 в столбе атмосферы. Разработана международная программа запуска других приборов для глобального мониторинга пространственно-временных вариаций содержания CO2 в столбе атмосферы. Для валидации спутниковых наблюдений парниковых газов создана специальная сеть наблюдения общего содержания СО2 (the Total Carbon Column Observation Network, TCCON), использующая наземную Фурье-спектроскопию прямого солнечного излучения для проведения регулярных измерений общих содержаний CO2 и
других климатообразующих газов (Wunch et al., 2011).
В январе 2009 г. был запущен спутник для наблюдения парниковых газов (Greenhouse gases Observing SATellite, GOSAT), который является совместным проектом Японского аэрокосмического агентства и Института исследований окружающей среды в Цукубе, Япония (Kuze et al., 2009). Спутник предназначен для наблюдения глобальных распределений общих содержаний CO2 и метана (CH4) из космоса. Средние по столбу атмосферы отношения смеси XCO и XCH восстанавливаются из данных наблюдений прибором TANSO-FTS (Thermal And Nearinfrared Sensor for carbon Observation Fourier Transform Spectrometer), который является Фурье-спектрометром, ориентированным на исследование угле-родсодержащих газов в ИК-области спектра с борта спутника GOSAT (Yoshida et al., 2011). В работе (Morino et al., 2011) выполнены предварительная валидация значений XCO , измеряемых спутником GOSAT, и их сравнение с данными измерений Фурье-спектрометрами на наземной сети TCCON.
В нашей статье выполнено сравнение измерений XCO с борта спутника GOSAT с данными Фурье-спектроскопических наблюдений c земной поверхности вблизи Санкт-Петербурга в 2009— 2011 гг.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Ракитин и др. (2012) представили результаты определения средних по высоте отношений смеси СО2, XCO из измеренных Фурье-спектрометром высокого спектрального разрешения Bruker IFS-125HR (Поберовский, 2010) ИК-спектров для периода с апреля 2009 г. по октябрь 2011 г. на базе СПбГУ в Старом Петергофе (примерно в 35 км к юго-западу от центра Санкт-Петербурга). Для определения XCO использовались спектральный интервал 2626.3—2627.0 см-1 и международная программа интерпретации SFIT V3.92, разработанная коллективом авторов (Rinsland et al., 1998) для сети станций NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change). Входной информацией для SFIT V3.92 являются спектры солнечного излучения, начальные профили отношения смеси СО2 и второстепенных газов и их априорные вариации. Априорные относительные вариации отношений смеси СО2 задавались в нижней тропосфере в 5%, а выше — 3%. На выходе программы выдаются оценки общего содержания СО2 (в мол/см2) и случайные погрешности их определения. При определении средних по высоте отношений смеси СО2 использовались ежедневные данные радиозондирования атмосферы на станции п. Воей-
ково. В качестве источника информации о параметрах тонкой структуры линий молекулярного поглощения использовалась спектроскопическая база данных HITRAN (2004).
При восстановлении общего содержания CO2 в качестве "мешающих" параметров определялось содержание CH4 и HDO. Случайные погрешности единичного измерения содержания CO2 не превышали 1% (~4 млн-1) по оценкам с помощью расчетов матрицы ошибок метода оптимального оценивания (реализованного в SFIT). В условиях стабильной работы аппаратуры и стабильного состояния атмосферы вариации отношения смеси СО2 в сериях и в течение дня, как правило, не превышали 1%. Приведенные в работе (Ракитин и др., 2012) значения отношения смеси XCO были получены по отношению к полному числу молекул (вместе с водяным паром). В связи с тем, что данные XCO , полученные со спутника GOSAT, относятся к сухой атмосфере (без вклада водяного пара), в настоящем исследовании данные Ракитина и др. (2012) были скорректированы к сухой атмосфере с использованием результатов реанализа метеорологических данных из Европейского центра ECMWF (Dee et al., 2011) для моментов времени и координат пункта наземных измерений вблизи Санкт-Петербурга.
Результаты спутниковых измерений среднего по столбу атмосферы XCO доступны на веб-сайте проекта GOSAT Национального института исследований окружающей среды Японии (NIES, 2010). Для пользователей доступны две версии данных GOSAT: V01.xx и V02.xx, которые различаются методикой анализа спектров, измеряемых прибором TANSO-FTS. Метод анализа спектров для версии данных V01.xx подробно описан в работе (Yoshida et al., 2011). Для одновременного определения общих содержаний молекул Nco , NCH и No в столбе атмосферы используются полосы поглощения в ИК-области солнечного спектра 6180-6380, 5900-6150 и 12950-13200 см-1 соответственно. Измеренные спектры анализируются с использованием алгоритма GFIT (Toon et al., 1992; Wunch et al., 2011), который также используется на всех станциях наземной сети Фурье-спектрометров TCCON (Wunch et al., 2011). Из всех измерений прибором TANSO-FTS отбираются только спектры, на измерение которых не влияла облачность. Последняя контролируется прибором TANSO-CAI, измеряющим излучения в видимой, УФ- и БИК-областях спектра.
Случайные ошибки измерения XCO оцениваются в среднем в 2 млн-1, или около 0.5%, и определяются шумом прибора (основной источник ошибки), ошибками усреднения и влияния второстепенных газов (Yoshida et al., 2011). Внутри
указанных версий обработки данных спутника 008ЛТ выделяются подверсии, например У01.10, У01.20, У01.30, которые отличаются алгоритмами первичной обработки измеряемых Фурье-спектров (критериями определения насыщения и выбросов спектров — см. (Ус^Ыёа й а1., 2011; Кше й а1., 2012). В последнее время появилась версия данных 008ЛТ У02.хх (с подверсиями У02.00, У02.11), которая отличается улучшенными алгоритмами первичной обработки и анализа спектров, учета облачности и аэрозольной дымки, а также усовершенствованной моделью учета метеорологической информации.
Таблица 1. Временные интервалы и версии данных ООЗАТ, использованные для сравнения
Период Версия Число
08.04.2009-25.06.2009 V01.10 4
02.08.2009-20.09.2009 V01.20 4
12.04.2010-09.09.2010 V01.30 8
25.04.2010-12.09.2011 V01.50 7
06.06.2009-21.09.2009 V02.00 16
12.04.2010-31.07.2010 V02.00 28
03.07.2011-30.07.2011 V02.11 3
РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНЕНИЯ
Для сравнения XCOj, измеренных в районе Санкт-Петербурга с земной поверхности и с борта спутника GOSAT, были выбраны интервалы одновременных измерений в 2009—2011 гг. Для этих интервалов из базы данных Института исследований окружающей среды в Цукубе, Япония (NIES, 2012), были выбраны случаи измерения Xсо спутником GOSAT в окрестностях ±3° по широте и долготе от пункта наземных измерений. В табл. 1 перечислены временные интервалы, версии программ анализа данных и количество измерений спутником GOSAT, отобранных для анализа. Из данных наземных измерений вблизи Санкт-Петербурга для сравнения были отобраны измерения, проводившиеся в интервалы 12—15 ч локального солнечного врем
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.