ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 4, с. 57-61
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
СРАВНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ И НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СОДЕРЖАНИЯ ФТОРИСТОГО ВОДОРОДА В АТМОСФЕРЕ © 2012 г. А. В. Поляков1*, Ю. М. Тимофеев1, K. A. Walker2
1Санкт-Петербургский государственный университет, Физический факультет, С-Петербург 2University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada *E-mail: polyakov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 19.12.2011 г.
Анализируются и сравниваются результаты спутниковых и наземных измерений общего содержания (ОС) фтористого водорода (HF). Из измерений профиля HF прибором FTS на спутнике ACE рассчитывается ОС и сопоставляется с данными наземных измерений вблизи Санкт-Петербурга в 2009—2011 гг. Сравнения показали хорошее качественное согласие сезонного хода ОС HF по данным двух независимых измерений. Немногочисленные (девять случаев) прямые сравнения данных двух типов измерений, согласованных по времени (в течение суток) и месту (не далее 500 км), показали следующие характеристики: средняя разность 8% с превышением спутниковых данных, стандартное отклонение разности 7%. В двух случаях близких пар измерений (ближе 200 км) сопоставления показали разности 1 и 7%. Полученные статистические характеристики разностей двух типов измерений хорошо согласуются с независимыми данными сопоставлений измерений ОС HF по данным ACE-FTS с данными сети NDACC.
Ключевые слова: Фурье-интерферометр, общее содержание, фтористый водород, валидация спутниковых данных, наземные измерения общего содержания
ВВЕДЕНИЕ
Влияние газового состава на радиационные характеристики атмосферы, погоду и климат Земли, а также состояние озоносферы рассмотрено в ходе многочисленных спутниковых программ по изучению газового и аэрозольного состава атмосферы различными методами (Тимофеев, 1989; WMO, 2003). В последнее десятилетие одним из важнейших таких экспериментов является эксперимент ACE (Atmospheric Chemistry Experiment) c ИК-Фурье спектрометром ACE-FTS (Bernath, 2005). Прибор измеряет спектры прямого солнечного излучения при восходах и заходах Солнца с высоким спектральным разрешением (0.02 см-1) в области 750—4400 см-1, что позволяет определять вертикальные профили содержания более 30 газов (Mahieu et al., 2008). Важным этапом спутниковых измерений является их валида-ция с помощью независимых, в том числе наземных, измерений. Такие программы валидации данных ACE-FTS описаны, например, в публикациях специальных выпусков журналов Geophysical Research Letters (Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. № L15S01) и Atmospheric Chemistry and Physics (Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2008. V. 8).
С января 2009 г. в Санкт-Петербургском государственном университете (СпбГУ) на кафедре физики атмосферы физического факультета (в
Петергофе в 28 км к западу от центра Санкт-Петербурга (59.88° с.ш., 29.82° в.д.)) проводятся наземные измерения спектров прямого солнечного излучения в ИК-области спектра измерительным спектральным комплексом на основе Фурье-спектрометра высокого спектрального разрешения Вгакег 1Р8-125Ж (Поберовский, 2010). Эти измерения позволяют определять общие содержания ряда важных климатически активных газов (Поберовский и др., 2010а). Эти же измерения используются для валидации результатов различных спутниковых экспериментов. В данной работе приведены результаты сравнений спутниковых и наземных измерений общего содержания (ОС) фтористого водорода (ИР).
СПУТНИКОВЫЕ И НАЗЕМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Солнечная затменная геометрия наблюдений прибора АСБ-РТ8 позволяет проводить около 30 измерений спектров солнечного излучения в сутки. Спектры измерялись в диапазоне прицельных высот от 150 км до верхней границы облаков с вертикальным разрешением 3—4 км. Для различной геометрии шаг измерений по высоте составлял от 1.5 до 6 км. На первом этапе интерпретации измерений определялись вертикальные профили температуры и давления с помощью анализа по-
58
ПОЛЯКОВ и др.
глощения в линиях СО2. В дальнейшем анализировалось поглощение в специально выбранных для каждого газа "спектральных окнах". Эти окна выбраны с целью минимизации влияния "мешающих" газов для высот от нижней мезосферы до верхней тропосферы. В результате анализа последовательных измерений солнечных спектров при разных прицельных высотах определены вертикальные профили отношений смеси исследуемого газа, которые интерполированы на высотную сетку с шагом 1 км. При анализе измерений использовалась информация о параметрах тонкой структуры молекулярного поглощения широко известного банка данных HITRAN. Для определения ОС HF выделены 13 спектральных окон в диапазоне 1815-4143 см-1 (Batchelor et al., 2009). Подчеркнем, что затменный тип спутниковых измерений характеризуется относительно малым числом измерений в сутки и медленным изменением широты измерений. Сами измерения прибором ACE-FTS осуществляются в тропических, средних и полярных широтах.
Анализ первых результатов наземных измерений содержания HF в России содержится в статьях (Поберовский и др., 2010б; Поляков и др., 2011). В частности в статье (Поляков и др., 2011) приведены предварительные результаты сравнений спутниковых и наземных измерений в период апрель 2009 г.-апрель 2010 г. В настоящей работе использованы наземные измерения с апреля 2009 г. по октябрь 2011 г.
Наземные измеренные спектры Солнца имели спектральное разрешение около 0.005 см-1, отношение сигнал/шум, определенное по шумовой дорожке "нулевого" сигнала, колебалось в пределах 400-1600, типичное значение около 1200. Для интерпретации измерений применялась программа SFIT2, используемая на станциях сети NDACC.
Для определения ОС HF использовался спектральный интервал 4038.0-4039.7 см-1. Укажем также, что при интерпретации наземных измерений использовались данные о профиле температуры в атмосфере и (в качестве начального приближения) о профиле отношения смеси водяного пара ("мешающего газа") из данных уровня 3 измерений спутника Aqua (приборы AIRS и AMSU_A) http://airs.jpl.nasa.gov/data_products/ data_products_toc/. Наши оценки случайной компоненты погрешности определения ОС на основе изменчивости ОС в периоды стабильных состояния атмосферы и функционирования прибора позволяют оценить ее величину в 1-2%. Отметим, что исследование различных источников погрешностей определения ОС HF было осуществлено в работе (Schneider, Blumenstock, 2004). По оценкам этой работы, случайная компонента погрешностей измерений ОС (при близких значе-
ниях сигнал/шум) составляет 2.7%, а основной вклад в систематическую погрешность вносит погрешность задания интенсивности линии ИБ (4.3%). Аналогичные оценки в работе (8еП;еп й а1., 2008) дали общую случайную компоненту погрешности в 6% и систематическую погрешность в ~5% (в основном за счет погрешностей задания интенсивности линии поглощения ИБ). Отметим, что небольшие вариации оценок погрешностей в различных работах обусловлены различными используемыми спектральными интервалами, отличиями в характеристиках аппаратуры, условиях измерений (зенитные углы Солнца и т.д.) и в состоянии атмосферы в моменты измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ СОПОСТАВЛЕНИИ
На рисунке показаны среднесуточные значения ОС ИБ по результатам наземных измерений и значения, полученные интегрированием вертикальных профилей по данным АСБ-БТВ версии 2.2, измеренных в круге радиусом 500 км с центром в Петергофе. Отметим, что совпадений измерений двух приборов в течение одного дня очень мало (9), поэтому рисунок демонстрирует результаты, полученные двумя приборами в разное время, и позволяет только оценить сходство временных зависимостей результатов двух методов наблюдений. Приведенный рисунок показывает хорошее качественное и количественное согласие измерений. Оба прибора демонстрируют сходные по величине и продолжительности минимумы (летнее-осенние периоды) и максимумы (зимне-весенний периоды) ОС ИБ и увеличение вариаций содержания ИБ в зимне-весенние периоды.
Ниже, анализируя количественные характеристики сравнения двух типов измерений, мы будем рассматривать разности их результатов, вычитая из данных спутниковых измерений данные наземных измерений, и различные статистические характеристики этих разностей. Говоря об относительной разности, мы будем иметь в виду отношение разности к данным наземных измерений. Чтобы избежать возможных неоднозначностей, явно укажем используемые характеристики самих значений и их разностей. Мы рассмотрим: х — выборочные средние, — среднеквадратичные величины, и стх — среднеквадратичные отклонения (СКО, стандартные отклонения) случайной величины х, представленной выборочными значениями {х}. ,
I- О 1=1, п
- 1
X
n
= - ^Xt, = - X Xi'
i=1, n
yn
i=1, n
t-iX (Xi - X у
I i=1, n
СРАВНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ И НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИИ
59
"+ о +
о +
о о о
о сг|-+ о со
еьс
о о
О О
ф
+ о ф°
# ф
8°п 4- °
о П®
-.Чф-
+
+
* i
$ ц-
+ +
0 1—1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
3456789 10 11 12 123456789 10 11 12 123456789 10
2009
Мес.
2010 Год
2011
Результаты измерений ОС HF за период апрель 2009 г.—октябрь 2011 г.: 1 — наземные измерения в Петергофе; 2 — спутниковые измерения ACE-FTS. Расстояние не более 500 км.
2
1
Общие количественные характеристики результатов сравнений приведены в таблице.
Согласно данным таблицы, сравнения спутниковых и наземных измерений содержаний ИБ в Петергофе показывают следующее: средние разности между двумя типами измерений составляют 8% для обоих критериев рассогласований (500 и 1000 км) (при этом наземные измерения дают меньшие значения ОС ИБ); среднеквадратичные разности составляют для рассогласования в 500 км 11%, а для рассогласований 1000 км — 15%; СКО разностей — 7% и 13% соответственно.
При сопоставлении наземных и спутниковых измерений содержания ИБ заметное влияние оказывает расстояние между двумя типами измерений. При большом рассогласовании (до 1000 км) среднеквадратичные разности близки к СКО содержания ИБ (естественным вариациям) за исследованный период (16%).
В двух случаях сопоставлений (при расстоянии менее 200 км между двумя типами измерений) разности составляли 1% и 7%.
Ва
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.