ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.521.32, 551.510.413, 551.507.362.2
УЧЕТ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ АТМОСФЕРЫ ПРИ ЗОНДИРОВАНИИ ЕЕ СОСТАВА ЗАТМЕННЫМ МЕТОДОМ © 2008 г. А. В. Ракитин*, В. С. Косцов, А. В. Поляков
Научно-исследовательский институт физики, Санкт-Петербургский государственный университет,
Санкт-Петербург *Тел.: (812)428-43-47; *е-шаП: kit@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 11.07.2007 г.
Рассмотрен идеализированный спутниковый эксперимент, в котором определяются вертикальные профили содержания фотохимически активных атмосферных газов по измерениям прозрачности атмосферы на восходах и заходах Солнца, а также процедура коррекции получаемых данных, основанная на модельных расчетах изменения концентрации этих газов при зенитных углах Солнца, близких к 90°. Получены оценки погрешностей коррекции профилей содержания N0^ обусловленных неопределенностью результатов расчетов факторов коррекции по фотохимическим моделям с высоким разрешением по времени. На примере модели $0С0Ь проанализирована возможность использования данных трехмерных химико-климатических моделей со средним временным разрешением в процедуре коррекции результатов спутниковых затменных экспериментов.
ВВЕДЕНИЕ
Спутниковые измерения прозрачности атмосферы на восходах и заходах Солнца давно и интенсивно используются для дистанционного определения вертикальных профилей содержания газов. Этот метод, называемый "затменным", характеризуется высокой потенциальной точностью, хорошим вертикальным разрешением, отсутствием необходимости абсолютной калибровки прибора для получения функций пропускания. Поскольку трассы распространения излучения, регистрируемого в затменном эксперименте, проходят через терминатор, при использовании данного метода для восстановления вертикальных профилей газов, содержание которых испытывает существенные суточные вариации, следует проводить оценки (при необходимости — учет) влияния горизонтальных градиентов концентрации на результаты решения обратной задачи.
Ниже приведены основные фотохимические процессы, ответственные за суточные вариации газов, которые рассматриваются в настоящей работе (N0^ N0, 03). В стратосфере в ночное время суток окись азота разрушается с образованием двуокиси азота в основном по следующим реакциям, первая из которых является доминирующей [1, 2]:
N0 + 03
N0 + СЮ
N02 + 02
N0. + С1
N0 + Н02 — + 0Н.
В дневное время суток молекулы N02 восстанавливают N0 либо в реакции с атомарным кислородом
+ 0 — N0 + 02,
либо путем фотолиза
+ ^ — N0 + 0(3Р).
Таким образом, ночные значения концентрации N02 превышают дневные значения, а для N0 характерна обратная ситуация. Однако разница между значениями концентраций N02 ночью и днем не так велика, как разница в значениях ночных и дневных концентраций N0, вследствие разрушения двуокиси азота ночью за счет следующих реакций:
+ 03 — + 02 N0;, + + М — N^5 + М.
Суточные вариации озона наблюдаются в ме-зосфере, где в дневное время он фотодиссоцииру-ет по следующим реакциям:
03 + ^ (X > 310 нм) — 02( X) + 0(3Р) 03 + hv (X < 310 нм) — 02(1А^) + 0(1Э). А ночью восстанавливается по реакции 0 + 02 + М — 03 + М.
При измерениях солнечного излучения в за-тменных экспериментах оптическая трасса, естественно, находится в освещенной области, однако зенитный угол Солнца в различных точках трассы различен. На рис. 1 изображена схема
ном угле Солнца у к концентрации при зенитном угле у0 = 90°
/(y) =
n (Y ) . n(YoV
(1)
Рис. 1. Схема спутникового затменного эксперимента по измерению прозрачности атмосферы.
спутниковых измерении излучения в затменном эксперименте, где S — источник излучения (Солнце), Б — спутниковый прибор, N — прицельная высота. Начальная и конечная точки оптической трассы Ь и Н имеют одинаковую высоту, соответствующую высоте условной верхней границы атмосферы. В прицельной точке N зенитный угол Солнца равен 90°. Очевидно, что на участке трассы L—N зенитные углы будут меньше 90°, а на участке N—H больше 90°. Несмотря на то что оба участка освещены, ниже мы будем говорить об участке L—N, как о "дневном", и об участке N—H — как о "ночном". Диапазон изменения зенитного угла Солнца для трассы составляет примерно 84°-96° (он несколько варьируется в зависимости от прицельной высоты и от заданной условной верхней границы атмосферы). Этот диапазон зенитных углов соответствует периоду существенной нестационарности, когда происходит изменение значений концентрации вследствие изменения фотохимических процессов. В результате распределение концентрации газа вдоль оптической трассы может оказаться несимметричным относительно прицельной точки.
Таким образом, в этом случае приближение сферически однородной атмосферы (СОА) не работает, и задача определения профиля концентрации газа при высотном сканировании (значений концентрации в прицельных точках) существенно усложняется из-за появления большого количества неизвестных параметров (значений концентрации при различных зенитных углах). Для уменьшения количества неизвестных параметров используют так называемые "факторы коррекции", которые представляют собой отношение концентрации газа п при заданном зенит-
При известных значениях факторов коррекции неизвестными параметрами являются только значения концентрации газа в прицельных точках, и задачу можно рассматривать как "стандартную". Решение задачи определения профилей концентрации газа с учетом сферической неоднородности будем называть "коррекцией профилей", поскольку в литературе, как правило, полученные в этом случае результаты сравниваются с результатами, соответствующими приближению сферически однородной атмосферы.
Из изложенного выше следует, что при таком подходе к решению задачи зондирования сферически неоднородной атмосферы (СНА) ключевую роль играет адекватность используемых значений факторов коррекции. Факторы коррекции, как правило, рассчитываются с помощью одномерных (1D) и нульмерных "боксовых" (0D "box") фотохимических моделей, характеризующихся высоким разрешением по времени, что позволяет воспроизводить "быстрые" изменения концентрации фотохимически активных газов при изменении освещенности. В качестве примеров приведем работы, посвященные корректировке результатов экспериментов ATMOS [3] и HALOE [4]. Учитывая, что различные модели имеют разный уровень полноты описания фотохимических процессов, используют различные исходные данные о параметрах состояния (температура, давление) и о газовом и аэрозольном составе атмосферы, а также, учитывая погрешности в значениях констант скоростей реакций, следует оценивать вклад неопределенности результатов моделирования в погрешность скорректированных профилей. Нам не известны работы, в которых при решении задачи коррекции результатов затменных экспериментов проводились подобные оценки. Следует подчеркнуть, что анализ степени неопределенности данных, полученных по численным фотохимическим моделям, важен и при решении других задач, например, при сопоставлении результатов различных спутниковых экспериментов, рассогласованных по времени. В качестве примера приведем работу [5], посвященную сопоставлению профилей NO2, полученных по данным измерений солнечного излучения спектрометром SCIAMACHY, с профилями, полученными в экспериментах HALOE и SAGE-II. На основе расчетов по одномерной фотохимической модели профили, восстановленные по данным HALOE и SAGE-II (на восходах и заходах Солнца), трансформировались в профили, соответствующие значениям зенитного угла Солнца
при измерениях SCIAMACHY. При этом учитывалась совокупность факторов, приводящих к неопределенности модельных расчетов (неопределенность профиля температуры, концентрации озона и аэрозоля, констант скоростей фотохимических реакций, "дрейф" модели). Суммарная неопределенность модельных данных, оценивавшаяся как относительное различие в концентрации NO2 между "базовым" и "тестовыми" расчетами, составила 19% ниже 20 км, уменьшаясь до 8% на высотах 35—40 км и возрастая выше 40 км до 20% и более. Приведенные значения наглядно демонстрируют важность учета неопределенности модельных данных.
Настоящая работа посвящена:
1) оценкам (в первом приближении) погрешности коррекции профилей, получаемых в за-тменных экспериментах, которая обусловлена неопределенностью расчетов факторов коррекции по фотохимическим моделям с высоким разрешением по времени. (На актуальность этой задачи было указано выше.);
2) анализу возможности использования современных 3-мерных (3D) химико-климатических моделей (ХКМ) для расчетов факторов коррекции с точностью, достаточной для решения задач коррекции результатов затменных экспериментов;
3) сопоставлению погрешностей определения профилей концентрации NO2 по спутниковым измерениям прозрачности в эксперименте SAGE-III с погрешностями коррекции.
Прежде всего отметим, что в настоящей работе для удобства изложения мы употребляем термин "погрешности коррекции", подразумевая неопределенность в значениях концентрации газа, обусловленную неопределенностью модельных данных. Очевидно, что погрешности, в строгом смысле, мы оценить не можем, поскольку используемый метод основан на сравнении лишь данных различных моделей.
Актуальность решения второй из поставленных задач обусловлена, во-первых, тем, что в настоящее время разработаны 3-мерные глобальные ХКМ, отличающиеся полнотой описания атмосферных процессов и в то же время обладающие хорошим быстродействием и не предъявляющие высоких требований к вычислительным ресурсам [6]. Во-вторых, 3-мерные ХКМ описывают как фотохимические, так и динамические процессы, и обеспечивают получение самосогласованного комплекса атмосферных параметров, необходимых для расчета излучения (температура, давление, значения концентрации газов). Расчеты с использованием ХКМ представляют собой последовательность "мгновенных" глобальных распределений атмосферных параметров с временным шагом порядка 2—3 ч на горизонтальной
пространственной сетке с шагом по широте и долготе около 3—5 град и вертикальной пространственной сетке порядка 2—3 км. Данные такого рода уже используются при решении задач дистанционного зо
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.