научная статья по теме ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ НА ЭВОЛЮЦИЮ И РАДИАЦИОННЫЙ ФОРСИНГ ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ НА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ ЛЕТОМ 2010 Г Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ НА ЭВОЛЮЦИЮ И РАДИАЦИОННЫЙ ФОРСИНГ ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ НА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ ЛЕТОМ 2010 Г»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 2, с. 28-41

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ НА ЭВОЛЮЦИЮ И РАДИАЦИОННЫЙ ФОРСИНГ ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ НА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ ЛЕТОМ 2010 г.

© 2013 г. С. А. Ситнов1*, Г. И. Горчаков1, М. А. Свириденков1, В. М. Копейкин1,

Т. Я. Пономарева2, А. В. Карпов1

1 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва 2Гидрометеорологический научно-исследовательский центр РФ, Москва * E-mail: sitnov@ifaran.ru Поступила в редакцию 21.05.2012 г.

С привлечением наблюдений аэрозольной оптической толщи (АОТ) приборами MODIS (Aqua и Terra), полей объективного анализа метеорологических элементов Гидрометцентра России, NCEP/NCAR-реанализа и данных сетевого аэрологического радиозондирования проведено исследование эволюции задымления европейской территории России (ЕТР) в период массовых пожаров лесов и торфяников летом 2010 г. Выявлена связь структурных неоднородностей поля АОТ с региональной атмосферной циркуляцией. Показано, что 5—9 августа область максимального задымления совершила полный антициклонический оборот вокруг московского мегаполиса, оставаясь на расстоянии 200—650 км от столицы. Для периода экстремального задымления ЕТР получены оценки среднерегионального коротковолнового аэрозольного радиационного форсинга (АРФ) на верхней и нижней границах атмосферы. Представлены пространственные распределения величин АРФ по территории региона, а также оценки локальных и пространственно-распределенных температурных эффектов дымового аэрозоля. Показано, что в период 5—9 августа пространственное распределение АОТ и термические эффекты дымового аэрозоля были согласованы с пространственными распределениями аномалий температуры воздуха в нижнем 1.5-км слое атмосферы. Выполнена ва-лидация локальных наблюдений АОТ, полученных по данным MODIS наблюдениями АОТ фотометра CIMEL станции Звенигород сети AERONET в период пожаров.

Ключевые слова: природные пожары, дымовой аэрозоль, аэрозольная оптическая толщина, радиационные эффекты, термические эффекты дымов, МОБК, валидация наблюдений

DOI: 10.7868/S0205961413010065

ВВЕДЕНИЕ

Блокирующий антициклон рекордной продолжительности, отмечавшийся на европейской территории России (ЕТР) летом 2010 г., обусловил экстремальное повышение региональных температур, отсутствие дождей и почвенную засуху (Мохов, 2011; Шакина и др., 2011). Сложившийся режим погоды способствовал развитию многочисленных лесных и торфяных пожаров, приведших к сильному задымлению в ряде мест ЕТР (Бондур, 2011). В первой декаде августа 2010 г. в столичном регионе отмечались рекордно-высокие значения приземных концентраций аэрозольных частиц (Горчаков и др., 2011а; Звягинцев и др., 2011; van Donkelaar et al., 2011) и аэрозольной оптической толщи (АОТ) (Горчаков и др., 2011б; Ситнов, 2011а, 2011б, 2011в; Чубаро-ва и др., 2011; Witte et al., 2011). Оценки локальных и региональных величин радиационного

форсинга дымового аэрозоля показывают, что задымление воздуха существенно изменило радиационный режим атмосферы над обширной территорией (Горчакова, Мохов, 2012; Ситнов и др., 2012; СИиЪагоуа й а1., 2012). Исследования оптических и микрофизических характеристик аэрозоля в период пожаров 2010 г. показали преобладание в дымах частиц субмикронного размера (Горчаков и др., 20116; СИиЪагоуа й а1., 2012), выявили высокую конденсационную активность дымового аэрозоля (Исаков и др., 2011).

В отличие от наземных данных, спутниковые наблюдения АОТ, наряду с оценками величин локального задымления и аэрозольного радиационного форсинга (АРФ), позволяют изучить эволюцию задымления во времени, получить оценки величин среднего регионального АРФ и восстановить пространственное распределение радиационных и температурных эффектов дымов.

Данная работа посвящена анализу пространственно-временной эволюции дымового аэрозоля в период массовых пожаров лесов и торфяников на ЕТР в июле—августе 2010 г. и ее связи с региональной атмосферной динамикой. Исследуются пространственное распределение коротковолнового радиационного форсинга дымов на верхней и нижней границах атмосферы и термические эффекты задымления. Под ЕТР понимается территория, ограниченная координатами 47°—65° с.ш., 25°— 55° в.д, площадью около 3.6 млн. км2. Исходным материалом для анализа служат данные АОТ спутниковых приборов MODIS.

ПРИБОРЫ И БАЗА ДАННЫХ Приборы MODIS

MODIS (MODerate Imaging Spectroradiometer) является 36-канальным спектрометром изображения, регистрирующим отраженную солнечную и излучаемую земной поверхностью радиацию в диапазоне длин волн 0.4—14.4 мкм (Salomonson etal., 1989). Оптическая система прибора осуществляет сканирование полосы шириной 2330 км на поверхности, обеспечивая ежедневное глобальное покрытие наблюдениями области внетропических широт. Приборы MODIS установлены на спутниках Aqua и Terra, запущенных соответственно 04.05.2002 г. и 18.01.1999 г. на солнечно-синхронные орбиты высотой 700 км, наклоном 98° и периодом обращения 98 мин. Дневные наблюдения MODIS/Terra и MODIS/Aqua осуществляются соответственно на нисходящем и восходящем витке орбиты с пересечением экватора в 10:30 и 13:30 локального времени (http://modis.gsfc. nasa.gov)

Алгоритм восстановления АОТ и алгоритм детектирования действующих пожаров

Алгоритм восстановления АОТ (т) над сушей основан на сравнении и минимизации различий интенсивностей отраженной солнечной радиации на длинах волн 0.47 и 0.66 мкм, измеряемых в полете прибором MODIS, и интенсивностей солнечной радиации на верхней границе атмосферы на этих же длинах волн, рассчитываемых на основе решения уравнения переноса радиации в модельной атмосфере при данной геометрии наблюдений и с учетом сезона (Levy et al., 2007). Модельные расчеты учитывают поляризационные эффекты взаимодействия излучения со средой, несферичность частиц грубодисперсного аэрозоля, спектральную зависимость отражательной способности подстилающей поверхности и высоту рельефа. Расчетная погрешность восстановления АОТ над сушей составляет ±0.05 ± 0.15т (Kaufman et al., 1997). Следует отметить, однако, что в условиях задымления ЕТР летом 2010 г. по-

грешность восстановления АОТ могла отличаться от расчетной (см. ниже).

Алгоритм детектирования действующих пожаров использует контекстный анализ яркостных температур в каналах 4 и 11 мкм в пространственных областях размером 1 км х 1 км (Giglio et al., 2003). Степень достоверности обнаружения действующего пожара в пикселе оценивается тремя уровнями надежности (низкой, номинальной и высокой). В данной работе использованы результаты, характеризующиеся высоким уровнем надежности (80% < Р < 100%). Поскольку оптические характеристики дымового аэрозоля летом 2010 г. определялись его субмикронной фракцией, влияние задымления в наибольшей степени проявлялось в УФ- и видимой областях спектра. В ИК-области влияние дымов было существенно слабее. Так, по данным фотометра CIMEL АОТ на длине волны 1.6 мкм была примерно на порядок меньше, чем в видимой области (Горчаков и др., 2011б). Вследствие быстрого убывания АОТ с ростом длины волны задымление оказывало незначительное воздействие на работу алгоритма.

Использованные данные и их источники

Использовались ежедневные данные АОТ на длине волны 0.55 мкм (т0 55) 3-го уровня (L3) 5-й коллекции (V5.1). HDF файлы M0D08_D3/MYD08_D3 получены с помощью системы архивирования и распространения данных LAADS Web (Level 1 and Atmosphere Archive and Distribution System), находящейся на http://ladsweb.nascom.nasa.gov. Данные L3 представляют собой наблюдения АОТ, осредненные посуточно внутри ячеек 1° х 1° (широта х долгота) (Hubanks et al., 2008). На широте Москвы такая ячейка соответствует пространственным размерам 111 х 63 км.

Данные локальных очагов возгораний Active Fire Data Products (M0D14/MYD14) 2-го уровня 5-й коллекции (V2.4) в области 45°—65° с.ш., 25°— 65° в.д. получены с помощью системы FIRMS (The Fire Information for Resource Management System), разработанной и обслуживаемой университетом штата Мериленд (США) при поддержке NASA (Davies et al., 2009). Данные доступны на http://firefly.geog.umd.edu.

Для валидации спутниковых наблюдений АОТ использовались измерения АОТ солнечно-небесного фотометра CIMEL СЕ-318 станции "Звенигород" сети AERONET (Holben et al., 1998), расположенной на территории Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы (ИФА) им. А.М. Обухова РАН. Данные АОТ L1.5 доступны на сайте: http://aeronet.gsfc.nasa.gov.

Контроль процессов переноса дымового аэрозоля осуществлялся по ветровым данным на уровне 700 мб. Этот уровень лучше других отображает

Таблица 1. Станции аэрологического радиозондирования, использованные в данной работе. Средние значения зонального (и) и меридионального (V) ветра на уровне 700 мб в первую декаду августа 2010 г.

№ п/п № станции ВМО Название станции Координаты и, м/с V, м/с

с.ш. в.д.

1 02185 Лулео 65.6 ° 22.1° 3.2 5.5

2 02365 Сундсвалль 62.5° 17.5° 1.8 3.9

3 11952 Попрад-Гановце 49.0° 20.3° 2.7 6.4

4 12120 Леба 54.8° 17.5° 1.6 7.7

5 12374 Легионово 52.4° 21.0° -0.3 7.2

6 13275 Белград 44.8° 20.4° 2.0 3.5

7 15420 Бухарест 44.5° 26.1° -0.9 6.9

8 16622 Салоники 40.5° 23.0° -0.5 2.3

9 22217 Кандалакша 67.2° 32.4° 10.4 7.8

10 22271 Шойна 67.9° 44.1° 14.0 1.9

11 22845 Каргополь 61.5° 38.9° 10.1 6.8

12 23205 Нарьян-Мар 67.6° 53.0° 13.8 -2.9

13 23921 Ивдель 60.7° 60.5° 6.4 -7.3

14 23804 Сыктывкар 61.7° 50.9° 7.8 -4

15 26038 Таллин* 59.4° 24.6° 3.8 11.7

16 26063 Санкт-Петербург/Воейково 60.0° 30.7° 6.3 12.5

17 26812 Смоленск 54.8° 32.1° -0.7 12.8

18 27595 Казань 55.6° 49.3° -0.5 -2.6

19 27612 Москва/Долгопрудная 55.9° 37.5° 1.4 6.3

20 28445 Верхнее Дуброво 56.7° 61.1° 1.5 -6.7

21 33791 Кривой Рог 48.0° 33.2° -7.6 4.3

22 34122 Воронеж 51.7° 39.3° -5.5 4.2

23 34172 Саратов 51.6° 46.0° -5.3 -1.0

24 35229 Актюбинск 50.3° 57.1° -2.9 -5.2

25 37054 Минеральные Воды 44.2° 43.1° -4.1 1.0

* Данные ночного (00 ЦТС) радиозондирования.

общие закономерности атмосферной динамики региона в целом. Представленные линиями тока ежедневные

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.

Показать целиком