УДК 551.510.42
АНАЛИЗ СПУТНИКОВЫХ НАБЛЮДЕНИИ ТРОПОСФЕРНОГО СОДЕРЖАНИЯ NO2 НАД МОСКОВСКИМ РЕГИОНОМ
© 2011 г. С. А. Ситнов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 e-mail: ssitnov@mail.ru Поступила в редакцию 16.02.2010 г., после доработки 20.05.2010 г.
На основании данных спутникового прибора OMI в период 2004—2009 гг. проведен анализ тропосферного содержания NO2 над московским регионом. Представлены пространственные распределения NO2 и интерпретирован ряд их особенностей. Описаны характеристики сезонного и недельного циклов NO2, а также его межгодовых и долговременных изменений. Для разных временных масштабов исследована связь изменчивости содержания NO2 и аэрологических параметров. Обсуждается взаимовлияние региональных загрязнений и метеорологических режимов. Проведено сопоставление сезонных и недельных циклов NO2 над Москвой и крупнейшими мировыми агломерациями.
Ключевые слова: NO2, тропосферное содержание NO2, спектрометр OMI, пространственное распределение NO2, сезонный цикл NO2, недельный цикл NO2, тренд NO2, загрязнение Москвы NO2.
1. ВВЕДЕНИЕ
Окислы азота (N0^ = N0 + N0^ играют ключевую роль в химии атмосферы. В стратосфере N0^ участвуют в каталитическом цикле разрушения озона, а их присутствие в пограничном слое способствует образованию озона тропосферы [1]. Являясь предшественниками тропосферного озона, нитратного аэрозоля и гидроксила, окислы азота определяют окислительный потенциал атмосферы, влияющий на ее способность к самоочищению от ряда загрязнений, в частности, от летучих органических соединений [2]. Вместе с тем, присутствие окислов азота в тропосфере является одной из причин кислотных дождей, приводящих к деградации экосистем водоемов и лесов [1]. В урбанизированных регионах высокие содержания N02 в пограничном слое атмосферы способствуют дополнительному радиационному нагреву тропосферного воздуха [3, 4].
Источниками N02 в тропосфере являются автотранспорт, тепловые электростанции, авиация, а также горение биомассы, грозовые разряды, почвенная эмиссия и адвекция из стратосферы. Несмотря на большую неопределенность оценок мощности источников, считается, что не менее 50% содержания N02 в тропосфере определяется сжиганием топлива, т.е. имеет антропогенное происхождение [2]. Тропосферное содержание N02 в значительной степени определяется местными источниками, и его про-
странственное распределение носит региональный характер.
В московском регионе доминирующим источником NO2 является эмиссия NOx, связанная с жизнедеятельностью московского мегаполиса — крупнейшего мегаполиса Европы. Загрязнение Москвы и области диоксидом азота изучено недостаточно. Количество наземных пунктов спектральных наблюдений NO2 невелико и не дает возможности представления пространственной структуры загрязнения московского региона [5]. Приземные же концентрации NO2 чрезвычайно изменчивы и зависят от локальных источников загрязнений, что также затрудняет представление загрязнения региона в целом [6, 7]. В последнее время для анализа региональных загрязнений тропосферы все активнее используются спутниковые системы мониторинга (GOME, SCIAMACHY, GOME-2, OMI) [8-12], сочетающие однородность пространственного покрытия наблюдениями территории с достаточно высокой дискретизацией данных во времени.
Целью данной работы является анализ пространственного распределения и временной изменчивости тропосферного содержания NO2 над московским регионом на основании данных прибора OMI, пространственное разрешение которого позволяет, в принципе, различать детали загрязнения внутри самого мегаполиса [12].
2. ПРИБОР OMI И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СОДЕРЖАНИЯ NO2 В ТРОПОСФЕРЕ
Спектрометр OMI (Ozone Monitoring Instrument) установлен на борту спутника Aura, запущенного на солнечно-синхронную околополярную орбиту (высота 705 км, период обращения 98.5 мин) 15 июля 2004 г. Прибор проводит надирные измерения отраженной земной атмосферой и поверхностью солнечной радиации в диапазоне длин волн 270—500 нм в трех спектральных каналах: 270—310, 310—365, и 365—500 нм, оптическое разрешение в которых составляет 0.42, 0.45 и 0.63 нм соответственно. Поле зрения прибора составляет 114° и соответствует ширине охвата поверхности, примерно 2600 км, что позволяет за сутки охватить наблюдениями практически всю земную поверхность. В стандартном режиме работы пространственное разрешение прибора (размеры наземного пиксела) составляет 13 км вдоль траектории движения спутника и меняется от 24 км при измерениях строго в надир до 128 км при углах ±57° поперек движения спутника [13].
Тропосферное содержание NO2 определяется в несколько этапов. Сначала в диапазоне длин волн 415—465 нм с помощью многоволновой методики DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) [14] находится эффективное содержание NO2 на всем пути распространения луча в атмосфере (наклонное содержание NO2 в атмосферном столбе). Методика DOAS основана на минимизации методом наименьших квадратов различий между наблюдаемыми спектрами и линейной комбинацией спектров поглощения NO2, O3, O2—O2 и H2O с учетом эффектов молекулярного, аэрозольного и комбинационного рассеяния [15]. Далее, как разность наклонных содержаний NO2 в столбе и в стратосфере, определяется наклонное содержание NO2 в тропосфере. Методика выделения стратосферной части NO2 использует характерные различия пространственных распределений NO2 в стратосфере и тропосфере. Вертикальное содержание NO2 вычисляется делением его наклонного содержания на воздушную массу (Air Mass Factor (AMF)) — коэффициент, в отсутствие загрязнений и облачности зависящий главным образом от геометрии наблюдений и альбедо подстилающей поверхности. При выявлении в полях NO2 существенных пространственных неоднородностей, связываемых с тропосферным загрязнением, AMF корректируется на основе ряда априорных и измеряемых в полете оптических и радиационных характеристик атмосферы. В алгоритме учитываются характеристики наблюдаемого облачного покрова и используются модельные расчеты тропосферных профилей NO2 и О3. Неопределенности определения AMF вносят наибольший вклад в суммарную ошибку наблюдений. Над материками погрешность восстановления
тропосферного содержания NO2 в загрязненных условиях составляет 35—60% [16].
3. БАЗА ДАННЫХ
Для анализа пространственных распределений были использованы обработанные по стандартному алгоритму, географически привязанные и скомпонованные по дням данные тропосферного содержания NO2 (ColumnAmountNO2trop) версии L2G V003 в период с 1 октября 2004 г. по 31 июля 2009 г. Данные взяты из архива National Aeronautics and Space Administration Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center (NASA GES DISC) (http:// disc.sci.gsfc.nasa.gov/data/datapool/OMI). При расчете средних значений (величин трендов) использовались наблюдения тропосферного содержания диоксида азота, сводный флаг качества которых (vcdQualityFlag) характеризовался четным числом (нулем).
Для анализа временной изменчивости тропосферного содержания NO2 над Москвой использовались временные ряды наблюдений диоксида азота в период с 1 октября 2004 г. по 31 декабря 2009 г., получаемые осреднением внутри суток исходных наблюдений NO2 по территории с координатами 55.5°—55.9° N, 37.4°-37.9° E. (рис. 1). Данные представляют собой обработанные по стандартному алгоритму значения содержания NO2 в тропосфере, полученные в чистых условиях, а именно когда суммарная площадь облаков в пикселе не превышает 30%. Координаты областей пространственного осреднения данных, использованных для сравнения с Москвой крупнейших мировых агломераций приведены в табл. 1. Расчет временных рядов проведен с помощью системы удаленного доступа Giovanni (http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/giovanni), разработанной и обслуживаемой NASA GES DISC [17].
Для исследования связи тропосферного содержания NO2 с метеорологическими параметрами к анализу были привлечены охватывающие период времени с 1 января 2004 г. по 31 декабря 2009 г. данные радиозондирования станции Долгопрудная (55.9° N, 37.5° E, индекс ВМО 27612), расположенной в северном пригороде Москвы и работающей под контролем научно-технического центра радиозондирования Центральной аэрологической обсерватории. Данные взяты из архива аэрологических наблюдений университета штата Вайоминг, США (http://weather.uwyo.edu/upperair). Описание, точностные характеристики радиозондов и наземных систем слежения можно найти в [18]. Поскольку подавляющее большинство наблюдений OMI в московском регионе происходит в дневной период, в работе использовались данные дневных пусков радиозондов (12 UTC). MSK = UTC + 3 (+4) зимой (летом) соответственно. Исходные данные зондирования: давление p, температура t, удельная влажность q, а также направление и скорость ветра с по-
N
56.5
56.4
56.3
56.2
56.1
56.0 55.9 55.8 55.7
55.6
55.5
55.4
55.3
55.2
55.1 55.0
N
56.5
56.4
56.3
56.2
56.1
56.0 55.9 55.8 55.7
55.6
55.5
55.4
55.3
55.2
55.1 55.0
N
56.5
56.4
56.3
56.2
56.1
56.0 55.9 55.8 55.7
55.6
55.5
55.4
55.3
55.2
55.1 55.0
667(149339)
(а)
Александров I Сергиев О
Посад
У
Киржач 1КАД 6 Ногинск
МК
Москва Орехово-
тт Зуево
Лыткарино '
МКАД
Чехов
N
56.5 56.4 56.3 56.2 56.1 56.0
7(1502)
36.7 37.1
37.5 37.9 38.3 96 (21457)
381(85278)
(д)
38.7 39.1 (в)
N
56.5 56.4 56.3 56.2 56.1
36.7 37.1 37.5 37.9 38.3 38.7 39.1 95 (21336)
% 4 '
(г) N02 (1015), молек см-2
10
9 8 7 6 5 4
3 2
36.7 37.1 37.5 37.9 38.3 38.7 39.1
N
56.5
56.4
56.3
56.2
56.1
56.0 55.9 55.8 55.7
55.6
55.5
55.4
55.3
55.2
55.1 55.0
36.7 37.1 37.5 37.9 38.3 38.7 39.1
286 (64061)
36.7 37.1 37.5 37.9 38.3 38.7 39.1
Рис. 1. Пространственное распределение среднего тропосферного содержания N02 над московским регионом: а — в период с 01.10.2004 г по 31.07.2009 г., б — в сентябрьскую пятницу (при совпадении максимумов сезонного и недельного циклов N02, в — в пятницу (в теплый период года), г — в воскресенье (в минимуме недельного цикла N02), д — для периода с апреля по сентябрь (в максимуме сезонного цикла N02), е — для пер
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.