УДК: 551.510.42
НАЗЕМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРИСТОГО ВОДОРОДА В АТМОСФЕРЕ ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
© 2013 г. А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский
Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 3 E-mail: polyakov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 21.06.2012 г., после доработки 26.09.2012 г.
Приведены результаты наземных спектроскопических измерений общего содержания (ОС) хлористого водорода в атмосфере в Петергофе вблизи Санкт-Петербурга с апреля 2009 по март 2012 гг. Для интерпретации спектров солнечного ИК-излучения использовался известный компьютерный код SFIT-2 (Zephyr-2). Случайные и систематические погрешности измерений ОС HCl не превышали 3.8 и 4.5%. Сезонный ход ОС HCl в Петергофе характеризуется наличием максимума в марте-апреле и минимума в октябре-ноябре. Наблюдаются также экстремально малые значения ОС в январе-феврале. Временной ход, полученный для Петергофа, хорошо согласуется с данными ближайших станций международной сети NDACC. Данные наземных измерений ОС HCl сопоставлены c результатами спутниковых измерений с помощью приборов ACE-FTS и MLS. Прямые сравнения спутниковых и наземных измерений, согласованных по времени (в течение суток) и месту (не далее 500 км), показали соответствие результатов в пределах их суммарных погрешностей.
Ключевые слова: состав атмосферы, хлористый водород, общее содержание, спектроскопические измерения, временные вариации, спутниковые измерения.
DOI: 10.7868/S0002351513040081
1. ВВЕДЕНИЕ
Хлористый водород (HCl) наряду с нитратом хлора (ClONO2) является важнейшим газом-резервуаром активных соединений хлора (Cl и ClO) в стратосфере, участвующих в каталитическом процессе разрушения озона [1, 2]. Первые спектроскопические измерения HCl были осуществлены в аэростатных экспериментах [3—5]. В настоящее время измерения общего содержания (ОС) HCl регулярно осуществляются на наземных станциях международной сети NDACC [6]. С 50-х годов прошлого столетия наблюдалось увеличение содержания HCl из-за антропогенного влияния. Оно было обусловлено ростом содержания в стратосфере хлорфторуглеродов и их фотодиссоциацией УФ-излучением, приводящей к появлению атомов Cl и реакцией атомов хлора с метаном [7]. Это увеличение продолжалось до начала 90-х годов прошлого столетия [8]. С середины 90-х годов наблюдалась стабилизация содержания HCl, связанная с мерами, принятыми по ограничению использования хлорфторуглеродов в соответствии с Монреальским протоколом и его дополнениями. Анализ данных измерений на станции NDACC Kiruna за период 1996—2009 гг. позволил определить уже наличие отрицательно-
го тренда в ОС HCl, равного —0.81 ± 0.23% за год [9]. Примерно к тем же выводам пришли авторы работы [10], посвященной анализу результатов измерений уже на 17 станциях NDACC, расположенных от 80° N до 77°82' градусов S.
Для проверки эффективности международных мер по восстановлению и стабилизации озонного слоя очень важно контролировать содержание озоноразрушающих газов. В частности, из измерений содержания HCl и ClONO2 можно определить количество активных хлоринов, которые способны разрушать озон.
С января 2009 г. в СПбГУ на кафедре физики атмосферы физического факультета, в Петергофе, в 28 километрах к западу от центра Санкт-Петербурга (59°88' N, 29°82' E), проводятся наземные измерения спектров прямого солнечного излучения в ИК-области спектра измерительным спектральным комплексом на основе Фурье-спектрометра высокого спектрального разрешения IFS-125HR [11]. Эти измерения позволяют определять общие содержания ряда важных климатически активных газов [12]. Эти же измерения могут быть использованы и для валидации результатов различных спутниковых экспериментов. В данной работе приведены результаты пер-
Таблица 1. Сводка источников и величин погрешностей измерений ОС HCl
Фактор Систематическая, % Случайная, %
Расчетная воздушная масса 0 1
Априорный профиль 0.7 1.9
Ковариационная матрица 0.6 3.4
Интенсивность спектраль- 2 0
ных линий
Полуширина спектраль- 0.5 2.0
ных линий
Случайный сигнал/шум 0 0.5
Суммарные величины 3.8 4.5
вых в России измерений ОС HCl и их сопоставления с независимыми наземными и спутниковыми измерениями.
К моменту работы над настоящей статьей общая продолжительность измерений достигла трех лет. Это позволяет провести как анализ временной изменчивости ОС газа разного масштаба (от суточной до сезонного хода), так и выполнить сопоставления результатов измерений с независимыми данными станций сети NDACC и известных спутниковых приборов ACE-FTS и MLS. Подобные сопоставления, как и любые другие взаимные сопоставления результатов измерений различными методами, позволяют провести перекрестную ва-лидацию получаемых данных, уточнить и отработать все методики.
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ОС HCl
В течение солнечного дня число измерений составляло от 1 до 15 спектров, типичные значения 5—6. Измеренные спектры при использовании функции аподизации Norton-Beer medium имели спектральное разрешение 0.0083 см-1, отношение сигнал/шум, определенное по шумовой дорожке "нулевого" сигнала, колебалось в пределах 300-1600, типичное значение около 1000.
В качестве методики интерпретации измерений использовалась программа SFIT2, применяемая на станциях сети NDACC. Использовались рекомендованные в сети NDACC для измерения ОС HCl спектральные интервалы: (2727.73-2727.83), (2775.70-2775.80), (2925.80-2926.0) см-1. Помимо HCl, на поглощение в указанных интервалах оказывают влияние метан, водяной пар, озон и окислы азота NO2 и N2O. Количественные характеристики молекулярного поглощения для всех атмосферных газов были заимствованы из базы данных HITRAN 2008 [13].
Для определения ОС газа программой SFIT2 мы использовали режим, при котором восстанав-
ливается профиль отношения смеси газа, а общее содержание рассчитывается его интегрированием. Поскольку промежуточным этапом является восстановление профиля, программа использует для регуляризации решения некорректной обратной задачи априорную информацию в виде средних профилей и ковариационных матриц.
В качестве априорного профиля был взят постоянный средний профиль по модели WACCM [14, 15] для Санкт-Петербурга. Использовалась экспоненциальная априорная ковариационная матрица при относительной изменчивости 20% на всех уровнях. Поскольку информативность задачи мала, то спектры не могут содержать информацию о мелкомасштабных деталях профиля, и величина радиуса корреляции матрицы была выбрана 15 км, чтобы подавить высокочастотный шум в решении. При решении обратной задачи уточняются профили мешающих газов, в качестве априорной информации о которых также использовались данные модели WACCM о среднемесячных профилях для каждого месяца и года. Укажем также, что использовались данные о профиле температуры в атмосфере и (в качестве начального приближения) профиле отношения смеси водяного пара из данных уровня 3 измерений спутника AQUA (приборы AIRS и AMSU-A) [16] для каждого дня измерений и окрестностей Санкт-Петербурга. Решение обратной задачи осуществлялось в итерационном режиме (среднее число итераций составило 8). Среднеквадратичная относительная разность расчетных (после решения обратной задачи) и экспериментальных солнечных спектров составляла 0.6%.
Существует много факторов, определяющих погрешности восстановления общих содержаний атмосферных газов по измерениям спектров прямого солнечного ИК-излучения (см., например, [17]):
- приборные (погрешности измерений, погрешности задания аппаратной функции, спектральной привязки, положения нулевого уровня сигнала и т.д.);
- методические (качество спектроскопической информации различных газов, адекватность априорной информации - начальные профили и ковариационные матрицы);
- неопределенности задания условий измерений (точность определения воздушных масс, времени измерений, вертикальных профилей температуры и давления и т.д.).
Нами были проведены специальные численные оценки влияния ряда указанных выше факторов на точность определения ОС HCl, приведенные в табл. 1, что позволило оценить случайные и систематические погрешности измерений.
По приведенным исследованиям суммарные систематические и случайные погрешности не превышают значений 3.8% и 4.5%, что хорошо согласуется с независимыми оценками (см., напри-
U Я
и о
яфма мии а со нд яфма мии а со ндяфма мии а со нд яфм 2009 2010 2011 2012
Месяцы и годы
Рис. 1. Сравнение результатов среднесуточных значений ОС HCl по данным наземных измерений в Петергофе (1) с данными станции Harestua (2).
5
4
3
2
1
мер, [17]). При этом отметим, что в оптически стабильных условиях измерений и при стабильной работе аппаратуры дневные вариации ОС составляли менее 1%. В другие дни изменчивость результатов определения ОС заметно больше и достигает в отдельные дни максимально 10—15% при среднеквадратичной величине ~3.0%.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ОС HCL
На рис. 1 приведен временной ход ОС HCl, иллюстрирующий сезонное поведение ОС в Петергофе и на станции NDACC Harestua, расположенной примерно на той же широте, но на 1000 км к западу. Из рис. 1 видно хорошее, с учетом вариаций и несовпадения дней и мест измерений, качественное и количественное взаимное согласие данных двух независимых измерений. Можно отметить следующие характерные особенности сезонного хода среднесуточных ОС HCl: максимальные значения наблюдаются в марте—апреле, минимальные — в октябре—ноябре. Отметим также сходство временного хода ОС в двух различных пунктах наблюдения, в частности, резкий минимум ОС HCl в конце января—феврале 2010 г. обусловленный особенностями трансформации полярного вихря. Для подтверждения данного
вывода приведем табл. 2, где сопоставляются значения измеренных ОС HCl со значениями потенциальной завихренности для Санкт-Петербурга на уровне с давлением 10 мб для января 2009— февраля 2010 г. (данные получены с сайта http:// www.ecmwf.int).
Данные табл. 2 свидетельствуют, что с 27.01.2010 по 15.02.2010 г. измерения ОС HCl проходили в полярном вихре (выделено жирным шрифтом).
Таблица 2. С
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.