УДК: 551.510.42
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В РАЗЛИЧНЫХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ НАЗЕМНОЙ ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРИИ
© 2015 г. Я. А. Виролайнен*, Ю. М. Тимофеев*, А. В. Поберовский*,
М. Еременко**, Г. Дюфор**
*Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 1 E-mail: yana.virolainen@spbu.ru **Межвузовская лаборатория атмосферных систем (Университет Париж-Дидро, Университет Париж-Восток-Кретей, Французский Национальный Центр Научных Исследований), 94010 Франция Кретей, авеню Генерала де Голля, 61 Поступила в редакцию 18.12.2013 г., после доработки 28.05.2014 г.
Впервые в России с помощью наземных измерений прямого солнечного инфракрасного излучения получена информация о содержании озона в различных слоях атмосферы. Измерения проводились Фурье-спектрометром Bruker IFS-125HR в Петергофе, расположенном в 30 км к западу от центра Санкт-Петербурга, в 2009—2012 гг. Погрешность определения тропосферного (0—12 км) озона рассматриваемым методом составила ~4%, стратосферного озона в тропосфере в слое 12—50 км--3%,
в слоях 10—20 и 20—50 км — 3—5%, в слоях 12—18, 18—25 и 25—50 км — 4—7% (при учете приборных и методических ошибок, а также ошибок задания температурного профиля). Сезонный ход содержания озона в тропосфере и в слое 12—18 км отличается ярко выраженным максимумом в марте и минимумом в ноябре, с амплитудой в 30 и 40% соответственно. Для слоя 18—25 км максимум приходится на зимне-весенний период, минимум — на конец лета, амплитуда сезонного хода ~20%. Амплитуда изменений годового хода содержания озона в слое 25—50 км составляет около 30%, с максимумом вблизи летнего солнцестояния и минимумом вблизи зимнего. За три года наблюдений прирост содержания озона в этом слое составил ~10% в год от его среднего значения за период. Сопоставления результатов наземных и спутниковых измерений (прибором IASI) тропосферного озона показали, что рассогласование обоих ансамблей составляет (3.4 ± 17)%. Коэффициент корреляции между двумя ансамблями в зависимости от сезона составляет 0.76—0.84. Сравнения данных наземных и спутниковых измерений (прибором MLS) стратосферного озона продемонстрировали отсутствие систематических рассогласований двух ансамблей. Среднеквадратичные рассогласования составляют 13, 6 и 5% для слоев 10—20, 20—50 и 10—50 км соответственно, коэффициенты корреляций между двумя типами измерений — 0.82—0.94.
Ключевые слова: озон, вертикальная структура, сезонный ход, Фурье-спектрометрия.
Б01: 10.7868/80002351515020121
1. ВВЕДЕНИЕ
Озон является основным поглотителем ультрафиолетового (УФ) солнечного излучения, определяя в значительной степени УФ-освещен-ность земной поверхности, важным парниковым газом, а также газом, влияющим на фотохимию тропосферы. При определенных концентрациях озон является серьезным загрязнителем в тропосфере и существенно влияет на экологическую обстановку и здоровье людей. Долговременные вариации содержания озона, обусловленные антропогенными факторами, стимулировали в последние десятилетия проведение постоянного мониторинга его содержания с помощью различных наземных и спутниковых методов измерений.
Среди этих методов в последние годы активно используется наземный метод, основанный на интерпретации измерений спектров прямого солнечного инфракрасного (ИК) излучения с высоким спектральным разрешением. Физической основой измерений вертикальной структуры озона являются существенные отличия в высотном поведении коэффициентов поглощения в центрах и крыльях лоренцевских (или фойгтовских) спектральных линиях озона [1, 2]. Если в центрах линий с ростом высоты (падением давления) коэффициенты поглощения растут, то в крыльях наблюдается противоположный эффект. Эта особенность позволяет получать определенную информацию о содержании озона на разных высотах в атмосфере.
Первые исследования этого метода были осуществлены в работах [1, 2]. Позднее, различные методические аспекты наземного ИК-метода были подробно проанализированы в многочисленных работах [3—10]. В этих работах были исследованы аппаратурные аспекты дистанционного метода измерений, его информативность при различных используемых спектральных "окнах", изучено число определяемых независимых параметров вертикальной структуры, усредняющие особенности дистанционного метода, погрешности определения содержания озона при различном вертикальном разрешении, приведены примеры сопоставлений с независимыми, в том числе спутниковыми и озонозондовыми, измерениями, изучены долговременные тренды его содержания в различных слоях атмосферы, проведены сопоставления с результатами численного моделирования и т.д. В настоящее время, рассматриваемый метод регулярно используется на ряде станций международной сети NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change).
В представленной работе приведены первые в России результаты измерений содержания озона в различных слоях атмосферы (до 4 слоев) с помощью спектроскопических измерений прямого солнечного ИК-излучения высокого спектрального разрешения Фурье-спектрометром (ФС) Bruker IFS-125HR высокого спектрального разрешения (~0.005 см-1) вблизи Санкт-Петербурга в 2009-2012 гг. Соответствующий наземный спектральный комплекс описан в работе [11]. Примеры определения общего содержания различных газов с помощью этого комплекса приведены, например, в работах [12-14]. В предлагаемой работе проанализировано влияние различных источников ошибок на погрешность определения содержания озона, изучены сезонные вариации содержания озона в различных слоях атмосферы, проведено сопоставление результатов наземных и спутниковых (приборами IASI (15) и MLS (16)) измерений содержания озона в различных слоях атмосферы.
2. НАЗЕМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА
ФС Bruker IFS-125HR, функционирующий на измерительной станции в Петергофе (59.88° N, 29.82° E), осуществляет регулярные наземные измерения спектров прямого солнечного ИК-излуче-ния с апреля 2009 г. Для интерпретации ИК-измере-ний в настоящей работе использовался программный комплекс PROFFIT [17], разработанный в Технологическом институте университета Карлсруэ (Германия) и использующийся на ряде станций международной измерительной сети NDACC. Для расчетов вертикальных профилей озона для каждого дня спектрометрических измерений задавались профили давления и температуры NCEP (National Centerfor Environmental Prediction), ос-
нованные на спутниковых и радиозондовых измерениях [18]. Априорная информация о профилях содержания озона и других газов (начальные приближения), влияющих на перенос излучения в рассматриваемых спектральных интервалах (использовались 5 "микроокон" в интервале 991— 1014 см-1, см. подробнее [19]), задавалась по данным численной модели WAcCM (The Whole Atmosphere Community Climate Model) [20]. Для решения обратной задачи использовался алгоритм, основанный на методе регуляризации Тихонова— Филлипса [21, 22]. Влагосодержание в атмосфере уточнялось предварительно из тех же спектральных данных в полосе поглощения водяного пара, что позволило уменьшить погрешность за счет неопределенности задания профилей водяного пара. Кроме того, выбранные для определения содержания озона микроокна наиболее чувствительны именно к изменениям содержания озона в атмосфере, т.е. вклад водяного пара в излучение в этих микроокнах минимизирован.
При интерпретации спектрометрических измерений первоначально восстанавливался вертикальный профиль содержания озона, который потом интегрировался для получения содержания газа в различных слоях атмосферы. В течение дня число измерений составляло от 1 до 18 спектров (типичные значения 5—6 спектров). Для получения отдельного спектра накапливались ин-терферограммы (до 10 штук) за период в 12 минут, которые затем осреднялись и преобразовывались в спектр [11]. В данной работе анализируются результаты измерения среднедневных значений содержания озона в слоях атмосферы, т.е. полученные индивидуальные измерения из каждого отдельного спектра осреднялись за день. Измерения солнечного излучения выполнялись с разностью хода 180 см-1, для обращения использовались спектры, полученные с функцией аподизации NortonBeer medium, спектральное разрешение при этом ухудшалось до 0.008 см-1. За все время измерений для определения содержания озона в атмосфере были отобраны 1190 спектров за 189 дней измерения.
Подробный анализ результатов по определению общего содержания озона (ОСО) из спектрометрических измерений ФС Bruker в Санкт-Петербурге представлен в работах [19, 24]. В работе [24] проведено сопоставление данных по ОСО, полученных для того же, что и в этой работе, ансамбля измерений, с результатами независимых измерений фильтровым озонометром М-124 и спектрофотометром Добсона (станция ГГО в п. Воейково), а также спектрометром OMI (Ozone Monitoring Instrument).
Переходя к анализу возможностей определения вертикальной структуры содержания озона, отметим, что наземные измерения спектров солнечного излучения ФС Bruker позволяют определять до четырех независимых параметров для ос-
Таблица 1. Вклад различных источников ошибок в погрешность измерения содержания озона в двух слоях атмосферы (0—12 км и 12—50 км)
Источник ошибки Величина ошибки Тропосфера Стратосфера
^случ ^сист ^случ ^сист
Сдвиг нулевой линии спектра 0.5% 0.6% 0.6% 0.2% 0.2%
Температурный профиль 1 К (<11км) 2 К (11-35 км) 5 К (>35 км) 0.2% 0.1% 2.2% 1.0%
Интенсивность линий 2% - 3.8% - 1.9%
Полуширина линий 5%
Шум измерений Из невязки 0.7% - 0.1% -
Суммарная погрешность 4.0% 3.0%
Примечание. (<гсист и стсЛуЧ — величины систематической и случайной погрешности).
новного изотопа озона (число степеней свободы составляет от 3.5 до 4.5, в зависимости от дня и условий измерений) (см., например, [3, 5, 8]). Таким образом, за весь период измерений (2009— 2012 гг.) нами было сосчитано содержание озона в двух, трех и четырех слоях атмосферы, а также проведены оценки точности определения озона, в зависимости от количества рассматриваемых слоев. При расчете погрешностей определения содержания озона нами были учтены следующие источники ош
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.