ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 314-322
УДК 551.521
ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРНОГО
АЭРОЗОЛЯ НА СРЕДНЕМ УРАЛЕ
© 2013 г. В. А. Поддубный*, А. П. Лужецкая*, Ю. И. Маркелов*, С. А. Береснев**,
С. Ю. Горда**, С. М. Сакерин***
*Институт промышленной экологии УрО РАН 620990 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 20 E-mail: basil@ecko.uran.ru **Уральский федеральный университет 620083 Екатеринбург, пр. Ленина, 51 ***Институт оптики атмосферы СО РАН 634021 Томск, пл. ак. Зуева, 1 Поступила в редакцию 10.11.2011 г., после доработки 20.03.2012 г.
Представлены результаты исследований аэрозольной оптической толщины (АОТ) атмосферы на Среднем Урале в области спектра 0.34—1.02 мкм за 2004—2010 гг. Анализируется межгодовой, внут-ригодовой, сезонный и дневной ход АОТ. Рассчитаны основные статистические характеристики АОТ, параметры функции плотности вероятности распределений на разных длинах волн, параметры формулы Ангстрема для разных сезонов. Выполнено ранжирование станций мониторинга российского сегмента сети AERONET по величине АОТ. Обнаружен сдвиг весеннего максимума АОТ с марта на май по сравнению с результатами актинометрических наблюдений за период 1960—1986 гг. Дана количественная оценка влияния лесных и торфяных пожаров в регионе на величину АОТ. Предложена классификация состояний аэрозольного замутнения атмосферы по значениям АОТ.
Ключевые слова: атмосфера, аэрозольная оптическая толщина, аэрозоль, мониторинг, AERONET.
DOI: 10.7868/S0002351513030103
1. ВВЕДЕНИЕ
В июне 2004 г при содействии Годдардского центра космических полетов (GSFC/NASA, США) и Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН на Среднем Урале впервые начаты регулярные спектральные измерения оптических характеристик аэрозоля в рамках программы глобального аэрозольного мониторинга атмосферы AERONET (http://aeronet.gsfc.nasa.gov) [1, 2]. Исследования оптических характеристик аэрозоля атмосферы проводятся совместно специалистами Института промышленной экологии УрО РАН и Уральского федерального университета (УрФУ). В измерениях используется солнечный фотометр Cimel CE-318, установленный на территории Коуровской астрономической обсерватории. В информационной системе AERONET эта станция мониторинга обозначается как "Екатеринбург".
Некоторые характеристики аэрозольной оптической толщины атмосферы (АОТ), восстановленной по данным актинометрических наблюдений в районе г. Екатеринбурга, были представлены в [3]. В настоящей работе выполнено сравнение внутригодовой изменчивости АОТ на Среднем
Урале за период 2004—2010 гг. с данными, полученными по актинометрическим наблюдениям за 1960-1986 гг. [3].
Обобщены результаты измерений АОТ атмосферы на Среднем Урале в области спектра 0.34— 1.02 мкм за период 2004-2010 гг. (ранее на территории Среднего Урала спектральные фотометрические измерения не проводились). Определены межгодовая, внутригодовая изменчивость АОТ атмосферы, особенности дневного хода. Выполнена количественная оценка влияния интенсивных лесных пожаров на замутненность атмосферы региона. Полученные данные имеют большое значение для оценки оптических параметров атмосферного аэрозоля, поскольку характеризуют очень большой регион Евразии (ближайшие станции мониторинга сети ЛЕЯОМЕТ расположены: на западе — Москва; на востоке — Томск; на юге — Душанбе; на севере — нет).
2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБЪЕМ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
Коуровская астрономическая обсерватория УрФУ (57.036° N 59.546° Е), находится в лесном
6000
5000
S 4000
s 3000 о
4 о
5
^ 2000
1000
(а)
| | Уровень данных 1.0 I I Уровень данных 1.5 Уровень данных 2.0
I
CL
450
400 350
=s
s 300 н
е р
е
3 250
§ 200
s
f
ее 150
н
д
е
Ср100
50
(б)
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Год
5 6 7 8 9 10 11 12 Месяцы
Рис. 1. Обеспеченность измерениями: общее число измерений разных уровней по годам (а); среднее за месяц число измерений второго уровня (б).
0
0
массиве вблизи д. Слобода Свердловской обл. примерно в 65 км северо-западнее г. Екатеринбурга. Фотометр Cimel СЕ-318 установлен на крыше солнечного павильона обсерватории на высоте ~5 м от уровня почвы (~295 м над уровнем моря). Вблизи пункта мониторинга протекает река Чусовая, что приводит к частым туманам летом и осенью. Район в целом можно охарактеризовать как "фоновый" с умеренно-континентальным климатом [4—6].
На рис. 1 приведено распределение числа результатов измерений АОТ разных уровней по годам и динамика среднего по месяцам числа измерений за весь период мониторинга на Среднем Урале. В соответствии с классификацией AERO-NET данные уровня 1.0 содержат результаты всех единичных измерений; данные уровня 1.5 содержат результаты отфильтрованных от облачности измерений; данные уровня 2.0 — конечные отка-либрованные результаты измерений. За период с 27.05.2004 г. по 01.11.2010 г. выполнено 22151 измерений уровня 1.0; 13901 измерений уровня 1.5; 12637 измерений уровня 2.0 (т.е. примерно 57% от уровня 1.0). В зимний период из-за малой продолжительности солнечного сияния количество фотометрической информации крайне мало. Так как число измерений в ноябре и январе в среднем меньше 20, то достоверность статистических данных, приводимых ниже, для этого периода невысока.
3. ИЗМЕНЧИВОСТЬ АОТ АТМОСФЕРЫ НА СРЕДНЕМ УРАЛЕ
Статистические характеристики значений АОТ.
На рис. 2 представлен характерный вид гистограмм распределений результатов измерений АОТ, выполненных в период с 2004 по 2010 г., для двух длин волн. Все представленные далее данные относятся к уровню 2.0. Как видно из рисунка, частота реализации произвольного значения АОТ с хорошей точностью описывается логнормальным распределением. При этом чем больше длина волны, тем меньше ширина распределения.
В табл. 1 для всех длин волн, на которых проводились измерения, приведены параметры плотности вероятности логнормального распределения АОТ вида:
dn d т
1
2 т ln a g
-exp
(ln т- ln т g ) 2ln2 <
2
(1)
где п — частота реализации значения АОТ, равного т (для упрощения записи зависимость от длины волны не указана); т^ — медианное значение АОТ;
— геометрическое стандартное отклонение.
Следует отметить, что хотя гистограммы хорошо аппроксимируются логнормальной функцией, но тест Колмогорова—Смирнова показывает отсутствие статистически значимых различий только для рядов усредненных за день АОТ (соот-
Рис. 2. Гистограммы и функции плотности вероятности распределений т^ для двух длин волн 0.34 и 0.5 мкм.
ветствующие параметры в табл. 1 выделены полужирным шрифтом).
Основные статистические характеристики результатов всех измерений АОТ на Среднем Урале представлены в сводной табл. 2. Для сравнения в табл. 3 представлены результаты расчетов основных статистических характеристик единичных АОТ на длине волны 0.5 мкм в районах расположения станций ЛЕЯОМЕТ на территории России (http://aeronet.gsfc.nasa.gov).
Для анализа использовались результаты измерений только тех станций мониторинга, для которых имеются ряды наблюдений с 2004 по 2010 гг. Эти данные позволяют оценить характеристики аэрозоля в пяти разных географических зонах — регион центральной европейской части России, Средний Урал, Западная, Восточная Сибирь, Якутия и Дальний Восток. По значениям медиан АОТ станции российского сегмента сети ЛЕЯОМЕТ ранжируются следующим образом (от большего к
меньшему): Москва, Уссурийск, Екатеринбург, Томск, Иркутск, Якутск.
Спектральный ход усредненных за весь период наблюдения и за сезоны года результатов единичных измерений АОТ показан на рис. 3. Из рисунка видно, что общий вид спектральной зависимости АОТ тх для Екатеринбурга согласуется с данными в Западной Сибири (г. Томск) [7], хотя по абсолютной величине уровень АОТ на Среднем Урале несколько выше для всех длин волн.
На этом же рисунке приведены данные для разных сезонов года, из которых следует, что зима и осень на Среднем Урале характеризуются наибольшей прозрачностью атмосферы. Однако, как отмечалось выше, обеспеченность измерениями в эти периоды года наименьшая, поэтому полученные значения АОТ следует использовать с осторожностью.
Для сравнения на рис. 3 показана кривая спектрального хода АОТ для случаев повышенного за-мутнения атмосферы, вызванного лесными и
Таблица 1. Параметры функции плотности вероятности логнормального распределения единичных и среднедневных значений АОТ
Параметр Длина волны, мкм
0.34 0.38 0.44 0.50 0.675 0.87 1.02
Единичные 1п -1.3859 -1.5296 -1.7151 -1.8956 -2.3923 -2.6905 -2.9297
1п 0.7430 0.7153 0.7189 0.7252 0.7662 0.7334 0.7635
Средние за день 1п -1.392 -1.5234 -1.7013 -1.8774 -2.3621 -2.6614 -2.8689
1п 0.6575 0.6619 0.6626 0.6674 0.7081 0.6854 0.6875
Таблица 2. Статистические характеристики результатов единичных измерений АОТ за период с 2004 по 2010 гг. для разных длин волн
Длина волны, мкм
0.34 0.38 0.44 0.50 0.675 0.87 1.02
Минимум 0.026 0.027 0.026 0.021 0.007 0.006 0.0005
1 квартиль, (т*) 0.153 0.133 0.111 0.093 0.055 0.041 0.033
Среднее 0.325 0.288 0.242 0.203 0.127 0.092 0.073
Медиана 0.243 0.211 0.175 0.145 0.090 0.066 0.052
3 квартиль, (т**) 0.384 0.334 0.275 0.229 0.142 0.103 0.082
Максимум 4.337 4.087 3.646 3.157 2.009 1.285 0.946
Стандартное отклонение 0.304 0.286 0.251 0.218 0.142 0.096 0.073
Таблица 3. Статистические характеристики АОТ на длине волны 0.5 мкм за период с 2004 по 2010 гг. для разных станций мониторинга
Параметр Москва Екатеринбург Томск Иркутск Якутск Уссурийск
Минимум 0.024 0.021 0.017 0.017 0.019 0.035
1 квартиль, (т*5) 0.110 0.093 0.095 0.082 0.069 0.107
Среднее 0.219 0.203 0.175 0.139 0.142 0.227
Медиана 0.171 0.145 0.138 0.115 0.108 0.158
3 квартиль, (т**) 0.271 0.229 0.204 0.166 0.162 0.263
Максимум 4.623 3.157 2.051 1.377 2.262 1.965
Стандартное отклонение 0.188 0.218 0.154 0.102 0.148 0.202
торфяными пожарами, которые идентифицировались с помощью методики, разработанной в [8].
Распространенной формой описания спектрального хода АОТ в диапазоне длин волн от ~0.4 мкм до ~1 мкм является формула Ангстрема т(^) = Р^-а, где а — параметр (показатель) селективности Ан
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.