ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 4, с. 467-476
УДК 551.510.41
РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОДЕРЖАНИЯ ДВУОКИСИ АЗОТА В ТРОПОСФЕРЕ
© 2009 г. Д. В. Ионов, Ю. М. Тимофеев
Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока
Санкт-Петербургского государственного университета 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1
E-mail: ionov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 27.05.2008 г., после доработки 23.09.2008 г.
Представлено краткое описание действующей спутниковой аппаратуры для оперативного глобального мониторинга содержания NO2 в атмосфере - ERS-2 GOME, Envisat SCIAMACHY, Aura OMI, MetOp GOME-2. Показано, что точность измерений общего содержания NO2, составляющая ~10% для фоновых условий содержания NO2 в тропосфере, существенно снижается в районах с антропогенным загрязнением. Приведены примеры практического использования данных многолетних спутниковых измерений для регионального мониторинга содержания NO2 в тропосфере: картирование тропосферного NO2 на территории Российской Федерации, выделение недельного и годового циклов в вариациях тропосферного NO2 для городских мегаполисов с оценкой долговременного линейного тренда в 19952007 гг. (Санкт-Петербург, Москва и Париж).
1. ВВЕДЕНИЕ
Двуокись азота (NO2) - одна из ключевых газовых компонент в атмосферной химии. В стратосфере NO2 участвует в цикле реакций по разрушению атмосферного озона, тогда как в тропосфере фотолиз NO2 является одним из источников образования O3. Важно отметить, что повышенное содержание NO2 в приземном слое представляет прямую угрозу человеку и окружающей среде, вызывая образование фотохимического смога и кислотных дождей. При этом до 60% выбросов NO2 в тропосферу обусловлено сжиганием топлива автомобилями и промышленными установками [1]. Антропогенный вклад в содержание NO2 во всей толще атмосферы настолько велик, что зачастую превышает естественный уровень и становится заметен в данных наблюдений спутниковых систем глобального мониторинга. Это обстоятельство позволяет, в свою очередь, использовать результаты спутниковых измерений содержания NO2 в качестве индикатора антропогенного загрязнения.
Информация о глобальном распределении NO2 поступает в настоящее время со спутниковых систем надирных измерений, установленных на околополярных солнечно-синхронных орбитах. В частности, с 1995 года на борту европейского спутника ERS-2 функционирует прибор GOME (Global Ozone Monitoring Experiment [2]), осуществляющий глобальный мониторинг общих содержаний (ОС) озона и NO2 по измерениям спектров отраженного и рассеянного солнечного излучения в УФ и видимой областях спектра. Позднее, в 2002 г. был запущен
аналогичный по принципу измерений ОС NO2 аппарат SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorbtion spectroMeter for Atmospheric ChartographY) [3], установленный на европейском спутнике ENVISAT. Затем в 2004 г. состоялся запуск американского спутника AURA, на борту которого в числе прочих установлен прибор OMI (Ozone Monitoring Experiment [4]), измеряющий также и ОС NO2. Наконец, в октябре 2006 г. состоялся запуск европейского спутника EPS-MetOp, на котором функционирует аналог аппаратуры GOME - GOME-2 [5]. Основные характеристики действующих надирных спутниковых измерительных систем представлены в табл. 1. Следует отметить существенное улучшение пространственного разрешения и периодичности измерений в последовательности вводимых в эксплуатацию спутниковых приборов. В последние десятилетия были проведены также многочисленные спутниковые эксперименты по определению вертикальных профилей содержания NO2 в стратосфере с помощью затменных методов измерений -аппаратура SAGE-I, -II, -III, POAM-II, -III, HALOE и др. (см., например, [6-8]). Обладая высоким вертикальным пространственным разрешением в стратосфере, эти приборы не могли, тем не менее, обеспечить требуемого горизонтального и временшго разрешений.
В настоящее время, основные "очаги" антропогенного загрязнения атмосферы окислами азота сосредоточены, по данным надирных спутниковых наблюдений, в промышленных и густонаселенных районах США, Китая, Западной Европы и Южной Африки. При этом накопленный ряд непрерывных
467
3*
Таблица 1. Основные характеристики действующей спутниковой аппаратуры, осуществляющей глобальный мониторинг содержания N02 в атмосфере
Характеристики Название аппаратуры
GOME SCIAMACHY OMI GOME-2
Носитель ERS-2 ENVISAT EOS Aura MetOp
Агентство ESA ESA NASA EUMETSAT
Год запуска 1995 2002 2004 2006
Горизонтальное разрешение, км2 40 х 320 30 х 60 13 х 24 40 х 80
Спектральный диапазон*, нм 425-450 425-450 405-465 425-445
Спектральное разрешение, нм ~0.3 ~0.2 ~0.5 ~0.3
Период глобального картирования, сут ~3 ~6 ~1 ~1.5
Местное время измерений, чч:мм ~10:30 ~10:00 ~14:00 ~9:30
Примечание. * - спектральный диапазон измерений, используемый для определения содержания N02
спутниковых наблюдений за ОС NO2 (начиная с 1995 г.) позволяет уже оценивать его долговремен-ньЫ е изменения. Так, в работе [9] отмечены существенные сокращения антропогенных выбросов NO2 для индустриальных районов Западной Европы и США (10—20%), выявленные на основе данных измерений GOME и SCIAMACHY в период с 1996 по 2004 гг. Эти сокращения могут быть связаны с широким внедрением каталитических преобразователей в двигателях современных автомобилей и повышением качества используемого топлива. Вместе с тем исследования выявили также заметный рост содержания NO2 в период спутниковых наблюдений -до 50% - в тропосфере индустриальных районов Китая, обусловленный стремительным экономическим развитием этого региона (общее число автомобилей в Китае с 1995 по 2002 гг. удвоилось).
Сегодня данные спутникового мониторинга NO2 широко применяются для решения различных научных и прикладных задач в Западной Европе, США, Японии и, прежде всего,- в задаче регионального мониторинга качества приземного воздуха. Цель настоящей работы - охарактеризовать точность современных спутниковых данных об ОС NO2 и апробировать использование результатов спутниковых измерений для исследования региональных пространственно-временнъж вариаций содержания двуокиси азота в тропосфере на территории Российской Федерации.
2. ТОЧНОСТЬ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ NO2
Как всякие дистанционные измерения, определение газового состава атмосферы по данным радиационных наблюдений из космоса представляет собой сложную обратную задачу. Точность ее решения и соответственно точность определения
содержания искомых газовых компонент обусловлена совокупностью разнообразных факторов: погрешностями измерений регистрирующего прибора, его абсолютной и спектральной калибровками, погрешностями телеметрии, адекватностью используемой модели переноса солнечного излучения, особенностями алгоритма интерпретации, точностью исходной спектроскопической и априорной информации. Практическое применение данных спутниковых измерений требует тщательного анализа их соответствия предъявляемым требованиям точности, пространственного и временного разрешения на основе интенсивных согласованных исследований по валидации спутниковых данных.
Валидация спутниковых данных об ОС N02 сопряжена с рядом трудностей. Во-первых, количество станций наземных измерений ОС N02 сравнительно невелико. Существующая наземная сеть измерений включает в себя приборы, регистрирующие спектры прямого (Фурье-интерферометры) и рассеянного (дифференциальная спектроскопия) солнечного излучения в ИК и видимой областях спектра [10, 11]. Во-вторых, большинство этих измерений осуществляется сумеречным методом и, следовательно, при сопоставлении их со спутниковыми данными приходится сталкиваться со значительным пространственно-временным рассогласованием спутниковых и наземных измерений. Кроме того, содержание N02 в атмосфере испытывает значительные вариации в течение суток, обусловленные изменением освещенности при переходе ото дня к ночи (с различными фотохимическими процессами), особенно при восходе и заходе Солнца. Наконец, еще одним важным фактором, затрудняющим сопоставление данных спутниковых и наземных измерений ОС N0^ являются часто наблюдаемые антропогенные загрязнения, приводящие к повышенному содержанию N02 в тропосфере. Нередко обычно незначительное тропосфер-
Таблица 2. Оценки расхождений между данными спутниковых и наземных измерений ОС NO2, полученные по результатам сопоставлений на станциях Иссык-Куль, OHP (Observatoire de Haute-Provence, Франция) и Санкт-Петербург
Спутниковая аппаратура
Станция GOME SCIAMACHY OMI GOME-2
GDP4 IUPBV2.1 OMNO2 IUPBV2.1
Иссык-Куль +0.44 ± 0.49 +0.20 ± 0.32 -0.08 ± 0.39 -0.11 ± 0.37
+ 14 ± 15% +7 ± 12% -3 ± 14% -3 ± 11%
0.86 0.84 0.82 0.71
OHP +0.49 ± 0.82 +0.42 ± 0.61 -0.33 ± 0.62 +0.26 ± 0.53
+7 ± 27% +15 ± 22% -11 ± 17% +8 ± 15%
0.45 0.65 0.62 0.62
Санкт-Петербург +0.17 ± 0.93 +0.08 ± 0.73 -0.29 ± 0.85 -0.16 ± 0.64
+ 14 ± 46% +7 ± 36% -10 ± 34% -2 ± 37%
0.68 0.80 0.76 0.83
Примечание. Приведены значения среднего (±стандартное отклонение) для разницы "спутник - наземный прибор" в абсолютных (1015 мол/см2) и относительных единицах (%), а также коэффициент корреляции, для данных спутниковой аппаратуры GOME (1995-2007 гг.), SCIAMACHY (2002-2007 гг.), OMI (2004-2007 гг.) и GOME-2 (2007 г.)
ное содержание NO2 превышает в таких ситуациях ОС во всем столбе вышележащей атмосферы. Поскольку сумеречные наземные и дневные спутниковые измерения имеют разную чувствительность к содержанию NO2 в тропосфере и разное пространственное разрешение (а пространственно-временные вариации тропосферного NO2 значительно выше, чем в стратосфере), подобные загрязнения могут вносить дополнительное рассогласование в результаты сравнений.
Для учета указанных особенностей сопоставлений используются различные методики коррекции временных вариаций NO2, выбор условий и станций подспутниковых измерений. В частности, в работах, посвященных валидации данных спутниковых измерений ОС NO2 на основе сравнений с результатами наземных сумеречных измерений на станции Иссык-Куль (Киргизия) [12, 13], для приведения к единому времени
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.