ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 4, с. 477-488
УДК 551.510.534
ВАЛИДАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ СОДЕРЖАНИЯ NO2 В ВЕРТИКАЛЬНОМ СТОЛБЕ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА OMI С БОРТА СПУТНИКА EOS-Aura ПО ДАННЫМ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ЗВЕНИГОРОДСКОЙ НАУЧНОЙ СТАНЦИИ
© 2009 г. А. Н. Груздев, А. С. Елохов
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: a.n.gruzdev@mail.ru Поступила в редакцию 05.06.2008 г., после доработки 07.10.2008 г.
Проведено сопоставление данных о содержании NO2 в вертикальном столбе атмосферы, полученных с помощью прибора OMI (Ozone Monitoring Instrument) с борта американского спутника EOS-Aura в период с октября 2004 г. по октябрь 2007 г. с результатами наземных измерений на Звенигородской научной станции (55.7° N, 36.8° E). Сравнение выполнено для "незагрязненной" части общего содержания NO2 в столбе атмосферы, представляющей главным образом стратосферу, и для значений содержания NO2 в вертикальном столбе тропосферы, включающем нижний слой, подверженный загрязнению. Коэффициент корреляции между результатами наземных и спутниковых измерений "незагрязненной" части общего содержания NO2 составляет ~0.9. При этом значения содержания по результатам измерений с помощью прибора OMI в среднем на (0.30 ± 0.03) х 1015 см-2, или на (11 ± 1)%, меньше, чем по результатам наземных измерений, при среднеквадратичном расхождении между спутниковыми и наземными данными 0.6 х 1015 см-2. Содержание NO2 в вертикальном столбе тропосферы по результатам спутниковых
измерений в среднем на (1.4 ± 0.5) х 1015 см-2, или примерно на 35%, меньше, чем по результатам наземных измерений, а среднеквадратичное расхождение составляет около 200%. Коэффициент корреляции между этими данными ~0.4. Причины значительного расхождения, по-видимому, заключаются в сильной пространственной (горизонтальной) неоднородности и временной изменчивости поля NO2 во время эпизодов загрязнения, что приводит к различным (и зачастую некоррелированным) оценкам содержания NO2 в нижней тропосфере из-за разного пространственного разрешения при измерениях с поверхности Земли и со спутника.
ВВЕДЕНИЕ
Двуокись азота (NO2), наряду с другими окислами азота, играет важную роль в химии атмосферного озона. Дистанционные измерения содержания NO2 в атмосфере выполняются спектрометрическими методами с поверхности Земли и со спутников и позволяют определять содержание NO2 в вертикальном столбе атмосферы - общее содержание (ОС) NO2. Количество наземных станций, где проводятся такие измерения, невелико. Поэтому, информация о глобальном распределении ОС NO2, получаемая с помощью спутников, очень важна. Приборы и методики измерений содержания NO2 на наземных станциях, входящих в международную Сеть по обнаружению изменений состава атмосферы (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change - NDACC; прежнее название: Network for the Detection of Stratospheric Change - NDSC), проверены в международных сравнениях, и измерения на этих станциях могут быть использованы для валидации данных измерений содержания NO2 со спутников.
15 июля 2004 г. Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) запущен спутник EOS-Aura, научными задачами которого являются исследования озонного слоя, качества воздуха и климата Земли. На спутнике установлены несколько приборов и среди них - прибор OMI (Ozone Monitoring Instrument), разработанный специалистами из Нидерландов и Финляндии и предназначенный для исследования газового и аэрозольного состава атмосферы. Прибор OMI позволяет определять ОС NO2 в вертикальном столбе атмосферы, а специальная методика анализа и обработки результатов измерений позволяет также оценивать значения содержания NO2 в загрязненном пограничном слое атмосферы и в вертикальном столбе тропосферы [1].
Цель настоящей работы состоит в валидации результатов измерений содержания NO2 с помощью прибора OMI по результатам измерений содержания NO2 на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы РАН, полученным при пролетах спутника над станцией в период измерений с
1.6
1.2
л я s и s и
<D H
о
<N
о
£ D
s
и
*
а
<D
и о О
0.8
0.4
1.6
1.2
0.8
0.4 30
- 22 марта
- 22 июня
(a)
03
6 9 12 15 Время, ч
22 марта
22 июня " - ^
22 сентября 22 декабря
18 21 24
(б)
60 90 120
Зенитный угол Солнца, град
150
Рис. 1. Суточный ход содержания NO2 в столбе стратосферы по расчетам с помощью фотохимической модели для условий 22 марта, 22 июня, 22 сентября и 22 декабря в зависимости от времени (а) и зенитного угла Солнца (б) в относительных единицах. Точки на графиках (а) соответствуют зенитному углу Солнца 84°. Объяснение параметра 5 на рис. (а) см. в тексте.
50
40
м30 а,
т
о
i20
10
ш
0<L
ЬОч
|-#Н I—см
0.5
1.0
1.5
AY-
2.0 30
15
Содержание в слое, 10 см
40
Рис. 2. Вертикальные профили NO2 (кружки) и их среднеквадратичные отклонения (горизонтальные отрезки), соответствующие зенитному углу Солнца 84°, по результатам измерений на Звенигородской станции при чистом (вечером 18 июня - cветлые кружки) и сильно загрязненном (утром 23 июня 2007 г. - черные кружки) приземном слое атмосферы. Горизонтальная ось немного смещена вниз относительно нулевой отметки на вертикальной оси. Горизонтальная ось имеет разрыв.
0
октября 2004 г. по октябрь 2007 г. Использована выборка данных измерений OMI над Звенигородом набора 2 (Collection 2), подготовленная Международной научной группой OMI (OMI International Science Team) и представленная Центром валидации данных Aura ( Aura Validation Data Center) для открытого доступа по адресу http://avdc.gsfc.nasa.gov (данные получены в январе 2008 г.).
2. ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ NO2 С ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И СО СПУТНИКА
Опишем основные особенности данных об NO2, получаемых по спутниковым и наземным измерениям, которые необходимо учитывать при валидации.
Измерения с помощью прибора OMI. Прибор OMI представляет собой спектрометр с двумерной ПЗС-матрицей в качестве датчика (imaging spectrometer; ПЗС - прибор с зарядовой связью), измеряющий рассеянную атмосферой Земли солнечную радиацию в ультрафиолетовой и видимой частях спектра со спектральным разрешением ~0.5 нм и пространственным (горизонтальным) разрешением 13 х 24 км2 в надире [1, 2]. Для определения содержания NO2 используется спектральный диапазон
415-465 нм. В качестве опорных спектров используются спектры солнечного излучения.
Непосредственно из измерений определяется содержание в наклонном столбе атмосферы. Содержание NO2 в вертикальном столбе атмосферы получается делением наклонного содержания на величину воздушной массы NO2, которая зависит от ряда параметров, включающих геометрию наблюдений, альбедо поверхности, форму вертикального профиля NO2 характеристики облачности (высота, плотность, степень покрытия небосвода). Важно, что форма профиля и соответственно значение воздушной массы Ш2 существенно меняются в условиях загрязнения нижней тропосферы, при этом величина воздушной массы сильно зависит от облачности [1]. Наличие облачности влияет и на величину воздушной массы в отсутствие нижнетропосферного загрязнения [1, 3], однако ее зависимость от доли облачности, согласно [1], не выявляется на фоне естественной изменчивости (см. рис. 2, 6 в [1]) по причине малой концентрации NO2 в фоновых условиях в тропосфере.
Первичные оценки Уш общего содержания NO2 получаются делением наклонных содержаний на значения воздушных масс NO2, рассчитанные для профиля NO2 в отсутствие загрязнения нижней тро-
посферы. Форма профиля получается с помощью стратосферной фотохимической модели. Результирующее горизонтальное поле NO2 используется для выывления загрязненных районов в предположении, что пространственный масштаб изменений тропосферного содержания NO2 значительно меньше масштаба, на котором изменяется стратосферное содержание NO2 [1, 2]. В полученном горизонтальном распределении первичных оценок ОС NO2 выделяются области, для которых, согласно трехмерной тропосферной фотохимической модели, характерны высокие значения тропосферного содержания NO2. По остальной области выполняется сглаживание (осреднение) поля NO2 внутри широтного пояса 10° в околозональном направлении с учетом конфигурации стратосферных планетарных волн, и полученное сглаженное поле УЬё значений содержания NO2 считается фоновым. Те места, где первичное значение ОС NO2 превышает фоновое значение на величину, большую среднеквадратичного отклонения, полагаются загрязненными, и ОС NO2 для них пересчитывается с использованием воздушных масс, рассчитанных с учетом предполагаемого тропосферного профиля NO2.
Таким образом, определяются следующие величины: фоновое значение УЬё ОС NO2 (считается, что оно составляет "незагрязненную" часть ОС NO2 в загрязненных районах), собственно ОС NO2 (оно совпадает с фоновым значением в незагрязненных районах) и значение Уро1 содержания NO2 в загрязненном слое как разность между ОС NO2 и фоновым значением. Кроме того, оценивается содержание NO2 У1Гор в вертикальном столбе тропосферы, которое складывается из содержания в загрязненном слое и содержания в вышележащем слое тропосферы в предположении незагрязненного профиля (форма которого предписана по результатам моделирования).
В расчетах содержания NO2 по результатам измерений c прибором OMI, как и по результатам наземных измерений, используются данные о сечении поглощения NO2 для температуры 220 К [4]. Однако температурная зависимость сечений поглощения NO2 учитывается в данных OMI путем введения поправки в величину воздушной массы [5]. Эта поправка учитывает только сезонные вариации температуры, но не межсуточную изменчивость.
Отметим, что получаемое из измерений OMI значение УЬ§, или "незагрязненная" часть ОС NO2, вообще говоря, не равняется аналогичной по смыслу величине непосредственно в окрестности Звенигородской станции, и это может служить одной из причин расхождения результатов наземных и спутниковых измерений этой переменной. Другой причиной может служить возможное влияние облачности на значение УЬ§, ввиду не
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.