Общее содержание озона над станцией Киев

Общее содержание озона над
станцией Киев-Голосеев по данным
наземных и спутниковых измерений
Асен Грицай
a.grytsai@gmail.com
САТЭП 2012
16-я международная конференция молодых ученых
СОСТАВ АТМОСФЕРЫ. АТМОСФЕРНОЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
Звенигород
28 мая – 1 июня 2012 г.
План доклада
1. Измерения общего содержания озона (ОСО)
с помощью спектрофотометра Добсона
2. Наблюдательный пункт Киев-Голосеев
3. Спутниковые измерения ОСО
4. Сезонный ход содержания озона над Киевом
5. Сравнение наземных и спутниковых данных
6. Выводы
Вычисление ОСО по измерениям на
двух длинах волн
Солнечный ультрафиолет при прохождении сквозь
земную атмосферу частично поглощается озоновым
слоем, частично рассеивается молекулами разных газов
и аэрозольными частицами. Наиболее точные наземные
измерения ОСО проводятся по прямому солнечному
излучению и базируются на законе Бугера – Бера –
Ламберта. Базовая формула:
X = {N – (β – β')mp/p0 – (δ – δ')sec Z} / [μ(α – α')],
где
X – общее содержание озона;
N = L – L0 = lg (I'/I) – lg (I0'/I0);
I0 и I0' – интенсивности солнечного излучения на меньшей
и большей длинах волн вне атмосферы Земли;
I и I' – те же интенсивности на поверхности;
Вычисление ОСО – слагаемые,
определяющие поглощение и рассеяние
X = {N – (β – β')mp/p0 – (δ – δ')sec Z} / [μ(α – α')], где
β и β' – коэффициенты молекулярного (релеевского)
рассеяния в воздухе;
m – отношение действительного и вертикального путей
излучения через атмосферу (в первом приближении: m =
sec Z, Z – зенитное расстояние Солнца);
p, p0 – атмосферное давление при измерениях и среднее
давление на уровне моря;
δ и δ' – коэффициенты аэрозольного рассеяния;
α и α' – коэффициенты поглощения озоном;
μ – отношение действительного и вертикального путей
излучения через озоновый слой (для Киева берется высота
21 км).
Аэрозольное слагаемое исключается с помощью
наблюдений на двух парах длин волн.
Типы измерений общего
содержания озона с помощью
спектрофотометра Добсона
Стандартные пары длин волн для
спектрофотометра Добсона
(Komhyr et al., 1980).
Представлены коэффициенты
поглощения озоном (α) и
молекулярного рассеяния (β)
Стандартные наблюдения
проводятся в парах длин
волн AD и CD. Наиболее
точными и теоретически
подкрепленными являются
измерения по прямому
Солнцу (Direct Sun – DS).
Также проводятся зенитные
наблюдения, имеющие
только статистическую базу.
Их типы: ZB (Zenith Blue –
по ясному небу в зените) и
ZC (Zenith Cloud – по
облачному небу в зените).
Пункт Киев-Голосеев
Географические
координаты:
50.364N, 30.497E
Высота: 206 м
Прибор:
спектрофотометр
Добсона №040, с 13
мая 2010 года
физ. факультет
Киев-Голосеев
Результаты измерений, получаемые на станции КиевГолосеев, передаются в Мировой центр данных по
озону и ультрафиолетовому излучению в Торонто
(woudc.org). Киев-Голосеев имеет №498 в базе
WOUDC.
Общая характеристика спутников
Aura и Envisat
Структура Aura
Модель аппарата Envisat
Оба спутника движутся по солнечно-синхронным орбитам.
Параметры орбиты Aura (Envisat): высота 684-688 км (785-791 км), период
обращения 98.5 мин (100.6 мин), наклонение 98.2° (98.6°).
Спутники являются многофункциональными, имея на борту,
соответственно, 4 и 10 научных приборов. Общая масса Aura: 3 тонны,
Envisat: 8 тонн.
Связь с аппаратом Envisat потеряна 8 апреля 2012 г.
Картографирование ОСО с
помощью спутников
Приборы OMI (Ozone Monitoring Instrument) / Aura и
SCIAMACHY (Scanning imaging absorption spectrometer for
atmospheric chartography) / Envisat определяют
интенсивность рассеянного в обратном направлении
солнечного излучения в ближнем ультрафиолетовом
диапазоне. Вычисленное по этим данным общее
содержание озона доступно на www.temis.nl.
OMI (слева) и SCIAMACHY (справа): дневные карты ОСО, 7 апреля 2012 г.
Сезонный ход ОСО: наблюдения по
прямому Солнцу и небу в зените
2010
2011
Сезонный ход является
обычным для умеренных
широт северного
полушария. Максимум –
февраль – март (около 400
ед. Д.). Минимум – октябрь
– ноябрь (250-300 ед. Д.).
Значения в 2011 г. были
несколько ниже
сравнительно с 2010 г. и
многолетним средним.
Общее содержание озона над
пунктом Киев-Голосеев; DS
(красный цвет), ZB и ZC (синий)
измерения
Соответствие между данными
OMI и SCIAMACHY
Время наблюдений SCIAMACHY над
станцией Киев-Голосеев: 8:10-9:17 UT
(до локального полудня), OMI: 9:4112:22 UT (вблизи и после локального
полудня).
Разность, SCIAMACHY – OMI:
4.1±16.8 ед. Д. (здесь и далее после
знака “±” указано удвоенное
стандартное отклонение) – для
измерений в пределах двух часов;
5.4±19.6 ед. Д. – для измерений,
произведенных в тот же день.
Таким образом, определен
Разность между данными OMI и
уровень дисперсии спутниковых
SCIAMACHY, полученными в
данных.
радиусе 100 км от станции КиевГолосеев на протяжении одного Заметен небольшой сезонный ход
разности.
дня, 13.05.2010-8.04.2012
Сравнение индивидуальных
наземных и спутниковых измерений
DSAD данные являются наиболее
точными среди измерений со
спектрофотометром Добсона. Дисперсия
при их сравнении со спутниковыми
относительно небольшая: OMI – DSAD: –
2.8±22.1 ед. Д.
SCIAMACHY – DSAD: –0.1±20.4 ед. Д.
Существует отчетливый сезонный ход
разности с максимальными значениями
вблизи зимнего солнцестояния.
Разности между
спутниковыми данными
и DSAD измерениями на
станции Киев-Голосеев
Требования для “хорошей” станции
(Fioletov et al., 2008): среднее в пределах
3% от спутникового, стандартное
отклонение < 4.5% (ОСО в Киеве: 320-330
ед. Д.).
Соответствие между данными OMI
и DS наблюдений
Для сравнения использована модель с
временным шагом 6 часов,
построенная на основании данных
OMI. Рассматривались значения по
состоянию на 12UT.
OMI – DS разности в парах длин волн AD и CD.
Представлен интервал 13 мая 2010 – 4 мая 2012 гг.
Максимальные значения разности достигаются
вблизи зимнего солнцестояния.
OMI – DSAD:
6.0±22.2 ед. Д.
OMI – DSCD:
6.3±22.9 ед. Д.
Значение
дисперсии
является близким
к полученному по
индивидуальным
измерениям (2σ =
22.1 ед. Д.)
Соответствие данных OMI
и ZB измерений
ZB (Zenith Blue) наблюдения проводятся
по ясному небу в зените
OMI – ZB разности в парах длин волн AD и
CD. Представлен интервал 13 мая 2010 –
4 мая 2012 гг.
OMI – ZBAD/ZBCD:
3.5±21.8 / 5.2±26.6
ед. Д. Таким
образом,
измерения в паре
длин волн AD по
ясному небу имеют
качество, близкое к
достигаемому при
наблюдениях по
прямому Солнцу.
Точность ZBCD
наблюдений
заметно хуже.
OMI и ZC данные
ZC (Zenith Cloud) измерения являются
наименее точными из числа обычно
проводимых на спектрофотометре
Добсона. Однако они необходимы для
оценки средних значений и сезонного
хода, поскольку условия для
наблюдений других типов ограничены
погодными условиями.
OMI – ZC разности в парах длин волн AD и
CD. Представлен интервал 13 мая 2010 –
4 мая 2012 гг.
OMI – ZCAD/ZCCD:
3.4±25.7 / 10.8±34.6
ед. Д. Дисперсия
ZCAD данных
близка к
полученной для
ZBCD, в случае
ZCCD она
существенно выше.
Главным
источником ошибок
следует признать
изменчивую
структуру облаков,
которую сложно
описать в рамках
единого алгоритма.
Зависимость разности от зенитного
расстояния Солнца
Разность между индивидуальными
спутниковыми и наземными измерениями в
зависимости от зенитного расстояния Солнца;
представлены DSAD и ZBAD данные
Разность между
спутниковыми и
наземными значеними
для пункта КиевГолосеев увеличивается
с возрастанием
зенитного расстояния
Солнца. Это особенно
заметно, когда Z > 6570°. Возможная причина
– недостаточная
эффективность
алгоритма,
используемого для
спектрофотометра
Добсона, при указанных
условиях.
Выводы
1. Сезонный ход для станции Киев-Голосеев является типичным
для умеренных широт северного полушария: максимум
наблюдается весной, а минимум – осенью. Разность между
спутниковыми и наземнымни измерениями тоже демонстрирует
сезонный ход, достигая наибольших значений вблизи зимнего
солнцестояния.
2. Лучшее качество демонстрируют DSAD и ZBAD наблюдения
с помощью спектрофотометра Добсона. Дисперсия их разности со
спутниковыми значениями близка к дисперсии, полученной при
сравнении данных SCIAMACHY и OMI (2σ ~ 22 ед. Д.).
3. Худшее качество имеют ZCCD данные – для них дисперсия
относительно спутниковых измерений увеличивается примерно
вдвое по сравнению с DSAD и ZBAD.
4. Существует зависимость разности общего содержания озона от
зенитного расстояния Солнца, которая становится хорошо
заметной для Z > 65–70°.
Наблюдатели: Г.П. Милиневский, А.М.
Евтушевский, В.А. Данилевский, А.В.
Грицай, В.А. Кравченко,
Н.А.
Еременко, З.И. Грицай,
Е.В.
Удодов, М.Г. Сосонкин,
Л.Ю.
Савицкая, Д.К. Гладиков,
Н.В.
Кочерган