Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2020, T. 56, № 4, стр. 458-461

1. ВВЕДЕНИЕ

Углекислый газ (CO₂) является важнейшим антропогенным парниковым газом, и рост его содержания в значительной степени определяет изменения климата Земли в последнее столетие [1]. Уже длительное время ведутся регулярные измерения содержаний CO₂ с помощью как наземных (локальных и дистанционных), так и спутниковых наблюдений. Спутниковые измерения CO₂ были начаты c помощью затменного метода на Шаттлах в 1983 г. с помощью GRILL спектрометра, продолжены в 1985–1994 гг. (Фурье-спектрометр ATMOS). В настоящее время измерения CO₂ осуществляются с помощью прибора ACE. Эти измерения позволили получить вертикальные профили содержания CO₂ прежде всего в стратосфере и мезосфере.

Потребности в изучении интенсивностей различных источников и стоков, а также атмосферных циклов CO₂ для прогнозов изменений климата Земли в ХХI столетии стимулировали надирные спутниковые измерения общего содержания (ОС) CO₂. Первые примеры интерпретации надирных измерений теплового ИК излучения со спутников для определения CO₂ приведены в работе [2] и относились к периоду 1987–1991 гг. Использовались спутниковые измерения 20 канального прибора HIRS для температурного зондирования и расчеты ИК спектров теплового излучения на основе радиозондовых данных. В этой работе показано, что для достижения точности определения содержания CO₂ в 1% необходимо усреднение спутниковых измерений HIRS на площади ~500 × 500 км² и ~15 дней.

В работе [3] были проанализированы возможности определения содержания CO₂ с помощью Фурье-спектроскопических измерений уходящего теплового излучения прибором IMG, осуществленных в 1996–1997 гг. Анализ показал, что требуемая точность определения среднего отношения смеси XCO₂ (1% и лучше) может быть реализована только при существенном пространственном и временном усреднении спутниковых измерений.

Позднее данные о CO₂ были получены по измерениям отраженного солнечного и теплового ИК излучения приборами относительно высокого спектрального разрешения SCIAMACHY, AIRS, TES и IASI [4–7]. В последние годы важные спутниковые эксперименты по измерениям содержания CO₂ были реализованы на спутниках GOSAT, (Greenhouse Gases Observing Satellite) и OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory-2) с помощью измерений отраженного солнечного излучения в ближней ИК области спектра и теплового излучения в средней ИК области [8, 9].

В 1977 и 1979 годах на спутниках “Метеор” были проведены измерения спектров уходящего теплового излучения фурье-спектрометром SI-1 для температурно-влажностного зондирования атмосферы [10]. Задача определения содержания CO₂ тогда не рассматривалась. С учетом созданных к настоящему времени совершенных радиационных моделей атмосферы в ИК области спектра, а также значительного прогресса в решении обратных задач атмосферной оптики, представляет значительный интерес вернуться к анализу данных измерений SI-1 с точки зрения извлечения из них информации о содержание CO₂. Это важно также в связи с тем, что в 1977–1979 гг. даже наземных измерений CO₂ было очень мало.

2. ИЗМЕРЕНИЯ АППАРАТУРЫ SI-1

Прибор SI-1 был создан в Институте электроники Академии наук ГДР и измерял уходящее тепловое излучение в спектральной области 6.25–25 мкм (400–1600 см^–1) со спектральным разрешением ~5 см^–1 [8]. Случайные погрешности измерений колебались от 0.2 до 5, в среднем составляя около 0.5 мВт/(м² ср см^–1). Данные измерений 1977 года состоят из 1082 спектров (19 дней измерений, 22 орбиты спутника) в период c 5 июля по 23 сентября, осуществленных от северного до южного полюса как над сушей, так и над океанами. Измерения 1979 года включают 1675 спектров за 40 дней (56 орбит) с 26 января по 19 июня. Они также охватывают практически все широты.

На первом этапе на основе анализа яркостных температур уходящего излучения в окне прозрачности 8–12 мкм были выделены безоблачные случаи (1015 спектров) для обоих периодов космических наблюдений. В качестве примера приведем рис. 1, где дан средний спектр безоблачной атмосферы в терминах яркостной температуры излучения. В спектре указаны полосы поглощения CO₂ (667 см^–1), озона (1070 см^–1) и метана (1300 см^–1).

Рис. 1.

Средний безоблачный спектр яркостной температуры по данным измерений SI-1.

Далее, на основе анализа измерительных погрешностей каждого спектра, были выделены качественны спектры с погрешностями менее ~0.5 мВт/(м² ср см^–1) интенсивности уходящего излучения (~0.5 К яркостной температуры). Большая часть таких измерений (всего 155) относится к измерениям 1979 года и разным периодам наблюдений, которые мы анализировали дальше (см. табл. 1).

Условно измерения можно подразделить на две группы – зимние (76 измерений) и весенние (82 измерения) для северного полушария. Пространственно почти все измерений относятся к европейскому региону.

3. ПОСТРОЕНИЕ ОБРАТНОГО ОПЕРАТОРА ЗАДАЧИ

Обратная задача по определению из измерений спектров уходящего теплового излучения содержаний CO₂ решалась с помощью методики, основанной на использование искусственных нейронных сетей (ИНС), успешно применявшейся ранее при обработке данных измерений спутникового фурье-спектрометра ИКФС-2 в температурном и влажностном зондировании атмосферы [11, 12].

Для обучения ИНС осуществлялось решение прямой задачи – расчет спектров уходящего теплового излучения на основе быстрой модели расчета радиации (БМРР) – RTTOV 12.1. Таким образом были рассчитаны спектры уходящего излучения для ~100 000 атмосферных состояний (температуры, влажности, содержания CO₂ и т.д.). Физическое состояние атмосферы бралось по данным анализа-прогноза NCEP CFSR, профили CO₂ моделировались на основе ансамбля состояний RTTOV [13] для периода 1977–1979-х годов.

Анализ погрешностей определения содержания CO₂ с помощью алгоритмов ИНС при моделировании различных погрешностей измерений излучения показал, что при погрешности в ~0.5 мВт/(м² ср см^–1) отдельные измерения SI-1 дают мало новой информации о CO₂. В связи с этим при решении обратной задачи – интерпретации спутниковых измерений SI-1 для получения общего содержания CO₂ – в качестве входной информации использовались как измеренные спектры уходящего ИК излучения на спутниках “Метеор”, так и данные о вертикальных профилях температуры и влажности из архива реанализа NCEP CFSR в дни спутниковых измерений. Погрешности определения ОС CO₂ с помощью разработанной методики решения обратной задачи для отдельных спектров составляют 1–2%, при усреднении 5–10 спектров – ~0.8%, т.е. ~2.5–2.8 ppm.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ CO₂

Несмотря на относительно малую информативность отдельных измерений SI-1 относительно содержания CO₂, мы выполнили восстановление средних для сухой атмосферы отношений смеси XCO₂ для всех измерений, указанных в табл. 1. На рис. 2 приведены восстановления XCO₂ для двух периодов наблюдений весна–начало лета и зима–начало марта.

Рис. 2.

Примеры восстановления XCO₂ из индивидуальных спектров.

Из приведенного рисунка видны следующие особенности полученных результатов:

1. Относительно большие вариации содержания CO₂ в диапазоне ~330–350 ppm. Эти вариации наглядно характеризуют как относительно большие погрешности восстановления CO₂ прибором СИ-1 для отдельных спектров (~1–2%), так и естественную изменчивость CO₂.

2. Максимальные значения содержания CO₂ наблюдаются для зимнего периода, а минимальные – для мая–июня, что соответствует типичному сезонному ходу CO₂.

3. Единственное измерение в южном полушарии показывает относительно низкое значение XCO₂ – около 330 ppm.

4. Имеющиеся данные позволили оценить средние значения и стандартные отклонения XCO₂ над Европой зимой и на границе весна–лето 1979 г.: зима – 338.2 ± 4.1 ppmv, весна–лето – 336.5 ± 3.1 ppmv. Амплитуда сезонного хода для этих месяцев и значений составляет ~1.7 ppm. Для сравнения приведем среднегодовое значение на основе наземных измерений на станции Мауна-Лоа для 1979 года – 336.84 ppm.

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые из измерений спектров уходящего теплового ИК излучения, осуществленных в 1977 и 1979 годах (прибор SI-1, спутник “Метеор”) получены оценки содержания CO₂ в земной атмосфере.

2. Для интерпретации спутниковых измерений был разработан и реализован оригинальный алгоритм решения обратной задачи по определению содержания CO₂ на основе методики ИНС. Алгоритм использует как сами экспериментальные спектры, так и данные о температуре и влажности из архива реанализа NCEP CFSR.

3. Несмотря на наличие заметного разброса отдельных значений содержания CO₂ в 1979 году (330–350 ppm), результаты четко демонстрируют сезонные зависимости содержаний для европейского региона и малое значение CO₂ для южного полушария.

4. Пространственное и временное усреднения восстановленных значений XCO₂ дают средние зимние и весенне-летние значения для европейского региона в 338.2, и 336.5 ± 3.1 ppmv соответственно, достаточно хорошо согласующиеся с данными наземных измерений на станции Мауна-Лоа с учетом временной ограниченности спутниковых измерений.

Работа выполнена при поддержке РФФИ – грант 17-05-00768.