1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 59, № 3, 2023

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2023, T. 59, № 3, стр. 322-335

Сравнения результатов численного моделирования и измерений содержания СО2 в атмосфере Санкт-Петербурга

Г. М. Неробелов a, b, *, Ю. М. Тимофеев a, С. П. Смышляев c, С. Ч. Фока a, Х. Х. Имхасин a

a Санкт-Петербургский государственный университет
199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, Россия

b СПб ФИЦ РАН – Научно-исследовательский центр экологической безопасности Российской академии наук
187110 Санкт-Петербург, ул. Корпусная, 18, Россия

c Российский государственный гидрометеорологический университет
195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98, Россия

* E-mail: akulishe95@mail.ru

Поступила в редакцию 07.12.2022
После доработки 21.12.2022
Принята к публикации 11.01.2023

Аннотация

Из-за увеличения содержания СО2 в земной атмосфере, значительный вклад в которое вносят антропогенные эмиссии мегаполисов, требуется повышать качество их оценок. Современные экспериментальные методы оценки антропогенных эмиссий углекислого газа основаны на решении обратной задачи при помощи высокоточных измерений содержания СО2 и численных моделей газового состава атмосферы. Качество подобных моделей значительно определяет погрешности оценок эмиссий. Поэтому для определения факторов, влияющих на погрешность оценки эмиссий, требуется проводить валидацию численных моделей переноса СО2. В текущей работе на примере российского мегаполиса Санкт-Петербурга за период с января 2019 по март 2020 гг. сравниваются временные изменения среднего отношения смеси СО2 в столбе атмосферы от поверхности Земли до ~70–75 км (ХСО2), полученные с помощью модели WRF-Chem и измеренные Фурье-спектрометром Bruker EM27/SUN. В ходе исследования было выяснено, что модель WRF-Chem хорошо повторяет измеренное временное изменение ХСО2 в районе Санкт-Петербурга за период более года (коэффициент корреляции ~0.95). Однако, при задании химических граничных условий на основе данных CarbonTracker v2022-1, модель заметно завышает измеренные ХСО2 почти в течение всего периода исследования – средняя разность достигает 4.2 ppm (1%) со стандартным отклонением 1.9 ppm (0.5%). Коррекция граничных условий на основе анализа влияния направлений ветра на ХСО2 позволяет почти в два раза минимизировать среднюю разность между результатами измерений и моделирования. При этом, значения ХСО2 на основе измерений и моделирования с нескорректированными граничными условиями имеют меньшие различия в вегетационный период, что, вероятно, говорит о компенсации средней разности ошибками в расчете биогенного вклада. Таким образом, причиной сохраняющейся средней разности между данными измерений и моделирования могут быть ошибки в химических граничных условиях для верхней тропосферы, а также в оценке биогенного вклада на содержание СО2.

Ключевые слова: ХСО2 в Санкт-Петербурге, антропогенные эмиссии СО2, WRF-Chem, дистанционные измерения, Bruker EM27/SUN, CarbonTracker

Список литературы

  1. Alberti Carlos, Qiansi Tu, Frank Hase, Maria V. Makarova, Konstantin Gribanov, Stefani C. Foka, Vyacheslav Zakharov, Thomas Blumenstock, Michael Buchwitz, Christopher Diekmann, Benjamin Ertl, Matthias M. Frey, Hamud Kh. Imhasin, Dmitry V. Ionov, Farahnaz Khosrawi, Sergey I. Osipov, Maximilian Reuter, Matthias Schneider, Thorsten Warneke. Investigation of spaceborne trace gas products over St Petersburg and Yekaterinburg, Russia, by using COllaborative Column Carbon Observing Network (COCCON) observations // Atmos. Meas. Tech. 2022. V. 15. P. 2199–2229. https://doi.org/10.5194/amt-15-2199-2022

  2. Barthlott S., Schneider M., Hase F., Wiegele A., Christner E., González Y., Blumenstock T., Dohe S., García O.E., Sepúlveda E., Strong K., Mendonca J., Weaver D., Palm M., Deutscher N.M., Warneke T., Notholt J., Lejeune B., Mahieu E., Jones N., Griffith D.W.T., Velazco V.A., Smale D., Robinson J., Kivi R., Heikkinen P., Raffalski U. Using XCO2 retrievals for assessing the long-term consistency of NDACC/FTIR data sets // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 1555–1573. https://doi.org/10.5194/amt-8-1555-2015

  3. Beck V., Koch T., Kretschmer R., Marshall J., Ahmadov R., Gerbig C., Pillai D., Heimann M. The WRF Greenhouse Gas Model (WRF-GHG) // Technical Report No. 25. 2011. Max Planck Institute for Biogeochemistry, Jena, Germany.

  4. Bovensmann H., Buchwitz M., Burrows J.P., Reuter M., Krings T., Gerilowski K., Schneising O., Heymann J., Tretner A., Erzinger J. A remote sensing technique for global monitoring of power plant CO2 emissions from space and related applications // Atmos. Meas. Tech. 2010. V. 3. P. 781–811.

  5. Buchwitz M., de Beek R., Burrows J.P., Bovensmann H., Warneke T., Nothol J., Meirink J.F., Goede A.P.H., Bergamaschi P., Korner S., Heimann M., Schulz A. Atmospheric methane and carbon dioxide from SCIAMACHY satellite data: initial comparison with chemistry and transport models // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5. P. 941–962. www.atmos-chem-phys.org/acp/5/941.

  6. Callewaert S., Brioude J., Langerock B., Duflot V., Fonteyn D., Müller J.-F., Metzger J.-M., Hermans C., Kumps N., Mahieu E., Mazière M. Analysis of CO2, CH4 and CO surface and column concentrations observed at Reunion Island by assessing WRF-Chem simulations // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22. P. 7763–7792. https://doi.org/10.5194/acp-22-7763-2022

  7. Chevallier F. et al. CO2 surface fluxes at grid point scale estimated from a global 21 year reanalysis of atmospheric measurements // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. D21307. https://doi.org/10.1029/2010JD013887

  8. Frey M., Hase F., Blumenstock T., Groß J., Kiel M., Mengistu Tsidu G., Schäfer K., Sha M.K., Orphal J. Calibration and instrumental line shape characterization of a set of portable FTIR spectrometers for detecting greenhouse gas emissions. Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 3047–3057. https://doi.org/10.5194/amt-8-3047-2015

  9. Frey M., Sha M.K., Hase F., Kiel M., Blumenstock T., Harig R., Surawicz G., Deutscher N.M., Shiomi K., Franklin J.E., Bösch H., Chen J., Grutter M., Ohyama H., Sun Y., Butz A., Mengistu Tsidu G., Ene D., Wunch D., Cao Z., Garcia O., Ramonet M., Vogel F., Orphal J. Building the COllaborative Carbon Column Observing Network (COCCON): long-term stability and ensemble performance of the EM27/SUN Fourier transform spectrometer // Atmos. Meas. Tech. 2019. V. 12. P. 1513–1530. https://doi.org/10.5194/amt-12-1513-2019

  10. Gisi M., Hase F., Dohe S., Blumenstock T., Simon A., Keens A. XCO2-measurements with a tabletop FTS using solar absorption spectroscopy // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5. P. 2969–2980. https://doi.org/10.5194/amt-5-2969-2012

  11. Grell G.A., Peckham S.E., Schmitz R., McKeen S.A., Frost G., Skamarock W.C., Eder B. Fully coupled 'online' chemistry in the WRF model // Atmos. Environ. 2005. V. 39. P. 6957–6976.

  12. Hase F., Frey M., Blumenstock T., Groß J., Kiel M., Kohlhepp R., Mengistu Tsidu G., Schäfer K., Sha M.K., Orphal J. Application of portable FTIR spectrometers for detecting greenhouse gas emissions of the major city Berlin // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 3059–3068. https://doi.org/10.5194/amt-8-3059-2015

  13. Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA5 global reanalysis // Q J R Meteorol Soc. 2020. V. 146. P. 1999–2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803

  14. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Biavati G., Horányi A., Muñoz Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Rozum I., Schepers D., Simmons A., Soci C., Dee D., Thépaut J-N. ERA5 hourly data on single levels from 1959 to present // Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). 2018. (Accessed on 14-APR-2021). https://doi.org/10.24381/cds.adbb2d47

  15. Houweling S., Aben I., Breon F.-M., Chevallier F., Deutscher N., Engelen R., Gerbig C., Griffith D., Hungershoefer K., Macatangay R., Marshall J., Notholt J., Peters W., Serrar S. The importance of transport model uncertainties for the estimation of CO2 sources and sinks using satellite measurements // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 9981–9992. www.atmos-chem-phys.net/10/9981/2010/https://doi.org/10.5194/acp-10-9981-2010

  16. Ionov D.V., Makarova M.V., Hase F., Foka S.C., Kostsov V.S., Alberti C., Blumenstock T., Warneke T., Virolainen Ya.A. The CO2 integral emission by the megacity of St Petersburg as quantified from ground-based FTIR measurements combined with dispersion modelling // Atmos. Chem. Physics. 2021. V. 21. № 14. P. 10939–10963. https://doi.org/10.5194/acp-21-10939-2021

  17. Jacobson A.R., Schuldt K.N., Miller J.B., Tans P., Andrews A., Mund J., Aalto T., Bakwin P., Bergamaschi P., Biraud S.C., Chen H., Colomb A., Conil S., Cristofanelli P., Davis K., Delmotte M., DiGangi J.P., Dlugokencky E., Emmenegger L., Fischer M.L., Hatakka J., Heliasz M., Hermanssen O., Holst J., Jaffe D., Karion A., Keronen P., Kominkova K., Kubistin D., Laurent O., Laurila T., Lee J., Lehner I., Leuenberger M., Lindauer M., Löfvenius M.O., Lopez M., Mammarella I., Manca G., Marek M.V., Marklund P., Martin M.Y., McKain K., Miller C.E., Mölder M., Myhre C.L., Pichon J.M., Plass-Dölmer C., Ramonet M., Scheeren B., Schumacher M., Sloop C.D., Steinbacher M., Sweeney C., Thoning K., Tørseth K., Turnbull J., Viner B., Vitkova G., Wekker S.D., Weyrauch D., Worthy D. CarbonTracker Near-Real Time, CT-NRT.v2020-1 // NOAA Earth System Research Laboratory, Global Monitoring Division. 2020. https://doi.org/10.25925/RCHH-MS75

  18. Lauvaux T., Miles N.L., Richardson S.J., Deng A., Stauffer D.R., Davis K.J., Jacobson G., Rella C., Calonder G., DeCola P.L. Urban Emissions of CO2 from Davos, Switzerland: The First Real-Time Monitoring System Using an Atmospheric Inversion Technique // J. Applied Meteorology and Climatology. 2013. V. 52(12). P. 2654–2668. https://doi.org/10.1175/JAMC-D-13-038.1

  19. Li H.D., Claremar B., Wu L.C., Hallgren C., Körnich H., Ivanell S., Sahlée E. A sensitivity study of the WRF model in offshore wind modeling over the Baltic Sea // Geosci. Front. 2021. V. 12. P. 101229. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2021.101229

  20. Makarova M.V., Alberti C., Ionov D.V., Hase F., Foka S.C., Blumenstock T., Warneke T., Virolainen Ya.A., Kostsov V.S., Frey M., Poberovskii A.V., Timofeyev Yu.M., Paramonova N.N., Volkova K.A., Zaitsev N.A., Biryukov E.Y., Osipov S.I., Makarov B.K., Polyakov A.V., Ivakhov V.M., Imhasin H.Kh., Mikhailov E.F. Emission Monitoring Mobile Experiment (EMME): an overview and first results of the St. Petersburg megacity campaign-2019 // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. P. 1047–1073. https://doi.org/10.5194/amt-14-1047-2021

  21. Maksyutov S., Oda T., Saito M., Janardanan R., Belikov D., Kaiser J.W., Zhuravlev R., Ganshin A., Valsala V.K., Andrews A., Chmura L., Dlugokencky E., Haszpra L., Langenfelds R.L., Machida T., Nakazawa T., Ramonet M., Sweeney C., Worthy D. Technical note: A high-resolution inverse modelling technique for estimating surface CO2 fluxes based on the NIES-TM–FLEXPART coupled transport model and its adjoint // Atmos. Chem. Phys. 2021. V. 21. P. 1245–1266. https://doi.org/10.5194/acp-21-1245-2021

  22. Mahadevan P., Wofsy S.C., Matross D.M., Xiao X., Dunn A.L., Lin J.C., Gerbig C., Munger J.W., Chow V.Y., Gottlieb E.W. A satellite-based biosphere parameterization for net ecosystem CO2exchange: Vegetation Photosynthesis and Respiration Model (VPRM) // Global Biogeochem. Cycles. 2008. V. 22. GB2005. https://doi.org/10.1029/2006GB002735

  23. Martin, Cory R., Ning Zeng, Anna Karion, Kimberly Mueller, Subhomoy Ghosh, Israel Lopez-Coto, Kevin Robert Gurney, Oda T., Kuldeep R. Prasad, Yuqiong Liu, Russell R. Dickerson, James R. Whetstone. Investigating sources of variability and error in simulations of carbon dioxide in an urban region // Atmospheric Environment. 2019. V. 199. P. 55–69.

  24. Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A., Connors S.L., Péan C., Berger S., Caud N., Chen Y., Goldfarb L., Gomis M.I., Huang M., Leitzell K., Lonnoy E., Matthews J.B.R., Maycock T.K., Waterfield T., Yelekçi O., Yu R., Zhou B. (eds.). IPCC, 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change // Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 2021. 2391 p. https://doi.org/10.1017/9781009157896

  25. Miller S.T.K., Keim B.D., Talbot R.W., Mao H. Sea breeze: Structure, forecasting, and impacts // Rev. Geophys. 2003. V. 41. P. 1011. https://doi.org/10.1029/2003RG000124

  26. Mues A., Lauer A., Lupascu A., Rupakheti M., Kuik F., Lawrence M.G. WRF and WRF-Chem v3.5.1 simulations of meteorology and black carbon concentrations in the Kathmandu Valley // Geosci. Model Dev. 2018. V. 11. P. 2067–2091. https://doi.org/10.5194/gmd-11-2067-2018

  27. Nerobelov G.M., Timofeyev Y.M. Estimates of CO2 Emissions and Uptake by the Water Surface near St. Petersburg Megalopolis // Atmos Ocean Opt. 2021. V. 34. P. 422–427. https://doi.org/10.1134/S1024856021050158

  28. Nerobelov G., Timofeyev Y., Smyshlyaev S., Foka S., Mammarella I., Virolainen Y. Validation of WRF-Chem Model and CAMS Performance in Estimating Near-Surface Atmospheric CO2 Mixing Ratio in the Area of Saint Petersburg (Russia) // Atmosphere. 2021. V. 12. № 3. P. 387. https://doi.org/10.3390/atmos12030387

  29. Oda T., Bun R., Kinakh V., Topylko P., Halushchak M., Marland G., Lauvaux T., Jonas M., Maksyutov S., Nahorski Z., Lesiv M., Danylo O., Horabik-Pyzel J. Errors and uncertainties in a gridded carbon dioxide emissions inventory // Mitig Adapt Strateg Glob Change. 2019. V. 24. P. 1007–1050. https://doi.org/10.1007/s11027-019-09877-2

  30. Peylin P., Law R.M., Gurney K.R., Chevallier F., Jacobson A.R., Maki T., Niwa Y., Patra P.K., Peters W., Rayner P.J., Rödenbeck C., van der Laan-Luijkx I.T., Zhang X. Global atmospheric carbon budget: results from an ensemble of atmospheric CO2 inversions // Biogeosciences. 2013. V. 10. P. 6699–6720. https://doi.org/10.5194/bg-10-6699-2013

  31. Skamarock W.C., Klemp J.B., Dudhia J., Gill D.O., Liu Z., Berner J., Wang W., Powers J.G., Duda M.G., Barker D., Huang X.-Yu. A Description of the Advanced Research WRF Model Version 4.1 (No. NCAR/TN-556+STR) // https://doi.org/10.5065/1dfh-6p97

  32. Timofeyev Y.M., Nerobelov G.M. Poberovskii A.V. Experimental Estimates of Integral Anthropogenic CO2 Emissions in the City of St. Petersburg // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2022. V. 58. P. 237245. https://doi.org/10.1134/S0001433822030100

  33. Timofeyev Y.M., Nerobelov G.M., Virolainen Y.A., Poberovskii A.V., Foka S.C. Estimates of CO2 Anthropogenic Emission from the Megacity St. Petersburg // Dokl. Earth Sc. 2020. V. 494. P. 753756. https://doi.org/10.1134/S1028334X20090184

  34. Timofeyev Yu., Virolainen Ya., Makarova M., Poberovsky A., Polyakov A., Ionov D., Osipov S., Imhasin H. Ground-based spectroscopic measurements of atmospheric gas composition near Saint Petersburg (Russia) // J. Mol. Spectr. 2016. V. 323. P. 2–14. https://doi.org/10.1016/j.jms.2015.12.007

  35. Tomohiro O., Maksyutov S. ODIAC Fossil Fuel CO2 Emissions Dataset (Version name: ODIAC2020b) // Center for Global Environmental Research, National Institute for Environmental Studies. 2015. https://doi.org/10.17595/20170411.001

  36. Vogel F.R., Frey M., Staufer J., Hase F., Broquet G., Xueref-Remy I., Chevallier F., Ciais P., Sha M.K., Chelin P., Jeseck P., Janssen C., Té Y., Groß J., Blumenstock T., Tu Q., Orphal J. XCO2 in an emission hot-spot region: the COCCON Paris campaign 2015 // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 3271–3285. https://doi.org/10.5194/acp-19-3271-2019

  37. Zhao X., Marshall J., Hachinger S., Gerbig C., Frey M., Hase F., Chen J. Analysis of total column CO2 and CH4 measurements in Berlin with WRF-GHG // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 11279–11302. https://doi.org/10.5194/acp-19-11279-2019

  38. Zheng T., Nassar R., Baxter M. Estimating power plant CO2 emission using OCO-2 XCO2 and high resolution WRF-Chem simulations // Environ. Res. Lett. 2019. V. 14. P. 085001.

  39. Комитет по экономической политике и стратегическому планированию Санкт-Петербурга https:// cedipt.gov.spb.ru/media/uploads/userfiles/2022/11/11/ СПРАВКА_ЧП_январь-сентябрь_2022.pdf, 2022.

  40. Никитенко А.А., Неробелов Г.М., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В. Анализ наземных спектроскопических измерений содержаний СО2 в Петергофе // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 6. С. 265–272.

  41. Тимофеев Ю.М., Березин И.А., Виролайнен Я.А., Макарова М.В., Поляков А.В., Поберовский А.В., Филиппов Н.Н., Фока С.Ч. Пространственно-временные вариации содержания CO2 по данным спутниковых и наземных измерений вблизи Санкт-Петербурга // Изв. РАН, ФАО. 2019. Т. 55. № 1. С. 65–72.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал