Determination of total ozone column from spectral measurements of IKFS-2 during 2015–2022.

Texto integral

1. Введение

Озон является одним из важнейших газов в составе земной атмосферы. Несмотря на его невысокие концентрации в атмосфере, озон в стратосфере жизненно важен для биосферы, т. к. он защищает растительный и животный мир (в том числе, человека) от губительного ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца [WMO, 2022]. Вместе с тем озон, находящийся в приземном слое атмосферы, входит в список 5 важнейших загрязняющих веществ атмосферы, влияющих на здоровье населения. Кроме того, на верхней границе тропосферы озон вносит существенный вклад в парниковый эффект: от 7 до 22% [WHO, 2021].

Атмосферный озон привлек внимание человечества в связи с обнаружением в 1980-х гг. значительного уменьшения его стратосферного содержания, вплоть до возникновения «озоновых дыр», вызванного антропогенными факторами [WMO, 2022], что привело к развитию различных систем наблюдения за изменениями атмосферного озона. Хотя содержание в атмосфере разрушающих озон газов после принятия ряда международных соглашений по их ограничению и запрету уменьшается, они по-прежнему присутствуют в атмосфере, причем, в последние годы, наблюдаются вариации скорости их уменьшения, вызванные как естественными, так и антропогенными причинами [WMO, 2022]. Ожидаемое восстановление толщины озонового слоя к значениям до 1980 г. постепенно отодвигается к концу XXI в., при этом в связи с ростом эмиссий парниковых газов, перспективы изменения общего содержания озона (ОСО) в глобальном масштабе до сих пор не ясны [WMO 2022, 2023]. Таким образом, мониторинг озона остается актуальной задачей, особенно в полярных областях, где, с одной стороны, наблюдается существенно различная в разные годы изменчивость сезонного уменьшения содержания озона, а с другой стороны, в период полярной ночи и при низком Солнце затруднено использование наиболее широко применяемых методов наблюдения за озоном, основанных на измерениях солнечного излучения.

Для мониторинга атмосферного содержания озона используются различные методы, как контактные, так и дистанционные. Контактные методы отличаются более высокой точностью и наилучшим временным разрешением (напр., [Андреев и др., 2023]), в то время как методы дистанционные и, особенно, спутниковые, обеспечивают глобальный пространственный охват и непрерывность измерений. Примеры спутниковых озонометрических инструментов — приборы Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) на борту спутника Sentinel5P [Veefkind et al., 2012], Ozone Monitoring Instrument (OMI) на спутнике Aura [McPeters et al., 2008, 2015]). Дистанционные методы помимо спутников также широко применяются на наземных наблюдательных станциях. Распространенные наземные дистанционные методы используют излучение Солнца в УФ, видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах спектра. Методы измерения прошедшего через атмосферу прямого и рассеянного солнечного излучения приборами Добсона и Брюера, российским озонометром М-124, ИК Фурье-спектрометрами широко используются для валидации спутниковых методов, как при запуске новых приборов, так и на всем протяжении их работы, в частности для определения дрейфа во временных рядах данных.

Спутниковые методы мониторинга озона можно разделить на три основных типа: 1) основанные на отраженном и рассеянном солнечном излучении (примеры – OMI, TROPOMI); 2) лимбовые методы: прозрачности, использующие излучение Солнца — Atmospheric Chemistry Experiment — Fourier Transform Spectrometer (ACE-FTS) [Bernath et al., 2017] или других естественных источников излучения (например, звезды: Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) [Bertaux et al., 1991]), а также собственного излучения атмосферы в микроволновой Microwave Limb Sounder (MLS) [Lee et al., 2005]) или ИК — Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) [Glatthor et al., 2006] областях спектра; и, наконец, 3) надирные методы, использующие тепловое ИК излучение атмосферы и поверхности Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) [Boynard et al., 2016], Инфракрасный Фурье-cпектрометр (ИКФС-2) [Polyakov et al., 2023] и др.

При лимбовых измерениях информация о газовом составе атмосферы может быть получена за исключением нижних слоев (не выше 5–7 км), т. е. эти методы не позволяют получить информацию об общем содержании газов в вертикальном столбе. Кроме того, лимбовые измерения не позволяют получить данные с удовлетворительными горизонтальным разрешением и локализацией измерений. При этом получить информацию об ОСО с широким охватом в полярных областях в период полярной ночи и в близкое к нему время позволяют только методы, основанные на измерении уходящего теплового излучения атмосферы и поверхности, например, основанные на спектральных измерениях российского прибора ИКФС-2.

Ранее анализ измерений ОСО ИКФС-2 совместно с анализом данных реанализа ERA5 по температуре и потенциальной завихренности позволил подробно исследовать эволюцию полярного стратосферного вихря и озоновых мини-дыр в Северном полушарии в марте и апреле 2020 г. [Polyakov et al., 2021]. Измерения ОСО за 2015–2020 гг. [Polyakov et al., 2023] были использованы для анализа полей распределения озона в Арктике и Антарктике в зимне-весенний период разных лет.

В настоящей работе мы рассматриваем применение методики определения ОСО из спектров уходящего теплового ИК излучения, ранее использованной для обработки спектральных измерений прибором ИКФС-2 за период 2015–2020 гг., к периоду 2021–2022 гг. В итоге мы применяем усовершенствованную методику определения ОСО к измерениям ИКФС-2 в течение 8 лет, 2015–2022 гг.

2. Методика и данные

2.1. Методика решения обратной задачи и ее исходные данные

Фурье-спектрометр ИКФС-2 предназначен для установки на российские метеорологические спутники серии «Метеор-М». Прибор выполняет измерения уходящего теплового излучения системы Земля-атмосфера в спектральной области 660–2000 см^–1 со спектральным разрешением 0.7 см^–1 в используемой нами области спектра 660–1210 см^–1. Погрешность спектральных измерений (Noise-Equivalent Spectral Radiance, NESR) оценивается в процессе измерений и не превосходит значений в диапазоне (0.15–0.45) мВт/(м² ∙ ср ∙ см^–1) [Головин и др., 2013]. Измеренные спектры представлены на сайте НИЦ «Планета» (http://planet.rssi.ru/calval/public-ikfs?setlang=ru_RU). В период до декабря 2020 г. измерения выполнялись с шириной полосы сканирования (ШПС) 1000 км. Начиная с декабря 2020 г., ШПС была увеличена до 1500 км, что позволило полностью сканировать территорию Российской Федерации без пропусков за каждый день наблюдений. В настоящей работе рассматриваются спектральные данные, полученные за период с 2015 по конец 2022 гг.

Методика определения ОСО из спектров уходящего ИК излучения ранее представлена в работах [Гаркуша и др., 2017, Polyakov et al., 2021, 2023]. В ее основе лежит алгоритм решения обратной задачи для получения ОСО из спектров, измеренных Фурье-спектрометром ИКФС-2 на российском спутнике «Метеор-М» №2. Алгоритм основан на использовании метода искусственных нейронных сетей (ИНС), метода главных компонент (ГК) и данных измерений ОСО спутниковым прибором OMI. Погрешность определения ОСО составляет менее 3%; методика позволяет анализировать глобальное распределение ОСО, в том числе, и в период полярных ночей.

В алгоритме решения обратной задачи используется простейший вид ИНС – трехслойный перцептрон (см., например, [Уоссермен, 1992]), входными параметрами которого (предикторами) являются зенитный угол спутника при наблюдении из измеряемого пикселя, доля года (отношение номера дня года к продолжительности года), широта и ГК спектра ИКФС-2. Подробности алгоритма решения обратной задачи приведены в работах [Polyakov et al., 2021, 2023]. На основании оценок работы [Гаркуша и др., 2017] используются 25 ГК участка спектра 660–1210 см^–1, содержащего информацию о вертикальном распределении температуры, влажности и свойствах поверхности, а также 50 ГК участка спектра, содержащего только полосу поглощения озона, а именно, 980–1080 см^–1. Похожий подход ранее использовался и другими исследователями, например, в работах [Turquety, et al., 2004, Clerbaux et al., 2009] для прибора IASI. Основным отличием нашей работы является использование максимально широкого ансамбля данных для обучения. Для этого был создан набор пар спектральных измерений ИКФС-2 и данных об ОСО уровня 2, т.е. единичных измерений, полученных прибором OMI ([McPeters, et al., 2008, 2015]). Прибор выполняет измерения с борта спутника Aura с пространственным разрешением 13×24 км, сканируя поперек направления движения спутника полосу шириной 2500 км [McPeters, et al., 2008, 2015, Kuttippurath, et al., 2018]. Прибор OMI измеряет рассеянное солнечное излучение в диапазоне длин волн 270–500 нм со спектральным разрешением около 0.5 нм, при этом измеряется величина ОСО с погрешностью 1–2% [McPeters, et al., 2008, 2015]. Важно также, что измерения OMI обеспечивают глобальный охват поверхности Земли. Использование для обучения ИНС подробно валидированных данных позволило снять вопрос о калибровке получаемых по данным ИКФС-2 результатов. Данные прибора OMI, версия данных 3 получены из [OMI DATA]. Мы используем как оригинальную методику обработки спектральных данных ИКФС-2, разработанную для периода 2015–2020 гг., так и ее модификацию для лучшего соответствия периоду измерений после 2020 г.

2.2. Данные для валидации результатов применения алгоритма

Для валидации измерений ОСО ИКФС-2 были собраны независимые данные об ОСО из различных источников, включающих как наземные данные озонометрической сети, представленные на сайте WOUDC [WMO/GAW, 2024], так и спутниковые данные (прибор TROPOMI). Кроме того, впервые данные ОСО ИКФС-2 сопоставлены с величинами ОСО, полученными по результатам озонозондирования.

Данные озонометрической сети представлены единичными измерениями приборами Добсона и Брюера. Спектрометр Добсона был разработан в 1924 году британским физиком и метеорологом Гордоном Добсоном. Спектрофотометр Добсона может использоваться для измерения как ОСО, так и профилей озона в атмосфере. Спектрометр сравнивает интенсивность солнечного излучения на двух различных длин волн, 305 и 325 нм, (в полосе поглощения озона и вне ее) и определяет их отношение, на основе которого вычисляется ОСО. Инструменты регулярно взаимно калибруются, что обеспечивает согласованность получаемых данных [Андреев и др., 2023]. Спектрофотометр Брюера компании Kipp&Zonеn, основанный на сходных физических принципах, является в настоящее время единственным эталонным автоматизированным прибором, рекомендованным Всемирной метеорологической организацией (ВМО) для измерения общего содержания озона. Мы используем только измерения по прямому солнечному излучению, поскольку они являются наиболее точными. Согласно [Kerr, 2002], точность таких единичных измерений составляет 1–2%.

Данные озонозондирования получены с помощью специализированных датчиков, устанавливаемых как дополнительный блок на обычные метеорологические радиозонды и основанных на электрохимическом принципе. Эти данные обладают рядом существенных недостатков — в частности, озонозонды крайне редко поднимаются выше высот с уровнем давления 6 гПа, что затрудняет расчет ОСО, а абсолютная погрешность измерений достигает 10% при вертикальном разрешении 100–150 м [GAW, 2014]. Но, в отличие от измерений, основанных на солнечном излучении, данные озонозондирования поступают в течение всего года, включая период полярной ночи. Измерения выполняются с различной периодичностью на разных станциях, но в большинстве случаев еженедельно, по средам. Формат данных, поставляемых станциями озонозондирования, включает оценку ОСО, полученную путем интегрирования синтетического вертикального профиля, собранного из измерений озонозонда и дополненного сверху среднеклиматическими данными. Отмечается, что такие профили определяются с точностью до множителя, не превышающего 0.1 по абсолютной величине. При наличии синхронных оптических измерений ОСО приборами Добсона или Брюера они калибруются по последним [WMO, 2021]. Хотя такая калибровка не может быть выполнена в период полярной ночи, данные озонозондирования являются единственным источником информации об ОСО, основанным на физических принципах, отличных от используемых в нашем подходе, что принципиально важно при валидации.

Прибор TROPOMI начал измерения ОСО с борта спутника Sentinel 5 Precursor (S5P) [Veefkind, et al., 2012] с мая 2018 г., с пространственным разрешением 3.5×7км [Garane et al., 2019], позднее, 3.5×5.5 км [TROPOMI DATA]. В работе [Garane et al., 2019] были сопоставлены ОСО по данным TROPOMI с наземными измерениями приборами Брюера, Добсона и приборами, использующими методику DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy), при этом средние разности (СР) колебались от 0 до 1.5%, а стандартные отклонения разностей (СОР) от 2.5 до 4.5%. Для сравнения с данными ОСО ИКФС-2 мы использовали результаты измерений TROPOMI уровня 2 [TROPOMI DATA], отфильтрованные по флагу качества (более 0.9). Использовались данные вида RPRO (reprocessed, окончательно переработанная версия данных) (до 26 августа 2022) и OFFL (offline, первая версия данных, полученная после получения спектральных измерений) после указанной даты, т.е. результаты наиболее качественной обработки данных, доступные на момент получения данных из интернета 05 марта 2024. В связи с особенностями орбит спутников «Метеор-М» № 2 и Sentinel 5P, мы использовали данные с временным рассогласованием до 6 ч. Меньшие рассогласования ограничивают доступность данных в тропических и средних широтах. Чтобы исключить ненадежные околонулевые и абсурдно большие значения ОСО, мы рассматривали для сравнения данные TROPOMI в диапазоне 100–650 е. Д. (единиц Добсона).

3. Результаты применения методики к периоду 2021–2022 гг.

На первом этапе нашего исследования мы применили методику, разработанную на основе данных 2015–2020 гг. для обработки спектров 2021–2022 гг. без каких-либо изменений. Полученные величины ОСО мы сопоставили с данными прибора TROPOMI и данными наземной озонометрической сети WOUDC [WMO/GAW, 2024]. В табл. 1 мы привели средние и среднеквадратичные разности данных ИКФС-2 и данных, полученных из независимых источников, показав также результаты аналогичных сопоставлений для периодов 2015–2020 и 2015–2022 гг. Здесь и везде далее мы использовали следующие критерии согласованности пар данных: измерения ИКФС-2 и наземных приборов в пределах 1 часа по времени и в пределах 70 км по расстоянию от центра пикселя зондирования до наземного прибора; измерения ИКФС-2 и TROPOMI в пределах 6 часов по времени и в пределах 35 км по расстоянию центров пикселей друг от друга. Выбор параметров допустимого рассогласования и список из 21 станций, предоставивших данные отдельных измерений ОСО, с которыми и выполнялось сопоставление, обоснованы в работах [Polyakov et al., 2021, 2023]. Список и положение станций представлены в первых нескольких столбцах табл. 2. Как видно из табл. 2, озонометрические станции, результаты которых мы используем, расположены преимущественно в средних широтах Северного полушария на территории Европы и США. Тем не менее, две станции находятся севернее Северного полярного круга, четыре в тропическом поясе, две из них – в Южном полушарии. Последние три столбца табл. 2 будут проанализированы ниже.

 

Таблица 1. Результаты сравнения ОСО по данным ИКФС-2 с данными спутниковых (TROPOMI) и наземных (приборы Добсона, Брюера) измерений. Средние разности (СР) и стандартное отклонение разности измерений (СОР).

1	2	3	4		5
№	Период обучения ИНС (ширина полосы сканирования)	Период сравнения (ширина полосы сканирования)	Спутниковые измерения		Наземные измерения
			СР, %	СОР, %	СР, %	СОР, %
1	2015–2020 (1000)	2015–2020 (1000)	‒2.14	2.71	‒0.47	2.73
2		2015–2022 (1500)	‒2.04	3.00	‒0.22	2.83
3		2021–2022 (1500)	‒1.91	3.29	0.14	2.94
4		2021–2022 (1000)	‒2.61	2.88	0.89	2.52
5		2021–2022(1000–1500)	‒0.57	3.60	‒0.02	3.0
6	2015–2022 (1500)	2015–2022 (1500)	‒2.22	2.73	‒0.41	2.67
7		2021–2022 (1500)	‒2.36	2.82	‒0.80	2.35
8		2021–2022 (1000)	‒2.52	2.77	0.21	2.28
9		2021–2022(1000–1500)	‒2.05	2.88	‒1.02	2.30
10		2015–2020 (1000)	‒2.09	2.64	‒0.40	2.71

 

Таблица 2. Различия между данными IKFS-2 и наземными ОСО (WOUDC) относительно наземных измерений; пространственное и временное несоответствие составляет 70 км и 1 ч; столбец «I» обозначает тип приборов (Б-Брюер, Д-Добсон). ИНС обучена на данных за 8 лет, статистика за 8 лет.

№	I	Название станции	Широта, градусы	Долгота, градусы	Высота, м	Число сравнений	СР, %	СОР, %
1	Б	Eureka	80.05	‒86.42	9	162224	‒0.4	2.5
2	Б	Resolute	74.70	‒94.97	68	73496	‒0.8	2.3
3	Б	Churchill	58.75	‒94.07	26	15630	‒1.5	2.5
4	Б	Obninsk	55.10	36.610	100	972	‒0.1	3.0
5	Б	Edmonton	53.55	‒114.11	752	20089	0.7	3.0
6	Б	Goose Bay	53.31	‒60.36	26	17773	‒0.2	2.2
7	Б	Lindenberg	52.21	14.12	127	12778	‒1.5	2.8
8	Б	De Bilt	52.10	5.18	24	13801	‒2.7	2.1
9	Д	Kyiv-Goloseyev	50.36	30.50	206	3780	‒0.2	2.0
10	Б	Saturna Island	48.77	‒123.13	202	17458	‒0.1	2.2
11	Б	Aosta	45.74	7.36	570	1736	0.6	1.7
12	Б	Egbert	44.23	‒79.78	264	12256	‒1.4	2.0
13	Д	Lannemezan	44.13	0.37	590	118	2.0	1.8
14	Б	Toronto	43.78	‒79.47	202	56548	‒1.0	2.2
15	Б	Kislovodsk	43.73	42.66	2070	3768	1.6	2.4
16	Б	Thessaloniki	40.63	22.96	60	8121	‒1.2	2.2
17	Д	Univ. of Tehran	35.73	51.38	1419	852	1.0	2.1
18	Б	Mauna Loa (HI)	19.54	‒155.58	3397	32487	2.2	3.5
19	Б	Paramaribo	5.81	‒55.21	16	11571	‒0.4	2.1
20	Д	Natal	‒5.84	‒35.21	49	32	0.9	1.2
21	Д	Cachoeira-Paulista	‒22.69	‒46.20	574	24	‒3.1	1.8
		Все станции				469158	‒0.4	2.7

 

Вернемся к табл. 1. Строка 1 табл. 1 фактически представляет собой повторение результатов, представленных в работе [Polyakov et al., 2023], но с использованием для сравнений обновленных и дополненных независимых данных. Отметим, что приведенные в строке 1 табл. 1 величины незначительно отличаются от результатов работы [Polyakov et al., 2023], в которой были получены величины СОР 2.9% для единичных наземных и 2.75% для спутниковых измерений. Изменения в наземных данных обусловлены их пополнением: данные от измерительных станций поступают на сайт WOUDC постепенно в течение нескольких лет после измерений. Обновление данных TROPOMI происходит за счет различия окончательной RPRO и предварительной OFFL версий обработки спектральных измерений прибора, данные версии RPRO.

Из строки 2 табл. 1 можно видеть, что при добавлении измерений за последние два года СР незначительно уменьшились, а СОР увеличились для обоих типов сравнений. Причинами увеличения могут быть как а) расширение полосы сканирования, так и б) неадекватность статистики изменчивости озона за 6 лет ей же за период 2021–2022 гг. Из строк 3–5 видно, что сравнение всех данных за последние два года измерений приводит к росту СОР для наземных измерений до 2.94%, а для спутниковых до 3.29% (строка 3), в то время как сравнение за тот же период только с данными внутри полосы шириной 1000 км за эти два года (строка 4) даже уменьшает СОР для наземных измерений и незначительно увеличивает для спутниковых. Выделение измерений с ШПС между 1000 и 1500 км (строка 5) показывает существенный рост СОР: 3.0% для наземных данных и до 3.6% для спутниковых. Из этого можно заключить, что рост СОР вызван преимущественно расширением полосы сканирования.

Строки 6–10 табл. 1 показывают результаты сравнений, повторяющих строки 1–5, но для ИНС, обученной на всем объеме данных. Анализ этой части табл. 1 показывает, что «новая» ИНС позволяет для всего 8-летного периода измерений получить рассогласования не хуже, чем для первых 6 лет, не ухудшая результатов за первые 6 лет относительно «старой» ИНС. Отметим при этом, что величины стандартных отклонений разностей остаются достаточно взаимно близкими для разных периодов измерений и ширины полосы сканирования.

Таким образом, анализ табл. 1 позволяет заключить, что изменчивость ОСО за первые 6 лет измерений представляет ансамбль данных, достаточно широкий и адекватный и для оценки ОСО из спектральных измерений в последующие 2 года.

4. Обсуждение — Сопоставление с данными отдельных озонометричеких станций и данными озонозондирования

В последних трех колонках табл. 2 представлены результаты сравнения данных ИКФС-2 с данными наземных озонометрических станций за 8 лет. Как можно видеть, средние разности ОСО по спутниковым и наземным данным изменяются от ‒3.1 до 2.2%. Такая изменчивость может быть связана как с различной калибровкой наземной аппаратуры, так и с различным рельефом поверхности вблизи озонометрических станций. В частности, максимальная положительная разность (т. е. превышение данных ИКФС-2 над данными наземных измерений) соответствует измерениям на станции Mauna Loa (строка 18), расположенной на вершине горы на острове на высоте 3307 м. Данные этой станции сравниваются с измерениями ИКФС-2 с пространственным разрешением 35 км в надир, отобранными в круге радиусом 70 км, т. е. по большей части над поверхностью океана. Это различие достаточно для появления заметной систематической разности. Максимальная отрицательная разность ‒3.5% для станции Cachoeira-Paulista (строка 21) не является статистически достоверной, т.к. получена всего на основе 24 измерений. Вместе с тем следующая по абсолютной величине разность для станции De Bilt (строка 8) не может быть связана с топографией местности и, вероятно, объясняется калибровкой наземного прибора. Максимальное стандартное отклонение разности (последний столбец) также соответствует станции Mauna Loa (строка 18) и вызвано, по нашим предположениям, неоднородностью поверхности – частично гористая местность, частично – поверхность океана, следствием чего является различная толщина атмосферы и, соответственно, изменчивость ОСО. Все прочие значения СОР не превосходят 3%. Учитывая наличие погрешности в данных наземных измерений, можно заключить, что погрешность измерений ИКФС-2 не превосходит 3% для измерений вблизи всех рассмотренных озонометрических станций.

Как отмечено выше, в период полярной ночи как измерения спутниковыми приборами TROPOMI, OMI и аналогичными, так и наземными приборами по солнечному излучению, невозможны. Помимо подобных ИКФС-2 ИК-зондировщиков единственным источником данных об ОСО в этот период в полярных областях являются данные озонозондирования. Проанализируем, как с этими данными соотносятся результаты расчетов ОСО по нашей методике. Мы использовали данные озонозондирования, гармонизированные рабочей группой HEGIFTOM в рамках проекта TOAR-II [база данных HEGIFTOM]. База данных этого проекта на момент нашего к ней обращения 20.02.2024 содержала данные о 57 станциях озонозондирования в разной степени подготовки (гармонизации). Фактически готовы к использованию были данные 40 станций.

Для сопоставления отбирались измерения ИКФС-2 в круге с центром с координатами станции озонозондирования и радиусом 70 км и рассогласованием измерений по времени в пределах 1 часа. Из-за особенностей траектории спутника круг радиусом около 150 км вокруг Южного полюса недоступен для измерений даже для полосы сканирования 1500 км. Поэтому для сопоставлений с данными этой станции использовались данные ИКФС-2 в круге радиусом 200 км, но даже при этом сравнения возможны только начиная с декабря 2020.

Как уже упоминалось ранее, для расчета ОСО на станциях озонозондирования использовались профили, полученные с помощью озонозондов, дополненные среднеклиматическими данными [WMO, 2021]. Поскольку максимальная достигнутая зондом высота случайна и ограничена разрывом баллона, верхняя граница измеренного профиля (ВГП) изменяется в широком диапазоне уровней атмосферного давления, от единиц до нескольких сотен гПа. Очевидно, точность расчета ОСО улучшается с достижением максимальной ВГП (минимального давления). Поэтому мы использовали только те измерения, в которых ВГП была выше уровня с давлением 10 гПа. Данные станций поставляются в различных форматах. 10 станций из рассмотренных нами использует формат, в котором представлено интегральное содержание озона в вертикальном столбе только до ВГП. Остальные станции предоставляют ОСО, рассчитанное на основе данных озонозонда, дополненных сверху среднеклиматическими данными. Мы использовали для сравнения оба типа данных, поскольку, несмотря на большую абсолютную величину СР, величины СОР для данных первого типа показывают удовлетворительное согласие с величинами ОСО по измерениям ИКФС-2. Поскольку количество данных таких станций невелико, их вклад в рост суммарной величины СР также оказался незначительным.

СОР данных ИКФС-2 и величин ОСО по данным озонозондирования составили для разных станций от 5.3 до 11% (17–33 е. Д.), осредненные по всем станциям величины СР и СОР составили 1.2 и 7.9%, что согласуется с неопределенностью полученного интегрального содержания озона в вертикальном столбе по данным озонозондирования.

Для качественного сопоставления в форме графического представления мы выбрали станции, которые предоставляют данные об ОСО и для которых как количество измерений за 2015–2022 гг., так и количество пар измерений озонозонд-ИКФС-2 превышают 100. Чтобы детальнее представить изменчивость озона, мы показываем не подобранные в пары значения результатов измерений, а осредненные в течение суток в круге с центром местоположения станции величины ОСО для ИКФС-2. Радиус этого круга для станции South Pole составляет 500 км, а для прочих станций — 70 км. Такая большая величина круга для станции South Pole выбрана, чтобы была возможность проанализировать измерения с ШПС 1000 км, которые из-за специфики орбиты спутника не могут быть получены ближе 400 км к Южному полюсу. Достаточно высокая однородность поверхности и атмосферы в этой области позволили использовать для сравнений фактически среднюю величину в кольце шириной 100 км с внутренним радиусом 400 км. Для данных озонозондирования показаны единичные измерения.

Такие качественные сопоставления были выполнены для станций, для которых а) были предоставлены данные об ОСО б) имелись измерения в достаточном количестве в период работы ИКФС-2 2015–2022 гг. Таких станций озонозондирования в базе данных HEGIFTOM нашлось 13, расположены они во всех широтных поясах. Сопоставления показали хорошее согласие результатов двух типов измерений, как по величине разброса значений, так и по самим величинам ОСО.

Для примера на рис. 1–3 показаны величины ОСО по данным радиозондирования и ИКФС-2 в районе обоих полюсов и вблизи тропической зоны. Как говорилось выше, только часть озонозондов поднимается до уровня 10 гПа, что определяется, по-видимому, в первую очередь качеством баллона. Очевидно, что чем выше поднялся озонозонд, тем точнее на основе данных его измерений может быть рассчитано ОСО. Поэтому мы выделили данные, полученные при подъеме зонда выше уровня 10 гПа.

 

Рис. 1. ОСО по данным озонозондирования станции South Pole (Южный полюс) и среднесуточные ОСО ИКФС-2 в круге радиусом 500 км. Цветом выделены периоды полярной ночи. 1 — все озонозонды, 2 – озонозонды, достигшие уровня 10 гПа, 3 – ИКФС-2, среднесуточное в круге радиусом 500 км.

 

Рис. 2. ОСО по данным озонозондирования станции Eureka (80°с.ш.) и среднесуточные ОСО ИКФС-2 в круге радиусом 70 км. Цветом выделены периоды полярной ночи. 1-все озонозонды, 2 – озонозонды, достигшие уровня 10 гПа, 3 – ИКФС-2, среднесуточное в круге радиусом 70 км.

 

Рис. 3. ОСО по данным озонозондирования станции Tenerife (28°с.ш.) и среднесуточные ОСО ИКФС-2 в круге радиусом 70 км. 1 — все озонозонды, 2 — озонозонды, достигшие уровня 10 гПа, 3 — ИКФС-2, среднесуточное в круге радиусом 70 км.

 

Рис. 1 показывает, что в области Южного полюса между данными ИКФС-2 и данными озонозондирования наблюдается хорошее качественное согласие: в период декабрь-июль наблюдаются высокие значения ОСО, которые также сопровождаются относительно большой (и взаимно близкой) величиной изменчивости данных как ИКФС-2, так и зондов. При этом случайные различия между ними велики, что обусловлено большой изменчивостью величин ОСО. Вместе с тем в период уменьшения ОСО с июля по ноябрь его изменчивость хотя и увеличивается, но носит систематический характер (спад и затем рост), и данные ИКФС-2 и зондов хорошо взаимно согласованы. Отметим особенность – менее значительное, чем в другие годы, уменьшение ОСО весной 2019 г., зарегистрированное обоими типами измерений. Таким образом, ОСО ИКФС-2 в области Южного полюса хорошо качественно согласуется с данными озонозондов.

Рис. 2 показывает аналогичные сопоставления для наблюдательной станции Eureka, расположенной на 80° с.ш. Здесь, видимо, по каким-то техническим причинам, в период полярной ночи резко уменьшается количество зондов, достигших уровня 10 гПа. Вместе с тем в тот же период наблюдается рост случайной изменчивости ОСО по данным обоих типов измерений, но тенденция роста ОСО согласованно сохраняется в течение всей полярной ночи. Отметим, что экстремально высокие величины ОСО в марте ряда лет согласованно наблюдаются по данным обоих типов измерений. Последующее весенне-летнее уменьшение ОСО также наблюдается согласованно для обоих типов измерений. Заключаем, что в высоких широтах Северного полушария также наблюдается хорошее качественное согласие двух типов измерений.

Рис. 3, на котором показано сопоставление для станции на острове Tenerife, также демонстрирует хорошее согласие как изменчивости величины ОСО, так и ее сезонного хода.

5. Заключение

1. Использование ИНС, обученной на данных измерений в период 2015 — ноябрь 2020 с ШПС 1000 км, для получения ОСО из спектральных измерений ИКФС-2 в период декабрь 2020–2022 гг. с ШПС 1500 км показывает рост рассогласования от 2.7 до 3 и 3.3% при сопоставлениях с данными независимых наземных и спутниковых измерений, соответственно.
2. Указанный рост вызван в первую очередь расширением полосы сканирования, а не неадекватностью статистики изменчивости озона в 2015–2020 и 2021–2022 гг.
3. После переобучения ИНС рассогласование с данными независимых измерений как за последние 2 года, так и за весь период измерений ИКФС-2, не ухудшилось по сравнению с периодом 2015–дек. 2020, что дает оценку погрешности данных ИКФС-2 не превышающую 3%.
4. Сопоставление изменчивости ОСО по данным ИКФС-2 с данными озонозондирования показало хорошее качественное согласие данных, полученных из двух независимых источников, в том числе, и в период полярной ночи.
5. Количественное сравнение результатов ИКФС-2 с данными озонозондирования так же продемонстрировало их хорошее согласие: средние разности составили 1.2%, а стандартные отклонения разностей 7.9%, что соответствует погрешностям измерения ОСО по данным озонозондирования.

Благодарности:

Работа выполнена при поддержке СПбГУ, шифр проекта 116234986.

Благодарим Центр обслуживания данных и информации GES DISC за предоставление доступа к данным TROPOMI и OMI, НИЦ «Планета» за предоставление доступа к результатам спектральных измерений ИКФС-2, рабочую группу HEGIFTOM в рамках проекта TOAR-II за предоставление доступа к гармонизированным данным озонозондовых измерений.

Для определения времени полярной ночи мы воспользовались онлайн калькулятором начала и конца дня https://planetcalc.ru/300/.

Sobre autores

A. Polyakov

St Petersburg University

Autor responsável pela correspondência
Email: a.v.polyakov@spbu.ru
Rússia, 7–9 Universitetskaya Embankment, St Petersburg, 199034

E. Kriukovskikh

St Petersburg University

Email: kriukovskikh1967@mail.ru
Rússia, 7–9 Universitetskaya Embankment, St Petersburg, 199034

Ya. Virolainen

St Petersburg University

Email: yana.virolainen@spbu.ru
Rússia, 7–9 Universitetskaya Embankment, St Petersburg, 199034

G. Nerobelov

St Petersburg University; SPC RAS; Russian State Hydrometeorological University

Email: akulishe95@mail.ru

Scientific Research Centre for Ecological Safety

Rússia, 7–9 Universitetskaya Embankment, St Petersburg, 199034; Korpusnaya 18, St Petersburg, 187110; Maloohtinskii prospect 98, Saint-Petersburg, 195196

D. Kozlov

Keldysh Research Center

Email: dakozlov@kerc.msk.ru
Rússia, 8, Onezhskaya Str.,Moscow, 125438

Yu. Timofeyev

St Petersburg University

Email: y.timofeev@spbu.ru
Rússia, 7–9 Universitetskaya Embankment, St Petersburg, 199034

Bibliografia

Arquivos suplementares