Моделирование трехмерных полей концентрации диоксида углерода в атмосфере с использованием эйлерово-лагранжевого подхода для анализа спутниковых наблюдений

• Автор: Ганьшин, Александр Викторович
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 126 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор по теме диссертации
1.1 Введение
1.2 Спутниковые измерения диоксида углерода
1.3 Методы Моделирования переноса атмосферных примесей
1.4 Выводы
Глава 2. Описание метода расчета концентрации диоксида углерода и полученные результаты
2.1 Введение
2.2 Объединенная эйлерово-лагранжевая модель переноса (ОЕГСА) и метод расчета концентрации диоксида углерода
2.3 Поверхностные потоки С02 высокого разрешения
2.3.1 Метод использования потоков высокого разрешения в модели
2.3.2 Антропогенные эмиссии диоксида углерода
2.3.3 Биосферные эмиссии диоксида углерода
2.3.4 Потоки С02 от океана
2.4 Результаты моделирования С02 и сравнение с наблюдениями при использовании информации об эмиссиях с разрешением 1°х1°
2.4.1 Результаты сравнения с наземными станциями мониторинга
2.4.2 Результаты сравнения с вертикальными профилями самолетных измерений концентрации диоксида углерода
2.4.3 Оценка вклада выбросов с территории Китая в наблюдаемую концентрацию на о. Хатерума
2.5 Моделирование концентрации диоксида углерода с потоками высокого разрешения (1x1 км)
2.5.1 Тестовые расчеты при использовании разных подходов
2.5.2 Результаты моделирования для наземных станций мониторинга
2.5.3 Сравнение модельной и наблюдаемой кратковременной изменчивости
2.6 Результаты моделирования концентрации С02 для спутника вОБАТ
2.7 Выводы
Глава 3. Обнаружение областей возникновения перистых облаков для фильтрации спутниковых измерений диоксида углерода
3.1 Введение
3.2 Траєкторная модель ТІІАСАО с блоком параметризации перистых облаков
3.3 Валидация траекторной модели с блоком параметризации перистых облаков на примере исследования процессов переноса водяного пара в области
тропической тропопаузы
3.4 Алгоритм расчета оптической толщины перистых облаков
3.5 Результаты расчётов оптической толщи перистых облаков и сравнений со спутниковыми наблюдениями
3.6 Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение А. Валидация дисперсионной и траекторной моделей
Введение
В выводах доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата [57] отмечается, что наблюдаемые температурные тренды [1] воспроизводятся климатическими моделями только при учёте растущих антропогенных выбросов парниковых газов, основным из которых является диоксид углерода (С02). Поэтому оценка выбросов С02 является важной задачей для определения его влияния на климатические изменения [5].
Для достижения этой цели необходимо решить целый комплекс задач, включающий в себя восстановление пространственно-временной структуры источников диоксида углерода, их влияние на наблюдаемую концентрацию С02 и перенос эмиссий воздушными массами. В России в рамках тематики Росгидромета под руководством ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН» проводятся измерения концентраций парниковых газов на станциях фонового мониторинга и составляются кадастры их антропогенных выбросов на основе локальных измерений потоков парниковых газов с последующим их осреднением на региональном уровне [9]. Однако в настоящее время инвентаризация выбросов парниковых газов затруднена ввиду ограниченности сети наземных измерений.
Поэтому для оценки приземных эмиссий также широко применяется другой подход, характерной чертой которого является использование данных глобальных наблюдений концентраций атмосферных компонент и математических моделей переноса для восстановления пространственно-временной структуры источников и стоков, т.е. обратного моделирования. В этом случае количественные оценки потоков интересующих нас веществ определяются путём минимизации разницы наблюдаемых и модельных концентраций [6;7].
Для реализации этого подхода необходимы четыре ключевые составляющие: сами данные наблюдений за концентрациями (наземные,
самолетные, спутниковые), модель переноса (позволяющая корректно описывать концентрацию интересующей нас примеси), метеорологические поля

получить при восстановлении концентраций примесей в местах, которые находятся с подветренной стороны от областей крайне гетерогенных эмиссий, используя информацию о выбросах с высоким разрешением. Также преимущество объединенных моделей заметно при исследовании переноса на станциях мониторинга, расположенных вдоль береговой линии, так как здесь заметно влияние как воздушных масс с океана, так и с суши [78]. Кроме того, объединенные модели позволяют решать обратную задачу в один проход, тогда как для вложенных моделей необходима двухшаговая схема [22]. Комплекс из эйлеровой и лагранжевой модели позволяют создавать менее вычислительно затратную систему ассимиляции при восстановлении потоков высокого разрешения.
1.4 Выводы
В данной главе было показано, что до настоящего времени, измерение концентраций парниковых газов проводилось только с помощью разреженных систем наземного мониторинга. Однако после запуска спутниковых приборов появилось реальная возможность получить большое количество измерений, а также осуществить глобальное равномерное покрытие, которые могут быть использованы для сравнения с модельными результатами.
В плане развития моделей переноса примесей на настоящем этапе перспективным видится использование совмещенных моделей, которые учитывают сильные и слабые стороны моделей обоих классов. Так, эйлеровым моделям присуща численная диффузия и расчеты ведутся на сетке, размеры которой ограничены, однако данные модели хорошо описывают процессы в глобальном масштабе. Для приемлемых расчетов по лагранжевым моделям требуются очень длинные траектории, которые требуют значительных вычислительных мощностей. Кроме того продолжительным траекториям не всегда можно доверять, ввиду того, что со временем нарастает ошибка положения воздушной частицы. Поэтому предлагается первоначальные расчеты проводить на грубой сетки эйлеровой модели, а затем использовать лагранжевую