Исследование изменчивости общих содержаний метана и окиси углерода в атмосфере по результатам наземных спектроскопических измерений

• Автор: Макарова, Мария Владимировна
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 128 с. : ил

Введение

ГЛАВА 1. Современные исследования газового состава атмосферы

1.1 Проблема современных изменений климата и газового состава 9 атмосферы

1.2 Основы химии углеродных компонент в атмосфере

1.3 Методы исследования газового состава атмосферы

1.4 Наземные методы измерений количественных характеристик

СН4 и СО в атмосфере

1.5 Атмосферный метан

1.5.1 Источники и стоки метана в атмосфере

1.5.2 Основные результаты измерений ОС и отношений

/—1т т х
смеси в аГмис<^срс
1.6 Атмосферная окись углерода
1.6.1 Источники и стоки окиси углерода в атмосфере
1.6.2 Основные результаты измерений ОС и отношений
смеси СО в атмосфере
Г ЛАВА 2. Спектроскопический метод измерения общих содержаний
метана, водяного пара и окиси углерода в атмосфере
2.1 Описание экспериментальной установки и условий проведения
эксперимента
2.2 Физико-математическая модель измерений и методика
определения ОС газов в атмосфере
2.3 Анализ погрешностей определения ОС СН4, Н2О и СО в
атмосфере
2.3.1 Погрешности определения ОС СН4 и Н20 в атмосфере
1 Влияние случайного шума измерений в зависимости от
спектрального разрешения (6у)
2 Влияние погрешности задания нулевого уровня сигнала
(§и0)
3 Влияние погрешностей в задании полуширины
аппаратной функции
4 Влияние вертикальных распределений температуры и
давления
5 Влияние вертикальных распределений СН4 и Н20
2.3.2 Результаты одновременных локальных и
спектроскопических (интегральных) измерений метана в атмосфере.
2.3.3 Погрешности определения ОС СО в атмосфере
2.4. Анализ точности спектроскопического метода по независимым
измерениям ОС НгО в атмосфере
Выводы
ГЛАВА 3. Вопросы калибровки спектроскопических измерений ОС
газов в атмосфере
3.1 Аппаратура и методики спектроскопических измерений ОС
газов в атмосфере
3.2 Результаты одновременных измерений ОС СН4
3.3 Результаты одновременных измерений ОС СО
3.4 Сравнение результатов спутниковых наблюдений ОС СО с
наземными спектроскопическими измерениями
Выводы
ГЛАВА 4. Анализ результатов измерений общих содержаний газов в
атмосфере в районе Санкт-Петербурга
4.1 Массивы измерений ОС газов
4.2 Анализ результатов спектроскопических измерений общих
содержаний метана и окиси углерода
4.2.1 Анализ данных измерений общего содержания метана
4.2.2 Анализ данных измерений общего содержания окиси 96 углерода
4.3 Анализ корреляционных связей между ОС газов и параметрами
метеозондирования атмосферы
Выводы
Заключение. Основные результаты
Приложение!
Литература
Введение

Актуальность темы:
Увеличение содержания ряда “парниковых” газов (СОг, Н2О, СН4, N2O и т.д.) приводит к изменениям радиационных свойств атмосферы и, как следствие, к изменениям климата Земли [1-3]. Глобальная температура воздуха у поверхности земли и океана за XX век возросла на 0.6±0.2°С, причем это возрастание являлось самым значительным за последнее тысячелетие [1]. Современные оценки вклада различных газов в процесс нагревания атмосферы показывают, что относительные доли СО2, СН4, N2O и фреонов составляют 60%, 20%, 6% и 14%, соответственно [1].
Именно по этим причинам в настоящее время существуют различные, прежде всего, наземные и космические, системы мониторинга характеристик газового состава атмосферы. За последние годы были проведены многочисленные спутниковые эксперименты, позволившие получить большое количество информации о вариациях (в том числе и долговременных) общих содержаний (ОС) и вертикальных профилей содержания озона, водяного пара, многих других малых газовых составляющих в стратосфере [2-4]. Локальные приземные измерения отношений смеси ряда газов, таких как СО2, О3, СН4, СО, N2O, фреоны (всего порядка 30 газовых составляющих атмосферы) осуществляются на обширной сети станций NOAA (США) [5]. В то же время, количество информации о пространственно-временной изменчивости ОС и вертикальных профилей в тропосфере таких важнейших климатообразующих газов, как СН4, N2O и СО, очень ограничено в силу:
1. небольшого числа наземных станций (в настоящее время в мире насчитывается не более пятнадцати), осуществляющих систематический мониторинг ОС и вертикальных распределений перечисленных газов;
2. сравнительно небольшого срока (2-3 года) проведения спутниковых измерений ОС и тропосферных вертикальных профилей СО и СН4 (эксперименты MAPS, МОРР1Т).
Роль наземных дистанционных систем измерений дополнительно существенно возрастает в связи с необходимостью определять и постоянно контролировать качество спутниковых измерений. При этом важное значение имеют проблемы унификации измерений и определения реальной точности

M - число регистрируемых спектральных точек.
В инфракрасной (ИК) области спектра для относительно небольших спектральных интервалов (< 40 см'1), внутри которых величины Io(v), R(vj, Рс(у) не имеют каких-либо существенных спектральных особенностей, можно ввести функцию В (у) и ее линейную аппроксимацию:
В(и) = /0(у)/і№(г) = а,^ + в2^-, (8)
^2 -V, У2~У,
где а}, 02- ординаты функции В (у) на границах исследуемого спектрального интервала с частотами У] и у?.
Поскольку в спектрах среднего спектрального разрешения (> 0,04 см'1) не содержится значительного количества информации о вертикальном профиле концентрации газа п/г), необходимо вводить дополнительную априорную информацию, заключающуюся в параметризации п/г) известным априорным модельным профилем концентрации газа. В этом случае общее содержание измеряемых газов записывается: и н
V і = ] «у 0)<* = с, |я, {г)ск, (9)

где її ( 2 ) - модельный вертикальный профиль концентрации
измеряемого газа;
и, - общее содержание (ОС) фго газа;
Су - параметр.
Заметим, что п/г) влияет на ОС газов, получаемое в результате решения обратной задачи. Выбор модельного вертикального профиля концентрации неадекватного реальному может быть источником как случайных, так и систематических погрешностей определения ОС измеряемых газов.
В параметрической форме соотношение (7) с использованием (8) и (9) имеет вид:
CWU—-+»
•Ч — і/.
А(у-у, )jexp£
mcjjKj(r,p,y)nJ(z)dz
>dv+U0+SU, (10)
Остановимся более подробно на выражении (10). К величинам, регистрируемым спектральным комплексом относятся (см. выражение (10)): сигнал спектрометра