Сопоставление долговременных трендов и межгодовых вариаций содержания NO₂ в атмосфере по данным спутниковых (прибор OMI) и наземных спектрометрических измерений на станциях сети NDACC

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Выполнено сопоставление результатов анализа долговременных трендов и межгодовых вариаций содержания NO₂ в атмосфере по данным измерений с помощью прибора OMI (Ozone Monitoring Instrument) с борта спутника EOS-Aura в 2004–2020 гг. с результатами аналогичного анализа по данным независимых спектрометрических сумеречных измерений по рассеянному из зенита солнечному излучению на станциях Сети по обнаружению изменений состава атмосферы (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change – NDACC). По тем и другим данным получены сезонно-зависимые оценки линейных трендов NO₂ и вариаций содержания NO₂ под действием 11-летнего цикла солнечной активности и крупномасштабных циркуляционных факторов, таких как Арктическое и Антарктическое колебания, вариации температуры поверхности океана в области Ниньо 3.4 и квазидвухлетняя цикличность зонального ветра в экваториальной стратосфере. Для межгодовых вариаций стратосферного содержания NO₂ в среднем по всем станциям получено неплохое соответствие между оценками на основе спутниковых и наземных данных, но соответствие между оценками трендов заметно хуже. Наилучшее соответствие между результатами анализа получено для ст. Звенигород. Для стратосферного содержания NO₂ оно отмечено в 80–90% случаев, а соответствие для тропосферного содержания практически 100%-е.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Н. Груздев

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.n.gruzdev@mail.ru
Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер. 3

А. С. Елохов

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Email: a.n.gruzdev@mail.ru
Россия, 119017 Москва, Пыжевский пер. 3

Список литературы

  1. Агеева В. Ю., Груздев А. Н. Сезонные особенности квазидвухлетних вариаций стратосферного содержания NO₂ по результатам наземных измерений // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 1. С. 74–85.
  2. Агеева В. Ю., Груздев А. Н., Елохов А. С., Мохов И. И., Зуева Н. Е. Внезапные стратосферные потепления: статистические характеристики и влияние на общее содержание NO₂ и O3 // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 5. С. 545–555. doi: 10.7868/S0003351517050014.
  3. Боровский А. Н., Арабов А. Я., Голицын Г. С., Груздев А. Н., Еланский Н. Ф., Елохов А. С., Мохов И. И., Савиных В. В., Сеник И. А., Тимажев А. В. Вариации общего содержания диоксида азота в атмосфере на Северном Кавказе // Метеорология и гидрология. 2016. № 2. С. 29–44.
  4. Груздев А. Н. Широтная зависимость вариаций стратосферного содержания NO₂ // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 3. С. 345–359.
  5. Груздев А. Н. Чувствительность стратосферного озона к долговременным изменениям содержания двуокиси азота и соляной кислоты // Доклады АН. 2009. Т. 427. № 3. С. 384–387.
  6. Груздев А. Н. Квазидвухлетние вариации общего содержания NO₂ // Доклады АН. 2011. Т. 438. № 5. С. 678–682.
  7. Груздев А. Н. Оценка влияния 11-летнего цикла солнечной активности на содержание озона в стратосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54. № 5. С. 678–684.
  8. Груздев А. Н. Учет автокорреляции в задаче линейной регрессии на примере анализа общего содержания NO₂ в атмосфере // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 1. С. 73–82.
  9. Груздев А. Н., Елохов А. С. Валидация результатов измерений содержания NO₂ в вертикальном столбе атмосферы с помощью прибора OMI с борта спутника EOS-Aura по данным наземных измерений на Звенигородской научной станции // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 4. С. 477–488.
  10. Груздев А. Н. Елохов А. С. Изменения общего содержания и вертикального распределения NO₂ по результатам 30-летних измерений на Звенигородской научной станции ИФА им. А. М. Обухова РАН // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 1. С. 99–112.
  11. Груздев А. Н., Елохов А. С. Сопоставление результатов многолетних измерений содержания NO₂ в стратосфере и тропосфере с помощью спутникового прибора OMI с результатами наземных измерений // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2023. Т. 59. № 1. С. 88–111. doi: 10.31857/S0002351523010054.
  12. Груздев А. Н., Елохов А. С. Сопоставление данных о содержании NO₂ в атмосфере по результатам спутниковых (OMI) и наземных (NDACC) измерений // Оптика атмос. океана. 2024. Т. 37. Принято к печати.
  13. Груздев А. Н., Кропоткина Е. П., Соломонов С. В., Елохов А. С. Зимне-весенние аномалии содержания О3 и NO₂ в стратосфере над московским регионом в 2010 и 2011 гг. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 2. С. 223–231. doi: 10.7868/S0002351517020031
  14. Груздев А. Н., Арабов А. Я., Елохов А. С., Савиных В. В., Сеник И. А., Боровский А. Н., Еланский Н. Ф. Многолетние наблюдения стратосферных примесей в Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН: Анализ трендов и межгодовых вариаций общего содержания О3 и NO₂ // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2022. Т. 58. № 3. С. 318–332. doi: 10.31857/S0002351522030063.
  15. Елохов А. С., Груздев А. Н. Измерения общего содержания и вертикального распределения NO₂ на Звенигородской научной станции // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 6. С. 831–846.
  16. Драпер Н. Р., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Издательский. дом «Вильямс», 2007. 912 с.
  17. Brasseur G. P., Solomon S. Aeronomy of the middle atmosphere. Dordrecht, the Netherlands: Springer. 2005. 644 p.
  18. Boersma K. F., Jakob D. J., Eskes H. J., Pinder R. W., Wang J., van der A R. J. Intercomparison of SCIAMACHY and OMI tropospheric NO₂ columns: Observing the diurnal evolution of chemistry and emissions from space // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. № D16S26. doi: 10.1029/2007JD008816.
  19. Celarier E. A., Brinksma E. J., Gleason J. F., Veefkind J. P., Cede A., Herman J. R., Ionov, D., Goutail F., Pommereau J. P., Lambert J. C., van Roozendael M., Pinardi G., Wittrock F., Schonhardt A., Richter A., Ibrahim O. W., Wagner T., Bojkov, B. Mount G., Spinei E., Chen C. M., Pongetti T. J., Sander S. P., Bucsela E. J., Wenig M. O., Swart D. P. J., Volten H., Kroon M., Levelt P. F. Validation of Ozone Monitoring Instrument nitrogen dioxide columns // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. № D15S15. doi: 10.1029/2007JD008908.
  20. Cook P. A., Roscoe H. K. Variability and trends in stratospheric NO₂ in Antarctic summer, and implications for stratospheric NOy // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9. P. 2601–3612.
  21. Dirksen R. J., Boersma K. F., Eskes H. J., Ionov D. V., Bucsela E. J., Levelt P. F., Kelder H. M. Evaluation of stratospheric NO₂ retrieved from the Ozone Monitoring Instrument: Intercomparison, diurnal cycle, and trending // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. D08305.
  22. Fish D. J. Roscoe H. K., Jonston P. V. Possible cause of stratospheric NO₂ trends observed at Lauder, New Zealand // Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27. № 20. 3313–3316.
  23. Fortems-Cheiney A., Broquet G., Pison I., Saunois M., Potier E., Berchet A., Dufour G., Siour G., van der Gon H. D., C. Dellaert S. N., Boersma K. F. Analysis of the anthropogenic and biogenic NOx emissions over 2008–2017: Assessment of the trends in the 30 most populated urban areas in Europe // Geophys. Res. Lett. 2021. V. 48. e2020GL092206.
  24. Gruzdev A. N. Latitudinal structure of variations and trends in stratospheric NO₂ // International Journal of Remote Sensing. 2009. V. 30. No. 15. P. 4227–4246.
  25. Gruzdev A. N., Elokhov A. S. Validation of Ozone Monitoring Instrument NO₂ measurements using ground based NO₂ measurements at Zvenigorod, Russia // Internat. J. Remote Sens. 2010. V. 31. № 2. P. 497–511. doi: 10.1080/01431160902893527.
  26. Hendrick F., Mahieu E., Bodeker G. E. et al. Analysis of stratospheric NO₂ trends above Jungfraujoch using ground-based UV-visible, FTIR, and satellite nadir observations // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12. P. 8851–8864.
  27. Hilboll A., Richter A., Burrows J. P. Long-term changes of tropospheric NO₂ over megacities derived from multiple satellite instruments // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 4145–4169.
  28. Ionov D. V., Timofeyev Y. M., Sinyakov V. P., Semenov V. K., Goutail F., Pommereau J.-P., Bucsela E. J., Celarier E. A., Kroon M. Ground-based validation of EOS-Aura OMI NO₂ vertical column data in the midlatitude mountain ranges of Tien Shan (Kyrgyzstan) and Alps (France) // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, D15S08, doi: 10.1029/2007JD008659.
  29. Jiang Z., Zhu R., Miyazaki K., McDonald B.C., Klimont Z., Zheng B., Boersma F. K., ZhangQ., Worden H., Worden J. R., Henze D. K., Jones D. B.A., van der Gon H. A.C.D. Decadal variabilities in tropospheric nitrogen oxides over United States, Europe, and China // J. Geophys. Res. Atmos. 2022. V. 127. e2021JD035872.
  30. Kramer L. J. Leigh R. J. Remedios J. J., Monks P. S. Comparison of OMI and ground-based in situ and MAX-DOAS measurements of tropospheric nitrogen dioxide in an urban area // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. D16S39.
  31. Levelt P. F., Joiner J., Tamminen J. et al. The Ozone Monitoring Instrument: overview of 14 years in space // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 5600–5745.
  32. Liley J. B., Johnston P. V., McKenzie R.L., Thomas A. J., Boyd I. S. Stratospheric NO₂ variations from at Lauder, New Zealand // J. Geophys Res. 2000. V. 105. № D9. P. 11633–11640.
  33. McLinden C.A., Olsen S. C., Prather M. J., Liley J. B. Understanding trends in stratospheric NOy and NO₂ // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. № D21. P. 27787–27793.
  34. Ossohou M., Galy-Lacaux C., Yoboué V., Hickman J. E., Gardrat E., Adon M., Darras S., Laouali D., Akpo A., Ouafo M., Diop B., Opepa C. Trends and seasonal variability of atmospheric NO₂ and HNO3 concentrations across three major African biomes inferred from long-term series of ground-based and satellite measurements // Atmos. Environ. 2019. V. 207. P. 148–166.
  35. Platt U., Stutz J. Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS), Principle and Applications / Berlin: Springer Verlag/ 2008. 597 p. ISBN978–3–540–21193–8. doi: 10.1007/978–3–540–75776–4.
  36. Schneider P., Lahoz W. A., van der A R. Recent satellite-based trends of tropospheric nitrogen dioxide over large urban agglomerations worldwide // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 1205–1220.
  37. Seinfeld J. H., Pandis S. N. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change. Hoboken, New Jersey, USA: John Wiley & Sons. 2006. 1225 p.
  38. Yela M., Gil-Ojeda M., Navarro-Comas M. et al. Hemispheric asymmetry in stratospheric NO₂ trends // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 13373–13389.
  39. Zawodny J. M., McCormick M. P. Stratospheric Aerosol and Gas Experiment-II Measurements of the quasi-biennial oscillations in ozone and nitrogen dioxide // J. Geophy. Res. 1991. V. 96. № D5. P. 9371–9377.
  40. Yin H., Sun Y., Notholt J., Palm M., Liu C. Spaceborne tropospheric nitrogen dioxide (NO₂) observations from 2005–2020 over the Yangtze River Delta (YRD), China: variabilities, implications, and drivers // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22. P. 4167–4185.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Расположение станций NDACC с измерениями содержания NO₂ сумеречным методом.

Скачать (271KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а–б): Годовая (левая часть), месячные (средняя часть) и сезонные (правая часть графиков) оценки размаха колебаний стратосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и общего содержания NO₂ по наземным данным (синий цвет) на ст. Реюньон (а) и Кергелен (б) под действием 11-летнего солнечного цикла. Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы. (в–г): Задержка колебаний NO₂, вызванных 11-летним солнечным циклом, на ст. Реюньон (в) и Кергелен (г) относительно 11-летнего солнечного цикла.

Скачать (273KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Аналогично рис. 2, но для ст. От-Прованс (а, в) и Звенигород (б, г). Для ст. Звенигород использованы значения стратосферного содержания NO₂.

Скачать (288KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зимние (а), весенних (б), летние (в) и годовые (г) оценки изменений стратосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и общего (для ст. Звенигород – стратосферного) содержания NO₂ по наземным данным (синий цвет) под отклика NO₂ на воздействие 11-летнего цикла солнечной активности в зависимости от широты. Единицы – магнитуда (размах) колебаний NO₂ в течение полного солнечного цикла. Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы. Концы доверительных интервалов, выходящие за пределы графиков, обрезаны. Номера станций соответствуют столбцу 1 таблицы.

Скачать (254KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Задержка зимнего (а), весеннего (б), летнего (в) и годового (г) откликов стратосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и общего (для ст. Звенигород – стратосферного) содержания NO₂ по наземным данным (синий цвет) на воздействие 11-летнего цикла солнечной активности в зависимости от широты. Номера станций соответствуют столбцу 1 таблицы.

Скачать (224KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (а–б): Годовая (левая часть), месячные (средняя часть) и сезонные (правая часть графиков) оценки размаха колебаний стратосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и общего (для ст. Звенигород – стратосферного) содержания NO₂ по наземным данным (синий цвет) на ст. Бауру (а) и Звенигород (б) под действием экваториальной КДЦ. Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы. (в–г): Задержка квазидвухлетних колебаний NO₂ на ст. Бауру (в) и Звенигород (г) относительно колебаний скорости экваториального ветра на уровне 40 гПа.

Скачать (285KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Аналогично рис. 4, но для отклика NO₂ на КДЦ зональной скорости ветра на уровне 40 гПа в экваториальной стратосфере. Единицы – магнитуда (размах) колебаний NO₂ в течение полного цикла КДЦ.

Скачать (245KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Аналогично рис. 5, но для отклика NO₂ на КДЦ зональной скорости ветра на уровне 40 гПа в экваториальной стратосфере.

Скачать (215KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Весенние оценки (а) изменений стратосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и общего (для ст. Звенигород – стратосферного) содержания NO₂ по наземным данным (синий цвет) под влиянием Арктического в СП и Антарктического в ЮП колебаний и осенние оценки (б) изменений стратосферного содержания NO₂, связанных с запаздывающим на 16 мес. воздействием вариаций ТПО в зоне Ниньо 3.4. Единицы – изменение содержания NO₂ при изменении индексов АК, ААК или Ниньо 3.4 на два среднеквадратичных отклонения (2σ). Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы. Концы доверительных интервалов, выходящие за пределы графиков, обрезаны. Номера станций соответствуют столбцу 1 таблицы.

Скачать (135KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Годовая (левая часть), месячные (средняя часть) и сезонные (правая часть графиков) оценки линейного тренда стратосферного (а) и тропосферного (б) содержаний NO₂ по данным OMI (красный цвет) и результатам измерений на ст. Звенигород (синий цвет) нормированные на соответствующие среднегодовые, среднемесячные или среднесезонные значения содержания NO₂ (а) и на одну и ту же величину – среднегодовое содержание NO₂ (б). Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы.

Скачать (138KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Годовая (левая часть), месячные (средняя часть) и сезонные (правая часть графиков) оценки линейного тренда стратосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и общего содержания NO₂ по наземным данным (синий цвет) на ст. Кергелен (а) и Иссык-Куль (б). Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы.

Скачать (150KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зимние (а), весенние (б), летние (в) и годовые (г) оценки линейного тренда стратосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и общего (для ст. Звенигород – стратосферного) содержания NO₂ по наземным данным (синий цвет) в зависимости от широты. Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы. Концы доверительных интервалов, выходящие за пределы графиков, обрезаны. Номера станций соответствуют столбцу 1 таблицы.

Скачать (240KB)
Метаданные
14. Рис. 13. (а): левая часть графика: годовые (отдельные точки) и сезонные (кривые с точками) оценки изменений тропосферного содержания NO₂ по данным OMI (красный цвет) и результатам измерений на ст. Звенигород под влиянием АК (обозначение АК на горизонтальной оси), вариаций ТПО в области Ниньо 3.4 без задержки (ТПОпр) и с задержкой на 16 месяцев (ТПОорт), КДЦ в экваториальной стратосфере (КДЦ) и 11-летнего солнечного цикла (СЦ), а также оценки линейных трендов NO₂ (Тр). Правая часть графика: фазовые задержки откликов NO₂ на КДЦ скорости экваториального ветра на уровне 40 гПа (обозначение КДЦф на горизонтальной оси) и на 11-летний солнечный цикл (СЦф). (б): аналогично (а), но для стратосферного содержания NO₂. Вертикальные отрезки – 95% доверительные интервалы. Концы доверительных интервалов, выходящие за пределы графика, обрезаны.

Скачать (309KB)
Метаданные


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».