Сравнительный анализ спутниковых данных тропосферного озона для г. Ташкента

Comparative analysis of satellite data of tropospheric ozone for Tashkent

Ulugbek Shermukhamedov

specialist, NIGMI, Uzhydromet, Uzbekistan, Tashkent

Аннотация. Измерение приземного и тропосферного озона в настоящее время является важной задачей в разных исследованиях. Хотя приземные измерение озона ведутся во многих местах [1,2] и полученные данные могут быть использованы для его количественного анализа, для полного представления, как временного, так и пространственного, состояния озона этих данных не достаточно. Поэтому для получения концентрации озона по всей толщины тропосферы используют разные методы и приборы. К ним относятся: озонозонды, лидары, самолетные и спутниковые измерения. Спутниковое измерение дает возможность обхватить большой регион, помогает получить информацию о тех местах, где не делаются регулярные наземные измерения.

Abstract. Measuring surface and tropospheric ozone is currently an important task in various studies. Although the surface measurement of ozone is carried out in many places [1,2] and the data obtained can be used for its quantitative analysis, for a complete picture of both temporal and spatial, the state of ozone is not sufficient. Therefore, to obtain the concentration of ozone over the entire thickness of the troposphere, different methods and devices are used. These include: ozone probes, lidars, aircraft and satellite measurements. Satellite measurement provides an opportunity to embrace a large region, helps to get information about those places where regular ground-based measurements are not done.

Ключевые слова: Aura; NOAA; Nimbus; OMI/MLS; единица Добсона.

Keywords: Aura; NOAA; Nimbus; OMI / MLS; Dobson unit.

Средняя Азия, в том числе Узбекистан, попадает в поле зрение нескольких спутников, что дает возможность получить данные из этих спутников и использовать их для дальнейшего анализа. К таким спутникам относятся: Aura, NOAA, Nimbus и т. д. Для анализа рассмотрим данные полученные из трех спутников.

Аura – искусственный спутник NASA, который входит в химическую платформу системы наблюдения Земли (Earth  Observing System  (EOS)), с главной целью изучения химии и динамики атмосферы от земли до мезосферы  [3].  Цель состоит в том, чтобы контролировать сложные взаимодействия атмосферных элементов, которые способствуют глобальному изменению озона, его созданию и истощению. Орбиты спутника Ауры находятся на высоте 705 км в гелиосинхронной полярной орбите с точным 16-дневным повторным циклом и с местным временем пересечения экватора 13:45. Орбитальная наклонение - 98,1 градусов, период обращения 98,82 минут.

Аura была запущена 15 июля 2004 и собирает данные с 9 августа 2004 года. Спутник несет на борту 4 инструмента: Инфракрасный радиометр высокого разрешения (High Resolution Dynamics Limb  Sounder - HIRDLS), Микроволновый радиометр (Microwave  Limb  Sounder - MLS), Тропосферный эмиссионный спектрометр (Tropospheric Emission Spectrometer - TES) и Прибор озонового мониторинга (Ozone Monitoring Instrument - OMI).

NOAA-16 – метеорологический спутник, под управлением национального управления океанических и атмосферных исследований. Он был запущен 21 сентября 2000 года, и в настоящее время находится в эксплуатации, на солнечно-синхронной орбите высотой 849 км с периодом обращения 102 минуты [4]. Спутник несёт на себе следующие приборы: усовершенствованный зондирующий прибор СВЧ (AMSU), усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR) и инфракрасный радиометр с высокой разрешающей способностью. Передатчик для автоматической передачи изображений (APT transmitter) выведен из эксплуатации 15 ноября 2000 года.

Nimbus 7 (также называемый Nimbus G) был метеорологическим спутником. Он был седьмым и последним в серии программ Nimbus.

Nimbus 7 был запущен 24 октября 1978 года ракетой Delta с авиабазы Ванденберг, штат Калифорния, США. Космический аппарат функционировал номинально до 1995 года. Спутник вращался вокруг Земли один раз в 1 час 34 минуты с наклоном 99 градусов. Его перигей был 941 км (585 миль), а апогей был 954 км (593 миль).

Спутник исследований и разработок Nimbus 7 служил в качестве стабилизированной, ориентированной на землю платформы для тестирования современных систем обнаружения и сбора данных в области загрязнения, океанографии и метеорологии.

Спутник имел следующие приборы:

- Цветной сканер прибрежной зоны (CZCS);

- Сканирующий радиометр радиационного бюджета Земли (ERB);

- Инфракрасный монитор стратосферы в зоне горизонта (LIMS);

- Сканирующий многоканальный микроволновый радиометр (SMMR);

- Спектрометр солнечного обратного рассеяния УФ и содержание озона (SBUV/TOMS);

- Измерение стратосферного аэрозоля II (SAM II);

- Стратосферный и мезосферный зонд (SAMS);

- Инфракрасный радиометр температуры-влажности (THIR).

Приведем метод получение данных тропосферного озона для спутника Aura.

Данные о тропосферном озоне определяются ежедневно путем вычитания озона стратосферного столбца из общего количества озона [5]. Озон стратосферного столбца (ОСС) рассчитывается вдоль траекторий орбиты, используя стандартную вертикальную интеграцию давления профилей озона MLS. Ежедневные измерения ОСС интерполируются по горизонтали (Гауссово+линейный) между траекториями орбиты, чтобы получить привязанные к сетке поля ОСС с горизонтальным разрешением OMI 1°×1,25°, а затем вычитаются из общего озона OMI. Среднемесячные значения определяются путем усреднения всех доступных ежедневных данных за каждый месяц. Форматирование файлов данных является стандартным "GRIDTOMS" с широтой 1 градус и разрешением долготы 1,25 градуса. Общий озон в колонне ОМИ отфильтрован для условий ясного неба путем включения только измерений, когда совпадающая отражательная способность ОМИ была меньше 0,3.

Дополнительные детали для метода OMI/MLS можно найти в [6].

Данные по столицам стран мира (в том числе по Ташкенту) доступны по ссылке: https:// avdc.gsfc.nasa.gov/pub/data/satellite/Aura/OMI/V03/L2OVP/OMO3PR/–.h5 величина в DU  https://avdc.gsfc.nasa.gov/pub/data/satellite/Aura/OMI/V03/L2OVP/ OMTO3/–ASCII­-.txt – без дифференциации на слои.

3. Результаты обработки.

На рис. 1-5 приведены результаты обработки данных измерений. Надо отметить, что осредненные данные годового хода среднемесячных значений тропосферного озона взяты для спутника Aura с 2005 по 2014 гг, для Nimbus с с 1979 по 1990 гг и для NOAA с 2005 по 2010 гг.

Рисунок. 1. Годовой ход концентрации озона на разных высотах, по данным спутника Nimbus

Рисунок. 2. Годовой ход концентрации озона на разных высотах, по данным спутника NOAA

Рисунок. 3. Годовой ход суммарной концентрации тропосферного озона по данным спутника Nimbus

Рисунок. 4. Годовой ход суммарной концентрации тропосферного озона по данным спутника NOAA

Рисунок. 5. Годовой ход суммарной концентрации тропосферного озона по данным спутника Aura

Как видно из рис. 1 и 2, тренд изменения годовых концентраций озона по слоям меняется не значительно, и при значениях 1013, 639, 403 гПа значения данных спутников Nimbus и NOAA имеют  близкие значения, при 254 и 160 гПа данные резко различаются. Это объясняется различными алгоритмами извлечения озона из первичных данных [2].

Данные для разных слоев позволяют нам судит не только о вертикальном распределении, но и анализировать источники озона, являются ли они метеорологическими, фотохимическими или стратосферным. Предполагается что чем выше слой, тем больше влияние транспорта озона из стратосферы.

На рис.3-5 показан годовой ход суммарного тропосферного озона, полученного приборами трех спутников. Суммарный тропосферный озон, как по абсолютному значению, так и по годовому ходу имеет различие. Если по данным спутника Nimbus, значения меняются от 49,6 DU до 50,6 DU, то по данным спутника NOAA значения меняются от 36,5 DU до 38,5 DU. А по данным спутника Aura значения меняются от 38 DU до 52 DU.

Сопоставительный анализ измерения концентрации тропосферного озона с помощью спутников Nimbus, NOAA и Aura показал:

-при значениях 1013, 639, 403 гПа значения данных спутников Nimbus и NOAA имеют  близкие значения, при других значениях имеют расхождение;

- по абсолютным значениям полученные данные имеют различие, для оценки этих данных по соответствую реальному распределению (временному и пространственному) тропосферного озона, требуется проведения дальнейших исследований.