Том 26, номер 05, статья № 7

Аннотация:

Обратная задача атмосферного переноса решалась в приложении к оценке среднемесячных приземных потоков СО₂ для 2009 г. с использованием наземных наблюдений СО₂, а также начиная с июня 2009 г. с использованием наблюдений со спутника GOSAT. Поправки к полям потоков для интересующего нас вида источника описываются как линейная комбинация принципиальных компонент соответствующих полей газообмена на поверхности. Для расчета атмосферного переноса используется совмещенная эйлерово-лагранжева модель (GELCA model). В связи с тем что используется большое количество наблюдений (3000-5000 в месяц), для решения обратной задачи была выбрана методика калмановского сглаживания с фиксированной длиной окна ассимиляции, которая позволяет оценивать месячные потоки последовательно, в соответствии с выбранным размером окна ассимиляции. Результаты расчетов представлены в виде двумерных полей среднемесячных потоков, а также перерассчитаны для выбранных регионов. Расчеты показывают существенное уменьшение оценки неопределенности потоков при использовании наблюдений со спутника GOSAT.

Ключевые слова:

парниковые газы, атмосфера, моделирование переноса примесей, обратные задачи

Список литературы:

1. Будыко М.И., Гройсман П. Ожидаемые изменения климата к 2000 году // Метеорол. и гидрол. 1991. № 7. С. 84-94.
2. Arrhenius S. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground // London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (fifth series). 1896. V. 41. P. 237-275.
3. Manabe S., Wetherald R.T., Stouffer R.J. Summer dryness due to an increase of atmospheric CO2 concentration // Clim. Change. 1981. V. 3, iss. 4. P. 347-386.
4. Nozawa T., Nagashima T., Shiogama H., Crooks S.A. Detecting natural influence on surface air temperature change in the early twentieth century // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32, iss. 20. L20719.
5. Keeling C.D., Whorf T.P., Wahlen M., van der Plichtt J. Interannual extremes in the rate of rise of atmospheric carbon dioxide // Nature (Gr. Brit.). 1995. V. 375. P. 666-670.
6. Дымников В.П., Лыкосов В.Н., Володин Е.М. Проблемы моделирования климата и его изменений // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2006. Т. 42, № 5. С. 618-636.
7. Brovkin V., Bendtsen J., Claussen M., Ganopolski A., Kubatzki C., Petoukhov V., Andreev A. Carbon cycle, vegetation and climate dynamics in the Holocene: Experiments with the CLIMBER-2 model // Global Biogeochem. Cycles. 2002. V. 16, N 4, 1139, doi: 10.1029/2001GB001662.
8. Sokolov A.P., Kicklighter D.W., Melillo J.M., Felzer B., Schlosser C.A., Cronin T.W. Consequences of considering carbon-nitrogen interactions on the feedbacks between climate and the terrestrial carbon cycle // J. Climate. 2008. V. 21, N 15. P. 3776-3796.
9. Orr J.C., Maier-Reimer E., Mikolajewicz U., Monfray P., Sarmiento J.L., Toggweiler J.R., Taylor N.K., Palmer J., Gruber N., Sabine C.L., Le Quere C., Key R.M., Boutin J. Estimates of anthropogenic carbon uptake from four three-dimensional global ocean models // Global Biogeochem. Cycles. 2001. V. 15, N 1. P. 43-60.
10. Luyssaert S., Schulze E.D., Borner A., Knohl A., Hessenmoller D., Law B.E., Ciais P., Grace J. Old-growth forests as global carbon sinks // Nature (Gr. Brit.). 2008. V. 455. P. 213-217.
11. Piao S., Fang J., Ciais P., Peylin P., Huang Y., Sitch S., Wang T. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China // Nature (Gr. Brit.). 2009. V. 458. P. 1009-1013.
12. Shvidenko A.Z., Shchepashchenko D.G., Vaganov E.A., Sukhinin A.I., Maksyutov S.S., McCallum I., Lakyda I.P. Impact of Wildfire in Russia between 1998-2010 on Ecosystems and the Global Carbon Budget // Doklady. Earth Sciences. 2011. V. 441. Part 2. P. 1678-1682.
13. Zimov S.A., Schuur E.A.G., Chapin F.S., III. Permafrost and the Global Carbon Budget // Science. 2006. V. 312, N 5780. P. 1612-1613.
14. Beer C., Reichstein M., Tomelleri E., Ciais P., Jung M., Carvalhais N., Rodenbeck C., Arain M.A., Baldocchi D., Bonan G.B., Bondeau A., Cescatti A., Lasslop G., Lindroth A., Lomas M., Luyssaert S., Margolis H., Oleson K.W., Roupsard O., Veenendaal E., Viovy N., Williams C., Woodward F.I., Papale D. Terrestrial gross carbon dioxide uptake: global distribution and covariation with climate // Science. 2010. V. 329, N 5993. P. 834-838.
15. Gurney K., Law R., Denning A., Rayner P., Baker D., Bousquet P., Bruhwiler L., Chen Y., Ciais P., Fan S., Fung I., Gloor M., Heimann M., Higuchi K., John J., Maki T., Maksyutov S., Masarie K., Peylin P., Prather M., Pak B., Randerson J., Sarmiento J., Taguchi S., Takahashi T., Yue C. Towards robust regional estimates of CO2 sources and sinks using atmospheric transport models // Nature (Gr. Brit.). 2002. V. 415. P. 626-630.
16. Dolman A.J., Shvidenko A., Schepaschenko D., Ciais P., Tchebakova N., Chen T., van der Molen M.K., Belelli L., Maksyutov S. The terrestrial carbon budget of Russia: integrating inventory based, eddy covariance and inversion methods // Biogeoscience. 2012. V. 9, iss. 12. P. 5323-5340.
17. Фаддеев Д.К., Фаддеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры. Изд. 2-е. М.: Наука, 1963. 656 c.
18. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1977. 456 с.
19. Марчук Г.И., Алоян А.Е. Глобальный перенос примеси в атмосфере // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 1995. Т. 31, № 5. C. 597-606.
20. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1985. 256 c.
21. Houweling S., Hartmann W., Aben I., Schrijver H., Skidmore J., Roelofs G.J., Bre?on F.M. Evidence of systematic errors in SCIAMACHY-observed CO2 due to aerosols // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5, N 11. P. 3003-3013.
22. Rodenbeck C., Houweling S., Gloor M., Heimann M. CO2 flux history 1982-2001 inferred from atmospheric data using a global inversion of atmospheric transport // Atmos. Chem. Phys. 2003. V. 3, iss. 6. P. 1919-1964.
23. Baker D.F., Bosch H., Doney S.C., O'Brien D., Schimel D.S. Carbon source/sink information provided by column CO2 measurements from the Orbiting Carbon Observatory // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 4145-4165.
24. Chevallier F., Bre?on F.M., Rayner P.J. Contribution of the Orbiting Carbon Observatory to the estimation of CO2 sources and sinks: Theoretical study in a variational data assimilation framework // J. Geophys. Res. 2007. V. 112, D09307, doi: 10.1029/2006JD007375.
25. Feng L., Palmer P.I., Bosch H., Dance S. Estimating surface CO2 fluxes from space-borne CO2 dry air mole fraction observations using an ensemble Kalman Filter // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9, iss. 8. P. 2619-2633.
26. Kadygrov N., Maksyutov S., Eguchi N., Aoki T., Nakazawa T., Yokota T., Inoue G. Role of simulated GOSAT total column CO2 observations in surface CO2 flux uncertainty reduction // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, D21208, doi: 10.1029/2008JD011597.
27. Maksyutov S., Kadygrov N., Nakatsuka Y., Patra P.K., Nakazawa T., Yokota T., Inoue G. Projected impact of the GOSAT observations in regional CO2 fluxes estimations as a function of total retrieval error // J. Remote Sens. Soc. Jpn. 2008. V. 28, N 2. P. 190-197.
28. Patra P.K., Maksyutov S., Sasano Y., Nakajima H., Inoue G., Nakazawa T. An evaluation of CO2 observations with Solar Occultation FTS for Inclined-Orbit Satellite sensor for surface source inversion // J. Geophys. Res. D. 2003. V. 108, N 24. P. 4759-4766.
29. Rayner P.J., O'Brien D.M. The utility of remotely sensed CO2 concentration data in surface source inversions // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28, N 1. P. 175-178.
30. Kuze A., Suto H., Nakajima M., Hamazaki T. Thermal and near infrared sensor for carbon observation Fourier-transform spectrometer on the Greenhouse Gases Observing Satellite for greenhouse gases monitoring // Appl. Opt. 2009. V. 48, iss. 35. P. 6716-6733.
31. Ganshin A., Oda T., Saito M., Maksyutov S., Valsala V., Andres R.J., Fisher R.E., Lowry D., Lukyanov A., Matsueda H., Nisbet E.G., Rigby M., Sawa Y., Toumi R., Tsuboi K., Varlagin A., Zhuravlev R. A global coupled Eulerian-Lagrangian model and 1 1 km CO2 surface flux dataset for high-resolution atmospheric CO2 transport simulations // Geosci. Model Dev. 2012. V. 5. P. 231-243. doi: 10.5194/gmd-5-231-2012.
32. Bruhwiler L.M.P., Michalak A.M., Peters W., Baker D.F., Tans P. An improved Kalman Smoother for atmospheric inversions // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5, iss. 10. P. 2691-2702.
33. Zhuravlev R., Khattatov B., Kiryushov B., Maksyutov S. Technical Note: A novel approach to estimation of time-variable surface sources and sinks of carbon dioxide using empirical orthogonal functions and the Kalman filter // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11, iss. 20. P. 10305-10315.
34. Conway T.J., Tans P.P., Waterman L.S., Thoning K.W., Kitzis D.R., Masarie K.A., Zhang N. Evidence for interannual variability of the carbon cycle from the NOAA/CMDL global air sampling network // J. Geophys. Res. D. 1994. V. 99, iss. 11. P. 22831-22855.
35. Oshchepkov S., Bril A., Maksyutov S., Yokota T. Detection of optical path in spectroscopic space-based observations of greenhouse gases: Application to GOSAT data processing // J. Geophys. Res. 2011. V. 116, 10.1029/2010JD015352.
36. Oda T., Maksyutov S. A very high-resolution (1 1 km) global fossil fuel CO2 emission inventory derived using a point source database and satellite observations of nighttime lights // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 543-556.
37. Van der Werf G.R., Randerson J.T., Giglio L., Collatz G.J., Mu M., Kasibhatla P.S., Morton D.C., DeFries R.S., Jin Y., van Leeuwen T.T. Global fire emissions and the contribution of deforestation, savanna, forest, agricultural, and peat fires (1997-2009) // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10, iss. 23. P. 11707-11735.
38. Ito A., Inatomi M., Mo W., Lee M., Koizumi H., Saigusa N., Murayama S., Yamamoto S. Examination of model-estimated ecosystem respiration by use of flux measurement data from a cool-temperate deciduous broad-leaved forest in central Japan // Tellus B. 2007. V. 59, iss. 3. P. 616-624.
39. Saito M., Ito A., Maksyutov S. Evaluation of Biases in JRA-25/JCDAS Precipitation and their Impact on the Global Terrestrial Carbon Balance // J. Climatol. 2011. V. 21, iss. 15. P. 4109-4125.
40. Valsala K.V., Maksyutov S. Simulation and assimilation of global ocean pCO2 and air-sea CO2 fluxes using ship observations of surface ocean pCO2 in a simplified biogeochemical offline model // Tellus B. 2010. V. 62, iss. 5. P. 821-840.
41. Belikov D., Maksyutov S., Miyasaka T., Saeki T., Zhuravlev R., Kiryushov B. Mass-conserving tracer transport modelling on a reduced latitude-longitude grid with NIES-TM // Geosci. Model Dev. 2011. V. 4, iss. 1. P. 207-222.
42. Onogi K., Tsutsui J., Koide H., Sakamoto M., Kobayashi S., Hatsushika H., Matsumoto T., Yamazaki N., Kamahori H., Takahashi K., Kadokura S., Wada K., Kato K., Oyama R., Ose T., Mannoji N., Taira R. The JRA-25 Reanalysis // J. Meteorol. Soc. Jap. 2007. V. 85, N 3. P. 369-432.
43. Gurney K., Law R., Rayner P., Denning A.S. Transcom 3 Experimental Protocol. Department of Atmospheric Science, Colorado State University, USA. Paper N 707. 2000.
44. Gurney K.R., Law R.M., Denning A.S., Rayner P.J., Pac B.C., Baker D., Bousquet P., Bruhwiler L., Chen Y.H., Ciais P., Fung I., Heimann M., John J., Maki T., Maksyutov S., Peylin P., Prather M., Taguchi S. Transcom 3 inversion intercomparison: Model mean results for the estimation of seasonal carbon sources and sinks // Global Biogeochem. Cycles. 2004. V. 18. GB1010, doi: 10.1029/2003GB002111.