Том 33, номер 04, статья № 2

Журавлева Т. Б., Артюшина А. В., Виноградова А. А., Воронина Ю. В. Черный углерод в приземной атмосфере вдали от источников эмиссий: сравнение результатов измерений и реанализа MERRA-2. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 04. С. 250–260. DOI: 10.15372/AOO20200402.
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Приведены результаты сопоставления временной изменчивости среднемесячной концентрации черного углерода в приземном слое атмосферы, полученной по данным натурных измерений [BC] и реанализа MERRA-2 [BC]M в четырех пунктах мониторинга, которые расположены в северной части России (обсерватория «Тикси», Печоро-Илычский биосферный заповедник), на Аляски (ст. Барроу) и в Гренландии (ст. Саммит). Показано, что данные реанализа MERRA-2 для районов Тикси и Барроу не в полной мере отражают вариации [BC] в течение года в отличие от Печоро-Илычского заповедника, где различия находятся в пределах 30–50%. Результаты реанализа [BC]M для пункта мониторинга Саммит качественно согласуются с данными измерений, характеризующими содержание BC в свободной тропосфере, но занижены относительно [BC] более чем в 2 раза. В целом выполненный анализ показал, что для труднодоступных северных районов результаты реанализа MERRA-2 среднемесячных показателей приземной концентрации атмосферного черного углерода могут быть использованы для климатических оценок в теплое время года с ошибкой ~ 30%. Обсуждаются возможные причины расхождений [BC] и [BC]M в зависимости от времени года и района наблюдений.

Ключевые слова:

черный углерод, приземный слой, Арктика, наземные измерения, ренализ MERRA-2

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Zhang J., Reid J.S., Westphal D.L., Baker N.L., Hyer E.J. A system for operational aerosol optical depth data assimilation over global oceans // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. DOI: 10.1029/2007JD009065.
2. Benedetti A., Morsette J.-J., Boucher O., Dethof A., Engelen R.J., Fisher M., Flentje H., Huneeus N., Jones L., Kaiser J.W., Kinne S., Mangold A., Razinger M., Simmons A.J., Suttie M. Aerosol analysis and forecast in the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Integrated Forecast System: 2. Data assimilation // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. DOI: 10.1029/2008JD011115.
3. Lynch P., Reid J.S., Westphal D.L., Zhang J., Hogan T.F., Edward J.H., Curtis C.A., Hegg D.A., Shi Y., Campbell J.R., Rubin J.I., Sessions W.R., Turk F.J., Walker A.L. An 11-year global gridded aerosol optical thickness reanalysis (v1.0) for atmospheric and climate sciences // Geosci. Model Dev. 2016. V. 9, N 4. P. 1489–1522. DOI: 10.5194/gmd-9-1489-2016.
4. Li Z., Zang Z., Li Q.B., Chao Y., Chen D., Ye Z., Liu Y., Liou K.N. A three-dimensional variational data assimilation system for multiple aerosol species with WRF-Chem and an application to PM2.5 prediction // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 8. P. 4265–4278. DOI: 10.5194/acp-13-4265-2013.
5. Saide P.E., Kim J., Song C.H., Choi M., Cheng Y., Carmichael G.R. Assimilation of next generation geostationary aerosol optical depth retrievals to improve air quality simulations // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41, N 24. P. 9188–9196. DOI: 10.1002/ 2014GL062089.
6. Gelaro R., McCarty W., Suárez M.J., Todling R., Molod A., Takacs L., Randles C.A., Darmenov A., Bosilovich M.G., Reichle R., Wargan K., Coy L., Cullather R., Draper C., Akella S., Buchard V., Conaty A., da Silva A.M., Gu W.,  Kim G.-K., Koster R., Lucchesi R., Merkova D., Nielsen J.E., Partyka G., Pawson S., Putman W., Rienecker M., Schubert S.D., Sienkiewicz M., Zhao B. The Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, version 2 (MERRA-2) // J. Climate. 2017. V. 30, N 14. P. 5419–5454. DOI: 10.1175/JCLI-D-16-0758.1.
7. Randles C.A., da Silva A. M., Buchard V., Darmenov A., Colarco P.R., Aquila V., Bian H., Nowottnick E.P., Pan X., Smirnov A., Yu H., Govindaraju R. The MERRA-2 Aerosol Assimilation. NASA TM-2016-104606. 2016. V. 45. NASA Global Modeling and Assimilation Office. 132 p. URL: https://gmao. gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2/docs/ (last access: 30.11.2019).
8. Randles C.A., da Silva A.M., Buchard V., Colarco P.R., Darmenov A., Govindaraju R., Smirnov A., Holben B., Ferrare R., Hair J., Shinozuka Y., Flynn C.J. The MERRA-2 aerosol reanalysis, 1980 onward, Part I: System description and data assimilation evaluation // J. Climate. 2017. V. 30, N 17. P. 6823–6850. DOI: 10.1175/JCLI-D-16-0609.1.
9. Buchard V., Randles C.A., da Silva A.M., Darmenov A., Colarco P.R., Govindaraju R., Ferrare R., Hair J., Beyersdorf A.J., Ziemba L.D., Yu H. The MERRA-2 aerosol reanalysis, 1980 onward. Part II: Evaluation and case studies // J. Climate. 2017. V. 30, N 17. P. 6851–6872. DOI: 10.1175/JCLI-D-16-0613.1.
10. Chin M., Ginoux P., Kinne S., Torres O., Holben B.N., Duncan B.N., Martin R.V., Logan J.A., Higurashi A., Nakajima T. Tropospheric aerosol optical thickness from the GOCART model and comparisons with satellite and sun photometer measurements // J. Atmos. Sci. 2002. V. 59, N 3. P. 461–483. DOI: 10.1175/1520-0469(2002)059,0461:TAOTFT.2.0.CO;2.
11. Colarco P., da Silva A., Chin M., Diehl T. Online simulations of global aerosol distributions in the NASA GEOS-4 model and comparisons to satellite and ground-based aerosol optical depth // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. DOI: 10.1029/2009JD012820.
12. Hess M.,P. Koepke S.I. Optical properties of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1998. V. 79, N 5. P. 831–844. DOI: 10.1175/1520-0477(1998)079,0831: OPOAAC.2.0.CO;2.
13. Wofsy S.C. The HIPPO science team and cooperating modellers and satellite team HIAPER Pole-to-Pole Observations (HIPPO): Fine-grained, global-scale measurements of climatically important atmospheric gases and aerosols // Phil. Trans. Math. Phys. Eng. Sci. 2011. V. 369, N 1943. P. 2073–2086. URL: http://dx.doi. org/10.1098/rsta.2010.0313 (last access: 30.11.2019).
14. Jacob D.J., Crawford J.H., Maring H., Clarke A.D., Dibb J.E., Emmons L.K., Ferrare R.A., Hostetler C.A., Russell P.B., Singh H.B., Thompson A.M., Shaw G.E., McCauley E., Pederson J.R., Fisher J.A. The Arctic Research of the Composition of the Troposphere from Aircraft and Satellites (ARCTAS) mission: Design, execution, and first results // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10, N 11. P. 5191–5212. URL: http://www.atmos-chem-phys.net/10/5191/2010/ (last access: 10.11.2019).
15. Schmeisser L., Backman J., Ogren J.A., Andrews E., Asmi E., Starkweather S., Uttal T., Fiebig M., Sharma S., Eleftheriadis K., Vratolis S., Bergin M., Tunved P., Jefferson A. Seasonality of aerosol optical properties in the Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18, N 16. P. 11599–11622.
16. Виноградова А.А., Копейкин В.М., Смирнов Н.С., Васильева А.В., Иванова Ю.А. Черный углерод в приземном воздухе в районе Печоро-Илычского заповедника: измерения и источники // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 6. С. 430–436; Vinogradova A.A., Kopeikin V.M., Smirnov N.S., Vasileva A.V., Ivanova Yu.A. Black carbon in near-surface air in Pechora-Ilych nature reserve: Measurements and sources // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 5. P. 521–527.
17. Сакерин С.М., Голобокова Л.П., Кабанов Д.М., Калашникова Д.А., Козлов В.С., Круглинский И.А., Макаров В.И., Макштас А.П., Попова С.А., Радионов В.Ф., Симонова Г.В., Турчинович Ю.С., Ходжер Т.В., Хуриганова О.И., Чанкина О.В., Чернов Д.Г. Результаты измерений физико-химических характеристик атмосферного аэрозоля на научно-исследовательском стационаре «Ледовая база “Мыс Баранова”» в 2018 г. // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 6. С. 421–429; Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Kalashnikova D.A., Kozlov V.S., Kruglinsky I.A., Makarov V.I., Makshtas A.P., Popova S.A., Radionov V.F., Simonova G.V., Turchinovich Yu.S., Khodzher T.V., Khuriganowa O.I., Chankina O.V., Chernov D.G. Measurements of physicochemical characteristics of atmospheric aerosol at research station Ice Base Cape Baranov in 2018 // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 5. P. 511–520.
18. Чернов Д.Г., Козлов В.С., Панченко М.В., Турчинович Ю.С., Радионов В.Ф., Губин А.Б., Прахов А.Н. Особенности изменчивости концентраций аэрозоля и сажи в приземном слое воздуха в Баренцбурге (Шпицберген) в 2011–2013 гг. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2014. № 4 (102). С. 34–44.
19. Popovicheva O.B., Evangeliou N., Eleftheriadis K., Kalogridis A.C., Sitnikov N., Eckhardt S., Stohl A. Black carbon sources constrained by observations in the Russian High Arctic // Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51, N 7. P. 3871–3879. DOI: 10.1021/acs.est.6b05832.
20. Popovicheva O., Diapouli E., Makshtas A., Shonija N., Manousakas M., Saraga D., Uttal T., Eleftheriadis K. East Siberian Arctic background and black carbon polluted aerosols at HMO Tiksi // Sci. Total Environ. 2019. V. 655. P. 924–938. URL: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.11.165 (last access: 30.11.2019).
21. Sakerin S.M., Kabanov D.M., Pol’kin V.V., Golobokova L.P., Zenkova P.N., Kessel A.S., Pol’kin Vas.V., Radionov V.F., Terpugova S.A., Urazgildeeva A.V., Khodzher T.V., Khuriganowa O.I. Features of spatial distribution of aerosol characteristics over Arctic seas // Proc. SPIE. 2018. V. 10833, N 39. DOI: 10.1117/12.2502013.
22. Кирин Д.В., Крутиков Н.О., Лукьянов А.Н., Струнин А.М., Струнин М.А. Результаты сравнительного анализа сравнения аэрозольных примесей в атмосфере регионов Арктики и Московской области по данным самолетных исследований в 2014–2015 годах // Тр. Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2018. Вып. 662. С. 219–223.
23. Sharma S., Ishizawa M., Chan D., Lavoué D., Andrews E., Eleftheriadis K., Maksyutov S. 16-year simulation of Arctic black carbon: Transport, source contribution, and sensitivity analysis on deposition // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118, N 1. P. 943–964.
24. Hirdman D., Burkhart J.F., Sodemann H., Eckhardt S., Jefferson A., Quinn P.K., Sharma S., Ström J., Stoh A. Long-term trends of black carbon and sulphate aerosol in the Arctic: Changes in atmospheric transport and source region emissions // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10, N 19. P. 9351–9368.
25. Quinn P.K., Shaw G., Andrews E., Dutton E., Ruoho-Airola T., Gong S. Arctic haze: Current trends and knowledge gaps // Tellus В. 2007. V. 59, N 1. P. 99–114.
26. Stohl A., Klimont Z., Eckhardt S., Kupiainen K., Shevchenko V.P., Kopeikin V.M., Novigatsky A.N. Black carbon in the Arctic: The underestimated role of gas flaring and residential combustion emissions // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13, N 17. P. 8833–8855.
27. Evangeliou N., Balkanski Y., Hao W.M., Petkov A., Silverstein R.P., Corley R., Nordgren B.L., Urbansk S.P., Eckhardt S., Stohl A., Tunved P., Crepinsek S., Jefferson A., Sharma S., Nøjgaard J.K., Skov H. Wildfires in northern Eurasia affect the budget of black carbon in the Arctic – a 12-year retrospective synopsis (2002–2013) // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16. P. 7587–7604.
28. Lisok J., Rozwadowska A., Pedersen J.G., Markowicz K.M., Ritter C., Kaminski J.W., Struzewska J., Mazzola M., Udisti R., Becagli S., Gorecka I. Radiative impact of an extreme Arctic biomass-burning event // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18, N 12. P. 8829–8848.
29. Stone R., Anderson G., Shettle E., Andrews E., Loukachine K., Dutton E., Schaaf C., Roman M. Radiative impact of boreal smoke in the Arctic: Observed and modeled // J. Geophys. Res.: Atmos. 2008. V. 13, N D14S16. DOI: 10.1029/2007JD009657.
301. Виноградова А.А., Копейкин В.М., Смирнов Н.С. Мониторинг концентрации черного углерода в приземном воздухе в районе Печоро-Илычского биосферного заповедника // Успехи современного естествознания. 2019. № 11. С. 64–69.
31. Asmi E., Kondratyev V., Brus D., Laurila T., Lihavainen H., Backman J., Vakkari V., Aurela M., Hatakka J., Viisanen Y., Uttal T., Ivakhov V., Makshtas A. Aerosol size distribution seasonal characteristics measured in Tiksi, Russian Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 3. P. 1271–1287.
32. Виноградова А.А., Титкова Т.Б., Иванова Ю.А. Эпизоды аномально высокой концентрации черного углерода в приземном воздухе в районе станции Тикси, Якутия // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 10. С. 837–844; Vinogradova A.A., Titkova T.B., Ivanova Yu.A. Episodes with anomalously high black carbon concentration in surface air in the region of Tiksi station, Yakutiya // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 1. P. 94–102.
33. Виноградова А.А., Васильева А.В. Черный углерод в воздухе северных районов России: источники, пространственные и временные вариации // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 6. С. 467–475; Vinogradova A.A., Vasileva A.V. Black carbon in air over Northern Regions of Russia: Sources and spatiotemporal variations // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 6. P. 533–541.
34. Виноградова А.А., Титкова Т.Б., Васильева А.В., Иванова Ю.А. Влияние летних природных пожаров в России на содержание черного углерода в атмосфере над арктическим побережьем Евразии // Тез. междунар. симпоз. «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2019) 24–27 июня 2019, Санкт-Петербург, Петродворец. С. 134–135. URL: http://www.rrc.phys. spbu.ru/msard19/thesis.pdf (last access: 30.11.2019).
35. Xu Jun-Wei, Martin R.V., Morrow A., Sharma S., Huang L., Leaitch W.R., Burkart J., Schulz H., Zanatta M., Willis M.D., Henze D.K., Lee C.J., Herber A.B., Abbatt J.P.D. Source attribution of Arctic black carbon constrained by aircraft and surface measurements // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 11971–11989. URL: https://doi.org/10.5194/acp-17-11971-2017.
36. Dibb J.E. Vertical mixing above Summit, Greenland: Insights into seasonal and high frequency variability from the radionuclide tracers 7Be and 210Pb // Atmos. Environ. 2007. V. 41. P. 5020–5030. URL: https:// doi.org/10.1016/jatmosenv.2006.12.005.
37. Stohl A. Characteristics of atmospheric transport into the Arctic troposphere // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. URL: https://doi.org/10.1029/005JD006888 (last access: 30.11.2019).
38. Evangeliou N., Kylling A., Eckhardt S., Myroniuk V., Stebel K., Paugam R., Zibtsev S., Stohl A. Open fires in Greenland in summer 2017: Transport, deposition and radiative effects of BC, OC and BrC emissions // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 1393–1411. URL: https://doi.org/10.5194/acp-19-1393-2019.
39. Stohl A., Berg T., Burkhart J.F., Fjaeraa A.M., Forster C., Herber A., Hov O., Lunder C., McMillan W.W., Oltmans S., Shiobara M., Simpson D., Solberg S., Stebel K., Strom J., Torseth K., Treffeisen R., Virkkunen K., Yttri K.E. Arctic smoke – record high air pollution levels in the European Arctic due to agricultural fires in Eastern Europe in spring 2006 // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7. P. 511–534.