Том 36, номер 10, статья № 9

Аннотация:

На основе анализа FTIR-спектров высокого спектрального разрешения, зарегистрированных на станции атмосферного мониторинга СПбГУ в период 2009–2022 гг., исследована возможность определения тропосферного содержания NO₂ по наземным измерениям прямого солнечного излучения в среднем ИК-диапазоне. Наилучшее согласие (коэффициент корреляции r = 0,68) с одновременными независимыми DOAS-измерениями тропосферного содержания NO₂ на той же станции продемонстрировала методика, основанная на использовании спектрального интервала 2914,30–2914,85 см^-1 в сочетании с регуляризацией Тихонова–Филлипса. Показано, что FTIR-измерения позволяют уверенно детектировать высокие уровни тропосферного содержания NO₂ на станции СПбГУ. Результаты, представленные в работе, могут быть использованы на FTIR-станциях международной сети NDACC, что в дальнейшем позволит значительно расширить географию мониторинга тропосферного содержания NO₂.

Ключевые слова:

диоксид азота, наземные FTIR-измерения, наземные DOAS-измерения, тропосферное содержание, обратные задачи атмосферной оптики

Список литературы:

1. Экологический портал Санкт-Петербурга. Комитет по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности. Состояние окружающей среды. Атмосферный воздух. URL: https://www.infoeco.ru/index.php?id=53.
2. Molina J.M., Molina L.T. Megacities and atmospheric pollution // J. Air Waste Manag. Associat. 2004. V. 54, N 6. P. 644–680. DOI: 10.1080/10473289.2004.10470936.
3. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 2006. P. 1232.
4. Ионов Д.В., Поберовский А.В., Ионов В.В. Дистанционные спектроскопические измерения содержания NO₂ в городском воздухе (на примере Санкт-Петербурга) // Журн. прикладной спектроскопии. 2017. Т. 84, № 1. С. 127–131.
5. Ионов Д.В., Кшевецкая М.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В. Содержание NO₂ в стратосфере по данным наземных измерений солнечного ИК-излучения // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2013. Т. 49, № 5. C. 565–575.
6. Platt U., Stutz J. Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS), Principles and Applications. Berlin–Heidelberg: Springer, 2008. P. 598. DOI: 10.1007/978-3-540-75776-4.
7. Макарова М.В., Кирнер О., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Имхасин Х.Х., Осипов С.И., Макаров Б.К. Анализ изменчивости атмосферного метана вблизи Санкт-Петербурга по данным наземных измерений и моделирования // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2015. Т. 51, № 2. С. 201–209. DOI: 10.7868/S0002351515010083.
8. Vigouroux C., Bauer Aquino C.A., Bauwens M., Becker C., Blumenstock T., De Mazière M., García O., Grutter M., Guarin C., Hannigan J., Hase F., Jones N., Kivi R., Koshelev D., Langerock B., Lutsch E., Makarova M., Metzger J.-M., Müller J.-F., Notholt J., Ortega I., Palm M., Paton-Walsh C., Poberovskii A., Rettinger M., Robinson J., Smale D., Stavrakou T., Stremme W., Strong K., Sussmann R., Té Y., Toon G. NDACC harmonized formaldehyde time series from 21 FTIR stations covering a wide range of column abundances // Atmos. Meas. Tech. 2018. V. 11. P. 5049–5073. DOI: 10.5194/amt-11-5049-2018.
9. Lutsch E., Strong K., Jones D.B.A., Blumenstock T., Conway S., Fisher J.A., Hannigan J.W., Hase F., Kasai Y., Mahieu E., Makarova M., Morino I., Nagahama T., Notholt J., Ortega I., Palm M., Poberovskii A.V., Sussmann R., Warneke T. Detection and attribution of wildfire pollution in the Arctic and northern midlatitudes using a network of Fourier-Transform infrared spectrometers and GEOS-Chem // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. P. 12813–12851. DOI: 10.5194/acp-20-12813-2020.
10. IRWG NDACC. URL: https://www2.acom.ucar.edu/ irwg (дата обращения: 16.08.2023).
11. Поберовский А.В. Наземные измерения ИК-спектров солнечного излучения с высоким спектральным разрешением // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 1. С. 56–58; Poberovskii A.V. High-resolution ground measurements of the IR spectra of solar radiation // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 2. P. 161–164.
12. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.: Наука, 2003. 474 с.
13. García O.E., Schneider M., Sepúlveda E., Hase F., Blumenstock T., Cuevas E., Ramos R., Gross J., Barthlott S., Röhling A.N., Sanromá E., González Y., Gómez-Peláez Á.J., Navarro-Comas M., Puentedura O., Yela M., Redondas A., Carreño V., León-Luis S.F., Reyes E., García R.D., Rivas P.P., Romero-Campos P.M., Torres C., Prats N., Hernández M., López C. Twenty years of ground-based NDACC FTIR spectrometry at Izaña Observatory – overview and long-term comparison to other techniques // Atmos. Chem. Phys. 2021. V. 21. P. 15519–15554. DOI: 10.5194/acp-21-15519-2021.
14. Gordon I.E., Rothman L.S., Hill C., Kochanov R.V., Tan Y., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Campargue A., Chance K.V., Drouin B.J., Flaud J.-M., Gamache R.R., Hodges J.T., Jacquemart D., Perevalov V.I., Perrin A., Shine K.P., Smith M.-A.H., Tennyson J., Toon G.C., Tran H., Tyuterev V.G., Barbe A., Császár A.G., Devi V.M., Furtenbacher T., Harrison J.J., Hartmann J.-M., Jolly A., Johnson T.J., Karman T., Kleiner I., Kyuberis A.A., Loos J., Lyulin O.M., Massie S.T., Mikhailenko S.N., Moazzen-Ahmadi N., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Polyansky O.L., Rey M., Rotger M., Sharpe S.W., Sung K., Starikova E., Tashkun S.A., Vander Auwera J., Wagner G., Wilzewski J., Wcisło P., Yu S., Zak E.J. The HITRAN2016 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 203. P. 3–69. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2017.06.038.
15. Toon G.C., Blavier J.F., Keeyoon Sung, Rothman L.S., Gordon I.E. HITRAN spectroscopy evaluation using solar occultation FTIR spectra // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2016. V. 182. P. 324–336. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2016.05.021.
16. S5P Routine Operations Consolidated Validation Report. Issue 18.01.00. 3 April 2023. P. 196. URL: https: // mpc-vdaf.tropomi.eu/ProjectDir/ report//pdf/S5P-MPC-IASB-ROCVR-18.01.00-FINAL.pdf.
17. NDACC, NCEP Data Access. URL: https://www-air.larc.nasa.gov/missions/ndacc/data.html? NCEP=ncep-list.
18. Rodgers C.D. Inverse Methods for Atmospheric Sounding: Theory and Practice. Singapore: World Scientific Publishing, 2000. V. 2. 256 р. DOI: 10.1142/3171.
19. Garcia R.R., Marsh D.R., Kinnison D.E., Boville B.A., Sassi F. Simulation of secular trends in the middle atmosphere, 1950–2003 // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. P. D09301. DOI: 10.1029/2006JD007485.
20. Тихонов А.Н. О решении некорректно поставленных задач и методе регуляризации // Докл. АН СССР. 1963. T. 151, № 3. С. 501–504.
21. Vigouroux C., Stavrakou T., Whaley C., Dils B., Duflot V., Hermans C., Kumps N., Metzger J.-M., Scolas F., Vanhaelewyn G., Müller J.-F., Jones D.B.A., Li Q., De Mazière M. FTIR time-series of biomass burning products (HCN, C₂H₆, C₂H₂, CH₃OH, and HCOOH) at Reunion Island (21° S, 55° E) and comparisons with model data // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12. P. 10367–10385. DOI: 10.5194/acp-12-10367-2012.
22. Hase F., Hannigan J.W., Coffey M.T., Goldman A., Höpfner M., Jones N.B., Rinsland C.P., Wood S.W. Intercomparison of retrieval codes used for the analysis of high-resolution, ground-based FTIR measurements // J. Quant. Spectros. Radiat. Transfer. 2004. V. 87. P. 25–52.
23. Chesnokova T.Yu., Makarova M.V., Chentsov A.V., Kostsov V.S., Poberovskii A.V., Zakharov V.I., Rokotyan N.V. Estimation of the impact of differences in the CH₄ absorption line parameters on the accuracy of methane atmospheric total column retrievals from ground-based FTIR spectra // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2020. V. 254. P. 107187. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2020.107187.
24. Steck T. Methods for determining regularization for atmospheric retrieval problems // Appl. Opt. 2002. V. 41, N 9. P. 1788–1797. DOI: 10.1364/ao.41.001788.
25. Sussmann R., Forster F., Rettinger M., Jones N. Strategy for high-accuracy-and-precision retrieval of atmospheric methane from the mid-infrared FTIR network // Atmos. Meas. Tech. 2011. V. 4. P. 1943–1964. DOI: 10.5194/amt-4-1943-2011.
26. Ionov D., Poberovskii A. Quantification of NO_x emission from St. Petersburg (Russia) using mobile DOAS measurements around entire city // Int. J. Remote Sens. 2015. V. 36, N 9. P. 2486–2502. DOI: 10.1080/01431161.2015.1042123.