Сравнение характеристик изменчивости тропосферных содержаний химически активных газов в ясных и облачных условиях, оцененных методом дифференциальной спектроскопии

Спектральные измерения рассеянного солнечного излучения используются для определения содержания газовых примесей в вертикальном столбе атмосферы методом дифференциальной спектроскопии (DOAS), к преимуществам которой относят нетребовательность к абсолютной калибровке измерительной аппаратуры. На первом этапе этого метода определяется так называемое содержание примеси в наклонном столбе атмосферы, которое оценивается по разности оптических толщ атмосферы, на длинах волн с различным поглощением целевой примеси в атмосфере. Показано, что содержание примеси в наклонном столбе атмосферы является взвешенным средним содержания примеси в вертикальном столбе атмосферы [1]. При этом весовыми функциями осреднения являются коэффициенты послойных воздушных масс (КПВМ), которые зависят от высоты и определяются характеристиками рассеяния и поглощения в атмосфере [1]. В случае известных оптических свойств атмосферы весовые функции могут быть вычислены с использованием линеаризованной модели переноса излучения [1]. На втором этапе проводится преобразование содержания примеси в наклонном столбе атмосферы в содержание примеси в вертикальном. Такое преобразование возможно в том случае, если 1) есть возможность расчета коэффициентов послойных воздушных масс и 2) есть информация об относительном вертикальном распределении содержания примеси в атмосфере или проводится многоугловое зондирование.
Наиболее просто применять описанный метод в ясных погодных условиях. В этом случае изменчивость параметров атмосферы, влияющих на вычисление КПВМ, мала по сравнению с их изменчивостью в облачных условиях. Существенно также то, что моделирование переноса радиации занимает на порядки меньше компьютерного времени. В безоблачных условиях наиболее значимым переменным параметром атмосферы является аэрозоль. Он оказывает влияние на оптические свойства атмосферы в УФ и видимой областях спектра - в полосах поглощения таких примесей, как двуокись азота (NO2), формальдегид (HCHO) и др.
В наших предыдущих работах [2-3] мы предложили подход к преобразованию содержания примеси в наклонном столбе атмосферы в содержание в вертикальном в условиях сплошной облачности. Нами были исследованы ошибки определения содержания HCHO в таких условиях в зависимости от доступной информации об облачности [3].
В 2008 г. на Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН начались измерений спектров рассеянного солнечного излучения в видимом и УФ спектральном диапазоне. Эти измерения позволяют получить информацию об ИС NO2 [4] и HCHO [5] в ПСА. ЗНС расположена в 30 км к западу от Москвы, что позволяет проводить оценку значений содержания и формальдегида в тропосфере в фоновых условиях и во время эпизодов, когда в атмосфере над ЗНС наблюдаются воздушные массы, сформированные над Москвой или подвергшиеся ее влиянию.
С использованием измерений на ЗНС мы отдельно обработали наблюдения, проведенные в облачных условиях и в условиях сплошной облачности. Идентификация условий облачности, проведенная с привлечением метеорологической информации, была уточнена с использованием значений индекса цветности, полученным непосредственно из анализируемых спектров [5].
В работе представлены первые результаты определения ИС NO2 и HCHO в ПСА в условиях сплошной облачности. Проведено сравнение статистических характеристик изменчивости ИС газов в условиях сплошной облачности с таковыми в ясных условиях. Предварительный анализ показывает, что в фоновых условиях средние значения ИС HCHO в ПСА при наличии сплошной облачности и без облачности приблизительно совпадают. Однако в условиях присутствия в атмосфере над ЗНС загрязненных воздушных масс, сформированных над Москвой, наблюдаются повышенные значения ИС HCHO в условиях сплошной облачности по сравнению значениями, полученными в ясных условиях [6]. Возможной причиной наблюдаемых различий может быть влияние уровня освещенности на скорости фотохимических реакции, приводящих к образованию и разрушению формальдегида.
Работа была выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант #15-17-10001).