Мониторинг оптических и микрофизических характеристик аэрозоля в тропосфере Западной Сибири. Эмпирическая модель радиационно-значимых параметров.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-77-20092

НазваниеМониторинг оптических и микрофизических характеристик аэрозоля в тропосфере Западной Сибири. Эмпирическая модель радиационно-значимых параметров.

Руководитель Панченко Михаил Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-607 - Химические процессы, малые газовые составляющие, аэрозоли

Ключевые слова атмосферный аэрозоль, тропосфера, рассеяние, поглощение, распределение по размерам, альбедо однократного рассеяния, мониторинг, моделирование

Код ГРНТИ37.21.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение одной из наиболее актуальных задач в общей проблеме климатических изменений, решение которых невозможно без детального изучения оптических и микрофизических свойств атмосферного аэрозоля, их межгодовой, сезонной и суточной изменчивости в различных географических зонах планеты. По заключению Межправительственной группы по изучению изменений климата (IPCC) наиболее низкий уровень научного знания при оценках радиационного воздействия различных составляющих атмосферы присвоен именно проблеме аэрозоля в атмосфере и особо отмечен явный недостаток надежных, научно обоснованных данных об изменении окружающей среды на региональном уровне. Определяя стратегию решения этих проблем и ключевых задач постановки исследований, авторы проекта руководствовались следующими соображениями. В ЦКП «Атмосфера» Института оптики атмосферы СО РАН сосредоточен значительный комплекс необходимого для изучения аэрозоля оборудования: а) пункт фотометрической сети «Аэронет» (https://aeronet.gsfc.nasa.gov/) (руководитель проекта М.В. Панченко является соруководителем сети NASA из 6 пунктов на территории России), б) имеется станция приема спутниковой информации (http://cosmo.iao.ru/ru), в) каждый месяц проводится самолетное зондирование в тропосфере региона до высоты 7 км (с участием авторов проекта), г) регулярно осуществляется лазерное зондирование. Но, учитывая специфику погодных условий в регионе (от 55 до 60 дней открытого неба в году) и существенные неопределенности в оценивании восстанавливаемых аэрозольных характеристиках, присущие дистанционным методам, понятно, что обеспечить получение необходимой информации обо всем многообразии «аэрозольной оптической погоды» без мониторингового режима комплексных измерений в приземном слое нереально. Ядром проекта являются комплексные измерения оптических и микрофизических характеристик в мониторинговом режиме в приземной атмосфере на двух постах (Аэрозольная станция в Академгородке г. Томска и Обсерватория «Фоновая» ИОА СО РАН), самолетное зондирование (1 раз в месяц) и применение полученных данных для развития эмпирической модели оптических характеристик аэрозоля в тропосфере Западной Сибири. Для решения задач, поставленных в проекте, нами предполагается реализовать следующие этапы: 1) осуществить дальнейшее совершенствование аппаратурной и методической базы исследования рассеивающих и поглощающих свойств аэрозоля и его конденсационной активности, в т.ч. с применением разработанных в коллективе методов активной спектронефелометрии и определения спектра размеров поглощающего вещества в составе субмикронного аэрозоля; 2) продолжить мониторинг (который ведется с 1997 г. в Академгородке г. Томска, а с 2011 г. – параллельно в фоновом лесном районе) рассеивающих и поглощающих характеристик, спектров размеров и параметра конденсационной активности аэрозоля в приземном слое атмосферы; 3) выявить основные циклы и тенденции межгодовой изменчивости рассеивающих и поглощающих свойств атмосферного аэрозоля в приземном слое атмосферы и в тропосфере (до высот 7 км); 4) на основе многолетнего ряда синхронных измерений в двух пунктах сформировать массивы данных, которые составят основу моделирования оптических характеристик аэрозоля, соответствующих региональному масштабу (отдельно выделить периоды влияния города, а также ситуации, в которых наблюдалось существенное воздействие природных пожаров на состав аэрозоля). Прежде чем перейти к описанию следующего этапа, связанного с моделированием, отметим важный момент. Относительная влажность воздуха является одним из наиболее динамичных и важных факторов, определяющих изменение оптические свойства аэрозоля, в первую очередь, в суточном ходе, а также при смене воздушных масс. В настоящее время для исследования свойств аэрозоля используется большое число разнообразных устройств (фотоэлектрические счетчики, спектрометры подвижности, нефелометры, аэталометры и т.п.), в которых осуществляется отбор пробы атмосферного воздуха, и измерения проводятся во внутреннем объеме прибора. И во многих публикациях при описании результатов не обсуждается проблема возможного нагрева пробы, а, следовательно, и изменения величины относительной влажности, при которой происходит регистрация. Особо остро отсутствие этих сведений сказывается на возможности корректной интерпретации данных длительных наблюдений (при переходе от холодного периода к теплому) в реальной атмосфере. Во всех наших измерениях в мониторинговом режиме и на самолете-лаборатории отбор пробы производится с дополнительным нагревом (delta T=+20°), и тем самым обеспечивается снижение относительной влажности воздуха до значений менее 30%. Проведенные ранее оценки показывают, что при такой величине относительной влажности воздуха не происходит каких либо фазовых переходов в структуре аэрозольных частиц, и эти данные мы называем характеристиками «сухой основы аэрозоля». На первом этапе моделирования проводится реконструкция функции распределения частиц по размерам в виде двух фракций, субмикронной и грубодисперсной, задаваемых логнормальными функциями. Оценка параметров фракций основывается на данных измерений фотоэлектрическими счетчиками (в ограниченном диапазоне размеров), дополняется на основе сведений, полученных при решении обратной задачи по данным нефелометрических измерений (область радиусов от 0,05 до 0,5 мкм) и ореольного фотометра (радиус частиц свыше 1 мкм). На следующем этапе для «сухой» основы аэрозоля проводится моделирование распределения по размерам и значений показателей преломления и поглощения. Здесь величина действительной части показателя преломления оценивается по результатам обращения нефелометрических измерений, а мнимой части – исходя из данных измерений распределения поглощающего вещества по размерам. На сегодняшний день оценки мнимой части проводятся в соответствии с оптическими характеристиками сажи. Надеемся, что, по мере развития приборного парка, нам удастся получить более детальные сведения о спектральной зависимости комплексного показателя преломления поглощающей субстанции в аэрозольных частицах. Далее реализуется блок «увлажнения», в котором на основе измерений параметра конденсационной активности моделируется изменение размера и комплексного показателя преломления аэрозоля при увеличении (или снижении) содержания воды в частицах, а затем по теории Ми осуществляется расчет спектрального хода коэффициентов рассеяния, поглощения, индикатрис рассеяния и т.д. Такая схема реконструкции, в зависимости от конкретных задач, осуществляется на основе данных самолетных измерений для необходимого набора высот, затем определяется спектральный ход аэрозольной оптической толщи, и качество ее восстановления тестируется на основе сопоставления с данными фотометрических измерений. Авторы проекта уже имеют определенный положительный опыт реализации подобного эмпирического подхода при оценках радиационных эффектов аэрозоля для средних летних фоновых условий в регионе и ситуаций с сильным задымлением в период лесных пожаров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Панченко М.В., Полькин В.В., Полькин Вас.В., Козлов В.С., Яушева Е.П., Шмаргунов В.П. Size Distribution of Dry Matter of Particles in the Surface Atmospheric Layer in the Suburban Region of Tomsk within the Empirical Classification of Aerosol Weather Types Atmospheric and oceanic optics, Vol. 32, No. 6, pp. 655–662. (год публикации - 2019)
10.1134/S1024856019060113

2. Козлов В.С., Яушева Е.П., Панченко М.В., Шмаргунов В.П. City – background difference in diagrams of relation of the scattering coefficient and the Black Carbon fraction in the near-surface aerosol for different types of aerosol weather Proceedings of SPIE, V. 11208, 11208 5z (год публикации - 2019)

3. Полькин В.В., Панченко М.В. Fitting of the particle size distributions by lognormal functions in the frameworks of empirical classification of the “aerosol weather” types Proceedings of SPIE, V.11208, 11208 47 (год публикации - 2019)

4. Полькин Вас.В., Панченко М.В. Annual variation of the of aureole scattering phase function at the surface layer of the Tomsk suburb proceedings of SPIE, V. 11208, 11208 4C (год публикации - 2019)

5. Панченко М.В., Козлов В.С., Полькин В.В., Полькин Вас.В., Терпугова С.А., Чернов Д.Г., Ужегов В.Н., Шмаргунов В.П., Яушева Е.П., Зенкова П.Н. Aerosol characteristics in the near-ground layer of the atmosphere of the city of Tomsk in different types of aerosol weather Atmosphere, 2020. V. 11. No. 1. P. 20–39. (год публикации - 2020)
10.3390/atmos11010020

6. Терпугова С.А., Панченко М.В., Козлов В.С., Шмаргунов В.П., Курышев С.П. Diurnal behavior of hygro- and thermooptical parameters of near-ground aerosol in winter 2019-2020 Proceedings of SPIE, V. 11560. 11560 3E (год публикации - 2020)
10.1117/12.2574846

7. Терпугова С.А., Панченко М.В., Яушева Е.П., Чернов Д.Г., Полькин Вас.В., Полькин В.В., Козлов В.С., Шмаргунов В.П. Relations between the aerosol condensation activity and the content of compounds of different volatility in its composition Proceedings of SPIE, V. 11560. 11560 3R (год публикации - 2020)
10.1117/12.2575062

8. Чернов Д.Г., Козлов В.С., Панченко М.В., Терпугова С.А., Шмаргунов В.П. Analysis of correlations between aerosol characteristics of the atmosphere at different altitudes based on the results of aircraft measurements in the Novosibirsk region, Zavyalovo, in 2000-2018 Proceedings of SPIE, V. 11560. 11560 4F (год публикации - 2020)
10.1117/12.2575545

9. Полькин В.В., Яушева Е.П., Панченко М.В. Diurnal behavior of concentrations of submicron and coarse particles in different seasons in the frameworks of empirical classification of types of “aerosol weather” Proceedings of SPIE, V. 11560. 11560 3H (год публикации - 2020)
10.1117/12.2574959

10. Яушева Е.П., Панченко М.В., Козлов В.С., шмаргунов В.П. Repeatability of various types of “aerosol weather” in diurnal behavior of the aerosol and soot concentrations in various seasons in the Tomsk suburban region and background conditions Proceedings of SPIE, V. 11560, 11560 3T (год публикации - 2020)
10.1117/12.2575118

11. Зенкова П.Н., Терпугова С.А., Полькин Вас.В., Полькин В.В., Козлов В.С., Яушева Е.П., Панченко М.В. Model calculation of the aerosol optical characteristics at different variants of considering hygroscopic and absorbing properties on the example of atmospheric hazes Proceedings of SPIE, V.11560. 11560 3G (год публикации - 2020)
10.1117/12.2574942

12. Полькин Вас.В., Яушева Е.П., Панченко М.В. Aureole scattering phase function for various types of aerosol weather in 2010-2019 Proceedings of SPIE, V.11560. 11560 3W (год публикации - 2020)
10.1117/12.2575292

13. Терпугова С.А., Панченко М.В., Яушева Е.П., Чернов Д.Г., Полькин Вас.В., Полькин В.В., Козлов В.С., Шмаргунов В.П. Aerosol thermooptical characteristics in different types of aerosol weather Proceedings of SPIE, V. 11560. 11560 3Q (год публикации - 2020)
10.1117/12.2575061

14. Панченко М.В., Яушева Е.П., Чернов Д.Г., Козлов В.С., Макаров В.И., Попова С.А., Шмаргунов В.П. Submicron aerosol and Black Carbon in the troposphere of Southwestern Siberia (1997–2018) Atmosphere, V.12. No.3. P.351-370 (год публикации - 2021)
10.3390/atmos12030351

15. Полькин В.В., Панченко М.В., Терпугова С.А. Конденсационная активность частиц атмосферного аэрозоля разного размера по данным фотоэлектрического счетчика Оптика атмосферы и океана, Т. 34. № 12. С. 956–964 (год публикации - 2021)
10.15372/AOO20211205

16. Полькин Вас.В., Полькин Вик.В., Яушева Е.П. Diurnal behavior of scattering phase function at 1.2 and 20 degrees in different type of aerosol weather Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

17. Полькин Вик.В., Терпугова С.А., Шмаргунов В.П. Aspects of a technique for calculating the Hanel parameters of condensation activity of submicron particles based on the data of an optical counter Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

18. Полькин В.В., Терпугова С.А., Шмаргунов В.П., Панченко М.В. Comparison of the parameters of condensation activity of submicron aerosol obtained by means of an optical counter and an integral nephelometer Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

19. Полькин В.В., Терпугова С.А., Шмаргунов В.П., Панченко М.В., Антонов А.В. Diurnal variability of the parameters of condensation activity of submicron aerosol according to the data of an optical counter and an integral nephelometer Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

20. Терпугова С.А., Зенкова П.Н., Антонов А.В., Панченко М.В. Study of the role of particles of different size in the aerosol condensation activity by the method of diffusion selection Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

21. Терпугова С.А., Полькин В.В., Антонов А.В., Шмаргунов В.П., Панченко М.В. Relation between the aerosol condensation activity with different size fractions of the aerosol dry matter Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

22. Яушева Е.П., Панченко М.В., Козлов В.С., Шмаргунов В.П. Seasonal variability of the correlations between the mass concentrations of submicron aerosol and black carbon at the Aerosol Station (Tomsk) and in the Fonovaya Observatory in 2014-2020 Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

23. Зенкова П.Н., Чернов Д.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Панченко М.В. Vertical profiles of aerosol and absorbing matter over settlements in the north of Russia Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

24. Чернов Д.Г., Козлов В.С., Панченко М.В., Терпугова С.А., Шмаргунов В.П. Analysis of correlation relationships of scattering coefficients of submicron aerosol and mass concentration of soot according to aircraft measurements 2000–2018 Proceedings of SPIE, V. 11916 (год публикации - 2021)

25. Зенкова П.Н., Терпугова С.А., Полькин В.В., Полькин Вас.В., Ужегов В.Н., Козлов В.С., Яушева Е.П., Панченко М.В. Development of an Empirical Model of Optical Characteristics of Aerosol in Western Siberia Atmospheric and Oceanic Optics, V. 34, No. 4, pp. 320–326. (год публикации - 2021)
10.1134/S1024856021040151

26. Полькин В.В., Панченко М.В., Терпугова С.А. Condensation Activity of Different-Size Particles of Atmospheric Aerosol Using Photoelectric Counter Measurements Atmospheric and Oceanic Optics, V. 35. No. 02. pp. 133–141 (год публикации - 2022)
10.1134/S1024856022020075

27. Терпугова С.А., Антонов А.В., Полькин Вас.В., Чернов Д.Г., Яушева Е.П., Панченко М.В. Relationship of the aerosol condensation activity with concentration of particles in the nanometer size range Proceedings of SPIE, V. 12341, P. 12341 36 (год публикации - 2022)

28. Полькин В.В., Шмаргунов В.П., Панченко М.В. Application of small particle counters for estimation of parameters of condensation activity of atmospheric aerosol Proceedings of SPIE, V. 12341, P. 12341 21 (год публикации - 2022)

29. Зенкова П.Н., Чернов Д.Г., Панченко М.В. Complex refractive index in the model of the vertical profile of aerosol optical characteristics in the troposphere of Western Siberia Proceedings of SPIE, V. 12341, P. 12341 38 (год публикации - 2022)

30. Полькин В.В., Панченко М.В. Временная изменчивость концентраций субмикронных и крупнодисперсных частиц в приземном слое атмосферы на Аэрозольной станции ИОА СО РАН г. Томска (2000-2020 гг.) Оптика атмосферы и океана, т. 35, № 06. С. 471–476 (год публикации - 2022)
10.15372/AOO20220606

31. Полькин Вас.В., Полькин В.В., Панченко М.В. Многолетние наблюдения ореольной индикатрисы рассеяния в приземном слое пригорода г.Томска (2010 - 2021 г) Оптика атмосферы и океана, т. 35, № 12, С. 987-993 (год публикации - 2022)
10.15372/AOO20221203

Публикации