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 23-27-00166

НазваниеСпутниковые исследования пространственной и временной изменчивости содержания озона в тропосфере над территорией России

РуководительВиролайнен Яна Акселевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2024 г.

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

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

Ключевые словаТропосферный озон, парниковый эффект, загрязнение атмосферы, Российские метеорологические спутники

Код ГРНТИ87.17.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Тропосферный озон (ТО) является одновременно и парниковым, и загрязняющим химически активным газом. Влияние ТО как парникового газа на климат оценивается с точки зрения его радиационного воздействия (РВ). Результаты расчетов ряда моделей оценивают РВ за счет ТО как +(0,40 ± 0,20) Вт м-2, что составляет примерно 10% от совокупного антропогенного РВ за весь индустриальный период; ТО является третьим по величине РВ на климат газом в тропосфере после углекислого газа и метана. Большая погрешность оценки вклада ТО в РВ вызвана как неопределенностью в оценке его доиндустриальных значений, так и недостаточностью знаний о современном состоянии его пространственного распределения. В последние годы изучению ТО уделяется все больше внимания; эти исследования показывают, что в одних регионах наблюдается рост, в других – уменьшение его содержания. В рамках международного проекта IGAC (International Global Atmospheric Chemistry - Международная Глобальная Атмосферная Химия), главной целью которого являются глобальные исследования в области атмосферной химии, в 2018 году был подготовлен отчет, посвященный изучению тропосферного озона TOAR (Tropospheric Ozone Assessment Report - Тропосферный Озон - Оценочный Отчет). В этом отчете показано, что наибольшие величины содержания ТО наблюдаются над территорией Евразии, при этом территория России вообще не была включена в детальный анализ. По модельным оценкам, нормализованная на 1 е. Д. величина РВ за счет ТО составляет в среднем для безоблачной атмосферы +0,05 Вт м-2. Таким образом, можно получить предварительные оценки воздействия ТО на климат в отдельных регионах России по оценкам его трендов. Настоящий Проект направлен на изучение пространственных и временных вариаций содержания ТО над территорией России, в частности, над играющими важную роль в изменениях глобального климата территориями Арктики и Субарктики. Исследования будут основаны, в первую очередь, на результатах измерений российского спектрометра ИКФС-2 на борту спутника «Метеор-М» № 2 (на орбите с 2014 г.), ряда других спутниковых и наземных приборов, а также данных моделирования. В результате работы над Проектом будет создан уникальный программный продукт для получения информации о содержании озона в тропосфере с помощью российских спутников. С его использованием будут проанализированы пространственно-временные поля распределения содержания ТО над территорией России, исследованы особенности распределения ТО, составлены и проанализированы подробные карты в кратковременные периоды аномальной изменчивости ТО, а также получены новые климатологические данные по ТО (среднемесячные, среднегодовые на сетках с различным пространственным разрешением). Эти данные будут использованы как для выявления зон и периодов с аномальным содержанием ТО над территорией России, так и для определения сезонной изменчивости и трендов ТО и получения предварительных оценок РВ ТО на региональный климат России.

Ожидаемые результаты
В настоящем Проекте планируется восполнить пробел в исследовании пространственной и временной изменчивости тропосферного озона (ТО) над территорией России с помощью использования новых оригинальных данных на основе измерений российского прибора ИКФС-2 на борту спутника «Метеор М» №2, а также имеющихся данных по содержанию ТО (например, из спутниковых измерений приборами IASI и TROPOMI). Полученные в настоящем Проекте данные будут использованы для выявления пространственно-временных аномалий в содержании ТО, а также для предварительных оценок радиационного воздействия (РВ) ТО на климат в различных регионах России. В дальнейшем эти результаты и оценки могут быть использованы для учета в различных сценариях климатологических моделей, усвоены в современных трехмерных моделях атмосферы и т. д. При выполнении Проекта будут получены следующие результаты: 1. Впервые будет создана оригинальная методика, алгоритмы и программное обеспечение для получения данных о ТО из спектральных измерений российского спутникового прибора ИКФС-2 на борту спутника Метеор-М №2. Это программно-методическое обеспечение позволит независимо от международных баз данных проводить научные исследования в области изучения пространственно-временных вариаций тропосферного озона. Также оно может быть использовано для оперативной обработки измерений российских метеорологических спутников, что позволит составлять карты и отслеживать изменения ТО в различных регионах России в режиме реального времени для получения оперативной информации об аномальном содержании ТО в различных регионах, а также для последующих оценок радиационного воздействия (РВ) ТО и исследования влияния изменений ТО на климат в региональном и глобальном масштабах. 2. Впервые будет проведена массовая интерпретация данных измерений ИКФС-2 с целью получения информации о содержании ТО над территорией России за период с 2015 по 2024 гг. Данные измерений ИКФС-2 будут сопоставлены с независимыми спутниковыми и наземными измерениями, будет проведена их взаимная калибровка и валидация, получены экспериментальные оценки точности определения ТО различными методами. Это позволит создать архив данных измерений ТО с известной точностью над территорией России (в первую очередь, над ее полярными и субполярными регионами), который может быть использован как для учета в трехмерных моделях атмосферы, так и для анализа пространственно-временных вариаций и трендов содержания ТО, а также оценок РВ и исследования влияния изменений ТО на климат различных регионов России. 3. С помощью данных дистанционного зондирования и результатов расчетов трехмерных численных моделей газового состава атмосферы (например, WRF-Chem, EMAC, данными ре-анализа CAMS), будет проанализировано пространственно-временное распределение ТО над территорией России, в первую очередь, над ее Арктическими и Субарктическими территориями, а также определяющие его факторы, в том числе для обнаруженных пространственно-временных аномалий в содержании ТО. Также будут получены новые климатологические данные по ТО над этими территориями, проведены оценки сезонной изменчивости и трендов ТО в различных регионах России. Эти новые климатологические данные и оценки будут использованы для предварительных расчетов РВ ТО на климат в региональном масштабе, а в дальнейшем, могут быть использованы для учета в различных сценариях климатологических моделей и усвоены в современных трехмерных моделях атмосферы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате первого года выполнения Проекта были разработаны методика, алгоритмы и программно-методическое обеспечение (ПМО) на основе метода искусственных нейронных сетей (ИНС) для определения содержания тропосферного озона (ТО) из спектров уходящего теплового излучения, измеренных российским спутниковым прибором ИКФС-2. Были получены результаты тестовых измерений ТО с помощью ИКФС-2 для 5 различных ИНС, обученных как на данных спутниковых измерений содержания ТО прибором TROPOMI, так и на данных измерений профилей содержания озона с помощью озонозондов на глобальной измерительной сети. Были получены оценки точности измерений содержания ТО на основе анализа прямой задачи и на основе анализа точности аппроксимации результатов решения обратной задачи. Погрешность измерений содержания ТО прибором ИКФС-2 составила 8–12%. Для оценки качества разработанного ПМО тестовые измерения ТО были проанализированы и сопоставлены с данными независимых наземных измерений ТО с помощью Фурье-спектрометра Bruker IFS 125HR на станции СПбГУ в Петергофе. Оба типа данных показывают сходную временную изменчивость – сезонный ход и оценки трендов. Стандартные отклонения рассогласований не превышают погрешностей измерений отдельными приборами. Методика решения обратной задачи определения содержания ТО из измеренных спектров солнечного ИК-излучения Фурье-спектрометром Bruker IFS 125HR с помощью ПМО PROFFIT, используемого на станциях международной наблюдательной сети NDACC, была усовершенствована и адаптирована для повышения точности и информативности измерений содержания ТО на станции СПбГУ в Петергофе. Были получены временные ряды наземных измерений ТО за период с 2009 по 2023 гг. по усовершенствованной методике, погрешность измерения содержания ТО в слое 0-8 км наземным ИК-методом не превышает 7–10%. Была проанализирована временная изменчивость ТО, выявлен сезонный ход с максимумом весной, примерно через месяц после максимума величин общего содержания озона. За период 2012–2021 гг. получено статистически значимое уменьшение содержания ТО в окрестностях Санкт-Петербурга, составляющее примерно 6% за декаду. Результаты наземных измерений ТО были сопоставлены с данными независимых спутниковых измерений содержания ТО прибором IASI и данными, полученными на основе использования совместных измерений IASI и GOME-2 (IASI+GOME2). Получены статистические оценки расхождений, даны рекомендации по использованию спутниковых данных для анализа пространственно-временной изменчивости ТО. Также был проведен анализ и валидация спутниковых измерений и на 2 других станциях NDACC – Kiruna (68N) и Izana (28N). Был создан архив данных по глобальному распределению содержания ТО, включая регионы России и прилегающие территории, полученный с помощью разных спутниковых измерений (TROPOMI, IASI, OMI/MLS, IASI+GOME2 и др.) с предварительными оценками их погрешностей и анализом сопоставления данных, полученных из различных источников. В настоящее время существуют лишь данные уровня 3 измерений ТО спутниковым прибором TROPOMI для области тропиков. Эти данные были использованы для обучения ИНС решения обратной задачи определения ТО из спектров ИКФС-2. Численная модель прогноза погоды и состава тропосферы и нижней стратосферы высокого пространственного разрешения WRF-Chem была адаптирована для региона Санкт-Петербург (для квадрата размерами 1000 на 1000 км с центром в Санкт-Петербурге), были получены результаты моделирования ТО за 4 года (с 2016 по 2019 гг.), в реестре баз данных зарегистрирована база данных моделирования ТО для Санкт-Петербурга и прилегающих регионов. Данные расчетов модели были сопоставлены с экспериментальными данными наземными измерениями содержания ТО и приземных концентраций озона на станции СПбГУ в Петергофе. Корреляции между экспериментальными и расчетными данными для приземных концентраций составили около 0.5, для ТО – 0.6–0.7. Также были проведены пробные сопоставления спутниковых данных измерения ТО прибором IASI с модельными расчетами и получены оценки их рассогласования для разных сезонов.

Публикации

1. Виролайнен Я.А., Ионов Д.В., Поляков А.В. Analysis of Long-Term Measurements of Tropospheric Ozone at the St. Petersburg State University Observational Site in Peterhof Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 59, No. 3, pp. 287–295 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S000143382303009X

2. Виролайнен Я.А., Неробелов Г.М., Поляков А.В. Comparison of Satellite and Ground-Based Measurements of Tropospheric Ozone Columns in the Vicinity of St. Petersburg Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 59, No. 4, pp. 411–420 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S000143382304014X

3. Виролайнен Я.А., Неробелов Г.М., Поляков А.В., Акишина С.В. Comparison of satellite and groundbased measurements of tropospheric ozone Proc. SPIE 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, Vol. 1278, 127804X (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2688764

4. Неробелов Георгий Максимович, Виролайнен Яна Акселевна, Ионов Дмитрий Викторович «База данных численного моделирования распределения озона в тропосфере Санкт-Петербурга и прилегающих регионов» (TROPOZ) -, Номер регистрации (свидетельства): 2023621780 Дата регистрации: 01.06.2023 (год публикации - )

5. - Ученые: концентрации "вредного" озона над Петербургом уменьшаются РИА Новости, - (год публикации - )

6. - В СПбГУ определили, что концентрации «вредного» озона над Петербургом уменьшаются AK&M, - (год публикации - )

7. - Физики СПбГУ определили, что концентрации «вредного» озона над Петербургом уменьшаются Фотопарацци, - (год публикации - )