CC BY
10НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №3 2009
УДК 551.501: 629.195.1
МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАССОВЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПАРНИКОВЫМИ ГАЗАМИ В АТМОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Доктор техн. наук А.Х. Ахмеджанов А.Н. Искаков
Для выделенного прямоугольного участка территории Западно-Казахстанской области по данным сенсора Aqua/AIRS получены, за период времени 12.2007... 06.2009, средне-сезонные профили температуры атмосферы. Вычислены вертикальные распределения массовых коэффициентов поглощения ИК-излучения парниковых газов Н2О, СО2, СН4, О3 и N2O для двух профилей температуры летнего и зимнего сезонов. Установлено, что поглотительная способность СО2 в летнем сезоне больше, чем в зимнем, а для Н2О, СН4, О3 и N2O - наоборот - в летнем меньше, чем в зимнем сезоне.
Использование спутниковой информации открыло принципиально новый этап глобальных мониторинговых наблюдений атмосферы Земли. Прием в режиме реального времени данных 36-канального спектрорадиометра MODIS позволяет вести региональный мониторинг атмосферы на новом количественном уровне [2]. Базирующийся на спутнике Aqua гиперспектрометр AIRS обеспечивает измерении температуры атмосферы с погрешностью 1К в километровом слое даже при наличии значительной облачности [3].
В настоящее время актуальным является развитие методов восстановления ключевых параметров атмосферы. AIRS (инфракрасный зонди-ровщик атмосферы) позволяет получать данные от 2378 спектральных каналов в условиях ночных съемок, по которым, в частности, восстанавливаются (http://gdata1.sci.gsfc.nasa.gov) температурные профили атмосферы. Алгоритм восстановления основан на использовании множества весовых функций, и при этом постулируется, что данная весовая функция, максимум которой приходится на определенную высоту, соответствует генерации ИК-излучения атмосферой на этой высоте [4].
К настоящему времени для территории Казахстана еще не проводились расчеты вертикального распределения массовых коэффициентов по-
94
глощения ИК-излучения парниковыми газами с использованием спутниковой информации. Данная работа призвана восполнить этот пробел.
Для прямоугольного участка Западно-Казахстанской области с координатами сторон W = 51,5753173°, N = 48,570498°, S = 47,1588134°, E = 52,6300048°, использовались ежедневные данные температурных профилей атмосферы сенсора AIRS за период 12.2007_06.2009, приходящиеся на середины каждого месяца и усреднены по сезонам (рис. 1).
Н, гПа
200 220 240 260 280 Т, К 300
Рис. 1. Средние профили температуры атмосферы по сезонам за период 12.2007... 06.2009 гг. (1 - зима, 2 - весна, 3 - осень, 4 - лето).
На рис. 1 видно, что осенний и весенний профили температуры лежат внутри середины области, ограниченной зимним и летним профи-
95
лями температуры. Для вычисления массового коэффициента поглощения ограничимся зимним и летним профилями температуры, а его значения для весенне-осеннего периода можно упрощенно вычислять как среднее между значениями для зимне-летнего периода.
По определению, объемный (k [м-1]) и массовый (а [м2-кг-1]) коэффициенты поглощения излучения i -м газом связаны между собой соотношением:
k = а-рг = а-(рг/ р)-р, (1)
где рг /р - относительная парциальная плотность г -го газа в смеси, р -плотность [кг м-3] воздуха для стандартной атмосферы [1].
О )=^ 00! Ч 00! (т(Р))-%к] (% т(Р)), (2) к ]
где Т(р) - температурный профиль; qi (р) - профиль объемной концентрации 1-го газа, Ягк (И) = агк (И) / а°к - отношение данной распространенности на высоте И к естественной распространенности к -го изотопа г -го газа; 8гк] - интенсивность ] -й спектральной линии [см - моль-1], Фгк] -
форма спектральной линии; О - волновое число [5]. Длина волны излучения 1 [мкм] связана с волновым числом О [см-1] соотношением:
1 = 104/ СО. Данные о распространенности к -го изотопа г -го газа, интенсивности и форме линий поглощения представлены в БД ШТИАК (http://www.hitran.com). Давление изменяется в диапазоне 3...1000 гПа, что соответствует диапазону изменения высоты 40.0 км. Согласно [6] функция пропускания электромагнитного излучения в земной атмосфере зависит от длины волны излучения, обнаруживая при этом три характерные области: два окна «прозрачности» и одно окно полного поглощения ИК-излучения. Рабочий диапазон длин волн сенсора МОБК охватывает указанные три области, а 36 каналов, на которые разбит диапазон волн сенсора, в принципе позволяет дифференцировать вклад в поглощение ИК-излучения от основных парниковых газов.
Наиболее благоприятными каналами сенсора МОБ^ для проявления поглотительных свойств парниковых газов являются следующие: для Н2О - 27-й канал (1450,3. 1530,2 см-1), для СО2 - 36 канал (695,2.710 см-1), для СН4 - 28 канал(1337,8...1393,7 см-1), для О3 -канал 30 (1012,1. 1043,8 см-1) и для 1Ч2О - 24 канал (2223,2.2255,8 см-1). Для указанных каналов по формулам (2) и (1) вычислены, применительно к зимнему и летнему температурным про-
96
филям, вертикальные распределения средних в канале массовых коэффициентов поглощения парниковых газов (рис. 2).
97
Н, гПа
Ог .
200
400
600
800
1000'---—-------—---■ „
О 2-10 АЛО* 6-10 а,м~ кг 8-Ю
д
Рис. 2. Вертикальные распределения в канале средних массовых коэффициентов поглощения парниковых газов в зимнем (1) и летнем (2) сезонах для парниковых газов: а - Н2О, б - СО2, в - СН4, г - О3, д - Ы20.
Моделирование поведения массового коэффициента поглощения в каналах сенсора МОБК для реальных профилей температуры над территорией Казахстана, выявило ряд интересных особенностей.
Монотонное уменьшение поглотительной способности наиболее четко проявляется для СО2 (рис. 2б), так как его объемная концентрация практически постоянна до высот 80...90 км. Аналогичное поведение поглотительной способности наблюдается и для СН4 (рис. 2в), для Н2О (рис. 2а) такое уменьшение поглотительной способности неочевидно, поскольку его объемная концентрация уменьшается до высоты 300. 400 гПа на 3.4 порядка; оно может, в принципе, оставаться постоянным, как для К2О (рис. 2д), у которого объемная концентрация практически постоянна до высоты 200 гПа. Для О3 (рис. 2г) «всплеск» поглотительной способности в диапазоне высот 20.70 гПа повторяет «всплеск» его объемной концентрации на этих высотах. Поглотительная способность рассмотренных газов, за исключением СО2, в зимнем сезоне больше, чем в летнем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Атмосфера (справочник) / Под ред. Ю.С. Седунова. - Л.: Гидрометео-издат, 1991. - 510 с.
98
2. Математические технологии оперативного регионального спутникового мониторинга характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. Ч. 1. MODIS / А.А. Лагутин, Ю.А. Никулин, А.П. Жуков и др. // Вычислительные технологии, том 12. - 2007. - №2. - 23 с.
3. Математические технологии оперативного регионального спутникового мониторинга характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. Ч. 2. AIRS / А.А. Лагутин, Ю.А. Никулин, Ал.А. Лагутин и др. // Препринт АлтГУ - 2007. - Барнаул. - 28 с.
4. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. - СПб.: Наука, 2003. - 475 с.
5. Atmospheric propagation of radiation, v.2, 1993, 333 pp. / Editor F.G. Smith
6. MODIS land-surface temperature algorithm theoretical basis document (LST ATBD), version 3.3, 1999, 77 pp. / Z. Wan.
АО «Национальный центр космических исследований и технологий» НКА РК
ГАРЫШТЬЩ ЗОНДЫЛАУ МЭЛ1МЕТТЕР1 БОЙЫНША АТМОСФЕРАДАГЫ ЖЫЛУЛЬЩ СЭУЛЕЛЕНУД1 ПАРНИК ГАЗДАРЫНЬЩ СЩ1РУ САЛМАГЫНЫЦ КОЭФФИЦИЕНТТЕР1Н ЕСЕПТЕУ ЭД1СТЕМЕС1
Техн. гылымд. докторы А.Х. Ахмеджанов
А.Н. Искаков
Батыс Цазацстан облысыныц аумагында бел1нген ттбурышты жер тел1мтде Aqua/AIRS сенсорыныц мэл1меттер1 бойынша ауа температурасыныц 12.2007... 06.2009 жылдар аралыгындагы орташа маусытдыц кесют жасалды Жазгы жэне цысцы маусыгмдагы температура кесктдер1не арналып, Н2О, СО2, СН4, О3 и N2O парник газдарыныц ИЦ сэулеленуд1 сщру салмагы коэффщыенттертщ т1к таралуы есептел1нд1. Зерттеу нэтижелер1 бойынша жаз айында СО2 сщру цабтет1 жогары, ал Н2О, СН4, О3 и N2O кер1стше темен болатынын аныцталды.
99
