ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования 2
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 4
Основные положения, выносимые на защиту 6
Заключение 25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26
Актуальность. Важной проблемой XXI века является накопление парниковых газов в атмосфере и глобальное потепление. Создание адекватных прогностических моделей климатических изменений, вызываемых ростом концентрации основных парниковых газов, в частности из-за масштабной человеческой деятельности [1,2] (утилизация ископаемого топлива, производство цемента, сельское хозяйство и др.) является актуальной задачей. Главным средством изучения климатической системы планеты в части предсказания изменений климата является численное моделирование общей циркуляции потоков тепла и массы в атмосфере и океане. При этом решается задача тепломассопереноса, моделируются явления диффузии, турбулентного переноса, конвекции, конденсации, выпадения осадков, радиационного переноса, взаимодействия атмосферы с поверхностью и др. Одним из центральных направлений развития моделей является более точное описание всех физических процессов, происходящих в атмосфере. Качество моделирования общей циркуляции в существенной мере определяется уточнением параметризации этих процессов, в частности процессов радиационного и фазового переноса тепла в системе «атмосфера - земная поверхность».
Перенос скрытого тепла водяным паром в атмосфере определяется испарением с поверхности, конденсацией в облаках и переиспарением выпадающих осадков. Для количественной параметризации этих процессов важными являются экспериментальные данные о соотношении изотопомеров НПО и Н2О в различных фазах гидрологического цикла. Величина отношения концентраций НПО/Н2О для определённой воздушной массы изменяется только в процессах фазовых превращений и является трассером «силы» гидрологического цикла [3,4]. Поле величины этого отношения, определённое по Земному шару отражает предысторию формирования воздушных масс и характеризует перенос скрытого тепла от экватора к полюсам.
Радиационный теплоперенос в атмосфере определяется содержанием поглощающих ИК радиацию газов: Н2О, СО2, О3, СН4, N20 и др. Содержание водяного пара в атмосфере определяется температурой поверхности планеты, в то же время существенное изменение количества малых газовых составляющих в значительной степени обусловлено человеческой деятельностью [2], поэтому актуальной является задача глобального мониторинга поля концентраций этих газов. Метан, являющийся одним из основных парниковых газов, высвобождается из естественных и антропогенных источников. Существуют трудности в количественной оценке определения темпов сезонной эмиссии метана из разнообразных биосферных источников. В России - это главным образом болота, особенно обширная болотная экосистема Западной Сибири с располагающимися там объектами нефтегазового комплекса.
Для текущего определения параметров атмосферы в любой точке земного шара или глобальных полей параметров наиболее перспективным является метод термического зондирования атмосферы со спутников [5]. С появлением инфракрасных (ИК) сенсоров высокого спектрального разрешения произошли качественные изменения в информативности спутниковых данных, появилась возможность существенного улучшения детектирования таких малых газовых составляющих в атмосфере как H2O и CH4, появилась принципиальная возможность определения содержания изотопомеров парниковых газов, в частности изотопо- мера воды HDO. Поэтому разработка методик определения параметров атмосферы по спутниковым спектрам высокого спектрального разрешения является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является получение данных о величине отношения HDO/H2O и содержания метана в атмосфере из ИК спектров высокого разрешения теплового диапазона. Для этого решались следующие задачи: разработка методики определения вертикального профиля HDO/H2O в атмосферном водяном паре из эмиссионных спектров атмосферы, регистрируемых со спутников; получение широтно-высотного распределения величины отношения HDO/H2O из эмиссионных спектров атмосферы, измеренных сенсором IMG над районом Тихого океана; разработка и апробация методики определения вертикального профиля HDO/H2O в атмосферном водяном паре из спектров пропускания атмосферы высокого разрешения; разработка методики для определения полного содержания метана в атмосферном столбе; получение сезонных карт содержания метана в атмосфере из ИК спектров, измеренных сенсором AIRS над районом Западной Сибири; оценка вклада эмиссии метана из болотной экосистемы в общее содержание метана в этом районе и оценка соответствующего дополнительного теплового эффекта...
1) Разработана методика определения вертикального профиля относительного содержания HDO в атмосфере из спектров уходящего теплового излучения Земли высокого разрешения (~0.1 см-1), основанная на методе главных компонент.
2) Получено широтное распределение вертикальных профилей отношения HDO/H2O в атмосфере над океаном из спектров сенсора IMG/ADEOS. Вариации относительного содержания HDO в атмосферном столбе лежат в интервале от - 120%о вблизи экватора до -220%о на высоких широтах около 60 градусов. Точность метода, оцененная по схеме замкнутых модельных экспериментов, составила ~20%о.
3) Идентифицированы сигналы HDO в ИК спектрах пропускания атмосферы высокого разрешения (~0.002 см-1). Разработана и апробирована методика определения вертикального профиля отношения HDO/H2O из спектров, измеряемых Фурье спектрометрами наземного базирования, основанная на методе регрессии главных компонент.
4) Реализовано два подхода для определения полного содержания метана в атмосферном столбе из спектров уходящего теплового излучения Земли высокого разрешения (~0.5 см-1). Первый основан на методе наименьших квадратов с ограничениями, во втором используется нейронная сеть. Относительная ошибка определения полного содержания метана в атмосферном столбе по обеим методикам составила ~2.5%.
5) Получены карты сезонного содержания метана в атмосфере над районом Западной Сибири (60-67 С.Ш., 60-90 В.Д.) в период 2004-2006 г.г. из спектров сенсора AIRS/AQUA. Средне-сезонные значения меняются от 0.57 моль/м2 в зимний период до 0.62 моль/м2 в летний период. Вклад природной эмиссии метана из болот в общее содержание метана в атмосфере над исследуемым районом в летний период составил ~0.05 моль/м2. Дополнительный тепловой эффект, рассчитанный с помощью ПО FIRE-ARMS, составил ~125 ГВт.
