Analysis of Long-Term Measurements of Tropospheric Ozone at the SPBU Observational Site in Peterhof

Ya. A. Virolainen; Виролайнен Я. А.; D. V. Ionov; Ионов Д. В.; A. V. Polyakov; Поляков А. В.

doi:10.31857/S0002351523030094

Анализ результатов многолетних измерений содержания озона в тропосфере на станции СПбГУ в Петергофе

Авторы: Виролайнен Я.А.¹, Ионов Д.В.¹, Поляков А.В.¹
Учреждения:
1. Санкт-Петербургский государственный университет
Выпуск: Том 59, № 3 (2023)
Страницы: 336-345
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0002-3515/article/view/136924
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002351523030094
EDN: https://elibrary.ru/TRYGIM
ID: 136924

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Тропосферный озон (ТО) является одним из основных парниковых газов и токсичным загрязнителем атмосферы. Кроме того, он играет ключевую роль в различных химических и фотохимических процессах в тропосфере. Содержание озона как в приземном слое атмосферы, так и в свободной тропосфере измеряется различными локальными и дистанционными методами. Станция СПбГУ в Петергофе (NDACC St. Petersburg) оснащена Фурье-спектрометром Bruker IFS 125HR, позволяющим измерять содержание озона в толще тропосферы, а также газоанализатором Thermo Scientific Model 49i для мониторинга приземных концентраций озона (ПКО). Проведен анализ временной изменчивости ТО в слое 0–8 км за период с апреля 2009 по октябрь 2022 г., а также ПКО за период с 2013 по 2021 гг., который позволил выявить сезонный ход ТО и ПКО, схожий с сезонным ходом общего содержания озона, но отстающий от него примерно на 1 и 1.5 месяца, соответственно. Максимум вариации ТО от среднего за период значения приходится на первую половину апреля ~+16%; минимум – около –(12–14)% наблюдается с середины октября до конца декабря. В середине лета также наблюдается небольшой рост вариации ТО на уровне +(7–8)%. Также было получено статистически значимое уменьшение содержания ТО на величину 0.34 ± 0.22% в год. Сопоставление осредненных за час данных по ТО с синхронизированными данными измерений ПКО выявило рост коэффициента корреляции (до 0.5 и больше) между двумя величинами спустя 3–4 ч после местного полудня в теплое время года, сопровождающийся увеличением ПКО. Рост корреляций хорошо согласуется с увеличением высоты пограничного слоя атмосферы.

Ключевые слова

тропосферный озон, ИК Фурье-спектроскопия, приземные концентрации озона, изменчивость газового состава тропосферы

Список литературы

Антохин П.Н., Белан Б.Д. Регулирование динамики тропосферного озона через стратосферу // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 10. С. 890–895.
Виролайнен Я.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Еременко М., Дюфор Г. Определение содержания озона в различных слоях атмосферы с помощью наземной Фурье-спектрометрии // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 2. С. 191–200.
Виролайнен Я.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Поляков А.В., Шаламянский А.М. Эмпирические оценки погрешностей измерения общего содержания озона различными методами и приборами // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 2. С. 170–176.
Еланский Н.Ф. Российские исследования атмосферного озона в 2011–2014 гг. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 2. С. 150–166.
Еланский Н.Ф., Голицын Г.С., Крутцен П.Й., Беликов И.Б., Бреннинкмайер К.А.М., Скороход А.И. Наблюдения состава атмосферы над Россией: Эксперименты TROICA // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 1. С. 79–98.
Звягинцев А.М. Пространственно-временная изменчивость озона в тропосфере. Диссертация. Москва. 2013. 179 с.
Звягинцев А.М., Кузнецова И.Н., Шалыгина И.Ю., Лезина Е.А., Лапченко В.А., Никифорова М.П., Демин В.И. Исследования и мониторинг приземного озона в России // Труды Гидрометцентра России. 2017. Вып. 365. С. 56–70.
Кароль И.Л., Киселев А.А., Генихович Е.Л., Чичерин С.С. Короткоживущие радиационно-активные примеси в атмосфере и их роль в современных изменениях климата // Труды ГГО. 2012. № 567. С. 5–82.
Макштас А.П. Существенное уменьшение содержания озона в арктической атмосфере зимой 2016 года // Российские полярные исследования. 2016. Т. 24. № 2. С. 9–10.
Симакина Т.Е., Крюкова С.В. Пространственно-временное распределение концентрации приземного озона в Санкт-Петербурге // Гидрометеорология и экология. 2020. № 61. С. 407–420.
Смышляев С.П., Виролайнен Я.А., Моцаков М.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Поляков А.В. Межгодовые и сезонные вариации содержания озона в разных высотных слоях атмосферы Санкт-Петербурга по данным наблюдений и численного моделирования // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2017. Т. 53. № 3. С. 343–359.
Тимофеев Ю.М., Поляков А.В., Виролайнен Я.А., Макарова М.В., Ионов Д.В., Поберовский А.В., Имхасин Х.Х. Оценки трендов содержания климатически важных атмосферных газов вблизи Санкт-Петербурга // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 1. С. 97–103.
Antokhin P.N., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Zhidovkin E.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov V.S., Panchenko M.V., Penner I.E., Pestunov D.A., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N., Fofonov A.V., Shamanaev V.S., Shmargunov V.P. Optik AN30 aircraft laboratory: 20 years of environmental research // J. Atmos. and Oceanic Technology. 2012. V. 29. № 1. P. 64–75.
Cuesta J., Eremenko M., Liu X., Dufour G., Cai Z., Höpfner M., von Clarmann T., Sellitto P., Foret G., Gaubert B., Beekmann M., Orphal J., Chance K., Spurr R., Flaud J.-M. Satellite observation of lowermost tropospheric ozone by multispectral synergism of IASI thermal infrared and GOME-2 ultraviolet measurements over Europe // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. № 19. P. 9675–9693.
Dorokhov V., Yushkov V., Makshtas A., Ivlev G., Tereb N., Savinykh V., Shepelev D., Nakajima H., McElroy C.T., Tarasick D., Goutail F., Pommereau J.-P., Pazmino A. Brewer, SAOZ and Ozonesonde Observations in Siberia // Atmosphere-Ocean. 2013. V. 51. № 3. P. 14–18.
Dufour G., Eremenko M., Griesfeller A., Barret B., LeFlochmoën E., Clerbaux C., Hadji-Lazaro J., Coheur P.-F., Hurtmans D. Validation of three different scientific ozone products retrieved from IASI spectra using ozonesondes // Atmos. Mes. Tech. 2012. V. 5. № 3. P. 611–630.
Gaudel A., Cooper O.R, Ancellet G., Barret B., Boynard A., Burrows, J.P. Clerbaux C., Coheur P.-F., Cuesta J., Cuevas E., Doniki S., Dufour G., Ebojie F., Foret G., Garcia O., Granados-Muñoz M.J., Hannigan J.W., Hase F., Hassler B., Huang G., Hurtmans D., Jaffe D., Jones N., Kalabokas P., Kerridge B., Kulawik S., Latter B., Leblanc T., Le Flochmoën E., Lin W., Liu J., Liu X., Mahieu E., McClure-Begley A., Neu J.L., Osman M., Palm M., Petetin H., Petropavlovskikh I., Querel R., Rahpoe N., Rozanov A., Schultz M.G., Schwab J., Siddans R., Smale D., Steinbacher M., Tanimoto H,, Tarasick D.W., Thouret V., Thompson A.M., Trickl T., Weatherhead E., Wespes C., Worden H.M., Vigouroux C., Xu X., Zeng G., Ziemke J. Tropospheric Ozone Assessment Report: Present-day distribution and trends of tropospheric ozone relevant to climate and global atmospheric chemistry model evaluation // Elementa: Science of the Anthropocene. 2018. V. 39. № 6.
Hase H., Hannigan J.W., Coffey M.T., Goldman A., Hoepfner M., Jones N.B., Rinsland C.P., Wood S.W. Intercomparison of retrieval codes used for the analysis of high-resolution, ground-based FTIR measurements // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 2004. V. 87. № 1. P. 25–52.
Hubert D., Heue K.-P., Lambert J.-C., Verhoelst T., Allaart M., Compernolle S., Cullis P.D., Dehn A., Félix C., Johnson B.J., Keppens A., Kollonige D.E., Lerot C., Loyola D., Maata M., Mitro S., Mohamad M., Piters A., Romahn F., Selkirk H.B., da Silva F.R., Stauffer R.M., Thompson A.M., Veefkind J.P., Vömel H., Witte J.C., Zehner C. TROPOMI tropospheric ozone column data: geophysical assessment and comparison to ozonesondes, GOME-2B and OMI // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. № 12. P. 7405–7433.
IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. Stocker T.F., Qin D., Plattner G.-K., Tignor M., Allen S.K., Boschung J., Nauels A., Xia Y., Bex V., Midgley P.M. NY (USA): Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, 2013. 1535 p.
NDACC database. https://www-air.larc.nasa.gov/missions/ ndacc/data.html.
Nerobelov G., Timofeyev Y., Virolainen Y., Polyakov A., Solomatnikova A., Poberovskii A., Kirner O., Al-Subari O., Smyshlyaev S., Rozanov E. Measurements and Modelling of Total Ozone Columns near St. Petersburg, Russia // Remote Sens. 2022. V. 14. P. 3944.
Paris J.-D., Ciais Ph., Nédélec Ph., Stohl A., Belan B.D., Arshinov M.Yu., Carouge C., Golitsyn G., Granberg I.G. New insights on the chemical composition of the Siberian air shed from the YAK-AEROSIB aircraft campaigns // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 2010. V.91. № 5. P. 1–17.
Polyakov A., Poberovsky A., Makarova M., Virolainen Y., Timofeyev Y., Nikulina A. Measurements of CFC-11, CFC-12, and HCFC-22 total columns in the atmosphere at the St. Petersburg site in 2009–2019 // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14. № 8. P. 5349–5368.
Ramaswamy V., Boucher O., Haigh J., Hauglustaine D., Haywood J., Myhre G., Nakajima T., Shi G.Y., Solomon S. Radiative forcing of climate change. In: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Eds. Houghton J.T., Ding Y., Griggs D.J., Noguer M., van der Linden P.J., Dai X., Maskell K., Johnson C.A. NY (USA): Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, 2001. 881 p.
Tarasick D., Galbally I.E., Cooper O.R., Schultz M.G., Ancellet G., Leblanc T., Wallington T.J., Ziemke J., Liu X., Steinbacher M., Staehelin J., Vigouroux C., Hannigan J.W., García O., Foret G.,Zanis P, Weatherhead E., Petropavlovskikh I., Worden H., Osman M., Liu J., Chang K.-L., Gaudel A., Lin M., Granados-Muñoz M., Thompson A.M., Oltmans S.J., Cuesta J., Dufour G., Thouret V., Hassler B., Trickl T., Neu J.L. Tropospheric Ozone Assessment Report: Tropospheric ozone from 1877 to 2016, observed levels, trends and uncertainties // Elementa: Science of the Anthropocene. 2019. V. 39. № 7.
Vigouroux C., De Mazière M., Demoulin P., Servais C., Hase F., Blumenstock T., Kramer I., Schneider M., Mellqvist J., Strandberg A., Velazco V., Notholt J., Sussmann R., Stremme W., Rockmann A., Gardiner T., Coleman M., Woods P. Evaluation of tropospheric and stratospheric ozone trends over Western Europe from ground-based FTIR network observations // Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8. № 23. P. 6865–6886.
Virolainen Y., Polyakov A., Timofeyev Y., Poberovsky A. FTIR measurements of stratospheric gases at the St. Petersburg site // Problems of Geocomsos-2022. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences / Eds. Kosterov A., Lyskova E., Mironova I., Baranov S., Apatenkov S. 2023. Springer, Cham. (submitted).
Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM) Model Output ds313.6. https://doi.org/10.5065/G643-Z138 https://rda.ucar.edu/datasets/ds313.6/#!description.
World Meteorological Organization (WMO). Executive Summary. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022. GAW Report No. 278. WMO: Geneva, 2022. 56 p.
Wu S., Mickley L.J., Jacob D.J., Logan J.A., Yantosca R.M., Rind D. Why are there large differences between models in global budgets of tropospheric ozone? // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. № D05 P. 302.
Young P.J., Archibald A.T., Bowman K.W., Lamarque J.-F., Naik V., Stevenson D.S., Tilmes S., Voulgarakis A., Wild O., Bergmann D., Cameron-Smith P., Cionni I., Collins W.J., Dalsøren S.B., Doherty R M., Eyring V., Faluvegi G., Horowitz L W., Josse B., Lee Y.H., MacKenzie I.A., Nagashima T., Plummer D.A., Righi M., Rumbold S.T., Skeie R.B., Shindell D.T., Strode S.A., Sudo K., Szopa S., Zeng G. Pre-industrial to end 21st century projections of tropospheric ozone from the Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project (A-CCMIP) // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. № 4. P. 2063–2090.
Ziemke J.R., Chandra S., Duncan B.N., Froidevaux L., Bhartia P.K., Levelt P.F. Waters J.W. Tropospheric ozone determined from Aura OMI and MLS: Evaluation of measurements and comparison with the Global Modeling Initiative’s Chemical Transport Model // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. № D19. P. 303.