Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Межгодовая изменчивость и тренды содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 2003-2014 годах

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Межгодовая изменчивость и тренды содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 2003-2014 годах"

9 15-1/152

На правах рукописи

Мордвин Егор Юрьевич

МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ТРЕНДЫ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ

ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В 2003 2014 ГОДАХ

Специальность 25.00.29 физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2015

Работа выполнена на кафедре радиофизики и теоретической физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Лагутин Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты:

Суторихин Игорь Анатольевич, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук, главный научный сотрудник.

Елисеев Алексей Викторович, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова Российской академии наук, старший научный сотрудник.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск.

Защита состоится 25.09.2015 в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакоми ться в библиотеке и на сайте Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, http://www.iao.ru/files/iao/theHes/thesis70/text.pdf.

Автореферат разослан «14» 07 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного сонета

доктор физико-математических наук * J Веретенников В. В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Атмосферный метан — второй по важности антропогенный парниковый газ. Он влияет на химический состав атмосферы и радиационный банане Земли. Его вклад в радиационный форсинг поданным Межправительственной группы экспертов по проблеме изменений климата (МГЭИК) 2013 года составляет около 17%.

Концентрация метана в тропосфере определяется, главным образом, соотношением между количеством метана, поступающим в атмосферу с подстилающей поверхности (источниками), и содержанием в ней радикалов ОН (стоком). Сегодня известно, что реакции СН4 с ОН, в которых образуется СН3 и вода, удаляют почти 90% метана из тропосферы. Другими стоками метана являются почва, реакции с хлором в пограничном слое атмосферы прибрежных зон океана и стратосфера.

Источники метана принято делить на две группы: естественные и антропогенные. К первой относят заболоченные территории, пресноводные водоемы, океаны, термиты, пожары. В число антропогенных входят шахты, нефте- и газодобывающие предприятия, свалки и сточные воды, рисовые плантации, крупный рогатый скот. Роль нового источника — растительности — сегодня активно обсуждается.

Поданным Глобальной службы атмосферы Всемирной метеорологической организации содержание метана в приземном слое атмосферы увеличилось с 1750 г. на 253% и достигло к 2013 г. уровня 1824 млрд-1.

В течение двух последних десятилетий характерными особенностями поведения метана в атмосфере считаются отрицательный тренд скорости его роста при значительных вариациях в годовом ходе и достижение стационарного состояния в 1999-2006 гг., а также новый рост, начавшийся в 2007 г.

Многочисленные экспериментальные исследования и расчеты с использованием моделей разного уровня сложности позволили сформулировать сценарии, в рамках которых возможно уменьшение скорости роста метана в последнем десятилетии прошлого века. Они включают уменьшение эмиссии из болотных комплексов и рисовых полей, из антропогенных источников на территории Восточной Европы и СССР в конце 1980-х и начале 1990-х, а также изменение содержания радикалов ОН н атмосфере.

Новый рост концентрации в 2007-2008 гг. связывают с увеличением эмиссии метана из болотных комплексов высоких широт (:> 50°) Северного полушария (из за аномально высокой температуры н этой зоне в 2007 г.) и тропических болот (вследствие аномально высоких

осадков в 20Ü7-2Ü08 гг.).

Несмотря на большой объем выполненных исследований, полного понимания «метанового цикла» не достигнуто. Большая неопределенность существует в оценках вкладов различных типов источников на глобальном и региональном уровнях, их временной эволюции. Так, например, D докладе МГЭИК 2007 года для вклада болотных комплексов — самого большого природного источника метана — даются оценки (100-231) Тг/год. Для Западной Сибири диапазон полученных оценок еще больше: от 1.6 до 20 Тг/год.

Главными причинами этой неопределенности является редкая сеть наблюдательных пунктов, пространственно-временная неоднородность потоков от многих природных и антропогенных источников, а также неполное использование возможностей спутниковых систем ИК диапазона при мониторинге метана в зоне средних и высоких широт (> 45°) Северного полушария.

Целью работы являлось исследование годового хода, межгодовой изменчивости и скорости изменения (трендов) содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 2003 2014 гг. по данным зондирующего комплекса AIRS спутника Aqua и глобальной химической транспортной модели MOZART-4, а также построение оценок эмиссии метана болотными экосистемами Западной Сибири в 2000-2013 и 2021-2050 годах.

Выбор в данном исследовании AIRS/Aqua в качестве основного источника информации о содержании метана в верхней тропосфере Западной Сибири обусловлен стабильностью параметров приборов комплекса в чеченце всего срока работы спутника на орбите (с мая 2002 г.), имеющейся к Алтайском госуниверситете возможностью принимать передаваемый с платформы Aqua весь поток данных и проводи ть обработку AIRS до уровней 1В и 2, а также, в отличие от других восстанавливающих метан приборов SCIAMACHY/ENVISAT (с марта 2002 г. по апрель 2012 г.), TES/Aura (с июля 2004 г.), IASI/MetOp-A (с октября 2006 года) и TANSO FTS/GOSAT (с января 2009 г.), «всепогод-ностью» комплекса.

Низкая чувствительность AIRS к вариациям содержания метана в нижней тропосфере привела к необходимости использования в исследовании также данных модели MOZART 4.

Для достижения цели работы решались следующие задачи:

1. Создание вычислительного пакета обработки принимаемого земной станцией Алтайского госуниверситета «сырого потока» данных спутника Aqua в цепочке «прием данных распаковка выделение

данных комплекса AIRS - геолоциронание - калибровка - обработка данных до уровня 2 - визуализация получаемых продуктов».

2. Исследование пространственно-временной изменчивости отношения смеси метана в верхней тропосфере Западной Сибири в 20032014 гг. по данным AIRS.

3. Модернизация глобальной модели MOZART-4, проведение вычислительных экспериментов для верификации модели и установления характера поведения содержания метана в атмосфере региона.

4. Создание вычислительного пакета моделирования эмиссии метана болотными экосистемами Западпой Сибири, проведение расчетов для 2000-2013 и 2021 2050 годов.

5. Разработка модели восстановления полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири по данным AIRS и ее верификация.

6. Исследование годового хода и межгодовой изменчивости полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 2003-2014 гг.

Материалы и методы исследования. 13 работе использовались данные зондирующего комплекса AIRS спутника Aqna, принимаемые в реальном времени земной станцией Алтайского госуниверситета, вычислительный пакет AIRS/AMSU (версия 5 алгоритма) и результаты обработки данных ATRS до уровней Ш и 2 для 2007 2012 гг., продукты AIRS версии 6 алгоритма, MOZART-4 и региональная климатическая модель RegCM4, результаты глобальной химической транспортной модели AT С M для 2007-2009 гг, архива CRU, реанализов NCEP-DOE AMIP-II (R-2) и ERA-Iiiterim, данные модели HadGEM2-ES для сценариев RCP4.5 и RCP8.5 возможной эволюции глобальной климатической системы.

Большая часть расчетов при обработке полученных результатов проведена с использованием авторских программ, написанных для работы п операционной системе семейства GNU/Linux. Для оценки статистической связи между изучаемыми неличинами применялся корреляционно-регрессионный анализ.

Научная новизна и значимость работы:

1. Создан вычислительный комплекс обработки принимаемого земной станцией «сырого потока» данных AIRS/Aqua до уровней 1В и 2 для версии 5 алгоритма, а также архивации получаемых продуктов.

2. Впервые по ежедневным данным комплекса AIRS установлены годовой ход и межгодоная изменчивость отношения смеси метана в верхней тропосфере Западной Сибири в 2003 2014 гг.

3. Проведена модернизация граничных условий глобальной химической транспортной модели MOZART 4 для метана.

4. Получены оценки эмиссии метана болотными комплексами Западной Сибири для 2000-2013 и 2021-2050 годов.

5. Разработана новая модель восстановления полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири но данным AIRS.

6. Впервые получены данные но межгодовой изменчивости и трендам полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 20032014 гг.

7. Созданы новые базы данных содержания метана в верхней тропосфере и полного содержании СН4 в атмосфере Западной Сибири для 2003-2014 гг.

Основные положении, выносимые на защиту:

1. С использованием данных зондирующего комплекса AIRS спутника Aqua проведены исследовании межгодовой изменчивости отношения смеси метана в верхней тропосфере Западной Сибири. Установлено, что в 2003 2014 гг. содержание СН4 возрастало со скоростью ~ 5.1 млрд-1/''од-

2. Поданным вычислительных экспериментов с использованием модифицированной глобальной модели MOZART-4 и метеорологических полей реанализа для 2000-2009 гг. установлена связь полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири с отношением смеси метана в верхней тропосфере, высотой тропопаузы, давлением и температурой подстилающей поверхности, а также сезоном года. Предложен и верифицирован метод восстановлении полнот содержания метана в атмосфере региона но данным комплекса AIRS спутника Aqua.

3. Проведено исследование годового хода и межгодовой изменчивости полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 20032014 гг. Установлено, что в каждом годовом цикле для рассмотренного в работе периода полное содержание метана имеет зимний (январь февраль) и летний (июль-сентябрь) максимумы. Показано, что рост полного содержания метана в атмосфере региона в 2003-2014 гг. проходил при тренде ~ 3.2 млрд"1 /год.

4. С использованием эмпирической модели эмиссии метана из увлажненных почв и данных региональной климатической модели RegCM4 получены оценки эмиссии СН4 болотными экосистемами Западной Сибири для 2000-2013 и 2021-2050 годов. Установлено, что в 2000-2013 гг. модельные оценки изменяются от ~ 2.5 до 3 Тг/год. Максимальное значение эмиссии было н 2007 году, минимальное в 2010 г. Скорость изменения эмиссии СЬЦ в этот период практически равна нулю. В 2021 2050 гг. диапазон изменений прогностических значений эмиссии метана для сценариев RCP4.5 и RCP8.5 больше: от

2.4 до 3.8 Тг/год. Отличный от нуля отрицательный тренд, равный 0.11 ± 0.05 Тг/10 лет, установлен лить для сценария RCP4.5. Для RCP8.5, при котором тренд практически равен нулю, средняя эмиссия CII4 составляет ~ 3 Тг/год.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационном исследовании, обеспечена использованием палидировапных данных зондирующего комплекса AIRS, сопоставлением полученных в работе результатов с экспериментальными и модельными данными других авторов.

Теоретическая и практическая ценность работы состоит: 1) в оперативном получении на ежедневной основе данных по содержанию метана в верхней тропосфере Западной Сибири для 2008-2012 годов; 2) в исследовании по данным глобальной химической транспортной модели MOZAR.T-4 характера переноса метана от источников в Европе, Северной Америке и Азии, а также в построении относительных оценок их вкладов в содержание метана в атмосфере Западной Сибири; 3) в использовании комплексного подхода к решению задач работы, включающег о технологии спутниковог о мониторинга и вычислительного эксперимента, а также в разработке новой модели восстановления полного содержания метана в атмосфере региона по данным зондирующего комплекса AIRS/Aqua; 4) в получении новых данных по полному содержанию метана н а тмосфере Западной Сибири н 2003 2014 гг., которые могут быть использованы при восстановлении источников СН4 в рамках подхода «сверху вниз» обратного атмосферного моделирования; 5) н построении оценок эмиссии метана болотными экосистемами Западной Сибири для 2000-2013 и 2021-2050 годов, основанных на использовании данных RegCM4.

Вклад автора. Вычислительные пакеты обработки в реальном времени принимаемых земной станцией Алтайского госуниверситета «сырого потока» данных AIRS до уровней 1В и 2 и версии 5 алгоритма, архивации и визуализации получаемых продуктов, сборка комплекса MOZART-4, модернизация граничных условий для метана и проведение вычислительных экспериментов по моделированию пространственно-временного распределения СН4, а также анализ представленных н работе численных результатов производились автором самостоятельно. Разработка новой модели восстановления полного содержания метана по данным комплекса AIRS/Aqua проведено автором совместно с научным руководителем. Исследование эмиссии метана болотными комплексами Западной Сибири с использованием данных модели RegCM4 выполнено автором совместно с научным руководителем, доц.

Н. В. Волковым и аспирантом К. М. Макушевым.

Апробация основных результатов работы. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на IX Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2011 г.), Международной школе-семинаре «Фундаментальные и прикладные исследования в математической экологии и агроэкологии» (Барнаул, 2012 г.), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: Е]МУЩ,ОМ1Ь-2012 (Иркутск, 2012 г.), симпозиуме «Контроль окружающей среды и климата «КОСК-2012» (Томск, 2012 г.), XIX и XXI Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2012 г., 2014 г.), Всероссийской молодежной школе-семинаре «Дистанционное зондирование Земли из космоса: алгоритмы, технологии, данные» (Барнаул, 2013 г.), 11-й Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (ИКИ РАН, 2013 г.), а также на семинарах кафедры радиофизики и теоретической физики и конференциях АлтГУ в 2008 2014 гг. В 2010 2012 годах исследования автора поддерживались стипендией Губернатора Алтайского края имени летчика-космонавта Г.С. Титова.

Публикации. Результаты диссертационного исследования представлены в 16 научных публикациях, в том числе в 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК дли публикации результатов диссертационных работ. Получено свидетельство о государственной регистрации базы данных «Содержание метана в свободной тропосфере Западной Сибири».

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Общий объем — 125 страниц, включая 60 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 151 наименований.

Основное содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности темы, цель и задачи исследования. Представлена научная новизна и значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Обсуждается обоснованность и достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационном исследовании, дается информация о вкладе автора, апробации основных результатов работы. Кратко излагается содержание работы.

В первой главе представлены результаты исследований поведения отношения смеси метана в верхней тропосфере Западной Сибири в 2003-2014 гг. по данным зондирующего комплекса AIRS, установленного на спутнике Aqua.

Дается краткая информация о характеристиках комплекса AIRS, технологии сканирования ИК-зондировщиком AIRS и СВЧ радиометром AMSU атмосферы и подстилающей поверхности. Обсуждается используемые на этане работы в 2008-2012 гг. вычислительные пакеты обработки данных AIR.S версии 5 алгоритма (Susskind Л. et, al. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 2011), который включал блок метана (Xiong X. et. al. // J. Geophys. Res., 2008). Входная информация для пакета создавалась в Алтайском госуниверситете после распаковки принятого полного «сырого» потока Aqua и выделения измерений приборов AIRS и AMSU.

Основываясь на результатах работ (Xiong X. et al. // At.mos. Chem. Phys. Discuss., 2009; Xiong X. et al. // Remote Sens., 2010), в которых установлено, что для средних шпрот Северного полушария зона максимальной чувстительности AIRS находится на 50-250 гПа ниже уровня тропопаузы Ртр, для количественной оценки содержания метана в верхней тропосфере СН^дщя используется отношение смеси метана в слое |Ртр + 500/ у/Р^, Д-р + 2500/^/7^1-

Исследования проводились для двух зон Западной Сибири. Координаты первой зоны (55°-65° с.ш., 60° 90° в.д.), второй — (45°-55° с.ш., 60° 90° в.д.). Эти зоны покрывают практически все болотные экосистемы региона.

Объем данных комплекса AIRS, покрывающих исследуемую территорию в течение суток, составляет ~ 100-170 Мбайт. Он состоит из 8-12 файлов AIRS уровня 2 в hilf-формате, в каждом из которых содержится информация о характеристиках атмосферы и подстилающей поверхности для 1350 пикселей AMSU.

Для быстрого поиска необходимых в исследовании переменных и проведения статистического анализа была создана база данных, включающая некоторые пходящие в исходные файлы поля. Программная основа (создание/редактирование/чтение) базы данных построена на SQLite реализации распространенного непроцедурного языка SQL (Structured Query Language).

Управляющее базой данных программное обеспечение разработано с использованием интегрированного в ОС Linux интерпретатора bash. Предварительная подготовка импортируемых в SQLite базу данных проводилась с использованием языка потоковой обработки Gawk. Для

обеспечения более высокого быстродействия всего программного комплекса была реализована многопоточнам подготовка и усвоение данных. в SQLite базу.

На первом этапе работы для исследования межгодовой изменчивости и оценки трендов содержания метана в верхней тропосфере Западной Сибири в 2007-2012 гг. использовались данные версии 5 алгоритма обработки комплекса AIRS. Отсутствующие данные для 2003-2006 гг., необходимые для построения скорости изменения метана для десятилетнего периода, были получены из ресурса NASA (режим доступа — ftp: //airHparlu.ecs.iiasa.gov).

Анализ полученных спутниковых данных версии 5 показал, что в период 2003-2012 гг. наблюдается рост содержания метана в верхней тропосфере при тренде 2.3 ± 0.4 млрд" Угод. Установлено также, что в каждом годовом цикле отношение смеси метана имеет зимний (январь-февраль) и летний (июль-сентябрь) максимумы.

После выхода из строя в начале 2013 г. канала 5 AMSU создание продуктов уровня 2 с использованием алгоритма версии 5 стало невозможным. С февраля 2013 года обработка данных AIRS проводится в Goddard DISC/NASA с использованием алгоритма версии 6 (Susskind J. et al. // J. Applied Remote Sensing, 2014).

Выполненный автором выборочный анализ новых данных показал, что уточнение профилей температуры и влажности, а также температуры подстилающей поверхности, оказало влияние и на точность восстановления метана. В силу этих причин автором были проведены повторные исследования характера поведения метана в атмосфере Западной Сибири в 2003-2014 гг. по данным нового алгоритма 6. Эти данные были получены из ресурса NASA (ftp://airsparlu.ecs.nasa.gov).

Поведение отношения смеси метана CIUairs н области максимальной чувствительности AIRS в 2003 2014 гг. показано на рисунке 1а. Точки на рисунке усредненные по зоне значения содержания метана для каждого прохода спутника, покрывающего зону, а линия — скользящее среднее за 30 дней. В анализе использовались лишь данные AIRS, для которых параметр качества измерения QA соответствовал значениям 0 (очень хорошо) и 1 (хорошо). Как и в предыдущей версии 5, эти данные демонстрируют рост содержания СН4 в верхней тропосфере в 2003 2014 гг., наличие максимумов в зимний (январь февраль) и летний (июль-сентябрь) период.

Аномалии отношения смеси метана ACH4airs показаны на рисунке 16. Они получены путем вычитания средних значений для каждого месяца 2003-2014 гг. из данных соответствующего месяца для каждого

года. Такое представление временного ряда позволяет ослабить влияние годового хода на расчет тренда. Установленный для зон 1 и '2 тренд равен ~ 5.1 ±0.4 млрд"1/год.

1920 I 1900 (S 1880

5 1860

^ 1840 Щ 1820 ^ 1800 1780

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 ГОД

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

ГОД

Рис. 1: Годовой ход и межгодовая изменчивость СЩлш.ч (а) и аномалии отношения смеси метана ДСЩлта (б) для зоны 1 в 2003-2014 гг. для алгоритма версии 6

Для верификации полученных в работе данных по CH4AIRS были проведены сравнения спутниковых результатов с измерениями на высоте 7 км, выполненными в ИОА СО РАН с использованием самолетов лабораторий АН 30 «Оптик Э» и Ту 134 «Оптик». Поскольку самолетные измерения проводятся в последнюю декаду каждого месяца, то для сравнения с этими результатами из базы данных AIRS были выбраны дневные измерения в зоне 3°х3° с центром в точке (54° с.hi., 82° в.д.) для этих периодов. Из представленных на рисунке 2 данных следует, что за исключением нескольких весенних месяцев результаты AIRS хорошо согласуются с самолетными измерениями. Скорости роста содержания метана по спутниковым и самолетным данным имеют близкие значения.

Вторая глава посвящена исследованию поведения содержания метана в атмосфере Западной Сибири и его эмиссии болотными комплек-

1750 ' ' ... i ... I ... I ... i ... I ... I ... I ... I ... I .. . I

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Рис. 2: Содержание метана на высоте 7 км в районе Обского водохранилища ( 54° с.пл., 82° в.д.): темные квадраты данные самолетных измерений ИОА СО РАН, светлые квадраты данные AIRS

сами региона но данным MOZART-4 и RegCM4.

Глобальная химическая транспортная модель MOZART-4 имеет пространственное разрешение 2.8° х2.8° и 28 сигма уровней но вертикали от поверхности Земли до высоты ~2 rila. Она включает 85 видов газов, 12 аэрозольных компонентов, 39 фотолизных и 157 газовых реакций. Для долгоживущих компонентов, таких как СН4, Нг и N2O, тропосферная концентрация которых известна более точно, чем эмиссия, в базовой версии модели для задания нижних граничных условий на уровне подстилающей поверхности используются установленные по Экспериментальным данным зональные среднемесячные значения отношения смеси на сетке 20°х20°.

Выполненная в работе верификация модели показала, что в силу неточного задания граничных условий на нижней и верхней границах атмосферы модель не воспроизводит корректно годовой ход содержания метана в приземном слое атмосферы Западной Сибири. Излагается проведенная модификация граничных условий, основанная на данных глобальной модели АТСМ (Patra Р.К. et al. // J. Meteorol. Soc. Jpn., 2009; Patra Р.К. et al. // Atinos. Chem. Phys., 2011) для 2007-2009 гг., принятых за эталон. Рисунок 3 демонстрирует поведение полного содержания метана |СН4| для периода 2007 2009 гг. в зоне (45°-65° с.ш., 60° 90° в.д.) Западной Сибири. Нетрудно видет ь, что результаты MOZART 4 с уточненными граничными условиями хорошо согласуются с данными модели АТСМ.

С целью исследования возможных причин роста скорости изменения

Рис. 3: Годовой ход и межгодовая изменчивость полного содержании метана |СН4| в атмосфере Западной Сибири в 2007-2009 гг. Сплошная линия — данные АТСМ, штриховая линия данные МО'/ЛНТ 4 с новыми граничными условиями (+8 млрд-1)

1835

1830

1 1825

3

а 1820

ч

s 1815

1810

X

и 1805

1800

1795

2009

содержания метана в тропосфере Западной Сибири проведен анализ влияния удаленных источников на содержание СН4 в атмосфере исследуемой в работе зоны, вызванного переносом воздушных масс. Для решения этой задачи с использованием глобальной химической модели MOZART-4 были проведены три вычислительных эксперимента но моделированию чувствительности содержания метана в атмосфере Западной Сибири к вариациям пространственного распределения удаленных источников.

lice эти эксперименты были проведены по одному сценарию. Б одной ячейке сетки MOZART 4 н июне 2007 года искусственно увеличивалась эмиссия метана в 10 раз по отношению к нормальному уровню отношения смеси метана в этой области. Затем в течение трех месяцев проводилось моделирование распространения этого выброса СН4. Для количественной оценки чувствительности содержания метана в атмосфере Западной Сибири к положению нового источника использовалось отношение полученных в результате моделирования значений СН.1 к базовым (без источника) данным модели на уровнях 300, 500, 700 гПа, а также полных содержаний метана |CH.i|.

Расчеты проведены для источников, которые находились на территории Европы (50°-70° с.ш., 10°-30° в.д.), Северной Америки (30°-50° с.ш., 90° 110° з.д.) и Азии (10° 30° с.ш., 90° 110° в.д.). На рисунке 4 показаны зависимости чувствительности содержания метана в верхней тропосфере CH.imrs и полного содержания |СН4| для зоны (45° 65° с.ш., 60° 90° в.д.) Запачной Сибири от времени. Анализ этих и других представленных в работе данных показал, что содержание

метана в Западной Сибири обладает наибольшей чувствительностью к источникам, расположенным, прежде всего, в Европе и Северной Америке. Источники в Азии могут внести вклад к содержание СЩашя в верхней тропосфере.

152 15В lee 173 180 1В7 194 201 208 215 223 230 237

день года

152 159 180 173 180 187 194 201 208 215 223 230 237

день года

Рис. 4: Зависимость чувствительности содержания метана в верхней тропосфере (а) и полного содержания |CTI41 (б) для зоны Западной Сибири от времени по данным MOZART 4 для источников на территории Европы (сплошная линия), Северной Америки (точечная линия) и Азии (пунктирная линия)

В главе представлены результаты исследований эмиссии СН4 болотными комплексами, расположенными на территории Западной Сибири. При решении этой задачи использовалась эмпирическая модель эмиссии метана из увлажненных почв (Christensen T.R. et al. // Tellus, 1995), в которой выход СН4 в момент t (день года) определяется накопленной почвой к этому времени суммой положительных значений температур и ее влагосодержанием. Необходимые для расчета эмиссии метана параметры почвы получены с использованием региональной климатической модели RegCM4 (Giorgi F. et al. // Cliin. Rea., 2012), созданной в Международном центре теоретической физики им. Абдуса Салама (ICTP, Триест, Италия). Описание основных модулей модели, используемая в расчетах конфигурация R.egCM4, а также ее верификация приведены п приложении Б диссертации.

«Подпитка» модели RegCM4 на боковых границах принятой в работе области интегрирования (43° 67° ели., 55° 105° н.д.) при моделировании характеристик климатической системы для периода 19952013 гг. проводилась с использованием данных реанализа NCEP ТЮЕ АМТР II (R 2). При прогнозировании будущего климата и эмиссии CII4 граничные условия задавались по результатам модели HadGEM2

ES дли сценариев RCP4.5 и RCP8.5 возможной эволюции глобальной климатической системы.

В расчетах эмиссии метана рассматривались только модельные ячейки, попадающие в зону с координатами (55°-65° с.ш., 05°-85° в.д.) и содержащие, в соответствии с базой данных (Lehner В. et al. // J. Hydrology, 2004), болотные экосистемы. Результаты расчета эмиссии метана болотными комплексами Западной Сибири, проведенного с использованием RegCM4 для 2000-2013 и 2021-2050 годов, представлены на рисунке 5.

я

о

а)

.................J А............

7 \ / \ V Л

\ \ п

V / \

1 (

i «

SB 2.8

и

б)

i /\ Тргакд: -(1.1 1 ± 0.0 Тг/10 лет

н

■f-V j i \

1 Гт ^vV

i \ 1 1

V и

Год

2025 2030 2035 2040 2045 2050

Год

Рис. 5: Эмиссия метана болотными комплексами Западной Сибири по данным модели КейСМ4: а) — 2000-2013 гг.; б) — 2021-2050 гг. для сценария RCP4.5

Установлено, что в 2000-2013 гг. модельные оценки эмиссии метана изменяются от ~ 2.5 до 3 Тг/год. Максимальное значение эмиссии было в 2007 году, минимальное в 2010 г. Скорость изменения эмиссии метана в этот период практически равна нулю.

Отметим, что данные настоящей работы хорошо согласуются с оценкой 3.91 ± 1.29 Тг/год, полученной в (Glagolev М. et al. // ERL, 2011) для 2007 2010 гг., и результатами 2.9 ± 1.7 Тг/год и 3.0 ± 1.4 Тг/год работы (Kim H.-S. et, al. // ERL, 2011) дли 2002 2007 гг.

Анализ прогностических данных для 2021-2050 гг. показал, что диапазон изменений значений эмиссии метана для сценариев RCP4.5 и RCP8.5 больше: от 2.4 до 3.8 Тг/год. Отличный от нуля отрицательный тренд, равный 0.11 ±0.05 Тг/10 лет, установлен лишь для сценария RCP4.5. Для RCP8.5, при котором тренд практически равен нулю, средняя эмиссия СЩ составляет ~ 3 Тг/год.

Третья глава посвящена разработке метода восстановления полного содержания метана и исследованию межгодовой изменчивости

Таблица 1: Регрессионные модели

Регрессионная модель

|СН41 = aCH4AiRs ! 6

|СН4] ^ oCH4Ains ' bHtrop с

|СН4] = aCH4AiRs 4- bHtrop - Ь cTsurf + d

|СН4] = аСН4airs г ¿Htrnp ^ cTs„rf + riln(Pslirf/P0) + /

ICII4I = OCII4AIRS t MI,т(,р cTsllrf 1 dln(PSIlrf/Po) l /Uni. 1 e

[CII.il r атмосфере Западной Сибири по данным зондирующего комплекса AIRS r 2003-2014 гг.

Гиперспектральный комплекс AIRS, как и другие зондировщики и ИК-диапазоне, имеет зону максимальной чувствительности и верхней тропосфере. Отношение смеси СГЦдтя, измеренное прибором r этой области атмосферы, следует считать единственным информативным параметром, характеризующим вертикальное распределение метана (Xiong X. et al. // Remote Sens., 2010). Вместе с тем, сопоставление данных спутникового прибора с результатами наземных наблюдений содержания метана в приземном слое атмосферы в пунктах сети российско-японских станций (Sasakawa М. et. al. // Tellus В, 2010) показало подобие характера годового хода и межгодовой изменчивости этих величин.

Это результат, как и установленные по данным MOZART-4 выносы метана в свободную тропосферу исследуемой области Западной Сибири позволили в наших работах высказать предположение и исследовать корреляционную связь между отношением смеси CH^airs в зоне чувствительности комплекса AIR.S и полным содержанием метана в атмосфере ICII41-

Для исследования связи ICH41 с содержанием метана CII4aihs использованием данных модели MOZART 4 с уточненными граничными условиями были проведены вычислительные эксперименты, в которых осуществлено тестирование представленных в таблице 1 пяти регрессионных моделей.

В число параметров рассмотренных в работе моделей, н дополнение к отношению смеси метана Chairs в зоне чувствительности AIRS, включены высота тропопаузы Htr()p, температура подстилающей поверхности Тн„гГ, давление РНцгГ, а также высота верхней границы пограничного слоя Нш,. Выбор этих переменных для регрессионного анализа обусловлен наличием по ним данных в ежедневных продуктах комплекса AIR.S.

Таблица 2: Значения коэффициентов регрессионного уравнения (1)

а b с d /

Модель: |СН4| - aCH4AiH.s + bHtro , ^ cTSQrrï dln(Psurf/P0) + /

Зима Весна Лето Осень 0.628 0.517 0.474 0.737 -0.029 -0.027 -0.042 0.013 0.131 0.031 -0.096 0.235 56.1 57.0 46.1 48.9 239.3 459.4 660.9 56.6

Расчет коэффициентов линейной регрессии в этих экспериментах проводился для периода 2003 2009 гг. для зоны Западной Сибири при Ро 1 гПа. При нахождении коэффициентов использовались только данные MOZART 4 на 06:00 и 18:00 UTC, которые практически соответствуют времени пролета спу тника Aqua над исследуемой территорией.

Основываясь на результатах вычислительных экспериментов (R2 и а), представленных в диссертации, было установлено регрессионное ураннение, связывающее полное содержание метана в атмосфере |СН4| с отношением смеси CH4AIRS в области чувствительности AIRS и характеристиками атмосферы. Это уравнение имеет вид

[СН4] = nCH4Aiiis + 6Htrop + cTnurf + d ln(Psurr/P0) + /, (1)

где a,b,c,d,f - коэффициенты, зависящие от сезона года. Значения этих коэффициентов приведены в таблице 2.

Сопоставление истинных значений полного содержания метана по данным MOZART 4 с оценками |СН4| по регрессионной модели (1) для 2003 2009 гг., полученными также с использованием результатов MOZART 4, показано на рисунке 6.

Установленная но этим данным связь полного содержания метана [СН4| с отношением CH4airs в области чувствительности AIRS и другими характеристиками атмосферы и подстилающей поверхности, входящими в продукты комплекса, стала основой нового метода восстановления |СН4| в ат мосфере Западной Сибири по данным AIRS.

Верификация разработанной регрессионной модели (1) проводилась с использованием результатов четырех станций наземной сети TCCON (www.tccon.calt.ech.edu/) — Орлеан, Карлсруэ, Бремен, Гармиш, расположенных в средних широтах Северного полушария. Результаты AIRS, используемые для восстановления [СН.4] в зонах расположения этих станций, были получены из ресурса (ftp://airsparlu.ecs.nasa.gov). После предварительной подготовки они были усвоены в специально

§ жгто (кт

r: jß M

П Г 4Г

ГК , , . ■

r шми ВОГНЯ

i / X

3 >*K.'j j. y'"

I <«4 -J0

i i

-r ,n>j.

g i______________________________-J L__.___J

--<Ж <m <Ж НТО «W II» INC

|C ' H j ; {u.rçii / no .Jrtimuu MOZART i

Рис. 6: Сопоставление истинных значений полного содержания метана по данным MOZART-4 для различных сезонов года с оценками |СН4| по регрессионной модели (1), полученными также с использованием результатов MOZART 4

созданную базу данных, структура которой описана в главе 1. Созданный архив покрывал зону (40°-65° с.тп., 5° з.д. 20° в.д.).

При проведении расчетов использовались данные дневных измерений AIRS, попадающие в область 3°х3° с центром в точке расположения станции, для которых параметр качества измерения QA соответствовал значениям 0 и 1 (очень хорошо и хорошо). Как следует из рисунка 7, характер и величина межгодовых вариаций полного содержания метана, полученных в рамках предложенной регрессионной модели (1), соответствуют результатам наземных наблюдений станций сети TCCON.

13 этой главе представлены данные по пространственному распределению полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 2007 году, дается информация о созданной базе данных, элементами которой являются значения полного содержания метана для каждого месяца 2003-2014 гг. на сетке 1° х 1° региона.

Рисунок 8 демонстрирует поведение полного содержания |СН4| и аномалий смеси метана AjCITjl для зоны 1, полученных с использованием регрессионной модели (1). Представленные данные показывают, что в каждом годовом цикле полное содержание метана, подобно отношению смеси СН4 в верхней тропосфере, имеет зимний (январь-февраль) и летний (июль сентябрь) максимумы. Рост полного содержания метана в атмосфере в 2003 2014 гг. проходил при тренде 3.2 ±0.3 млрд_1/Г(ЗД-

Рис. 7: Межгодовая изменчивость полного содержания метана [СН41 в районе 4-х станций TCCON: Орлеан (а), Карлсруэ (б), Бремен (в), Гармиш (г). Серые точки — данные станций TCCON, х — результаты AIRS, полученные с использованием регрессионной модели (1) для области (3°х3°) с центром в точке расположения станции. Сплошная линия — 30-ти дневное скользящее среднее данных AIRS

Заключение

1. С использованием данных зондирующего комплекса AIRS спутника Aqua проведен анализ поведения от ношения смеси метана в верхней тропосфере Западной Сибири в 2003 2014 гг. Установлено, что в каждом годовом цикле дня рассмотренного в работе периода отношение смеси метана имеет зимний (январь-февраль) и летний (июль сентябрь) максимумы. Показано, что в этот период содержание метана возрастало со скоростью ~ 5.1 ± 0.4 млрд"Угод.

2. Проведено сопоставление результатов данной работы с самолетными измерениями ИОА СО РАН на высоте 7 км для периода 2003 2013 гг. Установлено, что за исключением нескольких весенних месяцев данные AIRS хорошо согласуются с результатами самолетных измерений. Скорости роста содержания метана по спутниковым и самолетным данным имеют близкие значения.

3. Сопоставление спутниковых данных для верхней тропосферы с: результатами наземных наблюдений в пунктах сети российско японских станций Карасевое и Демьянское на территории Западной

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 ГОД

год

Риг. 8: Межгодовая изменчивость полного содержания метана [CH4I в атмосфере Западной Сибири (а) и аномалии Д[СН4] (б) для зоны 1

Сибири показало, что периоды роста и уменьшения содержания метана практически совпадают.

4. Исследована чувствительность содержания метана в атмосфере Западной Сибири в летний период к вариациям пространственного распределения удаленных источников. Анализ результатов вычислительных экспериментов с использованием глобальной химической транспортной модели MOZART 4 показал, что в этот период вклад в полное содержание метана в атмосфере региона могут вносить источники, расположенные, прежде всего, в Европе и Северной Америке. Исто< шики в Азии могут оказать влияние на содержание CILiairs в верхней тропосфере.

5. По данным вычислительных экспериментов с использованием модифицированной глобальной модели MOZART 4 и метеорологических полей реанализадля 2000 2009 гг. установлена связь полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири с отношением смеси метана в верхней тропосфере, высотой тропопаузы, давлением и температурой подстилающей поверхности, а также сезоном года. Предложен и верифицирован метод восстановления полного содержания метана в атмосфере региона по данным комплекса AIRS спутника Aqua.

6. Проведено исследование годового хода и межгодовой изменчивости полного содержания метана в атмосфере Западной Сибири в 2003 2014 гг. Установлено, что в каждом годовом цикле для рассмотренного в работе периода полное содержание метана в ат мосфере Западной Сибири, подобно отношению смеси СН4 в верхней тропосфере, имеет зимний (январь) и летний (июль-сентябрь) максимумы. Показано, что рост полног о содержания метана в атмосфере в 2003 2014 гг. проходил при тренде ~ 3.2 ± 0.3 млрд_1/год.

7. С использованием эмпирической модели эмиссии метана из увлажненных почв и данных региональной климатической модели Ие^СМ4 получены оценки эмиссии СН4 болотными экосистемами Западной Сибири. Установлено, ч то модельные оценки в 2000 2013 гг. изменяются от ~ 2.5 до 3 Тг/год. Максимальное значение эмиссии было в 2007 году, минимальное — и 2010 г. Скорость изменения эмиссии метана в этот период практически равна нулю.

В 2021 2050 гг. диапазон изменений прогностических значений эмиссии СН4 для сценариев Г1СР4.5 и П.СР8.5 больше: от 2.4 до 3.8 Тг/год. Отличный от нуля отрицательный тренд, равный 0.11±

0.05.Тг/10 лет, установлен лишь для сценария ЕСР4.5. Для ЕСР8.5, при котором тренд практически равен пулю, средняя эмиссии СН4 составляет ~ 3 Тг/год.

В приложении А приведен список сокращений, используемых н работе.

В приложении Б дается краткая информации о региональной климатической модели Н^СМ4, использованной в работе при моделировании эмиссии метана болотными комплексами Западной Сибири. Обсуждаются основные модули модели, конфигурация Иер,СМ4, при которой выполнены расчеты, представлены результаты верификации основных блоков модели.

Основные публикации по теме диссертации

1. Лагутин, А.А. Оперативный мониторинг характеристик атмосферы с использованием данных зондирующего комплекса АШБ/Ациа / А. А. Лагутин, Ю. А. Никулин, Ал. А. Лагутин, Е. Ю. Мордвин, Е. А. Рекк, В. В. Синицин, И. А. Шмаков // Изв. АлтГУ. 2008. № 1(57). С. 77-91.

2. Лагутин, А. А. Моделирование климата Западной Сибири: результаты модели Н^СМ4 / А. А. Лагу тин, Н. В. Волков, Е. Ю. Морд-

вин, А. H. Резников // Изв. АлтГУ2012.- № 1(73). — С. 181-189.

3.Лагутин, А. А. Содержание метана в тропосфере Западной Сибири по данным AIRS/Aqna / А. А. Лагутин, Е. Ю. Мордвин, И. А. Шмаков // Изв. АлтпГУ. 2012. № 1(73)........С. 191 196.

4. Волков, Н. В. Моделирование климата Западной Сибири с использованием R.egCM4: поле температур и осадков / Н. В. Волков, А. А. Лагутин, Е. Ю. Мордвин, Л. А. Хворова // Фундаментальные и прикладные исследования в .математической экологии и агроэкологии: международная школа- семинар. Барнаул: И яд во АлтГУ. 2012. С. 51- 58.

5. Мордвин, Е. К). Климат Западной Сибири: результаты региональной модели RegCM4 / Е. Ю. Мордвин, Н. В. Волков, А. А. Лагутин, А. Н. Резников // Труды, международной конференции по измерениям,, моделированию и информационным, системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS 2012. Иркутск. 2012. С. 111 115.

6. Мордвин, Е. Ю. Годовой ход и межгодовая изменчивость содержания метана в тропосфере Западной Сибири поданным AIRS/Aqna / Е. Ю. Мордвин, А. А. Лагутин, И. А. Шмаков // Труды международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам, для изучения окружающей среды: ENVIROMIS

2012. Иркутск. 2012. С. 107 110.

7. Лагутин, A.A. Содержание метана п атмосфере Сибирского региона в 2000-2010 гг. по данным глобальной химической транспортной модели MOZART 4 / A.A. Лагутин, Е. Ю. Мордвин // Те;тсы докладов XIX Рабочей группы «Аэрозоли Сибири». Томск: Изд во ИОА СО РАН. 2012. С. 29.

8. Лагутин, A.A. Моделирование климата Сибирского региона: результаты модели RegCM/CLM дня 1970-2029 гг. / A.A. Лагутин, Н.В. Волков, Е. Ю. Мордвин // Вестник Алтайской науки.

2013. №1.-С. 191 197.

9. Лагутин, A.A. Метод восстановления полного содержания метана в атмосфере по данным AIRS/Aqna и MOZART-4 / A.A. Лагутин, Е. Ю. Мордвин // 11-я Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, Земли из космоса». ИКИ РАН. - 2013. - 4089.

10. Мордвин, Е.Ю. Метод восстановления полного содержания метана в атмосфере по данным AIRS/Aqna и MOZART-4 / Е. Ю.

Мордвин // Дистанционное зондирование Земли из космоса: алгоритмы, технологии, данные. Материалы молодежной школы-семинара / Под ред. A.A. Лагутина. Барнаул: АЗБУКА. 2013. С. 127 134.

11. Мордвин, Е.Ю. Годовой ход и межродовая изменчивость уходящего длинноволнового излучения но данным спутникового комплекса AIRS/AMSU и результатам климатической модели / Е. Ю. Мордвин, K.M. Макушев, Н.В. Волков // Дистанционное зондирование Земли из космоса: алгоритмы, технологии, данные. Материалы молодежной школы-семинара / Под ред. A.A. Лагутина. — Барнаул: АЗБУКА. - 2013,- С. 108-117.

12. Lagutin, A. Seasonal cycle and interannual variability of the total CH4 mixing ratios in West Siberia: results from AIRS/AMSU and chemistry transport models for 2003-2013 / A. Lagutin, E. Mordvin // 40th COSPAR Scientific Assembly 20Ц. Moscow, Russia. 2014. Al.l-0111-14.

13. Мордвин, Е.Ю. Уходящее длинноволновое излучение по данным региональной климатической модели и спутникового комплекса AIRS/AMSU / Е. Ю. Мордвин, Н. В. Волков, А. А. Лагутин, К. М. Макушев // Известия АлтГУ2014. -- № 1/2(81).- С. 155-161.

14. Лагутин, A.A. Моделирование показаний гинерсиектрального ИК-зондировщика AIRS/Aqua / А. А. Лагутин, Е. Ю. Мордвин, М. А. Якунин ,// 12-м Всероссийская конференция <?Современные •проблемы дистанционного зондирования Земли из космосаИКИ РАН. - 2014. - 4635.

15. Лагутин, A.A. Межгодовая изменчивость уходящего из атмосферы длинноволнового излучения: результаты AIRS/AMSU-Aqua и региональной климатической модели RegCM4 / A.A. Лагутин, Е. Ю. Мордвин, Н. В. Волков, К. М. Макушев // Тезисы докладов XXI Рабочей группы «Аэрозоли Сибири». Томск: Изд во ИОА СО РАН. 2014. С. 42.

16. Мордвин, Е.Ю. Моделирование эмиссии метана болотными экосистемами Западной Сибири / Е. Ю. Мордвин, A.A. Лагутин, Н. В. Волков, К. М. Макушев // Препринт. АлтГУ- 2014/12. — Барнаул: АЗБУКА, 2014. - 21 с.

17. Мордвин, Е. К). Содержание метана в свободной тропосфере Западной Сибири / Е. Ю. Мордвин, A.A. Лагутин // Федеральная служба по интеллектуальной собственности (Роспатент). Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621683 от 5 декабря 2014 г.

Мордпии Егор Юрьевич

МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ И ТРЕНДЫ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В 2003-2014 ГОДАХ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Оригинал-макет подготовлен и отпечатан н пакете ЬЧТ).]Х2£ г использованием шрифтом П. К. Малышена

Подписано к печати 08.07.2015 Формат 60 х 84/16. Почать офсетная. Усл. печ. л. 1.4

Тираж 100 экз. Заказ 230

Распространяется бесплатно

Типография Алтайского государственного университета: 656040, г. Барнаул, ул. Димитрова, 66

2015675269 I

2015675269