Отработка методики измерения содержания парниковых газов в

Отработка методики измерения
содержания парниковых газов в
эксперименте “Русалка” на МКС
ОСО
(Orbiting Carbon
Observatory)
GOSAT (IBUKI)
(Greenhouse gases
Observing SATellite)
РУСАЛКА (Ручной
Спектральный
Анализатор
Компонент
Атмосферы)
Масса
400 кг
1,5 тонны
3.3 кг
Разрешение
20000
0,2 см−1
15000
(0.4 см-1 для длины
волны 1.6 мкм)
Полосы
0,76 мкм (О2)
1,58 мкм (CO2)
2,05 мкм (CO2)
0,76 мкм (О2)
1,6 мкм (CO2)
2,0 мкм (CO2)
5.5-14.3 мкм
От 200 до 400
измерений CO2 на
градус широты.
Детектирование
облаков и аэрозоля:
Изображающий
спектрометр УФ,
видимого, и ближнего
ИК диапазонов
SWIR радиометр
1,58 мкм (CO2)
1,65 мкм (CH4 )
1,27 мкм (O2)
1,31 мкм (Н2О )
«РУСАЛКА» (Ручной Спектральный
Анализатор Компонент Атмосферы)
Оптическая схема спектрометра Русалка
Измеряемые полосы поглощения
Трассы наблюдений
Произведено 75 сеансов наблюдений :
62 – спектра поглощения атмосферы
11 – солнечного спектра,
2 – темнового сигнала
Пример вариации величины сигнала в зависимости
от облачности и типа подстилающей поверхности
Внешние данные: в качестве климатических параметров для решения обратной
задачи, измерение которых недоступно в ходе проведения эксперимента,
использовались данные реанализа Европейского центра прогноза погоды ECMWF
•
•
Приповерхностные значения давления, температуры, водяного пара (в
вертикальном столбе) и альбедо
Вертикальные профили от давления температуры, относительной влажности
(37 слоев)
Модель переноса излучения: синтетические спектры атмосферы в ближнем ИК
диапазоне были получены с помощью высокоточного полинейного кода LBLRTM
(Line-By-Line Radiative Transfer Model). Его алгоритмическая точность
приблизительно равна 0.5%, и ошибки, связанные с вычислительными
процессами, на пять порядков меньше ошибок, связанных с параметрами линий,
так что ограничение ошибок приписывается к параметрам и форме линий
Спектроскопическая информация: LBLRTM использует данные HITRAN 2008 за
исключением параметров некоторых линии (в частности H2O, CO2, CH4
и O2), которые показали лучшую совместимость с реальными спектрами, чем
содержащиеся в HITRAN
Исследование влияния изменения параметров при
моделировании синтетических спектров на глубины
линий поглощения
Стандартное отклонение для полосы
CH4 ,6055-6120 см-1
Изменение температуры, -2%
0.06%
Изменение температуры, +2%
0.06%
Изменение давления, -2%
2.8%
Изменение давления, +2%
2.9%
Модель аэрозоля
«Невидимые перистые облака»
2.9%
Модель аэрозоля
«Перистые облака»
17.0%
Модель аэрозоля «без облаков и
дождя»
2.1%
Наложение континуумов одного газа на полосы
поглощения других
Континуум какого газа
Какое
пропускание в
полосе данного
газа за счет
поглощения в
указанном
континууме
CH4
CO2
Н2О
O2
CH4
-
0.95-0.99,
есть полоса
0.999, есть
отдельные
линии
0.999
CO2
0.998
-
0.999, есть
отдельные
линии
0.999
Н2О
0.998
0.998
-
0.997
O2
0.997
0.997
0.997, есть
отдельные
линии
-
Цель: точность измерения концентрации СO2 2.5 ppm (0.7%)
Источники ошибок и критерии отбора спектров для восстановления (по
результатам проектов Русалка и GOSAT) :
1.
2.
3.
4.
Отсутствие облачности в поле зрения прибора
Отбор спектров над сушей, так как сигнал над океаном очень мал
Высокое отношение сигнал/шум (>30)
Учет аэрозоля (для точности 0.5% в СO2 точность оптической толщи аэрозоля
0.05-0.15) и невидимых перистых облаков (точность в о.т. 0.05 для суши и 0.015
для солнечного блика)
5. Солнечный зенитный угол <72%, иначе в приближении плоскопараллельной
атмосферы ошибка в воздушной массе >1%
6. Не учитывать спектры, снятые над горами, так как наклон поверхности
противоречит приближению плоскопараллельной атмосферы
7. При фитировании методом Х2 отбросить спектры с Х2>5, что говорит о
расхождении модельного и реального спектров
8. Трудность представляют спектры, снятые над городами и Сахарой из-за
неизвестного вертикального профиля и состава аэрозоля
9. Измерение CO2/O2 уменьшает общую ошибку благодаря высокой степени
корреляции этих полос относительно величин рассеяния и воздушной массы
10. Одновременное восстановление CO2 и CН4, так как континуум CO2 присутствует в
полосе поглощения CН4
Итоги
•
•
Количество относительно удачных наблюдений составляет не
более 24%, а число значимых спектров в них не превышает 3040%.
Как оказалось в ходе обработки данных спектрометра, при
съеме темнового сигнала, АОПФ отключался не полностью и
входящее излучение частично фильтровалось
Отсутствие верного темнового сигнала и малое количество
измеренных спектров не дали каких-либо весомых
результатов восстановления.
Для сравнения, по результатам GOSAT количество спектров без
облачности составило 7%, а прошедших все критерии отбора
всего 3%, то есть необходимы долговременные и регулярные
наблюдения с орбиты