1. Спектроскопические исследования климатически важных параметров атмосферы

Разнообразная аппаратура РЦ "Геомодель" и кафедры физики атмосферы позволяет осуществлять регулярный мониторинг климатически важных параметров атмосферы и анализировать современные изменения климата Земли и факторов его определяющих (температура и влажность тропосферы, водозапас облаков, общие содержания  парниковых, озоноразрушающих и загрязняющих газов, оптические и микрофизические характеристики атмосферного аэрозоля и т.д.).

1.1. Наземные исследования газового состава атмосферы (Фурье-спектрометр (ФС) высокого спектрального разрешения Bruker IFS 125H) - парниковых, озоноразрушающих и загрязняющих газов

Гиперспектральные наземные ФС-измерения с помощью интерферометра Bruker IFS 125 HRС проводятся на кафедре физики атмосферы с января 2009 г. Регулярные измерения спектров поглощения солнечного излучения в ИК области с высоким разрешением (до 0.005см-1) позволяют определять содержания  15–20 парниковых, озоноразрушающих и загрязняющих атмосферных газов. На рис. 1.1 приведены фотография и схема установки используемого прибора на наблюдательной станции в Петергофе, а на рис. 1.2 – примеры измерений временных вариаций общего содержания различных газов.

Наземные измерения спектров солнечного излучения с высоким спектральным разрешением позволяют определять не только общие содержания различных газов, но и элементы вертикальных распределений. На рис. 1.3 приведены примеры временных вариаций содержания озона в различных слоях атмосферы.

Измерениями и интерпретацией информативных спектров прямого солнечного ИК излучения с высоким спектральным разрешением занимаются сотрудники Поберовский А.В.,  Макарова М.В., Виролайнен Я.А., Поляков А.В., Ионов Д.В., Х.Х. Имхасин, Осипов С.И.

Основные публикации

1. Timofeyev Yu.M., Virolainen Ya.A., Makarova M.V., Poberovsky A.V., Polyakov A.V., Ionov D.V., Osipov S.I., Imkhasin Kh.Kh., 2015: Ground-based spectroscopic measurements of atmospheric gas composition near Saint Petersburg (Russia). J. Molec. Spect. doi: 10.1016/j.jms.2015.12.007.
2. Виролайнен Я.А., Ю.М. Тимофеев, А.В. Поберовский, Еременко, Г. Дюфор, 2015: Определение содержания озона в различных слоях атмосферы с помощью наземной Фурье-спектроскопии. Изв. РАН. ФАО, 51, 2, 191–200.
3. Виролайнен Я. А. , Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский, О. Кирнер, М. Хёпфнер, 2015: Содержание нитрата хлора в атмосфере над Санкт-Петербургом. Изв. РАН. ФАО, 51, 1, 60–68.
4. Поляков А.В., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Виролайнен Я.А., 2015: Учет высоких приземных концентраций атмосферных паров соляной кислоты при наземных спектроскопических измерениях. Оптика атмосферы и океана, 28, 02, 153–158.
5. Поляков А. В., Ю.М. Тимофеев, Я.А. Виролайнен, А.В. Поберовский, 2014: Наземные измерения общего содержания HF в стратосфере вблизи Санкт-Петербурга (2009-2013). Изв. РАН. ФАО, 50, 6, 675–682.
6. Ионов Д.В., Кшевецкая М.А., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., 2013: Cодержание NO2 в стратосфере по данным наземных измерений солнечного ИК-излучения. Изв. РАН, ФАО, 49, 5, 565–575.
7. Ракитин А.В., Поберовский А.В., Ю. М. Тимофеев Ю.М.,  Макарова М.В., Т. Конвей, 2013: Вариации среднего по высоте отношения смеси СО2 вблизи Санкт-Петербурга. Изв. РАН, ФАО, 49, 3, 298–303.
8. Семакин С.Г., Поберовский А.В., Тимофеев Ю.М., 2013: Наземные спектроскопические измерения общего содержания азотной кислоты в атмосфере. Изв. РАН, ФАО, 49, 3, 323–326.
9. Timofeyev Yu., Dmitry Ionov, Maria Makarova, Yana Virolainen, Anatoly Poberovsky, Alexander Polyakov, Hamud Imhasin, Sergey Osipov, Anton Rakitin, Marina Kshevetskaya, 2013: Measurements of Trace Gases at Saint-Petersburg State University (SPbSU) in the Vicinity of Saint-Petersburg, Russia. In Disposal of Dangerous Chemicals in Urban Areas and Mega Cities, NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security 2013, XV, Barnes, Ian; Rudzinski, Krzysztof J. (Eds.), 346 p., pp. 173–184.
10. Поберовский А.В., 2010: Наземные измерения ИК-спектров солнечного излучения с высоким спектральным разрешением. Оптика атмосферы и океана, 23, 1, 56–58.
11. Поберовский А.В., М.В. Макарова, А.В. Ракитин, Д.В. Ионов, Ю.М. Тимофеев, 2010: Изменчивость общих содержаний климатически активных газов по наземным спектроскопическим измерениям с высоким разрешением. Доклады АН, 432, 02, 2010, 257–259.  

1.2. Микроволновые (МКВ) измерения вертикальных профилей температуры и влажности в тропосфере, водозапаса облаков (МКВ радиометр RPG-HATPRO)

Микроволновое зондирование тропосферы проводится путем интерпретации наземных измерений нисходящего теплового МКВ излучения (радиояркостных температур) в 14 спектральных каналах спектрометра RPG-HATPRO с использованием алгоритмов и программ решения соответствующей обратной задачи. Прибор установлен на вышке на крыше здания НИИ физики СПбГУ на базе научного парка СПбГУ в ресурсном центре «Геомодель». Внешний вид прибора приведен на рис. 1.4.

Прибор позволяет определять вертикальные профили температуры и влажности в тропосфере, а также водозапас облаков. На рис. 1.5 приведены примеры погрешностей определения вертикальных профилей температуры и влажности тропосферы, оцененные путем сравнения с радиозондовыми данными. Для температуры они составляют 1–3К до высот 5 км, для относительной влажности – 10-20%. Рис. 1.6 иллюстрирует результаты микроволнового зондирования влагозапаса облаков.

МКВ дистанционным зондированием атмосферы занимаются в.н.с. Косцов В.С., с.н.с. Поберовский А.В., асп. Зайцев Н.А. при сотрудничестве с в.н.с Куликовым Ю.Ю. (Институт прикладной физики, Нижний Новгород).

Основные публикации

1. Косцов В.С., Поберовский А.В., Осипов С.И., Тимофеев Ю.М. , 2012: Комплексная методика интерпретации наземных микроволновых спектральных   измерений в задаче определения вертикального профиля содержания озона. Оптика атмосферы и океана, 25, 04, 354–360.
2. Зайцев Н.А., Тимофеев Ю.М., Косцов В.С., 2014: Сравнение радиозондовых и наземных дистанционных микроволновых измерений профилей температуры в тропосфере. Оптика атмосферы и океана, 27, 05, 392–398.
3. Косцов В.С., 2015: Восстановление параметров облачной атмосферы по данным радиометра RPG-HATPRO. Изв. РАН. ФАО, 51, 2, 179–190.

1.3. Определение содержания О3 и NO2 методом DOAS

Регулярные наблюдения за атмосферным содержанием O3 и NO2 на основе зенитных наблюдений рассеянного видимого солнечного излучения с использованием метода DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) были начаты в 2004 г. На рис. 1.7 представлена схема наземных и спутниковых измерений газового состава атмосферы методом DOAS. Рис. 1.8 демонстрирует сезонный ход стратосферного O3 в Петергофе по данным DOAS измерений в сравнении со спутниковыми данными прибора OMI.

C 2009 г. проводятся мобильные спектроскопические исследования тропосферного содержания NO2 в районе Санкт-Петербурга методом DOAS спектрометром Ocean Optics. Летом 2012 г. был впервые проведен мобильный эксперимент с непрерывной серией замкнутых кольцевых измерений на трассе КАД. Эти эксперименты повторялись в дальнейшем в 2014 и 2015 гг. Это позволило использовать соответствующие мобильные измерения в задаче определения суммарной эмиссии от источников воздушного загрязнения мегаполиса внутри кольца. В качестве примера на рис. 1.9 схематично приведены пространственные распределения NO2 на части маршрута по КАД, полученные из данных мобильных измерений в 2015 г. На карте они совмещены с результатами моделирования рассеяния городского воздушного загрязнения в день эксперимента.

Исследования методом DOAS осуществляются к.ф.-м.н. Ионовым Д.В. и к.ф.-м.н. Поберовским А.В.

Основные публикации

1. Ионов Д. В., А.В. Поберовский, 2012: Двуокись азота в воздушном бассейне Санкт Петербурга: дистанционные измерения и численное моделирование. Изв. РАН. ФАО, 48, 04, 422-433.
3. Ionov D., A. Poberovskii, 2015: Quantification of NOx emission from St.Petersburg (Russia) using mobile DOAS measurements around entire city.Int. J. Rem. Sensing, 36, 9, 2486–2502.

1.4. Измерения оптических и микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля (cпектрофотометр CIMEL Electronique 318A)

Исследования аэрозольного состояния атмосферы осуществляются на кафедре физики атмосферы с марта 2013 года с помощью солнечного фотометра CIMEL Electronique 318A, измеряющего прямое и рассеянное солнечное излучение в 9 спектральных интервалах видимой и близкой инфракрасной области спектра. На рис. 1.10 представлен внешний вид спектрометра. Интерпретация измерений с помощью специальной международной методики позволяет определить аэрозольные оптические толщи (АОТ), альбедо однократного рассеяния, микрофизические параметры атмосферного аэрозоля и общее содержание водяного пара.

На рис. 1.11 представлены временные вариации АОТ на разных длинах волн в Петергофе в 2013–2014 гг. Рис. 1.12 демонстрирует временные вариации функции распределения аэрозольных частиц по размерам dN/dR.

Исследования аэрозольных характеристик проводят к.ф.-м.н. Поберовский А.В., Французова И.А., Волкова К.А. в кооперации с сотрудниками Годдардского центра космических полетов (США) Холбен Б.Н., Смирновым А., Слуцкер И. и д.ф.-м.н. Свириденковым М.А. (ИФА РАН, Москва).

Основные публикации

1. Березин И.А., Французова И.С., Тимофеев Ю.М., Виролайнен Я.А., Holben B.N., Smirnov A., Slutsker I., 2016: Анализ погрешностей измерения интегрального влагосодержания атмосферы фотометром СIMEL. Изв РАН, ФАО, принято в печать.