zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-619Research ArticleСтатьиОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ НИТРАТА ХЛОРА В АТМОСФЕРЕ ПО НАЗЕМНЫМ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМOPTIMIZATION OF DETERMINING CHLORINE NITRATE IN THE ATMOSPHERE FROM GROUND-BASED SPECTROSCOPIC MEASUREMENTSВиролайненЯ. А.VirolainenY. A.

199034, Санкт-Петербург

St. Petersburg

yana.virolainen@spbu.ruПоляковА. В.PolyakovA. V.

199034, Санкт-Петербург

St. Petersburg

КирнерО.KirnerO.

76344, Эггенштайн-Леопольдсхафен

Eggenstein-Leopoldshafen, 76344

Санкт-Петербургский государственный университетSt. Petersburg State UniversityТехнологический институт Карлсруэ, вычислительный центр им. К. ШтайнбухаKarlsruhe Institute of Technology, Steinbuch Centre for Computing202008052020872306313Copyright © Виролайнен Я.А., Поляков А.В., Кирнер О., 20202020Виролайнен Я.А., Поляков А.В., Кирнер О.Virolainen Y.A., Polyakov A.V., Kirner O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/619

Рассмотрены методические аспекты определения общего содержания нитрата хлора (ClONO2) из наземных измерений спектров солнечного излучения с помощью Фурье-спектрометра Bruker 125HR на станции международной измерительной сети NDACC St. Petersburg (59.88° с.ш., 29.82° в.д., 20 м над уровнем моря). Разработанная методика применена к спектрам, измеренным в период с 2009 по 2019 гг., результаты сопоставлены с расчетами химико-климатической модели ЕМАС. Получено хорошее качественное и количественное согласие экспериментальных данных с результатами численного моделирования. За период 2009—2017 гг. среднее рассогласование между модельным и экспериментальным ансамблями составило 3%, среднеквадратическое 43 %, коэффициент корреляции 0.79±0.02, что свидетельствует об адекватном описании моделью изменчивости общего содержания ClONO2. Оценка линейного тренда общего содержания ClONO2 показала достоверное уменьшение общего содержания нитрата хлора в атмосфере над Санкт-Петербургом как по данным наземных измерений (–2.3±1.9 % в год), так и по результатам моделирования (–1.2±0.4 % в год).

The methodological aspects of determining the total content of chlorine nitrate (ClONO2) from groundbased measurements of solar radiation spectra using a Bruker 125HR Fourier spectrometer at the St. Petersburg station (59.88° N, 29.82° E, 20 m above sea level) of the international observational network NDACC are considered. The developed technique was applied to the spectra measured in the period from 2009 to 2019, and the results were compared with the calculations by the EMAC chemistry-climate model. A good qualitative and quantitative agreement of the experimental data with the results of numerical modeling was obtained. For the period 2009—2017, the average mismatch between the model and experimental ensembles was 3%, the standard deviation was 43%, and the correlation coefficient was 0.79 ± 0.02, which indicates an adequate description of the variability of the total ClONO2 content by the model. The assessment of the linear trend of the total ClONO2 content showed a significant decrease in the total chlorine nitrate content in the atmosphere over St. Petersburg both according to ground-based measurements (–2.3 ± 1.9% per year) and modeling results (–1.2 ± 0.4% per year).

атмосферная ИК-Фурье-спектрометриягазовый состав атмосферыозоновый слойнитрат хлорахимико-климатические модели атмосферыNDACCEMACatmospheric IR Fourier spectrometryatmospheric gas compositionozone layerchlorine nitrateatmospheric chemistry-climate modelsNDACCEMACОбработка спектральных данных выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №18-05-00426). Разработка методики и обсуждение результатов поддержаны грантом СПбГУ COLLAB2019_2 (№39455678). Измерения солнечного излучения высокого спектрального разрешения выполнены на оборудовании ресурсного центра СПбГУ “Геомодель”.ReferencesS. Solomon. Rev. Geophys., 37, N 3 (1999) 275—316S. Solomon. Rev. Geophys., 37, N 3 (1999) 275—316M. J. Molina, F. S. Rowland. Nature, 249 (1974) 810—812M. J. Molina, F. S. Rowland. Nature, 249 (1974) 810—812J. C. Farman, B. G. Gardiner, J. D. Shanklin. Nature, 315 (1985) 207—210J. C. Farman, B. G. Gardiner, J. D. Shanklin. Nature, 315 (1985) 207—210R. Nassar, P. F. Bernath, C. D. Boone, C. Clerbaux, P. F. Coheur, G. Dufour, L. Froidevaux, E. Mahieu, J. C. McConnell, S. D. McLeod, D. P. Murtagh, C. P. Rinsland, K. Semeniuk, R. Skelton, K. A. Walker, R. Zander. J. Geophys. Res., 111, D22312 (2006); doi: 10.1029/2006JD007073R. Nassar, P. F. Bernath, C. D. Boone, C. Clerbaux, P. F. Coheur, G. Dufour, L. Froidevaux, E. Mahieu, J. C. McConnell, S. D. McLeod, D. P. Murtagh, C. P. Rinsland, K. Semeniuk, R. Skelton, K. A. Walker, R. Zander. J. Geophys. Res., 111, D22312 (2006); doi: 10.1029/2006JD007073D. G. Murcray, A. Goldman, F. H. Murcray, F. J. Murcray, W. J. Williams. Geophys. Res. Lett., 6, N 11 (1979) 857—859D. G. Murcray, A. Goldman, F. H. Murcray, F. J. Murcray, W. J. Williams. Geophys. Res. Lett., 6, N 11 (1979) 857—859R. Zander, C. P. Rinsland, C. B. Farmer, L. R. Brown, R. H. Norton. Geophys. Res. Lett., 13, N 8 (1986) 757—760R. Zander, C. P. Rinsland, C. B. Farmer, L. R. Brown, R. H. Norton. Geophys. Res. Lett., 13, N 8 (1986) 757—760C. P. Rinsland, M. R. Gunson, R. J. Salawitch, H. A. Michelsen, R. Zander, M. J. Newchurch, M. M. Abbas, M. C. Abrams, G. L. Manney, A. Y. Chang, F. W. Irion, A. Goldman, E. Mahieu. Geophys. Res. Lett., 23, N 17 (1996) 2365—2368C. P. Rinsland, M. R. Gunson, R. J. Salawitch, H. A. Michelsen, R. Zander, M. J. Newchurch, M. M. Abbas, M. C. Abrams, G. L. Manney, A. Y. Chang, F. W. Irion, A. Goldman, E. Mahieu. Geophys. Res. Lett., 23, N 17 (1996) 2365—2368H. Nakajima, T. Sugita, H. Irie, N. Saitoh, H. Kanzawa, H. Oelhaf, G. Wetzel, G. C. Toon, B. Sen, J.-F. Blavier, W. A. Traub, K. Jucks, D. G. Johnson, T. Yokota, Y. Sasano. J. Geophys. Res., 111, D11S01 (2006); doi: 10.1029/2005JD006441H. Nakajima, T. Sugita, H. Irie, N. Saitoh, H. Kanzawa, H. Oelhaf, G. Wetzel, G. C. Toon, B. Sen, J.-F. Blavier, W. A. Traub, K. Jucks, D. G. Johnson, T. Yokota, Y. Sasano. J. Geophys. Res., 111, D11S01 (2006); doi: 10.1029/2005JD006441M. Höpfner, T. von Clarmann, H. Fischer, B. Funke, N. Glatthor, U. Grabowski, S. Kellmann, M. Kiefer, A. Linden, M. Milz, T. Steck, G. P. Stiller, P. Bernath, C. E. Blom, Th. Blumenstock, C. Boone, K. Chance, M. T. Coffey, F. Friedl-Vallon, D. Griffith, J. W. Hannigan, F. Hase, N. Jones, K. W. Jucks, C. Keim, A. Kleinert, W. Kouker, G. Y. Liu, E. Mahieu, J. Mellqvist, S. Mikuteit, J. Notholt, H. Oelhaf, C. Piesch, T. Reddmann, R. Ruhnke, M. Schneider, A. Strandberg, G. Toon, K. A. Walker, T. Warneke, G. Wetzel, S. Wood, R. Zander. Atm. Chem. Phys., 7, N 1 (2007) 257—281M. Höpfner, T. von Clarmann, H. Fischer, B. Funke, N. Glatthor, U. Grabowski, S. Kellmann, M. Kiefer, A. Linden, M. Milz, T. Steck, G. P. Stiller, P. Bernath, C. E. Blom, Th. Blumenstock, C. Boone, K. Chance, M. T. Coffey, F. Friedl-Vallon, D. Griffith, J. W. Hannigan, F. Hase, N. Jones, K. W. Jucks, C. Keim, A. Kleinert, W. Kouker, G. Y. Liu, E. Mahieu, J. Mellqvist, S. Mikuteit, J. Notholt, H. Oelhaf, C. Piesch, T. Reddmann, R. Ruhnke, M. Schneider, A. Strandberg, G. Toon, K. A. Walker, T. Warneke, G. Wetzel, S. Wood, R. Zander. Atm. Chem. Phys., 7, N 1 (2007) 257—281E. Mahieu, R. Zander, P. Duchatelet, J. W. Hannigan, M. T. Coffey, S. Mikuteit, F. Hase, T. Blumenstock, A. Wiacek, K. Strong, J. R. Taylor, R. L. Mittermeier, H. Fast, C. D. Boone, S. D. McLeod, K. A. Walker, P. F. Bernath, C. P. Rinsland. Geophys. Res. Lett., 32, N 15 (2005) L15S08; doi: 10.1029/2005GL022396E. Mahieu, R. Zander, P. Duchatelet, J. W. Hannigan, M. T. Coffey, S. Mikuteit, F. Hase, T. Blumenstock, A. Wiacek, K. Strong, J. R. Taylor, R. L. Mittermeier, H. Fast, C. D. Boone, S. D. McLeod, K. A. Walker, P. F. Bernath, C. P. Rinsland. Geophys. Res. Lett., 32, N 15 (2005) L15S08; doi: 10.1029/2005GL022396Наблюдательная сеть IRWG/NDACC: https://www2.acom.ucar.edu/irwgНаблюдательная сеть IRWG/NDACC: https://www2.acom.ucar.edu/irwgЯ. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский, О. Кирнер, М. Хепфнер. Изв. РАН ФАО, 51, № 1 (2015) 60—68 [Ya. A. Virolainen, Yu. M. Timofeyev, A. V. Poberovskii, O. Kirner, M. Hoepfner. Izv. Atm. Ocean. Phys., 51, N 1 (2015) 49—56]Я. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский, О. Кирнер, М. Хепфнер. Изв. РАН ФАО, 51, № 1 (2015) 60—68 [Ya. A. Virolainen, Yu. M. Timofeyev, A. V. Poberovskii, O. Kirner, M. Hoepfner. Izv. Atm. Ocean. Phys., 51, N 1 (2015) 49—56]R. Kohlhepp, R. Ruhnke, M. P. Chipperfield, M. De Mazière, J. Notholt, S. Barthlott, R. L. Batchelor, R. D. Blatherwick, Th. Blumenstock, M. T. Coffey, P. Demoulin, H. Fast, W. Feng, A. Goldman, D. W. T. Griffith, K. Hamann, J. W. Hannigan, F. Hase, N. B. Jones, A. Kagawa, I. Kaiser, Y. Kasai, O. Kirner, W. Kouker, R. Lindenmaier, E. Mahieu, R. L. Mittermeier, B. Monge-Sanz, I. Morino, I. Murata, H. Nakajima, M. Palm, C. Paton-Walsh, U. Raffalski, Th. Reddmann, M. Rettinger, C. P. Rinsland, E. Rozanov, M. Schneider, C. Senten, C. Servais, B.-M. Sinnhuber, D. Smale, K. Strong, R. Sussmann, J. R. Taylor, G. Vanhaelewyn, T. Warneke, C. Whaley, M. Wiehle, S. W. Wood. Atm. Chem. Phys., 12, N 7 (2012) 3527—3556R. Kohlhepp, R. Ruhnke, M. P. Chipperfield, M. De Mazière, J. Notholt, S. Barthlott, R. L. Batchelor, R. D. Blatherwick, Th. Blumenstock, M. T. Coffey, P. Demoulin, H. Fast, W. Feng, A. Goldman, D. W. T. Griffith, K. Hamann, J. W. Hannigan, F. Hase, N. B. Jones, A. Kagawa, I. Kaiser, Y. Kasai, O. Kirner, W. Kouker, R. Lindenmaier, E. Mahieu, R. L. Mittermeier, B. Monge-Sanz, I. Morino, I. Murata, H. Nakajima, M. Palm, C. Paton-Walsh, U. Raffalski, Th. Reddmann, M. Rettinger, C. P. Rinsland, E. Rozanov, M. Schneider, C. Senten, C. Servais, B.-M. Sinnhuber, D. Smale, K. Strong, R. Sussmann, J. R. Taylor, G. Vanhaelewyn, T. Warneke, C. Whaley, M. Wiehle, S. W. Wood. Atm. Chem. Phys., 12, N 7 (2012) 3527—3556М. В. Макарова, А. В. Поберовский, Ф. Хазе, Ю. М. Тимофеев, Х. Х. Имхасин. Журн. прикл. спектр., 83, № 3 (2016) 437—444 [M. V. Makarova, A. V. Poberovskii, F. Hase, Yu. Timofeyev, Kh. Kh. Imhasin. J. Appl. Spectr., 83, N 3 (2016) 429—436]М. В. Макарова, А. В. Поберовский, Ф. Хазе, Ю. М. Тимофеев, Х. Х. Имхасин. Журн. прикл. спектр., 83, № 3 (2016) 437—444 [M. V. Makarova, A. V. Poberovskii, F. Hase, Yu. Timofeyev, Kh. Kh. Imhasin. J. Appl. Spectr., 83, N 3 (2016) 429—436]Y. Timofeyev, Y. Virolainen, M. Makarova, A. Poberovsky, A. Polyakov, D. Ionov, S. Osipov, H. Imhasin. J. Mol. Spectr., 323 (2016) 2—14Y. Timofeyev, Y. Virolainen, M. Makarova, A. Poberovsky, A. Polyakov, D. Ionov, S. Osipov, H. Imhasin. J. Mol. Spectr., 323 (2016) 2—14База данных наблюдательной сети IRWG/NDACC: ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/ndacc/station/st.petersburg/hdf/ftir/База данных наблюдательной сети IRWG/NDACC: ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/ndacc/station/st.petersburg/hdf/ftir/F. Hase, J. W. Hannigan, M. T. Coffey, A. Goldman, M. Höpfner, N. B. Jones, C. P. Rinsland, S. W. Wood. J. Quantum. Spectr. Radiat. Transfer., 87 (2004) 25—52F. Hase, J. W. Hannigan, M. T. Coffey, A. Goldman, M. Höpfner, N. B. Jones, C. P. Rinsland, S. W. Wood. J. Quantum. Spectr. Radiat. Transfer., 87 (2004) 25—52База данных NCEP CPC: https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/База данных NCEP CPC: https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/M. Park, W. J. Randel, D. E. Kinnison, L. K. Emmons, P. F. Bernath, K. A. Walker, C. D. Boone, M. J. Livesey. Geophys. Res.: Atmospheres, 118, N 4 (2013) 1964—1980M. Park, W. J. Randel, D. E. Kinnison, L. K. Emmons, P. F. Bernath, K. A. Walker, C. D. Boone, M. J. Livesey. Geophys. Res.: Atmospheres, 118, N 4 (2013) 1964—1980Я. А. Виролайнен. Журн. прикл. спектр., 85, № 3 (2018) 453—460 [Ya. A. Virolainen. J. Appl. Spectr., 85, N 3 (2018) 462—469]Я. А. Виролайнен. Журн. прикл. спектр., 85, № 3 (2018) 453—460 [Ya. A. Virolainen. J. Appl. Spectr., 85, N 3 (2018) 462—469]Y. A. Virolainen, Y. M. Timofeyev, V. S. Kostsov, D. V. Ionov, V. V. Kalinnikov, M. V. Makarova, A. V. Poberovsky, N. A. Zaitsev, H. H. Imhasin, A. V. Polyakov, M. Schneider, F. Hase, S. Barthlott, T. Blumenstock. Atm. Meas. Tech., 10, N 11 (2017) 4521—4536Y. A. Virolainen, Y. M. Timofeyev, V. S. Kostsov, D. V. Ionov, V. V. Kalinnikov, M. V. Makarova, A. V. Poberovsky, N. A. Zaitsev, H. H. Imhasin, A. V. Polyakov, M. Schneider, F. Hase, S. Barthlott, T. Blumenstock. Atm. Meas. Tech., 10, N 11 (2017) 4521—4536Я. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский, М. Еременко, Г. Дюфор. Изв. РАН ФАО, 51, № 2 (2015) 191—200 [Ya. A. Virolainen, Yu. M. Timofeyev, A. V. Poberovskii, M. Eremenko, G. Dufour. Izv. Atm. Ocean. Phys., 51, N 2 (2015) 167—176]Я. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский, М. Еременко, Г. Дюфор. Изв. РАН ФАО, 51, № 2 (2015) 191—200 [Ya. A. Virolainen, Yu. M. Timofeyev, A. V. Poberovskii, M. Eremenko, G. Dufour. Izv. Atm. Ocean. Phys., 51, N 2 (2015) 167—176]А. В. Поляков, Я. А. Виролайнен, М. В. Макарова. Журн. прикл. спектр., 85, № 6 (2018) 962—970 [A. V. Polyakov, Ya. A. Virolainen, M. V. Makarova. J. Appl. Spectr., 85, N 6 (2018) 1085—1093]А. В. Поляков, Я. А. Виролайнен, М. В. Макарова. Журн. прикл. спектр., 85, № 6 (2018) 962—970 [A. V. Polyakov, Ya. A. Virolainen, M. V. Makarova. J. Appl. Spectr., 85, N 6 (2018) 1085—1093]А. Н. Тихонов. ДАН СССР, 151, № 3 (1963) 501—504А. Н. Тихонов. ДАН СССР, 151, № 3 (1963) 501—504L. S. Rothman, I. E. Gordon, A. Barbe, D. Chris Benner, P. F. Bernath, M. Birk, V. Boudon, L. R. Brown, A. Campargue, J.-P. Champion, K. Chance, L. H. Coudert, V. Dana, V. M. Devi, S. Fally, J.-M. Flaud, R. R. Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, I. Kleiner, N. Lacome, W. J. Lafferty, J.-Y. Mandin, S. T. Massie, S. N. Mikhailenko, C. E. Miller, N. Moazzen-Ahmadi, O. V. Naumenko, A. V. Nikitin, J. Orphal, V. I. Perevalov, A. Perrin, A. Predoi-Cross, C. P. Rinsland, M. Rotger, M. Šimečková, M. A. H. Smith, K. Sung, S. A. Tashkun, J. Tennyson, R. A. Toth, A. C. Vandaele, J. Vander Auwera. J. Quantum. Spectr. Radiat. Transfer, 110, N 9-10 (2009) 25—52L. S. Rothman, I. E. Gordon, A. Barbe, D. Chris Benner, P. F. Bernath, M. Birk, V. Boudon, L. R. Brown, A. Campargue, J.-P. Champion, K. Chance, L. H. Coudert, V. Dana, V. M. Devi, S. Fally, J.-M. Flaud, R. R. Gamache, A. Goldman, D. Jacquemart, I. Kleiner, N. Lacome, W. J. Lafferty, J.-Y. Mandin, S. T. Massie, S. N. Mikhailenko, C. E. Miller, N. Moazzen-Ahmadi, O. V. Naumenko, A. V. Nikitin, J. Orphal, V. I. Perevalov, A. Perrin, A. Predoi-Cross, C. P. Rinsland, M. Rotger, M. Šimečková, M. A. H. Smith, K. Sung, S. A. Tashkun, J. Tennyson, R. A. Toth, A. C. Vandaele, J. Vander Auwera. J. Quantum. Spectr. Radiat. Transfer, 110, N 9-10 (2009) 25—52R. Kohlhepp, S. Barthlott, T. Blumenstock, F. Hase, I. Kaiser, U. Raffalski, R. Ruhnke. Atm. Chem. Phys., 11, N 10 (2011) 4669—4677R. Kohlhepp, S. Barthlott, T. Blumenstock, F. Hase, I. Kaiser, U. Raffalski, R. Ruhnke. Atm. Chem. Phys., 11, N 10 (2011) 4669—4677J. W. Hannigan, M. T. Coffey, A. Goldman. J. Atm. Ocean. Technol., 26 (2009) 1814—1828J. W. Hannigan, M. T. Coffey, A. Goldman. J. Atm. Ocean. Technol., 26 (2009) 1814—1828P. Jöckel, H. Tost, A. Pozzer, C. Brühl, J. Buchholz, L. Ganzeveld, P. Hoor, A. Kerkweg, M. G. Lawrence, R. Sander, B. Steil, G. Stiller, M. Tanarhte, D. Taraborrelli, J. van Aardenne, J. Lelieveld. Atm. Chem. Phys., 6, N 12 (2006) 5067—5104P. Jöckel, H. Tost, A. Pozzer, C. Brühl, J. Buchholz, L. Ganzeveld, P. Hoor, A. Kerkweg, M. G. Lawrence, R. Sander, B. Steil, G. Stiller, M. Tanarhte, D. Taraborrelli, J. van Aardenne, J. Lelieveld. Atm. Chem. Phys., 6, N 12 (2006) 5067—5104Я. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поляков, Д. В. Ионов, О. Кирнер, А. В. Поберовский, Х. Имхасин. Изв. РАН ФАО, 52, № 1 (2016) 64—73 [Ya. A. Virolainen, Yu. M. Timofeyev, A. V. Polyakov, D. V. Ionov, O. Kirner, A. V. Poberovskii, Kh. Imkhasin. Izv. Atm. Ocean. Phys., 52, N 1 (2016) 57—65]Я. А. Виролайнен, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поляков, Д. В. Ионов, О. Кирнер, А. В. Поберовский, Х. Имхасин. Изв. РАН ФАО, 52, № 1 (2016) 64—73 [Ya. A. Virolainen, Yu. M. Timofeyev, A. V. Polyakov, D. V. Ionov, O. Kirner, A. V. Poberovskii, Kh. Imkhasin. Izv. Atm. Ocean. Phys., 52, N 1 (2016) 57—65]T. von Clarmann, S. Johansson. Atm. Chem. Phys., 18 (2018) 15363—15386; https://doi.org/10.5194/acp-18-15363-2018T. von Clarmann, S. Johansson. Atm. Chem. Phys., 18 (2018) 15363—15386; https://doi.org/10.5194/acp-18-15363-2018

The authors declare that there are no conflicts of interest present.