Спектроскопические аспекты точности определения атмосферного содержания метана и углекислого газа из атмосферных спектров солнечного излучения

В задачах моделирования климата к дистанционным измерениям общего содержания парниковых газов в атмосфере предъявляются высокие требования по точности, которая должна быть не хуже 1% и стремиться к величине 0,3% (Buchwitz M. et al, 2011). Регулярный мониторинг содержания парниковых газов в столбе атмосферы проводится при помощи наземных и спутниковых спектрометров. Измерения, проводимые на наземных Фурье-спектрометрах с высоким спектральным разрешением, используются также для валидации спутниковых измерений.
Точность определения содержания парниковых газов из атмосферных спектров солнечного излучения в значительной степени зависит от исходной спектроскопической информации по линиям поглощения атмосферных газов. В работе [Chesnokova et al, 2016] было показано, что различия в содержании метана в столбе атмосферы, определенного из измерений солнечных спектров на наземном Фурье-спектрометре при использовании параметров линий СН4 из различных спектроскопических баз данных, могут достигать 2% и более. При этом было отмечено, что использование более новых баз данных в прямой задаче не всегда приводит к лучшему согласию измеренных и модельных спектров. Информация в спектроскопических базах данных постоянно обновляется, поэтому необходимо проводить регулярные оценки новых спектроскопических данных с применением измерений атмосферных спектров, чтобы достичь требуемой точности результатов определения содержания парниковых газов дистанционными методами.
В нашей работе сделаны оценки влияния погрешности спектроскопической информации по линиям поглощения атмосферных газов на определение содержания СН4 и СО2 в столбе атмосферы из солнечных спектров, измеренных на наземном Фурье-спектрометре в Коуровке в полосах поглощения метана и углекислого газа в ближнем ИК диапазоне. При моделировании в прямой задаче были рассмотрены линии поглощения CH4 и СО2, содержащиеся в новых версиях известных спектроскопических баз данных HITRAN2016(Rothman et al, 2017) и GEISA2015 (Jacquinet-Husson et al, 2016). Проведено сравнение с предыдущими версиями баз данных HITRAN2012, HITRAN2008 и GEISA2011, которые наиболее часто используются в атмосферных задачах, а также с банком линий поглощения метана GOSAT2014 (Nikitin et al. 2015) и банком линий поглощения СО2 CDSD (Tashkun et al., 2015). Выявлены спектральные интервалы, где наблюдаются наибольшие расхождения между модельными спектрами и измерениями за счет погрешности линий поглощения в спектроскопических базах данных.
Различия в среднемесячном атмосферном содержании СO2, определенном с использованием HITRAN2016 и HITRAN2008 в полосе поглощения 1,6 мкм, могут достигать 2 ppm (0,5%). Определение содержания СО2 с использованием HITRAN2016, GEISA2015 и CDSD2014 показало меньшие различия, что вызвано тем, что информация по линиям поглощения CO2 в HITRAN2016 и GEISA2015 содержит достаточно много данных из банка линий поглощения CDSD.
Иначе дело обстоит с полосами поглощения метана в ближнем ИК диапазоне. Различие в содержании CН4 в столбе атмосферы, определенном из измерений солнечного излучения наземным Фурье-спектрометром с использованием различных банков данных по линиям поглощения CН4 в диапазоне 6000-6100 см-1 достигает 4%. При этом наилучшее согласие модельных спектров с атмосферными измерениями наблюдалось при использовании предыдущих версий HITRAN2008 и GEISA2011 в данном спектральном диапазоне.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных научных исследований II.10.3.7 и гранта РФФИ № 18-45-700011 p_a.

1. Buchwitz M., Chevallier F., Bergamaschi P., et al. User Requirements Document for the GHG-CCI project of ESA’s Climate Change Initiative. 2011, http://www.esa-ghg-cci.org/?q=webfm_send/173
2. T.Yu. Chesnokova, A.V. Chentsov, N.V. Rokotyan, V.I. Zakharov. Impact of difference in absorption line parameters in spectroscopic databases on CO2 and CH4 atmospheric content retrievals // Journal of Molecular Spectroscopy. 2016. Vol. 327. P.171-179.
3. Rothman L.S., Hill C., Kochanov R.V., et al The HITRAN2016 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. Vol. 203. P. 3–69.
4. Jacquinet-Husson, N., Armante, R., Scott, et al. The 2015 edition of the GEISA spectroscopic database //J. Mol. Spectrosc. 2016. Vol.327. P.31–72
5. Nikitin A.V., Lyulin O.M., Mikhailenko S.N., Perevalov V.I., Filippov N.N., Grigoriev I.M., Morino I., Yoshida Y., Matsunaga T. GOSAT-2014 methane spectral line list // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. Vol. 154. P. 63–71
6. Tashkun S.A., Perevalov V.I., Gamache R.R., Lamouroux J. CDSD-296, high resolution carbon dioxide spectroscopic databank: Version for atmospheric applications // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 2015. Vol. 152. P. 45–73.