Jinwoong Kim, Hyun Mee Kim, Chun-Ho Cho, Kyung-On Boo, A.R. Jacobson, Motoki Sasakawa, Toshinobu Machida, M.Yu Arshinov, Nikolay Fedoseev
To investigate the effect of additional CO2 obser-
vations in the Siberia region on the Asian and global sur-
face CO2 flux analyses, two experiments using different ob-
servation data sets were performed for 2000–2009. One ex-
periment was conducted using a data set that includes addi-
tional observations of Siberian tower measurements (Japan-
Russia Siberian Tall Tower Inland Observation Network: JR-
STATION), and the other experiment was conducted us-
ing a data set without the above additional observations.
The results show that the global balance of the sources and
sinks of surface CO2 fluxes was maintained for both exper-
iments with and without the additional observations. While
the magnitude of the optimized surface CO2 flux uptake and
flux uncertainty in Siberia decreased from −1.17 ± 0.93 to
−0.77 ± 0.70 Pg C yr−1, the magnitude of the optimized sur-
face CO2 flux uptake in the other regions (e.g., Europe) of
the Northern Hemisphere (NH) land increased for the ex-
periment with the additional observations, which affect the
longitudinal distribution of the total NH sinks. This change
was mostly caused by changes in the magnitudes of surface
CO2 flux in June and July. The observation impact measured
by uncertainty reduction and self-sensitivity tests shows that
additional observations provide useful information on the es-
timated surface CO2 flux. The average uncertainty reduction
of the conifer forest of Eurasian boreal (EB) is 29.1 % and
the average self-sensitivities at the JR-STATION sites are ap-
proximately 60 % larger than those at the towers in North
America. It is expected that the Siberian observations play
an important role in estimating surface CO2 flux in the NH
land (e.g., Siberia and Europe) in the future.
A four-dimensional variational (4D-Var) method
is a popular algorithm for inverting atmospheric greenhouse
gas (GHG) measurements. In order to meet the computation-
ally intense 4D-Var iterative calculation, offline forward and
adjoint transport models are developed based on the Non-
hydrostatic ICosahedral Atmospheric Model (NICAM). By
introducing flexibility into the temporal resolution of the in-
put meteorological data, the forward model developed in
this study is not only computationally efficient, it is also
found to nearly match the transport performance of the online
model. In a transport simulation of atmospheric carbon diox-
ide (CO2), the data-thinning error (error resulting from re-
duction in the time resolution of the meteorological data used
to drive the offline transport model) is minimized by employ-
ing high temporal resolution data of the vertical diffusion co-
efficient; with a low 6-hourly temporal resolution, significant
concentration biases near the surface are introduced. The
new adjoint model can be run in discrete or continuous ad-
joint mode for the advection process. The discrete adjoint is
characterized by perfect adjoint relationship with the forward
model that switches off the flux limiter, while the continuous
adjoint is characterized by an imperfect but reasonable ad-
joint relationship with its corresponding forward model. In
the latter case, both the forward and adjoint models use the
flux limiter to ensure the monotonicity of tracer concentra-
tions and sensitivities. Trajectory analysis for high CO2 con-
centration events are performed to test adjoint sensitivities.
We also demonstrate the potential usefulness of our adjoint
model for diagnosing tracer transport. Both the offline for-
ward and adjoint models have computational efficiency about
10 times higher than the online model. A description of our
new 4D-Var system that includes an optimization method,
along with its application in an atmospheric CO2 inversion
and the effects of using either the discrete or continuous ad-
joint method, is presented in an accompanying paper (Niwa
et al., 2016).
The paper presents the results of complex observations of the atmospheric boundary layer dynam-
ics performed at the Fonovaya Observatory of the Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch, Russian
Academy of Sciences, in September 2013, with the use of remote sensing facilities, i.e., aerosol and Doppler
lidars. The structure of aerosol and wind fields in the period of occurrence of internal buoyancy waves and
low-level jet streams in the boundary layer is considered.
П.Н. Антохин, О.Ю. Антохина, М.Ю. Аршинов, Б.Д. Белан,
Д.К. Давыдов, Т.К. Скляднева, А.В. Фофонов, M. Sasakawa, T. Machida
На основе данных сети мониторинга парниковых газов JR-STATION, аномалий приземной температу-
ры (AT) и критериев блокирования, предложенных Tibaldi S. и Molteni F. (TM), исследованы изменения
концентрации метана в периоды атмосферного блокирования над Западной Сибирью. Проанализированы
летние сезоны с 1 июня по 31 августа с 2005 по 2013 г. Каталог блокирований, полученный в работе, со-
держит 13 событий, отобранных на основании анализа изменчивости критерия TM, а также продолжитель-
ных АТ, рассчитанных на основании данных реанализа ECMWF Era-Interim. Для выделенных событий ис-
следовались наличие очагов природных пожаров и предшествующие блокингу аномалии осадков. Все собы-
тия разделены на две группы по пространственному охвату (граничные блокинги, захватывающие только
часть Западной Сибири, и секторные, полностью охватывающие территорию Западной Сибири) и три груп-
пы по времени стационирования (5–6, 7–9 и >10 дней). Выяснено, что практически все события блокиро-
вания влияют на повышение концентрации метана, независимо от времени стационирования и пространст-
венного охвата, но степень влияния зависит от характера блокинга и сопутствующих ему условий. Это по-
зволило выделить четыре основные группы, характеризующие связь «блокинг – концентрация метана»:
«масштабный-длительный блокинг / обширные пожары» (максимально влияние блокирований), «масштаб-
ный-длительный блокинг / аномальные осадки до блокинга / локальные пожары» (вторая по степени влия-
ния), «короткий блокинг / без доп. условий» (третья), «секторный-длительный блокинг / локальные пожа-
ры» (минимальное влияние).
Ключевые слова: климат, метан, парниковые газы, концентрация, атмосферное блокирование, анома-
лии приземной температуры воздуха, природные пожары, атмосферные осадки; сlimate, methane, green-
house gases, concentration, atmospheric blocking, surface air temperature anomalies, natural fires, precipitation.
Обсуждается «парафиновая» гипотеза возникновения весенних нуклеационных всплесков (НВ). Ана-
лизируется органическая часть атмосферного аэрозоля посредством газовой хромато-масс-спектрометрии
с использованием метода структурной химической классификации. Сравниваются результаты, полученные
во время эпизодов НВ и в предшествующие (последующие) дни, когда интенсивное образование новых аэ-
розольных частиц зафиксировано не было. Рассматривается обоснованное предположение о формировании
аэрозольных частиц во время весенних НВ из состава поверхностных растительных восков.
По данным измерений в приземном слое воздуха в различных районах Сибири и в свободной атмосфере над акваторией Карского моря исследовано изменение концентрации нормальных углеводородов. Определено их суммарное содержание в составе аэрозольных частиц, отобранных за период эксперимента (от 244,56 нг/м3 в приземном слое воздуха до 0,08 нг/м3 в свободной атмосфере над Карским морем). Обнаружено, что основное количество органических соединений находится в диапазоне С15Н32–С22Н46 независимо от времени года. В переходные сезоны (весной и осенью) в составе частиц присутствуют более легкие соединения, начиная с С9Н20. Максимум концентрации осенью приходится на С18Н38, летом и весной на С19Н40, а зимой на С20Н42.
Для определения вклада лесных пожаров в содержание органического компонента аэрозоля использова-
ны данные двух летных кампаний, выполнявшихся по маршруту Новосибирск – Якутск – Новосибирск в 2012
и 2013 гг. Кампания 2012 г. проходила в условиях обширных лесных пожаров на территории Сибири, кам-
пания 2013 г., наоборот, в фоновых условиях. Анализ отобранных проб аэрозоля показал, что концентра-
ция органических соединений при пожарах по сравнению с фоновыми условиями возрастает в среднем до
35 раз в приземном слое воздуха и от 3 до 23 раз в свободной атмосфере. Состав органической компоненты
в свободной атмосфере изменяется при пожарах в зависимости от района. На участке Томск – Мирный в со-
ставе аэрозольных частиц преобладают н-алканы н-С19Н40 – н-С21Н44; от Мирного до Якутска основной макси-
мум концентраций приходится на высокомолекулярные соединения н-С19Н40 – н-С25Н52; на участке Братск –
Новосибирск в составе частиц преобладают низкомолекулярные н-алканы н-С12Н26 – н-С18Н38.
Исследования вертикального распределения органического компонента аэрозоля в пограничном слое
и свободной атмосфере проводились путем отбора проб с борта самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик». При
этом высотный диапазон был разбит на два слоя: 0,5–2,0 и 3,0–7,0 км. Показано, что вертикальное рас-
пределение органического компонента аэрозоля имеет экспоненциальный характер убывания концентрации
с высотой. Падение концентрации от приземного слоя воздуха до высоты свободной тропосферы составляет
7,5 раз. Максимальная концентрация в приземном слое воздуха наблюдается для соединения н-С19Н40.
В пограничном слое и свободной атмосфере максимум концентрации характерен для н-С17Н36. В свободной
тропосфере соединения тяжелее н-С22Н46 фиксируются только на уровне следовых концентраций. В течение
года происходит перераспределение органического компонента аэрозоля между приземным и пограничным
слоями атмосферы.
Для фонового участка района Томь-Обского междуречья выполнен сравнительный анализ химического состава водо- и кислоторастворимой фракций аэрозоля в сухих выпадениях, сопряженный с оценкой соотношения субмикронной и грубодисперсной фаз в приземном аэрозоле указанного фонового района и изучением их минерально-вещественного состава с использованием сканирующей электронной микроскопии. Выявлены различия в соотношениях металлов в водо- и кислоторастворимой фракциях. Обосновано предполагается, что водорастворимые соединения в основном содержатся в субмикронной фракции, тогда как кислоторастворимые формируют грубодисперсную.
По данным измерений в фоновом районе исследуется зависимость скорости образования в атмосфере озона от температуры воздуха. Для установления вида этой зависимости применяется метод, основанный на сопоставлении изменения концентрации озона при прохождении через пункт измерений волн тепла и холода. Такой подход позволил впервые получить не качественную, а количественную зависимость. Ее коэффициенты определяются как температурой воздуха, так и начальной концентрацией озона. Так, в минимуме приземной концентрации озона в многолетнем ходе (1999 г.) при температуре 30 °С изменению ее на 1 °С соответствует прирост концентрации 5 мкг/м3. В максимуме концентрации (2001 г.) при той же температуре прирост составляет почти 25 мкг/м3 на 1 °С. Для промежуточных периодов (1997 и 2010 гг.) эта величина имеет значение порядка 14 мкг/м3 на 1 °С. Анализ показывает, что квадратичный характер данной зависимости обусловлен нелинейным ростом констант реакций и квадратичным ростом выделения углеводородов растительностью при увеличении температуры воздуха.
Приводятся данные о вертикальном распределении газового и аэрозольного состава воздуха, измеренные
на самолете-лаборатории Ту-134 «Оптик» в октябре 2014 г. над Карским морем и прибрежными районами
Российской Арктики. Выявлены особенности распределения по вертикали СО2 и аэрозоля над Карским мо-
рем по сравнению с континентальными условиями. Для СН4, СО и О3 значительных отклонений от конти-
нентальных распределений не обнаружено.
International conference InterCarto. InterGIS 2017 №23
Hanna K. Lappalainen, Irina Bashmakova, Pavel Alekseychik, Alla Borisova,
Nuria Altimir, Mikhail Arshinov, Boris Belan, Gennadii Matvienko, Pavel Konstantinov,
Sergey Chalov, Nina Zaitseva, Jaana Back, Tuukka Petaja, Timo Vesala,
Julia Kurbatova, Nikolay Kasimov, Aleksander Baklanov, Vladimir Melnikov,
Pertti Hari, Sergej Zilitinkevich, Markku Kulmala
Pan-Eurasian Experiment (PEEX) initiative (https://www.atm.helsinki.fi/peex/), initiated in
2012, is an international, multidisciplinary, multiscale program focused on solving interlinked
global challenges influencing societies in the Northern Eurasian region and in China. As a part of
the program, PEEX is aimed to establish an in situ observation network, which would cover
environments from the Arctic coastal regions, tundra to boreal forests, from pristine to urban
megacities. The PEEX network will be based on two components: (i) the existing stations activities
and (ii) establishing new stations. The upgrading plans of the existing stations as well as the new
stations will be based on a SMEAR (Stations for Measuring Earth surface ‒ Atmosphere Relations)
concept. The development of the coordinated, comprehensive PEEX observation network is
contributing to the sustainable development of the Northern Eurasian regions. It is aimed at
providing quantified information on climate relevant variables for the research communities and for
constructing services, such as early warning systems, for the society.
KEYWORDS:
оbservation systems, in situ observations, early warning, climate predictions, land –
atmosphere interactions, atmospheric composition, photosynthesis, boreal forests, Stations for Measuring Earth surface ‒ Atmosphere Relations, SMEAR concept
B.D. Belan, S .B. Belan, O.Romanovskiy, A. Girshtein, A. Yanovich,
S. Baidali, S. Terehov.
The work is concerned with calculations and analysis of the maximum wind speed in
Tomsk city. The data for analysis were taken from the TOR-station located in the north-eastern
part of the city. The TOR-station sensors to measure a speed and a direction of wind are
installed on the 10-meter meteorological mast. Wind is measured by М-63, which uses the
standard approach and the program with one-minute averaging for wind gusts recording as
well. According to the measured results in the research performed, the estimation of the
dynamic and wind load on different types of antenna systems was performed. The work shows
the calculations of wind load on ten types of antenna systems, distinguished by their different
constructions and antenna areas. For implementation of calculations, we used methods
developed in the Central Research and Development Institute of Building Constructions named
after V.A. Kucherenko. The research results could be used for design engineering of the static
antenna systems and mobile tracking systems for the distant objects.
2017 J. Phys.: Conf. Ser. 803, 012019, http://iopscience.iop.org/1742-6596/803/1/012019
The relationship between the surface ozone concentration and the air temperature (O3-T) is rather strong. It is more
pronounced for day-to-day variations of O3 and T for every particular month in comparison with year-to-year variations
of monthly average values. The O3-T relationship is variable from one year to another. The correlation coefficient can be
both positive (achieving about 0.8) and negative. The analysis of some cases revealed that the magnitude of O3-T
relationship depends on the character of atmospheric circulation. For the analyzed situations, the O3-Т correlation was
stronger at the well-developed advection processes and dynamic alternation of air masses. We have found that the
increase of the surface ozone concentration and the air temperature at the measurement site for the cases of threefold and
higher excess of the maximum permissible diurnal average ozone concentration (MPCda) occurs synchronously with the
alternation of air masses.
The analysis of the geopotential height gradient (GHGS) [1] and the corresponding behavior of the potential temperature
at the level of dynamic tropopause has demonstrated that, in general, GHGS well reflects the dynamics of air mass
alternation, at least, for the most of analyzed cases of heat and cold waves. The use of the rigorous blocking criterions
(GHGS>0) yielded no positive results. In addition, no one case of threefold and higher excess of MPCda of ozone was
observed for the conditions of “actual” blocking with a duration of five and more days.
O.Yu. Antokhina, P.N. Antokhin, D.V. Elena, M.I. Vladimir
We study the atmospheric blocking event evolution peculiarities over the Siberia and Far Eastern region (Russia) during
summertime. Compared are two methods to identify blockings: from the 500 hPa (Z500) isobaric surface height
distribution, and from the potential temperature at the dynamic tropopause (PV-θ) for every July 1979 through 2016. We
revealed the situations, where blockings are identified only in one of the characteristics. Blocking identification by the
PV-θ characteristics is complicated in the cases, when its cyclonic part appears to be filled with air masses of the
southern origin, due to which there is no meridional gradient reversal in the PV-θ region. In the Z500 region, the
difficulties to identify blocking events may arise in those cases, when the baric field fails to adapt to rapid changes in the
temperature field associated with the air mass advection. For example, such events often occur over the ocean surface.
We performed a synoptic analysis for several blocking events from the data on the velocity field dynamics at
850 hPа and PV-θ supplemented by the analysis of the observational rainfall data at the stations during those events.
Distinguished were several stages of the blocking evolution over the Siberia and Far Eastern region that involved air
masses from the East Asian summer monsoon region: 1. The formation of a blocking over Western Siberia; 2. Cold
inflow on the blocking eastern periphery, the East Asian summer monsoon front activation, and a cyclone formation
(east of Lake Baikal), in whose system the monsoon air was actively involved. Such monsoon cyclones, as a rule, are
deep long-living formations, and they bring abnormal precipitations; 3. The formation of a ridge or anticyclone east of
the monsoon cyclone, caused by the advection of the same monsoon flow, whose part is involved in a cyclone system.
In general, the East Asian summer monsoon influence comes to the effects of regeneration and intensification of
the blocking circulating systems. Those effects are often accompanied by strong droughts in some regions and floods in
others.
Keywords: atmospheric blocking, geopotential, potential temperature on the dynamic tropopause, objective criteria, East Asia summer monsoon.
Models for estimating the regional transport of active and passive impurities based on the data of route observations in
the vicinity of point and area sources are proposed. Approbation of models on the data of airborne probing of
atmospheric pollution in the Norilsk industrial region was carried out. In the range of distances of 60-100 km from the
source of emissions, the active gas-to-particle conversion was analyzed on the basis of the observed data.
The verification of the results of numerical simulation of the distribution of anthropogenic emissions of the Norilsk
industrial zone using the WRF-CHEM model using airborne sounding data carried out in 13 August 2004 was
carried out. The results of numerical modelling of the distribution of the concentration of sulphur dioxide, ozone
and mass concentration of aerosol reproduce qualitatively the distributions obtained during airborne sounding.
Quantitative estimates showed that the root-mean-square error for sulphur dioxide, the mass concentration of
aerosol PM2.5 and ozone, calculated for all three flights, was 36 ppb, 3.4 µg/m3, 7.7 ppb, respectively.
Vertical flux of ozone and the dry deposition rate have been calculated with the data measured at a high weather
tower installed at the territory of Fonovaya (Background) Observatory of IAO SB RAS. The measurements were
conducted in the period from February till July of 2016. It is shown that there are well pronounced diurnal
dynamics of the vertical ozone flux and the dry deposition rate, which are inverse with respect to each other.
Открыть (7.7 Mb)