ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ СЛУЖБЫ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ КОПЕРНИКА (CAMS) ДЛЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА НА ЛОКАЛЬНОМ УРОВНЕ (НА ПРИМЕРЕ ДИОКСИДА АЗОТА) | Опубликовать статью РИНЦ

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ СЛУЖБЫ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ КОПЕРНИКА (CAMS) ДЛЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА НА ЛОКАЛЬНОМ УРОВНЕ (НА ПРИМЕРЕ ДИОКСИДА АЗОТА)

Научная статья

Крючков С.А.^1, *, Лукьянова Т.С.²

¹ ORCID: 0000-0002-2487-8892;

^{1, 2} Государственный Университет по Землеустройству, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (kru4kov8[at]gmail.com)

Аннотация

Созданная в 2014 году служба мониторинга атмосферы Коперника (CAMS) позволяет изучать качество атмосферного воздуха на территории почти всей Европы на основе спутникового наблюдения за атмосферой. Спутники проводят замеры концентраций веществ в молекулах вещества на определённом квадрате территории, а последующий перевод этих концентраций в мкг/куб. м. выполняется с помощью специальных математических моделей, которые в настоящее время имеют определённую погрешность в расчётах.

Ключевые слова: служба мониторинга атмосферы Коперника (CAMS), спутниковый мониторинг, качество воздуха, диоксид азота.

OUTLOOKS FOR USING DATA FROM COPERNICUS ATMOSPHERE MONITORING SERVICE (CAMS) FOR GEOECOLOGICAL RESEARCH OF ATMOSPHERIC AIR POLLUTION AT LOCAL LEVEL (ON EXAMPLE OF NITROGEN DIOXIDE)

Research article

Kryuchkov S.A.^1, *, Lukyanova T.S.²

¹ ORCID: 0000-0002-2487-8892;

^{1, 2} State University of Land Management, Moscow, Russia

* Corresponding author (kru4kov8[at]gmail.com)

Abstract

The Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), created in 2014, enables us to study the quality of atmospheric air almost in all the countries of Europe based on satellite-based atmospheric observation. Satellites measure the concentration of substances in the molecules of the substance on a certain square of the territory, and the subsequent converting of these concentrations in μg/m³ is carried out using special mathematical models, which currently have a certain calculation error.

Keywords: Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS), satellite monitoring, air quality, nitrogen dioxide. 

Введение

11 ноября 2014 года Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) и Европейским космическим агентством (ESA) была создана служба мониторинга атмосферы Коперника (CAMS).  Главные задачи этой службы – проведение мониторинга за газовом состоянием атмосферы, изучение степени загрязнённости воздуха и количества парниковых газов на территории Европы и всего мира [5]. Данные в эту организацию поступают путём спутникового и наземного мониторинга за состоянием атмосферы. Основными спутниками ведущими мониторинг являются космические аппараты Сантинел 4 и Сантинел 5P. Они совместно могут измерять концентрации около 10 химических веществ в атмосферном воздухе, среди которых: оксид азота (NO), диоксид азота (NO₂), озон (O₃), диоксид серы (SO2) и мелкодисперсные частицы (PM 2,5) [7]. Измерения проводятся в молекулах вещества на определённом измеряемом квадрате земли практически по всему атмосферному слою, то есть измеряется всё определяемое вещество в определённом квадрате атмосферы, например для спутника Сантинел 5P – квадрат равен территории 3,5 на 7 км. Замеры производятся в среднем раз в сутки, реже два раза в день [10, С. 14-19], [9].

В данный момент времени невозможно определить точную высоту высоких и низких концентраций определяемого вещества в атмосфере [4]. Тем не менее сейчас существуют минимум 7 экспериментальных математических моделей, разработанных разными институтами и организациями Европы, которые могут приблизительно рассчитывать концентрации вещества на определённых высотах, в конкретных квадратах [8]. Наиболее общая объединяющая все 7 математических моделей – является модель ENSEMBLE [5, С. 1-3]. С помощью неё вычисляется концентрация веществ в мкг/куб. м., например, в приземном слое тропосферы. Стоит заметить, что расчёты производятся по квадратам равным около 11 на 6,5 км [6]. Концентрация веществ отображается одинаковой на всей площади квадрата. Определить точную концентрацию в конкретных точках на земле (не квадратах) ни одна математическая модель в данный момент времени не может. Картосхемы с рассчитанными концентрациями веществ являются открытыми и публикуются ежедневно на официальном сайте службы мониторинга атмосферы Коперника (CAMS) [7]. Пример одной картосхемы, открытой в программе QGIS, представлен на рисунке 1.

Метод исследования

Для определения перспективы использования данных модели ENSEMBLE в геоэкологических исследованиях атмосферы на локальном уровне и расчёта степени загрязнённости воздуха в городах России, применялся метод сравнения данных ENSEMBLE с наземными измерениями, которые производятся организацией Мосэкомониторинг в городе Москва. В качестве примера выбрано вещество – диоксид азота (NO₂), класс его опасности 2. В этом исследовании взяты данные его концентраций на двух станциях контроля атмосферного воздуха Мосэкомониторинга на севере Москвы по адресу: Долгопрудная ул., вл.14 и юго-западе города по адресу: Очаковское ш., вл.11 к.1 [3].

Рис. 1 – Пример картосхемы, открытой в программе QGIS с наложенном слоем измерения диоксида азота службой CAMS от 30 августа 2019 года в городе Москва

В работе сравнивались почасовые данные за 3 разных дня в безоблачную (30.08.2019), в облачную (05.09.2019) и в переменно облачную погоду (12.09.2019) в периоды с 0:00 часов в исследуемые дни до 0:00 часов следующих суток. Всего проанализировано 150 рассчитанных спутниковых и наземных измерений. Графики показателей за все дни представлены на рисунке 2.

Рис. 2 – Различия данных концентраций диоксида азота модели ENSEMBLE и показаний наземного измерения, проведённого организацией Мосэкомониторинг в течение 3-х суток на двух станциях в г. Москва

 

Основные результаты

В результате сравнения количества показаний выявлено следующее: наземные показания превышали рассчитанные с помощью модели ENSEMBLE в 86-ти из 150-ти раз, что составляет – 57,(3) % случаев. Наибольшее количество случаев, когда наземные данные превышали рассчитанные, зафиксировано 12-го сентября на станции контроля воздуха на Очаковском шоссе, 23 из 25-ти наблюдений – что составляет 92 % случаев. Стоит отметить, что по данным метеостанции на ВДНХ в Москве, в этот день, была переменная облачность, а максимальный процент облаков составлял 60 % [1]. Наименьшее количество случаев превышения наземных данных над рассчитанными зафиксировано 5-го сентября на ул. Долгопрудная – 4 наблюдения из 25, что равно 16 %, в этот день, согласно метеостанции на ВДНХ, была 100 % облачность [1].

По результатам сравнения концентраций диоксида азота выявлено следующее: в целом наземные данные превышали рассчитанные спутниковые показания в среднем на 91 % или 1,91 раза, наибольшее расхождение данных зафиксировано 30-го августа в 12:00 по МСК на Очаковском шоссе – 665 % (6,65 раз) (50 мкг/куб. м фиксировалось на земле, а в модели ENSEMBLE показания в квадрате составляли 7,51 мкг/куб. м). Стоит заметить, что в этот день облачности над Москвой не было [1]. Наименьшее расхождение концентраций составляет менее 1 % (1,01 раза) зафиксированного в 01:00 5-го сентября на Очаковском шоссе (38 мкг/ куб. м и 37,88 мкг/ куб. м соответственно). Данные модели ENSEMBLE в среднем превышали наземные на 94 % (1,94 раза), максимальное расхождение наблюдалось 5-го сентября в 4:00 на Долгопрудной ул. – 489 % (4,89 раз), (модель ENSEMBLE показывала концентрацию 52,35 мкг/м. куб., а наземное измерение 10,7). Минимальное расхождение – 2 % (1,02 раза) наблюдалось в 5:00 12-го сентября на Очаковском шоссе. Сравнения показаний представлены в таблице 1

Сравнивая рассчитанные спутниковые данные модели ENSEMBLE и наземные данные наблюдения Мосэкомониторинга напрашиваются следующие выводы:

1. Показания замеров диоксида азота на наземных станциях контроля воздуха, в большинстве случаев, больше рассчитанных на основе спутниковых данных.

 

Таблица 1 – Сравнение показаний модели ENSEMBLE и данных наземного наблюдения

Измерения	Показания модели ENSEMBLE выше наземных измерений	Показания наземного измерения выше модели ENSEMBLE
Процент количества показаний, %	≈43	≈57
Максимальное расхождение, раз	4,89	6,65
Минимальное расхождение, раз	1,02	1,1
Среднее расхождение, раз	1,94	1,91
Общее среднее расхождение, раз	1,924

 

2. Максимальное расхождение показаний на основе 150-ти сравнений может доходить до 6,65 раз, среднее расхождение данных, при этом, составляет около 2-х раз в большую и меньшую сторону.
3. Влияние облачности на искажение данных доказать не удалось, более того в безоблачную погоду данные имеют большее отличие чем в облачную.

Заключение

Данные рассчитанные с помощью математической модели ENSEMBLE концентраций диоксида азота в атмосферном воздухе от службы мониторинга атмосферы Коперника (CAMS) в настоящее время имеют определённую погрешность и сейчас их следует относить исключительно к вспомогательным средствам мониторинга атмосферного воздуха, преимущество в данный момент времени следует отдавать показаниям наземного мониторинга.

Сегодня замеры концентраций веществ в атмосферном воздухе проводятся спутниками первого поколения наблюдения за атмосферой, и для них вполне возможны погрешности измерений. В 2021 году ожидается запуск спутников второго поколения, что вероятно, повысит точность получаемых данных – это всё делает использование данных службы CAMS для геоэкологических исследований степени загрязнённости атмосферного воздуха на локальном уровне перспективным лишь в будущем [2].

Благодарности Авторы статьи выражают благодарность службе мониторинга атмосферы Коперника (CAMS) и организациям Мосэкомониторинг и Greenpeace, чьи официальные данные распространяются через сеть Интернет свободно и бесплатно.	Acknowledgement The authors are grateful to the Copernican Atmosphere Monitoring Service (CAMS) and the Mosecomonitoring and Greenpeace organizations, whose official data are distributed freely and free of charge through the Internet.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Архив погоды в Москве (ВДНХ) // Интернет портал «Расписание погоды RP5». – 2019 [Электронный ресурс] – URL: https://rpru/Архив_ погоды_в_Москве_(ВДНХ) (дата обращения: 23.09.2019)
2. Спутник мониторинга уровня загрязнения Sentinel-5P успешно запущен на орбиту // Интернет-издание «Авиапанорама». – 2017 [Электронный ресурс] – URL: https://www.aviapanorama.ru/2017/10/sputnik-monitoringa-urovnja-zagrjaznenija-sentinel-5p-uspeshno-zapushhen-na-orbitu/ (дата обращения: 25.09.2019)
3. Электронная карта «Чем дышит Москва?» // Совместный проект Мосэкомониторинга и Greenpeace [Электронный ресурс] – URL: http://arcgis.greenpeace.org/air/ (дата обращения: 25.09.2019)
4. Convert OMI NO2 Vertical Column Density (molecules/cm^2) into Mixing Ratio (ppm) / Earth Science Answers // Stack Exchange Network. – 2016 [Электронный ресурс] – URL: https://earthscience.stackexchange.com/ questions/8860/convert-omi-no2-vertical-column-density-molecules-cm2-into-mixing-ratio-ppm (дата обращения: 25.09.2019)
5. Copernicus Climate Change and Atmosphere Monitoring Services launched // European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. – 2014 [Электронный ресурс] – URL: https://www.ecmwf.int/en/about/media-centre/news/ 2014/copernicus-climate-change-and-atmosphere-monitoring-services (дата обращения: 24.09.2019)
6. ENSEMBLE factsheet // Copernicus Atmosphere Monitoring Service, – 2016 – P. 1-3 [Электронный ресурс] – URL: https://atmosphere.copernicus.eu/ sites/default/files/201802/ENSEMBLE_Fact_Sheet_0.pdf (дата обращения: 25.09. 2019)
7. European air quality map // Copernicus Atmosphere Monitoring Service, – 2019 [Электронный ресурс] – URL: http://macc-raq-op.meteo.fr/ (дата обращения: 27.09.2019)
8. Regional air quality production systems Copernicus // Atmosphere Monitoring Service, – 2019 [Электронный ресурс] – URL: https://atmosphere.copernicus.eu/documentation-regional-systems/ (дата обращения: 27.09.2019)
9. Sentinel-5P // European Space Agency, 2017 [Электронный ресурс] – URL: – https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-5p (дата обращения: 25.09.2019)
10. van Geffen J.H.G.M. TROPOMI ATBD of the total and tropospheric NO2 data products / J.H.G.M. van Geffen, Eskes H.J., Boersma K.F. and others // Royal Netherlands Meteorological Institute, – De Bilt, 2016 – P. 14-19

Список литературы на английском языке / References in English

1. Arkhiv pogody v Moskve (VDNKH) [Weather archive in Moscow (VDNH)] // [Weather Schedule RP5 Internet portal] – 2019 [Electronic resource] – URL: https://rp5.ru/Weather_archive_in_Moscow_VDNH (accessed: 23.09.2019) [in Russian]
2. Sputnik monitoringa urovnya zagryazneniya Sentinel-5P uspeshno zapushchen na orbitu [Sentinel-5P pollution monitoring satellite successfully launched into orbit] // AvianoPanorama Internet-publishing house. – 2017 [Electronic resource] – URL: https://www.aviapanorama.ru/2017/10/sputnik-monitoringa-urovnja-zagrjaznenija-sentinel-5p-uspeshno-zapushhen-na-orbitu (accessed: 25.09.2019) [in Russian]
3. Elektronnaya karta «Chem dyshit Moskva?» [Electronic map “What is Moscow breathing with?”] // Joint project of the Mosecomonitoring and Greenpeace [Electronic resource] – URL: http://arcgis.greenpeace.org/air (accessed: 25.10. 2019) [in Russian]
4. Convert OMI NO2 Vertical Column Density (molecules/cm^2) into Mixing Ratio (ppm) / Earth Science Answers // Stack Exchange Network. – 2016 [Electronic resource] – URL: https://earthscience.stackexchange.com/questions/8860/convert-omi-no2-vertical-column-density-molecules-cm2-into-mixing-ratio-ppm (accessed: 25.09.2019)
5. Copernicus Climate Change and Atmosphere Monitoring Services launched // European Center for Medium-Range Weather Forecasts. – 2014 [Electronic resource] – URL: https://www.ecmwf.int/en/about/media-centre/news/2014/copernicus-climate-change-and-atmosphere-monitoring-services (accessed:24.09. 2019)
6. ENSEMBLE factsheet // Copernicus Atmosphere Monitoring Service, – 2016 – P. 1-3 [Electronic resource] – URL: URL: https://atmosphere.copernicus.eu/sites/default/files/201802/ENSEMBLE_Fact_Sheet_0.pdf (accessed: 25.09.2019)
7. European air quality map // Copernicus Atmosphere Monitoring Service, – 2019 [Electronic resource] – URL: http://macc-raq-op.meteo.fr (accessed: 27.09.2019)
8. Regional air quality production systems Copernicus // Atmosphere Monitoring Service, – 2019 [Electronic resource] – URL: https://atmosphere.copernicus.eu/documentation-regional-systems (accessed: 27.09.2019)
9. Sentinel-5P // European Space Agency, 2017 [Electronic resource] – URL: – https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-5p (accessed: 25.09.2019)
10. van Geffen J.H. G. M. TROPOMI ATBD of the total and tropospheric NO2 data products / J.H.G.M. van Geffen, Eskes H.J., Boersma K.F. and others // Royal Netherlands Meteorological Institute, – De Bilt, 2016 – P. 14-19