Том 35, номер 09, статья № 8

Аннотация:

Рассматриваются результаты моделирования радиационного форсинга дымового аэрозоля (РФА) на границах атмосферы в зависимости от фотохимической эволюции его органической компоненты, условий освещенности и типов подстилающей поверхности («вода», «смешанный лес», «снег/лед»). На верхней границе атмосферы увеличение альбедо подстилающей поверхности и уменьшение аэрозольной оптической толщины могут приводить к трансформации эффекта выхолаживания в нагревание. Рост поглощательной способности аэрозольных частиц является причиной увеличения РФА на верхней границе, наиболее значимо проявляемого над поверхностями типа «снег/лед», тогда как на нижней границе атмосферы РФА уменьшается. По мере роста зенитного угла Солнца РФА по абсолютной величине убывает, если дымовой шлейф распространяется над слабо отражающими поверхностями, но с увеличением альбедо подстилающей поверхности эта зависимость трансформируется в немонотонную. Показано, что пренебрежение трансформациями оптических характеристик органического аэрозоля может приводить к завышению или занижению радиационного форсинга аэрозоля на верхней границе атмосферы в несколько раз (на несколько десятков Вт/м²), а также стать причиной ошибки определения знака РФА.

Ключевые слова:

органический аэрозоль, микрофизическая модель, эволюция оптических характеристик, численное моделирование, солнечное излучение, радиационный форсинг аэрозоля

Список литературы:

1. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W., Forster P.M., Berntsen T., De Angelo B.J., Flanner M.G., Ghan S., Kärcher B., Koch D., Kinne S., Kondo Y., Quinn P.K., Sarofim M.C., Schultz M.G., Schulz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S.K., Hopke P.K., Jacobson M.Z., Kaiser J.W., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J.P., Shindell D., Storelvmo T., Warren S.G., Zender C.S. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118, N 11. P. 5380–5552. DOI: 10.1002/jgrd.50171.
2. Ward D.S., Kloster S., Mahowald N.M., Rogers B.M., Randerson J.T., Hess P.G. The changing radiative forcing of fires: Global model estimates for past, present and future // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 22. P. 10857–10886. DOI: 10.5194/acp-12-10857-2012.
3. Sand M., Berntsen T.K., von Salzen K., Flanner M.G., Langner J., Victor D.G. Response of Arctic temperature to changes in emissions of short-lived climate forcers // Nat. Clim. Chang. 2015. V. 6. P. 286–289. DOI: 10.1038/nclimate2880.
4. Andreae M.O. Emission of trace gases and aerosols from biomass burning – an updated assessment // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19, N 13. P. 8523–8546. DOI: 10.5194/acp-19-8523-2019.
5. Reid J.S., Koppmann R., Eck T.F., Eleuterio D.P. A review of biomass burning emissions part II: Intensive physical properties of biomass burning particles // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5, N 3. P. 799–825. DOI: 10.5194/acp-5-799-2005.
6. Reid J.S., Eck T.F., Christopher S.A., Koppmann R., Dubovik O., Eleuterio D.P., Holben B.N., Reid E.A., Zhang J. A review of biomass burning emissions part III: Intensive optical properties of biomass burning particles // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5, N 3. P. 827–849. DOI: 10.5194/acp-5-827-2005.
7. Bond T.C., Bergstrom R.W. Light absorption by carbonaceous particles: An investigative review // Aerosol Sci. Technol. 2006. V. 40, N 1. P. 27–67. DOI: 10.1080/02786820500421521.
8. Nikonovas T., North P.R.J., Doerr S.H. Smoke aerosol properties and ageing effects for northern temperate and boreal regions derived from AERONET source and age attribution // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15, N 14. P. 7929–7943. DOI: 10.5194/acp-15-7929-2015.
9. Hodshire A., Akherati A., Alvarado M.J., Brown-Steiner B., Jathar S.H., Jimenez J.L., Kreidenweis S.M., Lonsdale C.R., Onasch T.B., Ortega A., Pierce J.R. Aging effects on biomass burning aerosol mass and composition: A critical review of field and laboratory studies // Environ. Sci. Technol. 2019. V. 53, N 17. P. 10007–10022. DOI: 10.1021/acs.est.9b02588.
10. Robinson A.L., Donahue N.M., Shrivastava M.K., Weitkamp E.A., Sage A.M., Grieshop A.P., Lane T.E., Pierce J.R., Pandis S.N. Rethinking organic aerosols: Semivolatile emissions and photochemical aging // Science. 2007. V. 315, N 5816. P. 1259–1262. DOI: 10.1126/science.1133061.
11. Akagi S.K., Craven J.S., Taylor J.W., McMeeking G.R., Yokelson R.J., Burling I.R., Urbanski S.P., Wold C.E., Seinfeld J.H., Coe H., Alvarado M.J., Weise D.R. Evolution of trace gases and particles emitted by a chaparral fire in California // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 3. P. 1397–1421. DOI: 10.5194/acp-12-1397-2012.
12. Konovalov I.B., Golovushkin N.A., Beekmann M., Andreae M.O. Insights into the aging of biomass burning aerosol from satellite observations and 3D atmospheric modeling: Evolution of the aerosol optical properties in Siberian wildfire plumes // Atmos. Chem. Phys. 2021. V. 21, N 1. P. 357–392. DOI: 10.5194/acp-21-357-2021.
13. Lee-Taylor J., Hodzic A., Madronich S., Aumont B., Camredon M., Valorso R. Multiday production of condensing organic aerosol mass in urban and forest outflow // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15, N 2. P. 595–615. DOI: 10.5194/acp-15-595-2015.
14. Bian Q., Jathar S.H., Kodros J.K., Barsanti K.C., Hatch L.E., May A.A., Kreidenweis S.M., Pierce J.R. Secondary organic aerosol for mation in biomass-burning plumes: Theoretical analysis of lab studies and ambient plumes // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17, N 8. P. 5459–5475. DOI: 10.5194/acp-17-5459-2017.
15. Hodshire A.L., Bian Q., Ramnarine E., Lonsdale C.R., Alvarado M.J., Kreidenweis S.M., Jathar S.H., Pierce J.R. More than emissions and chemistry: Fire size, dilution, and background aerosol also greatly influence near-field biomass burning aerosol aging // J. Geophys. Res.: Atmos. 2019. V. 124, N 10. P. 5589–5611. DOI: 10.1029/2018JD029674.
16. Zhuravleva T., Nastrdinov I., Konovalov I., Golovushkin N., Beekmann M. Impact of the atmospheric photochemical evolution of the organic component of biomass burning aerosol on its radiative forcing efficiency: A box model analysis // Atmosphere. 2021. V. 12, N 12. P. 1555. DOI: 10.3390/atmos12121555.
17. Konovalov I.B., Beekmann M., Golovushkin N.A., Andreae M.O. Nonlinear behavior of organic aerosol in biomass burning plumes: A microphysical model analysis // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19, N 19. P. 12091–12119. DOI: 10.5194/acp-19-12091-2019.
18. Golovushkin N.A, Konovalov I.B. Nonlinear features of the atmospheric evolution of the absorption properties of biomass burning aerosol // Proc. SPIE. 2020. V. 11560. P. 115605C. DOI: 10.1117/12.2575980.
19. Konovalov I.B., Golovushkin N.A., Beekmann M., Panchenko M.V., Andreae M.O. Inferring the absorption properties of organic aerosol in biomass burning plumes from remote optical observations // Atmos. Meas. Tech. 2021. V. 14, N 10. P. 6647–6673. DOI: 10.5194/amt-14-6647-2021.
20. Mikhailov E.F., Mironova S., Mironov G., Vlasenko S., Panov A., Chi X., Walter D., Carbone S., Artaxo P., Heimann M., Lavric J., Pöschl U., Andreae M.O. Long-term measurements (2010–2014) of carbonaceous aerosol and carbon monoxide at the Zotino Tall Tower Observatory (ZOTTO) in central Siberia // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17, N 23. P. 14365–14392. DOI: 10.5194/acp-17-14365-2017.
21. Kozlov V.S., Konovalov I.B., Uzhegov V.N., Chernov D.G., Pol’kin Vas.V., Zenkova P.N., Yausheva E.P., Shmargunov V.P., Dubtsov S.N. Dynamics of optical-microphysical characteristics of smokes from Siberian wildfires in the Big Aerosol Chamber at the stages of smoke generation and ageing // Proc. SPIE. 2020. V. 11560. P. 1156046. DOI: 10.1117/12.2575499.
22. Kozlov V.S., Yausheva E.P., Terpugova S.A., Panchenko M.V., Chernov D.G., Shmargunov V.P. Optical-microphysical properties of smoke haze from Siberian forest fires in summer 2012 // Int. J. Remote Sens. 2014. V. 35, N 15. P. 5722–5741. DOI: 10.1080/01431161.2014.945010.
23. Сакерин С.М., Голобокова Л.П., Кабанов Д.М., Козлов В.С., Полькин В.В., Радионов В.Ф., Чернов Д.Г. Сравнение средних характеристик аэрозоля в соседних арктических районах // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 8. С. 640–646; Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Kozlov V.S., Pol’kin V.V., Radionov V.F., Chernov D.G. Comparison of average aerosol characteristics in neighboring Arctic regions // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 1. P. 33–40.
24. Терпугова С.А., Зенкова П.Н., Кабанов Д.М., Полькин В.В., Голобокова Л.П., Панченко М.В., Сакерин С.М., Лисицын А.П., Шевченко В.П., Политова Н.В., Козлов В.С., Ходжер Т.В., Шмаргунов В.П., Чернов Д.Г. Результаты исследований характеристик аэрозоля в атмосфере Карского и Баренцева морей в летне-осенний период 2016 г. // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 5. С. 391–402; Terpugova S.A., Zenkova P.N., Kabanov D.M., Pol’kin V.V., Golobokova L.P., Panchenko M.V., Sakerin S.M., Lisitzin A.P., Shevchenko V.P., Politova N.V., Kozlov V.S., Khodzher T.V., Shmargunov V.P., Chernov D.G. Results of the study of aerosol characteristics in the atmosphere of the Kara and Barents Seas in summer and autumn 2016 // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 5. P. 507–518.
25. Сакерин С.М., Голобокова Л.П., Кабанов Д.М., Калашникова Д.А., Козлов В.С., Круглинский И.А., Макаров В.И., Макштас А.П., Попова С.А., Радионов В.Ф., Симонова Г.В., Турчинович Ю.С., Ходжер Т.В., Хуриганова О.И., Чанкина О.В., Чернов Д.Г. Результаты измерений физико-химических характеристик атмосферного аэрозоля на научно-исследовательском стационаре «Ледовая база “Мыс Баранова”» в 2018 г. // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 6. С. 421–429; Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Kalashnikova D.A., Kozlov V.S., Kruglinsky I.A., Makarov V.I., Makshtas A.P., Popova S.A., Radionov V.F., Simonova G.V., Turchinovich Yu.S., Khodzher T.V., Khuriganowa O.I., Chankina O.V., Chernov D.G. Measurements of physicochemical characteristics of atmospheric aerosol at research station ice base Cape Baranov in 2018 // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 5. P. 511–520.
26. Physics and Chemistry of the Arctic Atmosphere / A. Kokhanovsky, C. Tomasi (eds.). Switzerland: Springer, 2020. 723 p.
27. Schmeisser L., Backman J., Ogren J.A., Andrews E., Asmi E., Starkweather S., Uttal T., Fiebig M., Sharma S., Eleftheriadis K., Vratolis S., Bergin M., Tunved P., Jefferson A. Seasonality of aerosol optical properties in the Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18, N 16. P. 11599–11622. DOI: 10.5194/acp-18-11599-2018.
28. Hess M., Koepke P., Schult I. Optical properties of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1998. V. 79, N 5. P. 831–844. DOI: 10.1175/1520-0477(1998)079<0831:OPOAAC>2.0.CO;2.
29. Rothman L.S., Gordon I.E., Babikov Y., Barbe A., Chris Benner D., Bernath P.F., Birk Bizzocchi M.L., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Chance K., Cohen E.A., Coudert L.H., Devi V.M., Drouin B.J., Fayt A., Flaud J.-M., Gamache R.R., Harrison J.J., Hartmann J.-M., Hill C., Hodges J.T., Jacquemart D., Jolly A., Lamouroux J., Le Roy R.J., Li G., Long D.A., Lyulin O.M., Mackie C.J., Massie S.T., Mikhailenko S., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Nikitin A.V., Orphal J., Perevalov V., Perrin A., Polovtseva E.R., Richard C., Smith M.A.H., Starikova E., Sung K., Tashkun S., Tennyson J., Toon G.C., Tyuterev V.G., Wagner G. The HITRAN2012 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. V. 130. P. 4–50. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2013.07.002.
30. Mlawer E.J., Payne V.H., Moncet J.-L., Delamere J.S., Alvarado M.J., Tobin D.C. Development and recent evaluation of the MT_CKD model of continuum absorption // Phil. Trans. R. Soc. A. 2012. V. 370, N 1968. P. 2520–2556. DOI: 10.1098/rsta.2011.0295.
31. Комаров В.С., Ломакина Н.Я. Статистические модели пограничного слоя атмосферы Западной Сибири. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2008. 222 с.
32. Anderson G., Clough S., Kneizys F., Chetwynd J., Shettle E. AFGL-TR-86-0110. Environal Research Paper N 954. AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0–120 km). Air Force Geophysics Laboratory, 1986. 46 p.
33. Antũna Marrero J.C., Román R., Cachorro V.E., Mateos D., Toledano C., Calle A., Antũna-Sánchez J.C., Vaquero-Martínez J., Antón M., de Frutos Baraja A.M. Integrated water vapor over the Arctic: Comparison between radiosondes and sun photometer observations // Atmos. Res. 2022. V. 270. P. 106059. DOI: 10.1016/j.atmosres.2022.106059
34. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Дудорова Н.В., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Краснов О.А., Максютов Ш.Ш., Machida Т., Панченко М.В., Пестунов Д.А., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Sasakawa M., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Исследование динамики концентрации парниковых газов на территории Западной Сибири // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 9. С. 777–785. DOI: 10.15372/AOO20190910.
35. Баженов О.Е., Бурлаков В.Д., Гришаев М.В., Гриднев Ю.В., Долгий С.И., Макеев А.П., Невзоров А.В., Сальникова Н.С., Трифонов Д.А., Аршинов М.Ю., Ивлев Г.А. Сравнение результатов дистанционных спектрофотометрических и лидарных измерений O₃, NО₂, температуры и стратосферного аэрозоля с данными спутниковых и радиозондовых измерений // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 3. С. 216–223. DOI: 10.15372/AOO20160308.
36. Baldridge A.M., Hook S.J., Grove C.I., Rivera G. The ASTER spectral library version 2.0 // Remote Sens. Environ. 2009. V. 113, N 4. P. 711–715. DOI: 10.1016/j.rse.2008.11.007.
37. Gueymard C.A. The Sun’s total and spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models // Sol. Energy. 2004. V. 76, N 4. P. 423–453. DOI: 10.1016/j.solener.2003.08.039.
38. Журавлева Т.Б., Кабанов Д.М., Сакерин С.М., Фирсов К.М. Моделирование прямого радиационного форсинга аэрозоля для типичных летних условий Сибири. Часть 1: Метод расчета и выбор входных параметров // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 2. С. 163–172; Zhuravleva T.B., Kabanov D.M., Sakerin S.M., Firsov K.M. Simulation of aerosol direct radiative forcing under typical summer conditions of Siberia. Part 1. Method of calculation and choice of input parameters // Atmos. Ocean. Opt. 2009. V. 22, N 1. P. 63–73.
39. Slingo A. A GCM parameterization for shortwave radiative properties of water clouds // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46, N 10. P. 1419–1427. DOI: 10.1175/1520-0469(1989)046<1419:AGPFTS>2.0.CO;2.
40. Haywood J.M., Shine K.P. Multi-spectral calculations of the direct radiative forcing of tropospheric sulphate and soot aerosols using a column model // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1997. V. 123, N 543. P. 1907–1930. DOI: 10.1002/qj.49712354307.
41. Журавлева Т.Б., Кабанов Д.М., Сакерин С.М. О дневной изменчивости аэрозольной оптической толщи атмосферы и радиационного форсинга аэрозоля // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 8. С. 700–709; Zhuravleva T.B., Kabanov D.M., Sakerin S.M. On daytime variations of atmospheric aerosol optical depth and aerosol radiative forcing // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 6. P. 528–537.
42. Журавлева Т.Б., Панченко М.В., Козлов В.С., Насртдинов И.М., Полькин В.В., Терпугова С.А., Чернов Д.Г. Модельные оценки динамики вертикальной структуры поглощения солнечного излучения и температурных эффектов в фоновых условиях и экстремально задымленной атмосфере по данным самолетных наблюдений // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 10. С. 834–839; Zhuravleva T.B., Panchenko M.V., Kozlov V.S., Nasrtdinov I.M., Pol’kin V.V., Terpugova S.A., Chernov D.G. Model estimates of dynamics of the vertical structure of solar absorption and temperature effects under background conditions and in extremely smoke-laden atmosphere according to data of aircraft observations // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 1. P. 24–30.
43. Derimian Y., Dubovik O., Huang X., Lapyonok T., Litvinov P., Kostinski A.B., Dubuisson P., Ducos F. Comprehensive tool for calculation of radiative fluxes: Illustration of shortwave aerosol radiative effect sensitivities to the details in aerosol and underlying surface characteristics // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 9. P. 5763–5780. DOI: 10.5194/acp-16-5763-2016.
44. Markowicz K.M., Flatau P.J., Remiszewska J., Witek M., Reid E.A., Reid J.S., Bucholtz A., Holben B. Observations and modeling of the surface aerosol radiative forcing during UAE2 // J. Atmos. Sci. 2008. V. 65, N 9. P. 2877–2891. DOI: 10.1175/2007jas2555.1.
45. Tomasi C., Lanconelli C., Lupi A., Mazzola M. Dependence of direct aerosol radiative forcing on the optical properties of atmospheric aerosol and underlying surface // Light Scattering Rev. 8. Radiative Transfer and Light Scattering / A.A. Kokhanovsky (ed.). Springer, 2013. 634 p. DOI: 10.1007/978-3-642-32106-1.
46. Stone R.S., Anderson G.P., Shettle E.P., Andrews E., Loukachine K., Dutton E.G., Schaaf C., Roman III M.O. Radiative impact of boreal smoke in the Arctic: Observed and modeled // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, N D14S16. P. 1–17. DOI: 10.1029/2007JD009657.
47. Markowicz K.M., Lisok J., Xian P. Simulations of the effect of intensive biomass burning in July 2015 on Arctic radiative budget // Atmos. Environ. 2017. V. 171. P. 248–260. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2017.10.015.
48. Markowicz K.M., Flatau P.J., Quinn P.K., Carrico C.M., Flatau M.K., Vogelmann A.M., Bates D., Liu M., Rood M.J. Influence of relative humidity on aerosol radiative forcing: An ACE-Asia experiment perspective // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N D23. P. 1–12. DOI: 10.1029/2002jd003066.