Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 году выполнены все запланированные исследования по Проекту. Собран, систематизирован и проанализирован большой объем разноплановой наземной и орбитальной экспериментальной информации о составе и состоянии атмосферы над ЕТР, полученной по собственным наблюдениям и из открытых баз данных. Разработан многофункциональный программный комплекс для обработки и анализа орбитальной информации (измерительные комплексы дистанционного зондирования AIRS, MODIS, TROPOMI). Выполнены сопоставления орбитальных данных TROPOMI, AIRS, MODIS, MOPITT, OMI с наземными измерениями. Для проведения валидационных исследований получены параметры переходных соотношений между данными измерений содержания CO, CH4, NO2, АОТ со спутников и результатами наземных наблюдений на нескольких европейских станциях. Продолжена разработка методов фильтрации некачественных орбитальных данных с привлечением дополнительных параметров (спутниковые наблюдаемые углы и альбедо подстилающей поверхности, высота верхней границы пограничного слоя атмосферы, вертикальный температурный контраст, скорость и направление ветра и др.). Исследованы разнопериодные вариации общего содержания и концентрации CO, CH4, АОТ, NO2 над ЕТР, включая долговременные тренды. С учетом данных 2020 г. установлено значимое возрастание скорости роста ОС CH4 над северными и западными районами ЕТР после 2008 г. (до 0,15% в год в регионе, охватывающим Ленинградскую и Калининградскую области.). Общее содержания CO над ЕТР в последние два десятилетия уменьшается. При этом установлено замедление скорости снижения после 2008 г. с ~2 %/год в 2003-2008 гг. до 0.2-0.5%/год в 2008-2020 гг. Подобный процесс замедления отрицательного тренда CO в период 2006-2008гг. был отмечен также в его приземной концентрации в Московском регионе, где действует плотная сеть наблюдательных станций. По данным многолетних наблюдений на Звенигородской научной станции (ЗНС) (1992-2020 гг.) установлены значимые отрицательные тренды общего содержания NO2 в стратосфере в Московском регионе и возрастание сод5ржания этой примеси в приземном слое атмосферы. Вариации содержания NO2 межгодового и многолетнего масштабов можно частично связать с важными факторами изменчивости циркуляции и состава атмосферы, такими как 11-летний цикл солнечной активности, квазидвухлетняя цикличность (КДЦ), Североатлантическое колебание (САК), Эль-Ниньо–Южное колебание (ЭНЮК), стратосферный вулканический аэрозоль. Эффекты КДЦ, ЭНЮК, САК и солнечного цикла в стратосферном содержании NO2 наиболее отчетливо проявились в конце зимы и/или начале весны. Для этого же сезона получен наиболее значительный отрицательный тренд общего содержания NO2 в стратосфере, обусловленный уменьшением концентрации NO2 в средней и верхней стратосфере. Эта особенность указывает на важную роль циркуляционных механизмов в межгодовых и многолетних изменениях содержания NO2 в этот период. С привлечением разноплановой экспериментальной информации и модельных расчетов дополнительно к плану работ выполнено исследование качества воздуха и состава атмосферы Московского мегаполиса во время действия ограничительных мер по сдерживанию пандемии COVID-19 весной и летом 2020 г. Установлено, что снижение концентраций основных атмосферных загрязнителей в этот период связано не только с некоторым уменьшением антропогенных эмиссий, но и с аномальными метеорологическими условиями 2020 г. Продолжен анализ пространственно-временной изменчивости состава приземного слоя атмосферы в Московском мегаполисе. Проведенная обработка и фильтрация данных многолетних наблюдений на сети станций Мосэкомониторинга, построение и анализ функций распределения концентраций примесей для каждой станции позволили повысить качество данных и достоверность результатов статистического анализа. Детальная структура суточной, недельной и сезонной цикличности, а также особенности распределения на территории Московского мегаполиса были выявлены и проанализированы для примесей, определяющих качество городского воздуха: NO, NO2, CO, CH4, НМУВ, О3 и PM10. С учетом новых данных были получены оценки антропогенных эмиссий Москвы для 2018-2020 гг. Установлено, что содержание всех примесей (кроме озона) в течение 2005-2020 гг. снижалось. Скорость снижения содержания в воздухе CO, зависящего в основном от автомобильного транспорта, равна -4.0 %∙год-1. Заметно меньше скорость снижения у NOx равная -2.6 %∙год-1, поскольку их значительная часть связана со сжиганием природного газа в ТЭЦ и жилом секторе, величина которой изменялась не столь быстро, как транспортные выбросы. Наибольший спад испытала концентрация неметановых углеводородов -4.3 %∙год-1. Введение карантина в 2020 г. слабо сказалось на среднегодовых выбросах всех загрязняющих примесей, что также подтвердили и модельные расчеты SILAM и COSMO. Продолжено составление и совершенствование т.н. «эмиссионной матрицы» Московского мегаполиса с высоким пространственным разрешением (около 2х2 км). На основе сопоставления данных расчетов модели SILAM с наблюдениями была предложена процедура коррекции расчетов в ходе постпроцессинга, основанная на использовании фильтра Калмана и статистических данных о внутрисуточной изменчивости величины неопределенности моделируемых концентраций загрязняющих примесей для Московского мегаполиса. С помощью модели SILAM проведен расчет параметров, характеризующих фотохимические процессы превращений озона в городском смоге. Было показано, что для Москвы скорость образования озона более чувствительна к содержанию летучих органических соединений, чем к содержанию окислов азота. Изучены характерные особенности пространственно-временной изменчивости состава и качества воздуха в Московском мегаполисе. Составлен предварительный вариант пространственно-временного распределения эмиссий в других регионах ЕТР. Произведены пробные расчеты полей загрязняющих примесей для всей ЕТР. Выполнен статистический анализ ошибок моделирования на основе сопоставления с данными наблюдений, разработан набор сценариев задания входных параметров ПСА для расчетов по всей ЕТР. Полученные на основе современных методов результаты могут быть использованы как для решения задач, связанных с контролем и прогнозом качества воздуха на урбанизированных территориях, так и для решения фундаментальных задач в области физики и химии атмосферы. Результаты исследований могут быть полезны для принятия управленческих решений по снижению риска антропогенных воздействий на состояние окружающей среды и региональный климат. В 2021 г. молодыми участниками научного коллектива защищена кандидатская диссертация (Штабкин Ю.А., «Региональные источники тропосферного озона в Северной Евразии») и представлены к защите 16 декабря 2021 г. две кандидатские диссертации (Пономарев Н.А., «Численное моделирование воздействия Московского мегаполиса на состав региональной атмосферы» и Захарова С.А., «Математическое моделирование пространственно-временной изменчивости эмиссий примесей в атмосферу от антропогенных локальных и распределенных источников»). Все три диссертационных работы включают разделы, выполненные в рамках данного Проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 году выполнены все запланированные исследования по Проекту. Собран, систематизирован и проанализирован большой объем разноплановой наземной и орбитальной экспериментальной информации о составе и состоянии атмосферы над ЕТР, полученной по собственным наблюдениям и из открытых баз данных. Продолжено развитие многофункционального программного комплекса для обработки и анализа орбитальной информации (космические системы мониторинга AIRS, MODIS, TROPOMI). В текущем году возможности комплекса были увеличены за счет добавления обработки измерений орбитального прибора OMI, а также расчетов статистических характеристик распределений трендов. Продолжена разработка методов фильтрации некачественных орбитальных данных. Выполнены сопоставления орбитальных данных TROPOMI, AIRS, MODIS, OMI с наземными измерениями. Получены параметры переходных соотношений между данными спутниковых измерений содержания CO, CH4, NO2, АОТ и результатами наземных наблюдений. Выполнена валидация измерений новейшего орбитального прибора TROPOMI по CO и NO2 данными пунктов ИФА РАН. Исследованы параметры корреляции орбитальных и наземных данных в зависимости от пространственного разрешения, сезона, углов наблюдения, уровня загрязнения и высоты пограничного слоя атмосферы. Исследованы вариации общего содержания и концентрации CO, CH4, NO2, аэрозолей (величина АОТ) над ЕТР, включая крупномасштабные возмущения состава атмосферы под действием природных пожаров в Северном полушарии и долговременные тенденции (тренды). Получены годовые и сезонно зависимые оценки линейных трендов содержания NO2 в различных регионах. Подтверждено полученное ранее возрастание скорости роста ОС CH4 в Европе и, в частности, в северных и западных районах ЕТР после примерно 2008 г. (до 0.2% в год в регионе СЗФО). С учетом обработки данных 2021-2022 гг., подтверждено продолжение уменьшения ОС CO над ЕТР в последние два десятилетия. При этом установлено замедление скорости снижения после 2008 г. с ~2 %/год в 2003-2008 гг. до 0.2-0.5%/год в любые сезоны 2008-2022 гг. Подобный процесс замедления отрицательного тренда CO в период после примерно 2007-2008 г. был отмечен также в его приземной концентрации в Московском регионе, где действует плотная сеть наблюдательных станций (из нашего отчета за 2021 г.). Более того, по орбитальным и наземным данным, в осенние месяцы установлен рост ОС CO практически во всех регионах ЕТР (до 0.5-0.7%/год). В результате численных экспериментов с глобальной ТХМ GEOS-Chem получены оценки отклика полей и трендов CO на глобальные климатические измерения. Результаты численных расчетов подтверждают выводы, полученные на основе анализа орбитальной и наземной экспериментальной информации. С учетом сокращения антропогенных эмиссий и выбросов от пожаров на территории Европы обнаруженные изменения трендов ОС CO могут свидетельствовать об изменениях во всей тропосферной фотохимической системе, происходящих на фоне процессов глобального потепления. Продолжен анализ пространственно-временной изменчивости состава приземного слоя атмосферы в Московском мегаполисе и связи этой изменчивости с метеорологическими условиями. Выполнено изучение влияния локдауна во время пандемии COVID-19 на эмиссии загрязняющих примесей и состав атмосферы Москвы на основе суперкомпьютерного моделирования с помощью системы SILAM и наземных наблюдений. С использованием разных баз данных об эмиссиях и двух эмиссионных сценариев выполнено моделирование состава приземного воздуха для 2019 и 2020 годов Установлено, что применение понижающих коэффициентов, характеризующих изменение активности для основных категорий источников антропогенных эмиссий, не привело к заметным изменениям в результатах моделирования. Установлено, что для улучшения соответствия модельных расчетов с экспериментальными данными требуется более корректное перераспределение эмиссий по категориям источников, чем заданное для ЕТР в Европейской инвентаризации CAMS-REG-AP. Проведенная оптимизация эмиссий привела к улучшению соответствия рассчитанных и измеренных концентраций. Установлено, что предпринятая коррекция доли транспортных эмиссий для CO, NOx и PM10 значительно улучшает модельные оценки весной 2020 г. Продолжено составление и совершенствование т.н. «эмиссионной матрицы» Московского мегаполиса и ЕТР с высоким пространственным разрешением. С использованием картографических данных были построены поля плотности дорожной сети с разрешением 5.5 км для территории ЕТР, с разрешением 2.2 км для Московского региона. В соответствии с полученными результатами поля антропогенных эмиссий загрязняющих веществ в атмосферу были скорректированы. Проведены тестовые расчеты с использованием скорректированных антропогенных эмиссий. Продолжены теоретические исследования по повышении точности модельных расчетов качества воздуха в нижних слоях тропосферы. С применением нового численно-асимптотического подхода к решению обратных задач разработан универсальный метод определения плотности эмиссионных потоков. Метод был апробирован при решении задачи оценки эмиссий СО. На основе нового численного алгоритма восстановления параметров турбулентности разработан новый подход к задаче определения плотности эмиссионных потоков антропогенных примесей (на примере CO) от распределенных городских источников по скорости роста интегрального содержания примеси в вертикальном столбе воздуха. По результатам Проекта в 2022 г. было опубликовано 7 статей в Российских и международных изданиях. Полученные на основе современных методов результаты могут быть использованы как для решения задач, связанных с контролем и прогнозом качества воздуха на урбанизированных территориях, так и для решения фундаментальных задач в области физики и химии атмосферы. Результаты исследований могут быть полезны для принятия управленческих решений по снижению риска антропогенных воздействий на состояние окружающей среды и региональный климат.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году выполнены все запланированные исследования по Проекту. Собран, систематизирован и проанализирован обширный объем разноплановой наземной и орбитальной экспериментальной информации о составе и состоянии атмосферы над ЕТР, полученной по собственным наблюдениям и из открытых баз данных. Продолжено развитие многофункционального программного комплекса для обработки и анализа орбитальной информации (космические системы мониторинга AIRS, MODIS, TROPOMI). В текущем году возможности комплекса были увеличены за счет добавления обработки измерений орбитального прибора OCO-3, а также расчетов полей 3-размерных параметров. Продолжена разработка методов фильтрации некачественных орбитальных данных. На разных временных масштабах, включая оценки долговременных трендов, выполнены сопоставления орбитальных данных TROPOMI, AIRS, MODIS, OMI с наземными измерениями. Получены уточненные параметры переходных соотношений между данными спутниковых измерений содержания CO, CH4, NO2, АОТ и результатами наземных наблюдений. Оценено качество нового орбитального продукта AIRS v7. Исследованы вариации общего содержания (ОС) и концентрации CO, CH4, NO2, аэрозолей (величина АОТ) над ЕТР, включая крупномасштабные возмущения состава атмосферы под действием природных пожаров в Северной Америке в весенне-осенний период 2023 г. Установлены неоднократные случаи значимого влияния североамериканских пожаров на состав атмосферы над ЕТР. Получены годовые и сезонно зависимые оценки линейных трендов содержания CO, CH4, NO2 и АОТ в различных регионах. Подтверждено полученное ранее возрастание скорости роста ОС CH4 в Европе и, в частности, в северных и западных районах ЕТР после примерно 2008 г. (до 0.2% в год в регионе СЗФО). С учетом обработки данных 2022 - 2023 гг., подтверждено продолжение спада ОС CO над ЕТР в последние два десятилетия. При этом установлено замедление скорости снижения ОС после 2008 г. с ~2-2.5 %/год до 2008 гг. до 0.5 - 0.1%/год для годовых оценок и периода 2008 - 2023 гг. Более того, по орбитальным и наземным данным, в осенние месяцы установлен рост ОС CO практически во всех регионах ЕТР (до 1%/год). В результате численных экспериментов с глобальной ТХМ GEOS-Chem получены оценки отклика полей и трендов CO на глобальные климатические измерения. Результаты численных расчетов подтверждают предположение о возможности образования дополнительного атмосферного CO из метана, рост концентраций которого начался примерно в 2007-2008 годах. С учетом сокращения антропогенных эмиссий и выбросов от пожаров на территории Европы обнаруженные изменения трендов ОС CO могут свидетельствовать об изменениях во всей тропосферной фотохимической системе, происходящих на фоне процессов глобального потепления. Выполнены измерения концентраций основных летучих органических соединений (ЛОС), играющих одну из главных ролей в городской фотохимической системе. Данные измерений в Москве и Звенигороде были сопоставлены с предварительными расчетами с помощью региональной транспортно-химической (ТХМ) модели SILAM; получено хорошее согласие численных расчетов с экспериментальными данными. Продолжено составление и совершенствование т.н. «эмиссионной матрицы» Московского мегаполиса и ЕТР с высоким пространственным разрешением. С использованием картографических данных о транспортной и промышленной структуре региона были построены поля плотности дорожной сети с разрешением 5.5 км для территории ЕТР, с разрешением около 2 км для Московского региона. В соответствии с полученными результатами поля антропогенных эмиссий загрязняющих веществ в атмосферу были скорректированы. Кроме пространственной оптимизации была выполнена оптимизация по высоте выбросов от промышленных предприятий. На основании расчетов с несколькими инвентаризациями была разработана предварительная система корректирующих коэффициентов, примененная при задании эмиссий. Проведены тестовые расчеты с использованием скорректированных антропогенных эмиссий, показавшие более реалистичные величины концентраций для всех примесей, а в особенности для двуокиси серы. Продолжены теоретические исследования по повышению точности модельных расчетов качества воздуха в нижних слоях тропосферы. Новый подход к вопросу параметризации турбулентных процессов в ПСА получил свое дальнейшее развитие в задаче определения плотности эмиссионных потоков консервативных и химически активных примесей с высоким пространственным и временным разрешением на основе использования аналитических решений модельных задач. Рассчитанные в результате реализации этого подхода вертикальные профили коэффициента турбулентной диффузии k(z) могут быть распространены на всю территорию города и внедрены в модельные расчеты. Начата разработка алгоритмов автоматической обработки данных акустического зондирования для получения в реальном времени информации о высоте слоя перемешивания в Москве и Московской области. Оценена эволюция интенсивности «острова тепла» Москвы; оценены долговременные изменения различных метеорологических характеристик в пограничном слое атмосферы Москвы и окружающих регионов. По результатам Проекта в 2023 г. было опубликовано 10 статей в Российских и международных научных изданиях. Полученные на основе современных методов результаты могут быть использованы для решения задач, связанных с контролем и прогнозом качества воздуха на урбанизированных территориях, а также для решения фундаментальных задач в области физики и химии атмосферы. Результаты исследований могут быть полезны для принятия управленческих решений по снижению риска экстремальных антропогенных и природных воздействий на состояние окружающей среды и региональный климат.