Модель GOCART

Модель GOCART — это глобальная химико-транспортная модель (Chemical Transport Model, CTM), разработанная в рамках проекта NASA Goddard Earth Observing System (GEOS). Она предназначена для моделирования атмосферного переноса, химических превращений и осаждения аэрозолей и газообразных химических соединений. Модель является компонентом системы моделирования Земли GEOS-5 и широко используется для изучения состава атмосферы, качества воздуха, климатических воздействий аэрозолей и распространения загрязнителей.

История

Разработка GOCART началась в конце 1990-х годов в Центре космических полётов Годдарда (NASA Goddard Space Flight Center). Основной целью было создание инструмента, способного глобально воспроизводить циклы ключевых атмосферных аэрозолей (пыли, морской соли, сульфатов, чёрного и органического углерода) и их взаимодействие с климатической системой. Первая версия модели была представлена в 2001 году. Впоследствии GOCART была интегрирована в систему GEOS-5, что позволило использовать её в режиме онлайн с метеорологическими данными, получаемыми от глобальной модели атмосферы GEOS-5. В 2010-х годах модель была расширена для включения газофазной химии (например, озона и его предшественников) и усовершенствована для работы с данными спутниковых наблюдений (например, MODIS, MISR, OMI). В настоящее время GOCART остаётся одной из ключевых моделей для ретроспективных анализов (реанализов) состава атмосферы, таких как MERRA-2 (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2).

Архитектура и принцип работы

GOCART функционирует как модуль внутри системы GEOS-5. Она принимает метеорологические поля (ветер, температура, влажность, осадки, радиацию) от атмосферной модели и на их основе решает уравнения переноса и химических превращений.

Основные уравнения

Модель основана на решении уравнения адвекции-диффузии-реакции для каждой химической компоненты:

\[ \frac{\partial C}{\partial t} = -\nabla \cdot (\mathbf{v} C) + \nabla \cdot (K \nabla C) + S - L + E \]

где:

• \(C\) — концентрация компоненты,
• \(\mathbf{v}\) — вектор скорости ветра,
• \(K\) — коэффициент турбулентной диффузии,
• \(S\) — источники (эмиссии),
• \(L\) — стоки (осаждение, химические потери),
• \(E\) — обмен с поверхностью (выбросы, сухое осаждение).

Компоненты

GOCART моделирует следующие основные типы атмосферных частиц и газов:

• Аэрозоли:
• Пыль (Dust): минеральная пыль, поднимаемая ветром с пустынь и сухих почв. Модель учитывает несколько размерных фракций (от 0.1 до 10 мкм).
• Морская соль (Sea Salt): частицы, образующиеся при разбивании волн и испарении брызг. Учитываются две размерные фракции (мелкая и крупная).
• Сульфаты (Sulfate): образуются из диоксида серы (SO₂), выбрасываемого при сжигании ископаемого топлива и вулканической деятельности.
• Чёрный углерод (Black Carbon, BC): сажа, образующаяся при неполном сгорании биомассы и топлива.
• Органический углерод (Organic Carbon, OC): частицы, образующиеся при сгорании биомассы и из биогенных источников (например, терпены).
• Газы:
• Озон (O₃): моделируется как тропосферный озон, образующийся в результате фотохимических реакций.
• Оксиды азота (NOₓ): предшественники озона.
• Летучие органические соединения (ЛОС): биогенные и антропогенные.
• Диоксид серы (SO₂) и сульфат-аэрозоль.
• Окись углерода (CO).

Эмиссии

Источники эмиссий в GOCART делятся на природные и антропогенные:

• Природные:
• Ветровая эрозия почв (пыль).
• Вулканические выбросы SO₂.
• Биогенные выбросы ЛОС (из растительности).
• Выбросы морской соли с океана.
• Пожары (биомасса) — данные о пожарах берутся из спутниковых наблюдений (например, GFED — Global Fire Emissions Database).
• Антропогенные:
• Промышленные выбросы SO₂, NOₓ, CO, BC, OC.
• Выбросы от транспорта и энергетики.
• Сельскохозяйственные выбросы (например, аммиак, NH₃, хотя в базовой версии GOCART он не всегда учитывается).

Осаждение

Процессы удаления частиц и газов из атмосферы включают:

• Сухое осаждение: прямое оседание частиц на поверхность под действием гравитации и турбулентного переноса.
• Влажное осаждение: вымывание частиц и газов облаками и осадками (дождь, снег). Учитывается как внутриоблачное (in-cloud) и подоблачное (below-cloud) вымывание.

Применение

GOCART используется в широком спектре научных и прикладных задач:

Исследование климата

Модель позволяет оценивать прямое и косвенное радиационное воздействие аэрозолей. Прямое воздействие — рассеяние и поглощение солнечного излучения (например, чёрный углерод нагревает атмосферу, сульфаты охлаждают). Косвенное воздействие — влияние аэрозолей на облачные свойства (например, сульфаты увеличивают число облачных капель, делая облака более яркими и долгоживущими). GOCART используется в климатических моделях для уточнения прогнозов глобального потепления.

Качество воздуха

Модель применяется для прогнозирования концентраций приземного озона и мелкодисперсных частиц (PM2.5). Данные GOCART интегрируются в системы мониторинга качества воздуха, такие как NASA GEOS-CF (Composition Forecast). Она позволяет отслеживать перенос загрязнителей на большие расстояния (например, из Азии в Северную Америку или из Европы в Арктику).

Спутниковая валидация

GOCART используется для сопоставления с данными спутниковых наблюдений (например, AOD — аэрозольная оптическая толщина от MODIS, MISR, VIIRS). Модель помогает интерпретировать спутниковые данные, выявлять ошибки в измерениях и улучшать алгоритмы ретрива (восстановления) параметров атмосферы.

Реанализ состава атмосферы

В рамках проекта MERRA-2 (NASA) GOCART интегрирована в систему реанализа, которая предоставляет глобальные поля аэрозолей и газов за период с 1980 года по настоящее время. Эти данные используются для изучения долгосрочных трендов загрязнения, влияния вулканических извержений (например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году) и последствий лесных пожаров.

Исследование переноса пыли

GOCART активно применяется для моделирования переноса минеральной пыли из пустынь (Сахара, Гоби, Такла-Макан). Модель позволяет оценивать количество пыли, достигающей океанов, где она влияет на биогеохимические циклы (например, поступление железа в океан), и территорий, где пыль ухудшает качество воздуха.

Примеры использования

• Пылевые бури в Сахаре: GOCART используется для прогнозирования переноса сахарской пыли через Атлантический океан в Карибский бассейн и Южную Америку. Модель помогла установить, что до 200 миллионов тонн пыли ежегодно переносится из Сахары в Амазонию, обеспечивая её почвы фосфором.
• Лесные пожары в Сибири и Канаде: модель позволяет отслеживать шлейфы дыма от крупных пожаров, которые могут распространяться на тысячи километров, ухудшая качество воздуха в городах, расположенных далеко от очагов возгорания.
• Вулканические извержения: GOCART моделирует выбросы SO₂ и пепла, что используется для прогнозирования влияния на авиацию и климат (например, извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль в 2010 году).
• Качество воздуха в Китае: модель применяется для анализа вклада антропогенных выбросов в загрязнение воздуха в мегаполисах, таких как Пекин и Шанхай, и оценки эффективности мер по снижению выбросов.

Ограничения и критика

Несмотря на широкое применение, GOCART имеет ряд ограничений:

• Упрощённая химия: базовая версия модели не включает полную газофазную химию (например, детальную химию озона в тропосфере). Для более точного моделирования озона требуется использование более сложных моделей (например, GEOS-Chem).
• Параметризация эмиссий: эмиссии пыли и морской соли сильно зависят от параметризаций, которые могут быть неточными в регионах с недостатком данных о почвах и ветре.
• Разрешение: стандартное разрешение GOCART (например, 0.5° x 0.625°) может быть недостаточным для моделирования локальных загрязнений (например, в городских условиях).
• Отсутствие обратной связи: GOCART не учитывает влияние аэрозолей на метеорологию (например, изменение облачности из-за аэрозолей) в режиме «offline» (когда метеоданные подаются извне). В режиме «online» (в GEOS-5) эта обратная связь частично учитывается.

Источники

• Chin, M., et al. (2002). Tropospheric aerosol optical thickness from the GOCART model and comparisons with satellite and sun photometer measurements. Journal of the Atmospheric Sciences.
• Colarco, P. R., et al. (2010). Online simulations of global aerosol distributions in the NASA GEOS-4 model and comparisons to satellite and ground-based aerosol optical depth. Journal of Geophysical Research.
• Randles, C. A., et al. (2017). The MERRA-2 aerosol reanalysis, 1980–onward. Part I: System description and data assimilation. Journal of Climate.
• Документация NASA Goddard Earth Observing System (GEOS-5) и GOCART.