Delist.ru

Пространственно-временная динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей (17.08.2007)

Автор: Груздев Александр Николаевич

1. Впервые проведены наблюдения NO2 в восточной Антарктиде и широком широтном секторе Атлантики северного и южного полушарий, получен уникальный материал о временнoй изменчивости и широтном распределении этой примеси. Получен первый и до сих пор единственный широтный профиль концентрации озона в приземном слое Антарктиды по измерениям с самолета. Впервые по данным дистанционных спектрометрических измерений на Звенигородской научной станции ИФА РАН получен многолетний материал одновременных измерений содержания NO2 в стратосфере и тропосфере.

2. Впервые выполнен анализ пространственной динамики основных фаз годового цикла содержания примесей, характеризующих различные режимы эволюции примесей в годовом ходе.

3. Обнаружены два режима квазидвухлетней цикличности зональной скорости ветра в экваториальной стратосфере с периодами 2 и 2.5 года. Вариации с такими же периодами обнаружены в концентрации озона, температуре, давлении, скорости ветра в стратосфере и тропосфере внетропических широт северного полушария.

4. В различных атмосферных параметрах и концентрации озона обнаружены вариации с комбинационными частотами квазидвухлетней цикличности и годового цикла.

5. Показано, что квазидвухлетние вариации концентрации озона, температуры, давления, скорости ветра в тропосфере и стратосфере внетропических широт северного полушария обусловлены комбинированным влиянием Эль-Ниньо – Южного колебания, Североатлантического колебания и квазидвухлетней цикличности в экваториальной стратосфере.

6. Обнаружены и проанализированы эффекты воздействия 11-летнего цикла солнечной активности на годовой ход стратосферного озона и получены оценки вклада динамического переноса в 11-летние вариации концентрации стратосферного озона во внетропических широтах северного и южного полушарий. Показано, что термический и химический отклик атмосферы на 27-суточные вариации коротковолновой солнечной радиации имеет перемежающийся и нелинейный характер.

7. Предложен и рассмотрен новый механизм внутрисуточной и межсуточной изменчивости концентрации озона в приземном слое атмосферы в Антарктиде за счет изменений циркуляции с участием стокового ветра (холодного воздуха, стекающего по антарктическому куполу под действием силы тяжести). Получены первые результаты о содержании и изменении стратосферного содержания NO2 в восточной Антарктиде.

8. Проанализированы первые широтные разрезы общего содержания NO2, полученные с помощью единого прибора, и выявлена тонкая структура широтного распределения NO2.

9. Впервые выявлены и оценены линейные тренды характеристик годового хода общего содержания озона. Получена и проанализирована неизвестная ранее широтная структура линейных трендов стратосферного содержания NO2.

10. Показано, что в долговременные изменения термического режима мезосферы могут вносить значительный вклад не только изменения концентраций радиационно-активных газов, но и вероятные долговременные изменения активности внутренних гравитационных волн.

11. Впервые показано, что спектры мощности флуктуаций содержания NO2 в приземном слое атмосферы в диапазоне периодов от нескольких суток до нескольких месяцев подчиняются степенному закону с показателем около –0.4. Обнаружено, что меридиональные вариации концентрации озона в стратосфере в диапазоне горизонтальных масштабов от 200 до 6500 км подчиняются закону статистического самоподобия, показатель которого зависит от высоты и сезона.

Достоверность научных положений и полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментального материала, на основе которого сделаны основные выводы работы, подтверждением результатов с помощью различных методов анализа, использованием для интерпретации результатов наблюдений численных и аналитических моделей.

Научная и практическая значимость полученных результатов.

1. В работе решена крупная научная проблема исследования особенностей и механизмов пространственно-временной изменчивости атмосферного озона и связанных с ним малых газовых составляющих атмосферы (NO2, N2O, HNO3, CH4 и других), имеющих важное значение в формировании климата средней и верхней атмосферы.

2. Полученные автором закономерности вариаций содержания озона и двуокиси азота на различных временных масштабах, количественные оценки амплитуд и фаз вариаций этих примесей и характеристики их связи с изменениями циркуляции атмосферы и уровнем солнечной активности важны для понимания естественной изменчивости атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей и прогноза межгодовых и многолетних изменений содержания озона.

3. Несомненную ценность представляют результаты исследований межгодовых и многолетних изменений общего содержания озона, позволяющие вследствие этого осуществлять прогноз среднего уровня биологически активной ультрафиолетовой (УФ) солнечной радиации на поверхности Земли. Полученные автором результаты о квазидвухлетней цикличности общего содержания озона использованы для теоретической оценки межгодовых вариаций дозы УФ радиации, получаемой биосферой Арктики.

4. Усовершенствованная автором двумерная модель фотохимии, динамики и радиации атмосферы служит для изучения воздействия кратковременных и долговременных изменений содержания радиационно- и химически активных газов на температуру и состав средней атмосферы. Разработанная автором одномерная фотохимическая модель используется в задаче мониторинга NO2 в стратосфере и тропосфере на Звенигородской научной станции ИФА РАН, в том числе при мониторинге загрязнения приземного слоя атмосферы окислами азота. Разработанная автором параметризация фотохимических процессов в уравнении переноса озона будет использована в климатической модели ИФА РАН.

5. Разработанная при активном участии автора методика измерений содержания NO2 и результаты измерений содержания NO2 на Звенигородской научной станции ИФА успешно используются для валидации спутниковых измерений содержания NO2. Звенигородская научная станция включена в состав Международной сети по обнаружению стратосферных изменений (Network for the Detection of Stratospheric Change – NDSC), а результаты регулярных измерений содержания NO2 в столбе стратосферы на Звенигородской станции представлены в базе данных NDSC и доступны для использования.

6. Полученные автором результаты о пространственной и временнoй изменчивости атмосферного озона и других атмосферных примесей используются для тестирования атмосферных моделей.

7. Научная и практическая значимость выполненных автором исследований подтверждается также тем, что они проводились по программам ГНТП № 18, Президиума РАН № 16 и 30, международным программам MAP (Middle Atmosphere Program), ARM (Atmospheric Radiation Measurements), международной программе Европейского космического агентства “Calibration and Validation of the Ozone Monitoring Instrument Data”, в рамках хоздоговорных работ, в составе 33-й и 34-й Советских антарктических экспедиций.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Амплитудные и фазовые характеристики сезонных изменений широтно-высотных полей содержания озона, метана, закиси азота, азотной кислоты, широтно-долготного поля общего содержания озона. Широтная структура характеристик годового и суточного хода стратосферного содержания двуокиси азота.

2. Исследование механизмов изменчивости содержания озона и двуокиси азота в полярных областях. Выявлен новый механизм внутрисуточной и межсуточной изменчивости приземного озона в Антарктиде под действием стоковых ветров. Выявлена связь вариаций стратосферного содержания NO2 в Антарктике с эволюцией зимнего стратосферного циркумполярного вихря.

3. Результаты исследования квазидвухлетних вариаций общего содержания озона, концентрации озона, температуры, давления, скорости ветра в стратосфере и тропосфере. Выявлены два режима квазидвухлетних вариаций указанных параметров с периодами около 2 и 2.5 лет, а также колебания с периодами около 20 и 8.5 мес, соответствующими комбинационным частотам квазидвухлетних вариаций и годового цикла.

4. Результаты исследования вариаций состава, температуры и динамики средней и верхней атмосферы под воздействием вариаций уровня солнечной активности. Обнаружено влияние 11-летних вариаций солнечной активности на характеристики годового хода содержания стратосферного озона. Всесторонне исследован отклик средней и верхней атмосферы на вариации уровня солнечной активности с периодом 27 суток.

5. Оценки линейных трендов содержания двуокиси азота в стратосфере; оценки линейных трендов амплитудных и фазовых характеристик годового хода общего содержания озона; оценки долговременных изменений термического режима средней атмосферы в результате возрастания концентраций парниковых газов и возможных долговременных изменений активности внутренних гравитационных волн.

Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Постановка всех научных задач и планирование экспериментов и экспедиций сделаны автором. Анализ результатов измерений и модельных расчетов, главным образом, выполнены автором. Автором разработаны использованные в диссертации аналитические модели, выполнено усовершенствование двумерной численной модели фотохимии, радиации и динамики атмосферы SOCRATES и проведены все использованные в диссертации расчеты на ней. Автор является инициатором, руководителем и непосредственным участником измерений содержания двуокиси азота в Антарктиде, Атлантике и на Звенигородской научной станции. Методика определения содержания NO2 по результатам дистанционных спектрометрических измерений разработана при активном участии автора. Измерения концентрации озона в Антарктиде, представленные в диссертации, выполнены, главным образом, автором.

Апробация работы. По теме диссертации было сделано несколько десятков докладов на отечественных и международных симпозиумах, конференциях и совещаниях. Результаты работы докладывались на трех Четырехгодичных озонных симпозиумах (ФРГ, 1988 г.; США, 1992 г.; Греция, 2004 г.), на XVI (ФРГ, 1991 г.), XVII (Англия, 1992 г.), XVIII (ФРГ, 1993 г.), XIX (Франция, 1994 г.), XX (ФРГ, 1995 г.), XXI (Нидерланды, 1996 г.), XXVI (Франция, 2001 г.) и XXVII (Франция, 2002 г.) Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества, на 2-м (Норвегия, 1992 г.), 3-м (США, 1994 г.) и 4-м (Нидерланды, 1996 г.) Циркумполярных симпозиумах по дистанционному зондированию окружающей среды Арктики, на 31-й (Англия, 1996 г.), 32-й (Япония, 1998 г.) и 36-й (Китай, 2006 г.) Научных ассамблеях COSPAR, на 1-й (Австралия, 1996 г.) и 2-й (Аргентина, 2000 г.) Генеральных ассамблеях SPARC, на V, X и XIV международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Россия, 1998, 2003 и 2007 гг.), на VI Всесоюзном симпозиуме по атмосферному озону (1985 г.), Всесоюзной конференции по атмосферному озону (1988 г.), Всесоюзной конференции «Взаимосвязь региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере» (1988 г.), Международном симпозиуме по исследованиям средней атмосферы (СССР, 1989 г.), Международной конференции «Климат северных широт» (Норвегия, 1990 г.), Симпозиуме по тропосферной химии антарктического региона (США, 1991 г.), V Совещании по атмосферной оптике (СССР, 1991 г.), Симпозиуме по наукам о средней атмосфере (Япония, 1992 г.), Международном рабочем совещании по электродинамике и составу мезосферы (Россия, 1992 г.), Международном симпозиуме по экологическим эффектам загрязнения окружающей среды Арктики (Исландия, 1993 г.), Международной конференции по прошлому, настоящему и будущему климату (Финляндия, 1995 г.), Международной конференции по озону в нижней стратосфере (Греция, 1995 г.), Шестой научной конференции Проекта по глобальной атмосферной химии (IGAC) (Италия, 1999 г.), Второй международной конференции “Состояние и охрана воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекреационных регионов” (Россия, 2000 г.); Международном радиационном симпозиуме (Россия, 2000 г.); Генеральной ассамблее IAMAS (Австрия, 2001 г.); Международном рабочем совещании “Развитие наземной сети наблюдений двуокиси азота в стратосфере” (Россия, 2001 г.), Международном симпозиуме стран СНГ “Атмосферная радиация” (Россия, 2002 г.), Объединенной ассамблее EGS-AGU-EGU (Франция, 2003 г.), Всемирной конференции по изменению климата (Россия, 2003 г.), Международной конференции по оптическим технологиям для изучения атмосферы, океана и окружающей среды (Китай, 2004 г.), Генеральной ассамблее EGU (Австрия, 2005 г.), Ассамблее IAMAS «Увлекательная атмосфера: изменяемая и изменчивая» (Китай, 2005 г.). Кроме того, результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета ИФА РАН, Президиума РАН, на Секции метеорологии и атмосферных наук Национального геофизического комитета России, на Межведомственных семинарах по атмосферному озону (ИФА РАН), на семинарах в ИФА РАН, Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург), в Лаборатории аэрономии Национальной администрации по исследованиям океана и атмосферы (NOAA, Боулдер, США), в Институте исследований окружающей среды Кёльнского университета (Кёльн, Германия), на обсерватории Хоэнпайсенберг (Германия).

По теме диссертации опубликовано более 100 научных работ, в том числе 44 в ведущих рецензируемых отечественных и иностранных журналах и изданиях. Некоторые результаты диссертации опубликованы в отчете Всемирной метеорологической организации “Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1989”. Автор диссертации был одним из ведущих авторов (Lead authors) первой главы отчета Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) “Safeguarding the Ozone Layer and the Global Climate System: Issues Related to Hydrofluorocarbons and Perfluorocarbons” (2005 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложения. Она содержит 328 страниц, включая 6 страниц приложений, 127 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 545 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена новизна полученных результатов и выводов, их достоверность, личный вклад автора, обосновывается научная и практическая значимость работы. Выделены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 «Основные процессы и механизмы, определяющие пространственное распределение и баланс малых газовых примесей в атмосфере». В первой главе приводятся основные сведения о фотохимических и динамических процессах, оказывающих влияние на распределение и временнyю эволюцию атмосферных примесей. Конкретизируется понятие характерного времени фотохимической релаксации (ХВФР) примеси к состоянию фотохимического равновесия. Рассмотрены основные временные циклы примесей и дан краткий обзор современного состояния проблемы их изучения.

В разделе 1.1 на основе уравнения переноса примеси обсуждается роль динамических и фотохимических процессов в изменении содержаний примесей.

В разделе 1.2 получено аналитическое решение упрощенного дифференциального уравнения фотохимической эволюции озона с квадратичной нелинейностью. Параметрами решения являются фотохимически равновесная концентрация озона и ХВФР, которые выражаются аналитически через концентрации ОН, НО2, Н2О2, NO, NO2, HNO3, СН3О2, плотность воздуха и коэффициенты скоростей реакций. Рассчитаны широтно-высотные распределения этих параметров в зависимости от сезона с привлечением данных о других атмосферных примесях, полученных по расчетам на 2-мерной фотохимической модели SOCRATES (описана в главе 2).

В разделе 1.3 рассмотрены основные процессы динамического переноса примесей, действующие на глобальном и региональном масштабах. Дан обзор современного состояния научных знаний о процессах крупномасштабного переноса в стратосфере, влиянии на примеси тропосферной циркуляции и изменений высоты тропопаузы, тропосферно-стратосферном обмене, крупномасштабных модах циркуляции, обратных связях озона и атмосферной динамики.

В разделе 1.4 рассматриваются основные временные циклы содержания примесей. Обсуждается состояние знаний и современные проблемы сезонных изменений, суточных вариаций, квазидвухлетних вариаций примесей, воздействие на атмосферу 11-летнего цикла солнечной активности и 27-суточного цикла коротковолновой солнечной радиации.

В разделе 1.5 приводится современная информация о многолетних изменениях и трендах стратосферного содержания озона и NO2, подробно освещена проблема многолетних изменений и трендов термических и циркуляционных характеристик мезосферы.

Глава 2 «Данные и методы исследования». Глава 2 содержит информацию о данных наблюдений, привлекавшихся для решения задач диссертационной работы, использованных численных и аналитических моделях атмосферы, методах анализа данных измерений и моделирования.

Раздел 2.1 приводит информацию об использованных данных наблюдений с указанием источника и, при необходимости, краткой характеристикой особенностей данных. Использованы опубликованные среднезональные эмпирические модели широтно-высотных распределений и сезонных вариаций температуры и состава атмосферы (О3, СН4, N2O, HNO3), данные многолетних наземных измерений общего содержания озона (ОСО) на станциях мировой озонометрической сети и со спутников (прибор TOMS), данные одновременных измерений вертикальных профилей озона и метеопараметров с помощью озонозондов, данные о вертикальных профилях озона по измерениям со спутника (прибор SBUV), результаты измерений приземной концентрации озона в Антарктиде (в основном, измерения автора), данные измерений стратосферного содержания NO2 на Сети по обнаружению стратосферных изменений (NDSC) и с участием автора – в Антарктике, Атлантическом океане и на Звенигородской научной станции ИФА (ЗНС). Результаты измерений на ЗНС включают также данные о содержании NO2 в приземном слое атмосферы. Кроме того, использовались данные о скорости экваториального стратосферного ветра, индексах крупномасштабных мод циркуляции, индексах солнечной активности из баз данных в Интернете, данные о спектральных потоках солнечной радиации по измерениям со спутника UARS (предоставлены Ю. Лин из Центра космических исследований им. Е.О. Халберта в Вашингтоне).

загрузка...