Delist.ru

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

Автор: Груздев Александр Николаевич

В разделе 2.2 дано краткое описание применявшихся моделей. Это двумерная (высота-широта) численная модель фотохимии, радиации и динамики атмосферы SOCRATES, разработанная в Национальном центре атмосферных исследований США (NCAR) и частично усовершенствованная автором; трехмерная глобальная химико-климатическая модель HAMMONIA, разработанная недавно в Институте метеорологии им. Макса Планка в Гамбурге; одномерная фотохимическая модель атмосферы, разработанная автором для интерпретации результатов измерений содержания NO2 в стратосфере; аналитическая двумерная (в координатах широта-долгота) модель бароклинной атмосферы с учетом озонных притоков тепла, разработанная автором на основе динамической модели, первоначально сформулированной А.М. Обуховым.

В разделе 2.3 описаны некоторые методы анализа, применявшиеся в данной работе, которые требуют определенных комментариев. Это метод амплитудно-фазовых характеристик, предложенный И.И. Моховым, вейвлетный анализ, спектральные методы высокого разрешения, кросс-спектральный анализ высокого разрешения, методы анализа нелинейной изменчивости: метод Грассбергера-Прокачча анализа размерности временнoго ряда и анализ отображения окружности.

Глава 3 «Анализ сезонных изменений содержания примесей в стратосфере». Эта глава посвящена анализу сезонных изменений содержания озона, NO2, N2O, CH4, HNO3 в атмосфере. Основным материалом для исследований послужили данные спутниковых, сетевых наземных и озонозондовых измерений, а также результаты измерений (с участием автора) содержания озона и NO2 в Атлантике с корабля и многолетних измерений NO2 на Звенигородской научной станции. Впервые выполнен анализ пространственной динамики основных фаз годового цикла содержания примесей, характеризующих различные режимы эволюции примесей в годовом ходе. Для интерпретации части результатов анализа использованы модельные расчеты.

В разделе 3.1 проведена диагностика пространственно-временнoй динамики широтно-высотных полей озона, CH4, N2O, HNO3 в годовом ходе (ГХ) на основе данных спутниковых (эмпирические модели) и озонозондовых измерений с применением различных методов анализа, включая метод амплитудно-фазовых характеристик. Изучены амплитудные характеристики ГХ примесей, которые характеризуются эволюцией во времени границ областей увеличения или уменьшения содержания примеси на заданную величину относительно распределения примеси в конкретный месяц. Выполнен анализ динамики важных фазовых характеристик ГХ примесей: 0-фазы, или фазы роста, и ?-фазы, или фазы уменьшения, соответствующих моментам пересечения кривой годового хода со среднегодовым режимом на стадиях роста (0-фаза) и уменьшения (?-фаза) содержания примеси, фаз экстремальных значений содержания примесей в ГХ, соответствующих годовым максимуму и минимуму. На рис. 1 для примера показана широтно-высотная динамика 0-фазы ГХ отношения смеси озона в стратосфере. Режим 0-фазы в верхней стратосфере южного полушария (ЮП) берет начало осенью в высоких широтах и распространяется к экватору, а затем вниз в направлении субтропической области в средней стратосфере, которой он достигает весной. В средних широтах ЮП происходит опускание режима 0-фазы в средней стратосфере, также с локализацией субтропической области. Запаздывание режима 0-фазы в субтропических широтах характерно и для северного полушария (СП). Существенное отличие от ЮП состоит в том, что в средней стратосфере СП режим 0-фазы распространяется из арктической области, где он наблюдается уже в первой половине зимы. В верхней стратосфере СП режим 0-фазы распространяется в течение осени от уровня 40 км над Арктикой в направлении экваториальной стратопаузы.

Важно, что динамика разных фаз ГХ примесей может существенно, даже принципиально, различаться. Это зависит от степени ангармоничности ГХ. Ее анализ выполнен по структурным характеристикам ГХ – интервалам превышения (продолжительность времени в году, когда содержание примеси выше среднегодового) и роста (продолжительность времени в году, когда содержание примеси возрастает).

Анализ данных озонозондовых измерений выявил, что сезонные изменения содержания озона в тропосфере в зимне-весенний период определяются притоком озона из стратосферы. На основе проинтегрированного по тропосфере уравнения переноса озона получена оценка потока озона через тропопаузу во внетропических широтах СП, среднее значение которой для этих широт составило около 1011 мол/cм2 в секунду.

Особенности эволюции в годовом ходе широтно-высотного поля стратосферного содержания закиси азота демонстрируются на рис. 2. На нем показаны границы областей увеличения отношения смеси N2O на 1 млрд-1 относительно майского и ноябрьского распределений. Налицо важные межполушарные различия процессов роста концентрации N2O. В течение севернополушарного лета фронт увеличения N2O относительно майского распределения продвигается из тропиков в высокие широты СП. Распространение в направлении ЮП стабилизируется на экваторе. В течение южнополушарного лета происходит расширение области роста N2O относительно ноябрьского распределения не только в средние широты летнего, ЮП, но и в средние широты зимнего, СП. При этом зимой в арктической стратосфере возникает изолированная область увеличения N2O, граница которой продвигается в средние широты СП.

Диагностика ГХ примесей показала, что особенности динамики ГХ разных примесей в целом существенно различаются. Конкретные механизмы, ответственные за эти особенности, должны изучаться с привлечением численных моделей. В то же время результаты диагностики полезны для тестирования моделей. По результатам расчетов на 2-мерной фотохимической модели, выполненных И.Л. Каролем и А.П. Кудрявцевым, получено достаточно хорошее качественное соответствие амплитудно-фазовых характеристик ГХ озона с нашими результатами.

Анализ амплитудно-фазовых характеристик ГХ температуры показал, что особенности ГХ озона в верхней стратосфере связаны с эволюцией поля температуры.

В разделе 3.2 выявлены региональные особенности ГХ ОСО по данным измерений на мировой озонометрической сети. По фазовым характеристикам ГХ выделены географические области наиболее раннего достижения разных фаз ГХ над северо-востоком Азии, Средней Азией и средними широтами Северной Америки. Среднеширотные области долготно соответствуют положениям зимних квазистационарных ложбин в поле геопотенциала в нижней стратосфере СП. С помощью аналитической двумерной озонно-динамической модели показано, что основные общие особенности широтно-долготной динамики фаз ГХ ОСО можно объяснить сезонной эволюцией квазистационарных планетарных волн.

В разделе 3.3 рассмотрены сезонные и суточные вариации стратосферного содержания NO2 по данным многолетних утренних и вечерних измерений общего содержания (ОС) и вертикального распределения NO2 на Звенигородской станции и по данным измерений ОС NO2 на сети NDSC. Выявлены особенности широтного распределения ОС NO2 в зависимости от сезона по измерениям с борта корабля (с участием автора). Получена широтная структура суточных и сезонных вариаций ОС NO2.

В данных измерений суточные вариации проявляются в разности утренних и вечерних значений содержания NO2 при бoльших значениях вечернего содержания. Эта разность имеет ярко выраженный сезонный и широтный ход. Широтные максимумы разности во все сезоны находятся в окрестности 40(N и 40-45(S, где достаточно велики как содержание NO2, так и длительность дня и ночи. В процентном отношении они достигают 50-60%. Сезонные максимумы разности в этих поясах достигаются в СП летом, а в ЮП – в конце весны - начале лета в окрестности годовых максимумов ОС NO2. В полярных широтах величина разности между вечерними и утренними значениями ОС NO2 мала, а в периоды летнего и зимнего солнцестояний практически отсутствует, в соответствии с фотохимическими представлениями.

Сезонный ход стратосферного содержания NO2 примерно следует за годовым ходом солнечной инсоляции и характеризуется летним максимумом и зимним минимумом. Максимальные по СП и ЮП абсолютные значения ОС NO2, превышающие по данным вечерних измерений 6?1015 мол/см2, наблюдаются в середине лета в окрестностях 40(N и 60(S, минимальные (менее 1015 мол/см2) – в середине зимы в северной и южной полярных областях.

Значительные сезонные вариации содержания NO2 в стратосфере приводят к тому, что содержание NO2 в летнем полушарии выше содержания NO2 в зимнем полушарии. Этим объясняются глобальные закономерности полученных нами трех широтных разрезов ОС NO2 в Атлантике и их сезонная зависимость. По этим измерениям выявлена также тонкая широтная структура ОС NO2, которая определяется региональными, в том числе, динамическими процессами. В частности, особенности широтного распределения ОС NO2 в разные сезоны связаны с положением и эволюцией стратосферного циркумполярного вихря и положением верхнетропосферного субтропического струйного течения.

Амплитуда годового хода ОС NO2 минимальна на экваторе и практически монотонно нарастает с широтой. В полярных областях амплитуда ГХ достигает 80% от среднегодового значения ОС NO2. На экваторе значение амплитуды менее 10%. В годовом ходе ОС NO2 доминирует годовая гармоника, за исключением экватора, где амплитуды годовой и полугодовой гармоник сравнимы по величине.

После извержения в 1991 г. вулкана Пинатубо наблюдалась значительная отрицательная аномалия содержания NO2 в стратосфере, длившаяся около 3-х лет. В абсолютных единицах максимальный эффект уменьшения ОС NO2 отмечен летом и в процентном отношении по данным вечерних измерений составил 20-25% на всех широтах. Процентное уменьшение утренних значений ОС NO2 варьирует с широтой в пределах от 25 до 35%.

Глава 4 «Особенности временнoго режима содержания озона и NO2 в полярных областях». Особенности временных режимов озона и NO2 в полярных областях более подробно исследованы в 4-й главе. Изучались суточные, межсуточные и сезонные вариации. Наблюдательным материалом послужили данные озонозондовых измерений и результаты измерений содержания озона и NO2 в Антарктике (с участием автора).

В разделе 4.1 анализируются особенности регулярных сезонных вариаций и внутригодовой изменчивости озона в полярных областях по данным озонного зондирования на станциях Алерт (82.5(N) и Резольют (75(N) в канадской Арктике и Сёва (62(S) и Амундсен-Скотт (Южный полюс) в Антарктиде. Выявлены особенности сезонной и внутрисезонной эволюции озона в полярных областях по сравнению со средними широтами.

Показано, в частности, что важную роль в динамике и внутригодовой эволюции тропосферного озона в Арктике играет приток озона из стратосферы в зимне-весеннее время. Однако, в отличие от средних широт СП, влияние стратосферно-тропосферного обмена в Арктике не распространяется на пограничный слой атмосферы, для которого характерна особая, обособленная от вышележащих слоев, внутригодовая эволюция О3. Это указывает на динамическую изолированность пограничного слоя, при которой затруднен обмен озоном с вышележащими слоями атмосферы. На содержание и изменчивость озона в арктической стратосфере в отдельные годы оказывают сильное влияние внезапные зимние стратосферные потепления. Показано, что они могут вызывать не только увеличение, как считалось прежде, но и уменьшение концентрации озона в области потепления.

Доминирующая особенность сезонного хода стратосферного озона в антарктической стратосфере, начиная с 80-х гг. прошлого столетия, –значительный весенний дефицит озона в нижней стратосфере – т.н. «озонная дыра». Наряду с этим в диссертации показано, что сильное уменьшение концентрации озона в стратосфере, сравнимое по величине и продолжительности с эффектом «озонной дыры», имело место и значительно раньше – в начале 70-х гг.

Корреляционный анализ концентрации О3, температуры, зональной и меридиональной составляющих скорости ветра показал, что внутрисезонная изменчивость озона в полярных областях выше примерно 25 км в осенне-зимний период определяется вихревым переносом. Изменчивость O3 в слое от уровней средней тропосферы до высот нижней стратосферы тесно связана с режимом циркуляции в окрестности тропопаузы; конкретные механизмы этой связи требуют изучения.

Раздел 4.2 посвящен сезонным и внутрисезонным изменениям двуокиси азота в Антарктике по данным измерений с активным участием автора в 1987/88 гг. на станциях Молодежная и Мирный и в 1989 г. в море Уэдделла, в результате которых впервые получены результаты о стратосферном содержании NO2 в восточной Антарктиде и его изменениях. Показано, что финальное потепление в стратосфере над Антарктидой в начале декабря 1987 г. сопровождалось сильным увеличением ОСО (на 100 е.Д.) и ОС NO2 (более чем в 3 раза, см. рис. 3). В последующий летне-осенний период происходит постепенное уменьшение ОСО и ОС NO2, на которое наложены вариации, обусловленные синоптическими процессами.

По измерениям в сентябре-октябре 1989 г. с борта корабля в широтном поясе 62-66?S обнаружены значительные согласованные вариации ОС NO2 (до 100%) и температуры, обусловленные зональной волновой структурой стратосферного циркумполярного вихря и его эволюцией.

определяется временем разрушения стратосферного вихря во время весенней перестройки циркуляции.

В разделе 4.3 исследуются механизмы изменчивости приземной концентрации озона в Антарктиде. Основная часть данных получена автором. По измерениям приземной концентрации озона на побережье Антарктиды исследованы внутрисуточные и межсуточные вариации озона. Выявлены различные режимы изменчивости приземного озона, обусловленные циклонической активностью и циркуляцией в системе стоковых ветров. Показано, что стоковый ветер осуществляет перенос озона в прибрежную зону с континента. Суточные вариации направления приземного ветра воздействуют на суточные вариации приземного озона.

Воздействие циркуляции, связанной со стоковыми ветрами, на приземный озон распространяется и на межсуточный масштаб. Обнаружена сильная положительная корреляция концентрации приземного озона с температурой тропосферы выше пограничного слоя и антикорреляция с относительной влажностью. Это обусловлено вовлечением в сток влажного морского воздуха. Усиление режима стоковых ветров приводит к увеличению концентрации О3 в приземном слое. Это подтверждается выполненными автором измерениями широтного распределения О3 в приземном слое Антарктиды с самолета, которые показали, что приземная концентрация О3 увеличивается при удалении вглубь континента.

Глава 5 «Квазидвухлетние вариации содержания озона и метеопараметров». Эта глава посвящена анализу квазидвухлетних вариаций скорости экваториального стратосферного ветра, концентрации озона, температуры, давления, скорости ветра в тропосфере и стратосфере северного полушария по данным многолетних сетевых радиозондовых и озонозондовых измерений и данным сетевых наземных измерений общего содержания озона.

В разделе 5.1 выполнен подробный и всесторонний анализ вариаций зональной скорости экваториального стратосферного ветра в слое 70-10 гПа. Обнаружены два режима квазидвухлетней цикличности (КДЦ) скорости ветра с периодами 2 и 2.5 года. Важно, что этот результат получен тремя независимыми методами: методом вейвлет-преобразования, путем спектрального анализа высокого разрешения и путем анализа отображения окружности. Наличие этих двух периодов подтверждается и существованием спектральных максимумов с периодами 12 и 6 мес, а также 15, 10 и даже 7.5 мес, соответствующими гармоникам основных периодичностей. Режимы колебаний со средними периодами 2 и 2.5 года периодически сменяют друг друга, примерно с периодом цикла солнечной активности. Наряду с этим в спектрах скорости экваториального стратосферного ветра обнаружены спектральные пики на периодах 20, 8 и 8.7 мес, соответствующих комбинационным частотам двух режимов КДЦ и годового цикла, которые можно объяснить взаимодействием КДЦ с годовым циклом в силу нелинейности уравнений гидротермодинамики.

????¶?т наблюдаться в нелинейных системах с периодической вынуждающей силой.

В разделе 5.2 рассмотрены квазидвухлетние вариации (КДВ) концентрации озона и метеопараметров (температуры, давления, зональной и меридиональной составляющих скорости ветра) по данным озонного зондирования в североамериканском (Канада) и западноевропейском регионах. С помощью спектрального анализа высокого разрешения показано, что квазидвухлетние вариации этих величин в тропосфере и стратосфере имеют периоды, которые группируются в окрестности определенных значений, чаще всего вблизи значений 2 и 2.5 года. В большинстве случаев значительны вариации с периодом около 20 мес, соответствующим одной из комбинационных частот (см. выше). Обнаружены важные, в ряде случаев принципиальные различия КДВ различных параметров на одной и той же станции, а также различия КДВ одного и того же параметра не только между регионами, но и в пределах одного и того же региона. Примеры спектров концентрации озона, температуры и зональной составляющей скорости ветра на двух канадских станциях Черчилль и Эдмонтон показаны на рис. 4.

Кросс-спектральный анализ высокого разрешения показал, что сложную картину и разнообразие квазидвухлетних эффектов можно объяснить комбинированным влиянием на внетропическую атмосферу КДЦ в экваториальной стратосфере, Эль-Ниньо–Южного колебания (ЭНЮК) и Северо-Атлантического колебания (САК). Физические механизмы воздействий этих факторов на различные параметры могут быть разными. Это объясняет различия КДВ разных параметров даже для одной и той же станции.

Вариации стратосферного озона с периодом около 2.5 лет в обоих регионах статистически связаны с аналогичными вариациями скорости ветра в экваториальной стратосфере и с вариациями индекса ЭНЮК. Двухлетние вариации озона в стратосфере над Западной Европой связаны с ЭНЮК, а 2-летние вариации озона в тропосфере – с САК. Выявлена более четкая связь 2.5-летних вариаций температуры с ЭНЮК, чем с экваториальной КДЦ. 2-летние вариации температуры в стратосфере и тропосфере объясняются вариациями ЭНЮК или САК. КДВ зональной и меридиональной составляющих скорости ветра в тропосфере и стратосфере над Канадой в большей мере, чем другие параметры, связаны с САК, которое влияет не только на 2-летние, но и на 2.5-летние вариации ветра. Однако над Западной Европой они определяются в первую очередь влиянием ЭНЮК.

КДВ озона характеризуются значительным фазовым сдвигом по вертикали (а в европейском регионе – и по горизонтали), что приводит к трудностям изучения КДВ в общем содержании озона.

В разделе 5.3 выполнен анализ квазидвухлетних вариаций ОСО по данным измерений на мировой озонометрической сети. Несмотря на отмеченные выше трудности, он представляет немалый интерес ввиду значительно большего количества станций наблюдения ОСО и возможности более подробного изучения горизонтальной неоднородности характеристик КДВ озона. Показано, что значения ОСО в периоды западной и восточной фаз экваториального стратосферного ветра различаются, и соответствующая разность ОСО сезонно зависима. Горизонтальное распределение КДВ ОСО можно описать в терминах сезонной эволюции этой разности ?Х = Xw – Хе, где индексы "w'' и "е" соответствуют западной и восточной фазам экваториального ветра на уровне 50 гПа. Отметим, например, уменьшение амплитуды и дробление крупномасштабной зональной структуры разности с изменением зонального волнового числа от 1 до 4 от зимы к лету. Для тропического пояса в целом характерны положительные, а для средних и высоких широт – отрицательные значения разности.

По результатам спектрального анализа высокого разрешения выявлены КДВ ОСО и вариации с комбинационной частотой. КДВ ОСО определяются в основном колебаниями с периодами 28–30 мес. Период вариаций с комбинационной частотой находится в окрестности 20 мес, а их амплитуда наиболее значительна в регионах, где существенна межсезонная эволюция границы раздела между тропическим поясом положительных значений ?Х и внетропическими областями с ?Х < 0, и незначительна в регионах с квазистационарными аномалиями ?Х.

Глава 6 «Воздействие вариаций уровня солнечной активности на состав, температуру и динамику средней атмосферы». В этой главе исследуется воздействие вариаций уровня солнечной активности на состав, температуру и динамику средней атмосферы по данным наблюдений и с помощью численных моделей. Рассмотрен 11-летний цикл солнечной активности и 27-суточный цикл, обусловленный вращением Солнца вокруг своей оси.

Раздел 6.1 посвящен эффектам 11-летнего цикла солнечной активности (СА) в озоне и NO2. Обнаружены и проанализированы эффекты воздействия 11-летнего цикла СА на годовой ход стратосферного озона и получены оценки вклада динамического переноса в вариации концентрации стратосферного озона во внетропических широтах. Для анализа данных измерений ОСО на мировой озонометрической сети и ОС NO2 на сети NDSC применялись статистические модели множественной линейной регрессии, учитывающие линейный тренд, эффекты СА, КДЦ, ЭНЮК, САК, воздействие вулканического аэрозоля после извержений вулканов Пинатубо и Эль-Чичон (только для NO2). Для интерпретации результатов анализа использована 2-мерная модель фотохимических, радиационных и динамических процессов SOCRATES.

В результате показано, что изменение коротковолновой солнечной радиации в 11-летнем цикле СА воздействует на интенсивность меридионального переноса стратосферного озона в течение осенне-зимнего периода. Приток озона в средние широты возрастает при высоком уровне СА по сравнению с притоком в период минимума СА. По данным моделирования этот механизм обеспечивает до 30% зимнего увеличения содержания озона в слое озонного максимума (около 22 км) в средних широтах ЮП в условиях высокой СА (рис. 5). В средних широтах СП этот механизм вносит основной вклад в изменения содержания озона в этом слое во второй половине зимы при вариациях СА. Изменение величины притока стратосферного озона под действием вариаций СА отражается на годовом ходе озона.

Эффект СА в ОСО и характеристиках годового хода ОСО сильно зависит от региона. Выделены два характерных типа квазидесятилетних вариаций фазы годовой гармоники ОСО: в фазе и в противофазе с вариациями СА (рис. 6). Противофазные с солнечной активностью изменения фазы годовой гармоники ОСО отмечены в высоких широтах Североатлантического региона и в тропическом поясе, а со-фазные изменения – в средних и субтропических широтах обоих полушарий. Эти широтные различия могут быть объяснены общим усилением динамического притока стратосферного озона во внетропические широты в период максимума СА по сравнению с периодом минимума СА, наряду со смещением в СП положения широтного максимума этого избыточного притока озона в течение зимы из высоких широт в средние широты (рис. 5).

Согласно данным наблюдений, в средних широтах обоих полушарий ОС NO2 в период максимума СА в целом ниже, чем в период минимума СА. Разность достигает 12% на Звенигородской станции. Величина эффекта СА в средних широтах СП и ЮП уменьшается с уменьшением широты. В целом из анализа эффекта СА в NO2 следует вывод о его региональной зависимости.

Страницы: 1  2  3  4  5  6