Delist.ru

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

Автор: Груздев Александр Николаевич

Сопоставление с эффектом в ОСО показывает, что значительный отрицательный эффект СА в ОС NO2 отмечен на станциях, которые расположены в регионах со значительным положительным эффектом СА в ОСО. Эффект СА в NO2 по расчетам с помощью модели SOCRATES в целом соответствует по знаку результатам анализа данных наблюдений. Однако модельный эффект в несколько раз меньше, чем наблюдаемый на некоторых станциях. Вероятная причина расхождений – региональный характер проявления эффекта СА в содержании примесей, что невозможно учесть в двумерной модели.

В разделе 6.2 исследуется воздействие 27-суточных вариаций коротковолнового солнечного излучения на состав и термический режим средней и верхней атмосферы по результатам численного моделирования с помощью 3-мерной глобальной химико-климатической модели HAMMONIA. Анализ модельных результатов показал, что в то время как вариации температуры и примесей, вызванные воздействием 27-суточного солнечного цикла, очень отчетливы и постоянны в верхней атмосфере, в стратосфере и мезосфере они имеют сильно перемежающийся характер и, вероятно, зависят от динамической обстановки. Получены широтно-высотные распределения чувствительности и фазовой задержки откликов температуры и химического состава атмосферы на 27-суточный солнечный цикл. Отклики во внетропических широтах, как правило, сезонно зависимы и во многих случаях сильнее зимой, чем летом. Чувствительности откликов нелинейно зависят от амплитуды солнечного воздействия, уменьшаясь с его усилением.

Чувствительность отклика озона максимальна в верхней атмосфере, где она может превышать 10% на 1% изменений потока солнечной радиации на длине волны 205 нм. В верхней стратосфере она может достигать 1%/%. Чувствительность термического отклика выше 110 км превышает 2 К на 1% изменений потока солнечной радиации на длине волны 205 нм, а ее значение в окрестности локального высотного максимума чувствительности в слое тропической стратопаузы над порядок меньше.

Значения фаз откликов температуры и атмосферных примесей на 27-суточный солнечный цикл тоже зависят от высоты и широты. Например, температурный отклик в окрестности стратопаузы и в термосфере происходит примерно в фазе с солнечным циклом, запаздывая по отношению к нему на 1-2 суток. Запаздывание увеличивается до 5 суток в верхней мезосфере. Концентрация озона над тропиками ниже 60 км изменяется примерно в фазе с солнечным циклом, опережая его в верхней части слоя на 1-2 суток, а выше 70 км – примерно в противофазе с солнечным циклом. Опережение обусловлено, в частности, температурной зависимостью скоростей реакций.

Чувствительность и фаза озонного отклика в стратосфере и нижней мезосфере в тропиках находятся в удовлетворительном согласии с имеющимися результатами наблюдений, в то время как выше 70-75 км имеются принципиальные различия между модельными и наблюдавшимися (только две серии данных) значениями фазы озонного отклика.

Что касается температурного отклика, то может быть несоответствие между характеристиками наблюдаемого отклика по данным разных авторов, но в то же время характеристики модельного отклика температуры в верхней стратосфере и нижней мезосфере соответствуют некоторым наблюдениям. Однако нет никакого соответствия между расчетным и наблюдавшимся (только одна серия данных) температурными откликами выше 75 км. В настоящее время недостаточно экспериментальных данных для всестороннего сопоставления модельных и наблюдаемых эффектов 27-суточного солнечного цикла.

Модельные расчеты показали, что атмосферная циркуляция может оказывать важное воздействие на отклик атмосферы на 27-суточный солнечный цикл в средне- и высокоширотной стратосфере и мезосфере в зимний период.

Глава 7 «Эффекты долговременной изменчивости». В 7-й главе исследуются эффекты долговременной изменчивости содержания озона и NO2 и термического режима мезосферы по данным наблюдений и с помощью численного моделирования.

В разделе 7.1 оцениваются линейные тренды характеристик годового хода (амплитуд и фаз гармоник) общего содержания озона по данным многолетних наземных измерений на мировой озонометрической сети. Оценки получены с помощью модели множественной линейной регрессии (описана в главе 6). Оказалось, что тренд фазы годовой гармоники ОСО, если он статистически значим, везде положительный. Но механизмы этого тренда в Антарктике и остальных областях разные. Величина тренда фазы на некоторых станциях достигает 8 сут, а на станции Сёва в Антарктиде – 18 сут за 10 лет. Амплитуда годовой гармоники ОСО со временем увеличивается в Антарктике и в тропической зоне, а в остальных местах она уменьшается. Во внетропических широтах тренд амплитуды годовой гармоники ОСО составляет по величине большую часть тренда среднегодового значения ОСО, что является результатом сезонной зависимости трендов ОСО. К выявленным трендам характеристик годового хода ОСО может приводить долговременное уменьшение ОСО в зимний период, предшествующий моменту годового максимума ОСО, а в Антарктиде – многолетнее уменьшение значений ОСО в период весенней «озонной дыры» с одновременным смещением сроков «дыры» на более поздние даты.

В разделе 7.2 выполнен анализ линейных трендов ОС NO2 по данным измерений на сети NDSC. Годовые и сезонные оценки трендов получены с помощью модели множественной линейной регрессии, учитывающей эффекты солнечной активности, Эль-Ниньо – Южного колебания, Североатлантического колебания и воздействие вулканического аэрозоля после извержений вулканов Пинатубо и Эль-Чичон. Впервые получена широтная структура трендов NO2 (рис. 7). В средних и низких широтах ЮП тренды преимущественно положительные, в то время как в средних и низких широтах СП – преимущественно отрицательные. Максимальные значения положительных и отрицательных трендов составляют по модулю около 10% за 10 лет. Годовые оценки трендов в высоких и полярных широтах, как правило, статистически незначимые. В целом можно отметить антисимметричное распределение годовых оценок трендов относительно экватора. Сезонные оценки трендов могут отличаться от годовых. Так, зимой не только в ЮП, но и в СП в целом преобладают положительные значения трендов ОС NO2. Летом статистически значимый тренд ОС NO2 отмечен в Арктике.

По расчетам на 2-мерной модели SOCRATES получены небольшие отрицательные значения трендов ОС NO2 в средних широтах обоих полушарий (рис. 7), что сильно расходится с результатами анализа данных наблюдений. Вероятная причина расхождений кроется во влиянии на фотохимические изменения стратосферного содержания NO2 изменений температуры и состава стратосферы с различной степенью компенсации их эффектов в NO2 в зависимости от конкретных, в том числе, региональных условий.

Раздел 7.3 посвящен моделированию долговременных изменений термического режима мезосферы. По ракетным данным и по измерениям гидроксильной эмиссии учеными из ИФА, Центральной аэрологической обсерватории и Абастуманской обсерватории обнаружено значительное охлаждение мезосферы и слоя мезопаузы (Golitsyn G.S., Semenov A.I., Shefov N.N., Fishkova L.M., Lysenko E.V., Perov S.P. Long-term temperature trends in the middle and upper atmosphere. Geophys. Res. Lett. V. 23. P. 1741-1744. 1996). Для выявления механизмов охлаждения нами были выполнены расчеты с помощью 2-мерной модели фотохимии, радиации и динамики атмосферы SOCRATES. Исследованы эффекты увеличения приземных концентраций парниковых газов (CO2, CH4, N2O и хлор-фтор-углеродов) за последние 50 лет в соответствии с наблюдаемыми трендами, увеличение концентрации водяного пара в средней атмосфере, а также эффекты вероятных изменений активности внутренних гравитационных волн (ВГВ).

Модельные расчеты показали, что наблюдаемое увеличение концентраций парниковых газов по отдельности вызывает охлаждение мезосферы. Охлаждение, порождаемое ростом концентраций хлор-фтор-углеродов, связано в основном с уменьшением содержания озона. Одновременное увеличение концентраций парниковых газов ведет к большему охлаждению, хотя отклик атмосферы в этом случае не есть арифметическая сумма индивидуальных эффектов. Общий эффект охлаждения в средней мезосфере составляет около 4-6 К. Ниже модельной мезопаузы (~90 км) он около 3-4 К, за исключением внетропических широт СП зимой, где этот слой охлаждается на 5-7 К. Однако величина охлаждения по модельным расчетам значительно меньше, чем по наблюдениям.

Эффект охлаждения значительно возрастает при усилении форсинга за счет ВГВ. Следует отметить, что форсинг за счет ВГВ в модели параметризуется. Расчеты показывают, что предписанное уменьшение ускорения зонального потока и диффузии за счет ВГВ обычно приводит к потеплению верхней мезосферы. Предписанное усиление ускорения и диффузии за счет ВГВ в большинстве случаев ведет к охлаждению этой области. На рис. 8 показан температурный отклик мезосферы в январе на 50-летнее увеличение приземных концентраций парниковых газов и одновременное усиление на 50% форсинга за счет ВГВ. В этом случае зимнее охлаждение верхней мезосферы во внетропических широтах СП достигает 7-15 К. Охлаждение летней мезопауза менее 2 К, в хорошем согласии с результатами наблюдений.

Повышенный диффузионный перенос, вызванный обрушением ВГВ, ведет к увеличению содержаний примесей, чье отношение смеси уменьшается с высотой. Концентрации метана и водяного пара претерпевают значительное увеличение, на десятки процентов, в слое мезопаузы. В отличие от этого, обусловленная ВГВ диффузия не оказывает значительного влияния на концентрацию СО2, чье отношение смеси в средней атмосфере характеризуется малым вертикальным градиентом. Увеличение СО2 почти полностью обусловлено увеличением приземной концентрации СО2, а не усилением диффузии за счет ВГВ.

Увеличение концентраций парниковых газов смещает радиационный баланс слоя верхней мезосферы и мезопаузы к более низким температурам. Другой эффект усиления связанной с ВГВ диффузии (которая обычно имеет место в слое мезопаузы) – это увеличение дивергенции направленного вниз диффузионного потока тепла, что также вызывает охлаждение. Этот механизм охлаждения мезопаузы более эффективен, если концентрации парниковых газов увеличиваются. Полученные модельные результаты предполагают, что изменения, вызванные ВГВ, могут быть так же важны при объяснении охлаждения верхней мезосферы и мезопаузы, как и наблюдаемые изменения концентраций парниковых газов. Следует также отметить, что модель не предсказывает каких-либо значительных изменений температуры в слое 92-95 км, в хорошем соответствии с наблюдениями.

Глава 8 «Спектральные и структурные закономерности пространственно-временнoй изменчивости примесей». Восьмая глава посвящена анализу спектральных и структурных закономерностей пространственно-временной изменчивости озона и NO2 по данным сетевых и спутниковых измерений концентрации и общего содержания О3 и измерений приземного содержания NO2 на Звенигородской станции.

В разделе 8.1 рассмотрены спектральные закономерности временнoй изменчивости озона и NO2. На примере приземной концентрации озона на станции Хоэнпайсенберг показано, что спектры приземного озона в диапазоне периодов от часа до нескольких суток в различные сезоны подчиняются степенному закону с показателем, близким к -5/3.

Спектр содержания NO2 в приземном слое атмосферы, рассчитанный по результатам измерений на ЗНС, подчиняется степенному закону -0.4 в диапазоне периодов от нескольких суток до нескольких месяцев. Такое низкое значение показателя степени обусловлено сильной межсуточной изменчивостью NO2 в загрязненном приземном слое атмосферы.

Спектр самого длинного ряда наблюдений ОСО на станции Ароза (более 70 лет измерений) показывает, что на межгодовом и многолетнем масштабах ОСО испытывает квазирегулярные вариации, которые группируются в определенных диапазонах периодов. Как амплитуды, так и периоды этих вариаций непостоянны, а некоторые из вариаций могут со временем исчезать и появляться вновь. Выделяются две наиболее регулярные компоненты вариаций с периодами 1 и 1/2 года. На межгодовом и многолетнем масштабах в спектре ОСО проявляются вариации с квазидвухлетним (в среднем ~28 мес), квази-трехлетним (~3.5 лет), квази-пятилетним (~5.5 лет) и квазидесятилетним (~9.5 лет) периодами. Особо отметим сильную и очень четкую комбинационную компоненту с периодом около 20 мес. При этом важно, что на внутригодовом масштабе имеются вариации с другой комбинационной частотой ~8 мес.

отдельных уровнях степенной закон выполняется до масштаба 6600 км. Степенной показатель структурных функций зависит от сезона и высоты и изменяется в пределах от 1 до 2. Такие высокие значения, по-видимому, связаны с наличием значительных пространственных градиентов среднего поля озона. Содержание озона проявляет довольно отчетливые тенденции изменений в широтном направлении с относительно малой изменчивостью на малых масштабах по сравнению с большими масштабами. Тенденции связаны со структурами широтного распределения озона большого масштаба, в основном масштаба 3300 км, или 30° широты, а иногда масштаба 6600 км, или 60° широты.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертации.

1. Проведены экспедиционные наблюдения содержания озона и NO2 в Антарктике и в Атлантике и получен уникальный материал о временнoй изменчивости и широтном распределении этих примесей. Собран большой материал наблюдений содержания NO2 в стратосфере и тропосфере на Звенигородской научной станции ИФА РАН.

2. На основе данных спутниковых, сетевых наземных и озонозондовых измерений ОСО и концентрации озона в тропосфере и стратосфере исследована пространственная динамика широтно-высотного поля концентрации озона и широтно-долготная динамика ОСО в годовом ходе. По данным спутниковых измерений проанализирована широтно-высотная динамика стратосферного содержания метана, закиси азота, азотной кислоты в годовом ходе. Изучены количественные характеристики и пространственная динамика различных фаз годового цикла примесей для наиболее важных стадий: в режимах роста и уменьшения содержания примеси, в режимах формирования годовых экстремумов. Получены пространственные распределения структурных характеристик годового хода примесей – интервалов роста и превышения.

3. С использованием данных озонозондовых измерений показано, что важнейшим фактором сезонных вариаций концентрации озона в тропосфере в средних и полярных широтах является перенос озона в тропосферу из стратосферы. Этот механизм имеет большее значение в северном полушарии.

4. По данным измерений автором концентрации озона в приземном слое атмосферы и ОС NO2 в Антарктике изучены временные вариации содержания этих примесей в южной полярной области. Установлено, что одним из важных механизмов внутрисуточных и межсуточных вариаций приземного озона на побережье Антарктиды является циркуляция, связанная с режимом стокового ветра. Межсуточные вариации ОС NO2 в Антарктике в весенний период определяются эволюцией стратосферного циркумполярного вихря.

5. На основе данных сетевых радиозондовых измерений скорости стратосферного ветра на экваторе и данных озонозондовых измерений концентрации озона, температуры, давления, направления и скорости ветра в тропосфере и стратосфере средних и полярных широт северного полушария выполнен всесторонний анализ квазидвухлетних вариаций этих параметров. Обнаружены два режима квазидвухлетней цикличности зональной скорости стратосферного экваториального ветра со средними периодами 2 и 2.5 года. Вариации с этими периодами обнаружены в концентрации озона, температуре, давлении, скорости ветра в стратосфере и тропосфере внетропических широт северного полушария. Во всех этих параметрах и в ОСО обнаружены вариации с периодами около 20 и 8.5 месяцев, соответствующими комбинационным частотам квазидвухлетних вариаций и годового цикла. Показано, что квазидвухлетние вариации 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. По данным сетевых и спутниковых измерений и с помощью численных моделей выполнено исследование вариаций состава, температуры и динамики средней и верхней атмосферы под воздействием вариаций уровня солнечной активности. 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. Рассчитаны широтно-высотные распределения амплитудных и фазовых характеристик вариаций температуры и концентраций примесей (озон, гидроксил, окись азота, двуокись азота, азотная кислота и др.), вызванных 27-суточными вариациями солнечной радиации, обусловленными собственным вращением Солнца. Показано, что термический и химический отклик атмосферы на 27-суточные вариации солнечной активности имеет перемежающийся и нелинейный характер.

7. На основе данных измерений широтных распределений общего содержания NO2, выполненных с участием автора, выполнен анализ особенностей широтного распределения стратосферного содержания NO2 в зависимости от сезона. По данным сетевых измерений содержания NO2 и измерений с участием автора на Звенигородской станции получены и проанализированы широтная структура амплитудных и фазовых характеристик сезонных и квази-десятилетних вариаций содержания NO2 в столбе стратосферы, а также широтная структура внутрисуточных вариаций и линейных трендов стратосферного содержания NO2 в зависимости от сезона. Установлено, в частности, что широтное распределение годовых оценок линейного тренда NO2 во внеполярных широтах примерно антисимметрично относительно экватора с преобладанием положительных значений тренда в южном и отрицательных значений в северном полушариях.

8. С помощью численного моделирования получены оценки долговременных изменений термического режима средней атмосферы в результате выброса в атмосферу парниковых газов и изменений активности внутренних гравитационных волн. Показано, что наблюдаемое увеличение концентрации углекислого газа, метана, закиси азота, хлор-фтор-углеродов в нижней тропосфере приводит к охлаждению слоя верхней мезосферы и мезопаузы на несколько градусов за 50 лет в зимнее время (до 5-7 К во внетропических широтах), в то время как охлаждение в летний сезон незначительное. Усиление активности внутренних гравитационных волн может значительно (до 2-х раз) увеличить эффект зимнего охлаждения этого слоя.

9. По данным спутниковых измерений концентрации стратосферного озона, сетевых наземных измерений приземной концентрации озона и измерений содержания NO2 (с участием автора) в приземном слое на Звенигородской станции выполнен анализ спектральных и структурных закономерностей изменчивости примесей. Показано, что временные спектры мощности флуктуаций приземной концентрации озона в диапазоне периодов от нескольких часов до нескольких суток подчиняются степенному закону с показателем, близким к –5/3. Обнаружено, что спектр вариаций приземного содержания NO2, вызванных эпизодами загрязнения, в диапазоне периодов от нескольких суток до нескольких месяцев характеризуется значениями степенного показателя, значительно меньшими по модулю единицы (~ –0.4). Обнаружено, что меридиональные вариации концентрации озона в стратосфере в диапазоне горизонтальных масштабов от 200 до 6500 км подчиняются закону статистического самоподобия со степенным показателем структурной функции большим единицы, зависящим от высоты и сезона.

Основным итогом диссертационной работы следует считать решение крупной научной проблемы исследования особенностей и механизмов пространственно-временнoй изменчивости атмосферного озона и связанных с ним малых газовых составляющих, в результате которого впервые для большой совокупности пространственно-временных масштабов получены статистически значимые закономерности изменений примесей, необходимые для совершенствования современных представлений о климате средней и верхней атмосферы.

Основные публикации по теме диссертации:

Груздев А.Н. Влияние озонного нагревания на динамику планетарных волн // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985. Т. 21. № 11. С. 1148-1159.

Груздев А.Н. О возможности влияния озона на динамику планетарных волн / В кн.: Атмосферный озон. Труды Y1 Всесоюзного симпозиума. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. С. 266-270.

Груздев А.Н., Мохов И.И. Диагностика динамики стратосферного озона в годовом ходе по спутниковым данным // Исследования Земли из космоса. 1988. № 2. С. 3-10.

Арабов А.Я., Груздев А.Н., Гиргждене Р.В., Еланский Н.Ф. Измерения приземной концентрации озона на антарктической станции Мирный // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1988. Т. 24. № 12. С. 1276-1281.

Gruzdev A.N., Mokhov I.I. Peculiarities of global dynamics of total ozone in annual course from surface measurements / In: Ozone in the Atmosphere. Eds. R.D. Bojkov and P. Fabian. A.DEEPAK Publishing. 1989. P. 117-119.

Груздев А.Н., Мохов И.И. Особенности внутригодовой глобальной динамики общего содержания озона // Метеорология и гидрология. 1990. № 7. С. 36-46.

Груздев А.Н., Ситнов С.А. Особенности внутригодовой изменчивости озона в полярных областях по данным озонного зондирования на станциях Резольют и Амундсен-Скотт // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1991. Т. 27. № 4. С. 396-407.

загрузка...