70891-1 (Изменчивость общего содержания озона в атмосфере и горизонтального ветра в нижней термосфере (Центральная Европа))

Изменчивость общего содержания озона в атмосфере и горизонтального ветра в нижней термосфере (Центральная Европа).

Г.В. Вергасова , В.Д.Кокоуров , Э.С.Казимировский

Исследовалась корреляция между вариациями общего содержания озона в атмосфере (ОСО), вариациями параметров динамического режима в нижней термосфере и вариациями общепринятых индексов солнечной и геомагнитной активности. Использовались ежесуточные спутниковые измерения ОСО для пяти обсерваторий в центрально-европейском регионе и измерения параметров горизонтального ветра в нижней термосфере над тем же регионом (обсерватория Коллм, Германия) в период 1996-2003. Исследовалась также квазипериодическая структура этих вариаций и корреляция между соответствующими периодограммами. Получены количественные оценки статистически значимых корреляций. Обнаружены общие периодичности в изменчивости исследуемых параметров.

Введение.

Исследование изменчивости различных временных масштабов параметров озоносферы и поиски физических причин этой изменчивости до настоящего времени остаются актуальной проблемой. И актуальность эта определяется той существенной ролью, которую играет озон в термодинамическом балансе атмосферы, в формировании климата, в развитии глобальных изменений окружающей среды. Наибольшая информация накоплена о таком параметре озоносферы как общее содержание озона в атмосфере (ОСО) – с помощью многолетних однородных рядов наблюдений на мировой сети озонометричесих обсерваторий и благодаря наличию специальных спектрометров на борту исследовательских искусственных спутников Земли (например, весьма эффективного инструмента Total Ozone Mass Spectrometer, TOMS).

Общепринятым является сейчас положение о том, что вариации ОСО должны быть тесно связаны с динамическим режимом атмосферы, в первую очередь, конечно, с динамикой стратосферы, где сосредоточена большая часть озона. Однако, поскольку известно, что атмосфера представляет единую динамическую систему и различные слои атмосферы активно взаимодействуют /1/ , можно предположить, что и более высокие слои атмосферы, например, нижняя термосфера, могут быть связаны с вариациями ОСО.

К сожалению, достаточно длинные ряды измерений ветра на высотах мезосферы и нижней термосферы ( 80-100 км ) существуют только для нескольких регионов нашей планеты. Например. в средних широтах (~ 52° N ) многолетние однородные измерения ветров на этих высотах проводятся в Центральной Европе (обсерватория Коллм) и до 1997 года проводились в Восточной Сибири (обсерватория Бадары), в существенно разных долготных и климатических регионах. Именно сравнение результатов измерений для этих регионов позволило выявить существенную незональность динамического режима нижней термосферы, возможно связанную с различными условиями генерации и распространения внутренних атмосферных волн, обеспечивающих воздействие на нижнюю термосферу со стороны тропосферы и стратосферы /1/.

Вполне естественно, что измерения в Центральной Европе и были использованы нами для поисков связи с вариациями ОСО /2/ и было показано, что ОСО действительно меняется при смене направления ветра в нижней термосфере. В вариациях ОСО и скорости зонального ветра были обнаружены общие периодичности, было установлено, что корреляция между ОСО и ветром более высока для зимнего сезона и высокой солнечной активности. Затем, используя данные двух упомянутых выше обсерваторий на одной широте, мы показали /3,4/ что характер связи между ОСО и ветром существенно зависит от долготы (т.е., от региональных климатических условий). При этом, конечно, наблюдаются и некоторые общие закономерности для обоих регионов, например, наибольшие значения ОСО наблюдаются преимущественно при ветрах, направленных на северо-запад, а минимальные – при ветрах, направленных на юго-восток /4/.

Определённый интерес представляет сравнение вариаций ОСО и ветра не только для одной и той же точки, но и сравнение регионального ветрового режима с вариациями озона на некоторой территории в том же регионе. Такому сопоставлению и посвящено настоящее сообщение, как продолжение цикла наших работ /2-4/. Цель данной работы: посмотреть, каким образом связаны между собой изменчивость общего содержания озона и ветер в мезосфере - нижней термосфере в Центрально-Европейском регионе, выяснить, связаны ли изменения ОСО со сменой направления ветра в нижней термосфере, получить количественные оценки связи, используя множественный корреляционный периодограмманализ и получив корреляционные функции связи самих исходных рядов измерений и их периодограмм. Для оценки возможной роли гелиогеомагнитной активности в изменчивости ОСО использовались числа Вольфа (W), индексы радиоизлучения Солнца на волне 10.7 см ( F10.7 ) и планетарный индекс геомагнитной активности Ар.

Для анализа использовались ежесуточные измерения ОСО для 5-ти станций на территории Германии (Ланденбрук, Потсдам, Берлин, Дрезден, Линденберг), проведенные с помощью спектрометра TOMS, установленного на борту ИСЗ “Nimbus-7”, в период с июля 1996 г. по январь 2003 г. Общее содержание озона измерялось в единицах Добсона (ед. Д.). Географические координаты станций представлены в табл.1. Измерения горизонтального ветра в мезосфере - нижней термосфере в этот же период проводились на высоте  95 км на обсерватории Коллм (52 N, 15 E), которая находится в том же регионе. Использовались результаты гармонического анализа суточных вариаций скорости ветра, позволяющего получить следующие параметры ветрового режима: преобладающий зональный ( Vox ) и меридиональный ( Voy ) ветер, амплитуда V2x и фаза T2x зонального полусуточного прилива.

Таблица 1

Используемые станции и их географические координаты.

Результаты анализа.

На рис. 1 представлены вариации ежесуточных значений ОСО на 5-ти станциях (Ланденбрук, Потсдам, Берлин, Дрезден, Линденберг), динамических параметров Vox, Voy и V2x в Коллме и индекса солнечной активности F10.7 за период с 3.1.1999 г. по 1.8.2002 г.

Рис.1. Вариации ежесуточных значений ОСО на 5-ти станциях, динамических параметров в Коллме и индекса солнечной активности F10.7 за период с 3.1.1999 г. по 1.8.2002 г.

Как можно видеть, в вариациях ОСО присутствует четко выраженная годовая волна. Годовая волна присутствует также и в вариациях параметров ветра, но с противоположной фазой: максимальным значениям ОСО в стратосфере соответствуют преимущественно юго-восточные ветры, а минимальным - северо-западные ветры. Можно отметить обратную связь между ОСО и амплитудой зонального полусуточного прилива. При этом на годовые вариации ветра явно накладываются полугодовые и сезонные колебания , мало заметные на временных вариациях ежесуточных значений ОСО. Во время максимума солнечной активности в конце 2001 г. - начале 2002 г. отмечаются минимальные значения общего содержания озона.

Результаты корреляционного анализа, представленные в табл.2, действительно подтверждают наличие значимой (со значимостью по критерию Фишера 0.95) отрицательной корреляции значений ОСО для всех 5-ти станций со всеми динамическими параметрами и индексами гелио-геомагнитной активности. Для связи ОСО=f(Ар) и ОСО=f(T2x) отмечены самые низкие коэффициенты корреляции. При этом максимальные значимые значения коэффициентов корреляции наблюдаются при положительных сдвигах по фазе от 5 сут. до 14 сут., а для функциональной зависимости ОСО=f(T2x) корреляция становится значимой, но положительной при сдвиге по фазе  = 21 сут.

Рис.2. Корреляционные функции для зависимостей ОСО от а. преобладающего ветра, б. амплитуды и фазы полусуточного прилива и в. индексов гелио-геомагнитной активности по всем 5 станциям в Германии.

На рис.2 для примера представлены корреляционные функции (в интервале сдвигов по фазе  70 сут.) для зависимостей типа: OCO=f(Vox) и OCO=f(Voy), подтверждающие отрицательную связь между рассматриваемыми параметрами.

Значимая корреляция между рассматриваемыми параметрами существует в широком диапазоне сдвигов по фазе, но максимальные коэффициенты корреляции наблюдаются при сравнительно небольших положительных сдвигах. Отрицательная значимая корреляция характерна и для связей типа OCO=f(F10.7) и OCO=f(Ap). В некоторых случаях корреляционные функции имеют квазипериодический знакопеременный характер.

Таблица 2

Значимые коэффициенты корреляции (r) ОСО на пяти германских станциях с параметрами ветра в Коллме и индексами гелио-геомагнитной активности (F10.7, Ap и W).

Период измерений 3.1.99 - 1.8.2002 ; число суток N=1306.

В табл.3 представлены значимые (со значимостью по критерию Фишера 0.95) коэффициенты корреляции между вариациями ОСО на ст. Ланденбрук и зональным преобладающим ветром Vox, рассчитанные отдельно для каждого зимнего, весеннего, летнего и осеннего месяцев и для каждого года. Рядом со значениями коэффициентов корреляции в скобках указаны соответствующие им сдвиги по фазе в сут. Как можно видеть из табл.3, для зимних месяцев корреляция преимущественно отрицательная, для осенних в основном положительная (за исключением октября 1999 г.). Наиболее неустойчивая и знакопеременная корреляция характерна для весенних месяцев. Возможно это связано с тем, что именно весной направление зонального преобладающего ветра меняется ото дня ко дню гораздо чаще, чем во все другие сезоны года, что связано с так называемой весенней перестройкой циркуляции. Зимой и весной максимальные коэффициенты корреляции (>0.43) отмечены в 2001-2002 гг., а летом и осенью - в 1999-2000 гг. Сдвиги по фазе для них положительные и не превышают 9 сут.