Пространственно-временная изменчивость озона в тропосфере

На правах рукописиЗвягинцев Анатолий МихайловичПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯИЗМЕНЧИВОСТЬ ОЗОНА В ТРОПОСФЕРЕСпециальность 25.00.29 Физика атмосферы и гидросферыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2013РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномучреждении«Центральная аэрологическая обсерватория»Официальные оппоненты:Белан Борис Денисович,доктор физико-математических наук, профессор,Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки «Институт оптики атмосферыим. В.Е.

Зуева» Сибирского отделенияРоссийской академии наукКожевников Валентин Николаевич,доктор физико-математических наук, профессор,Государственное учебно-научное учреждение«Физический факультет Московскогогосударственного университета имениМ.В.Ломоносова»Иванова Анна Рудольфовна,доктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетноеучреждение "Гидрометеорологический научноисследовательский центр РоссийскойФедерации"Ведущая организация:Институт экспериментальной метеорологии Федерального государственного бюджетногоучреждения «Научно-производственное объединение «Тайфун», г.

ОбнинскЗащита состоится « 19 » сентября 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного советапо геофизике Д 501.001.63 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу:119991, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, 1, стр. 2, Физическийфакультет, ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физического факультетаМГУ.Автореферат разослан «___» ____________ 2013 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.001.63В.Б. Смирнов2Общая характеристика диссертационной работыАктуальность работыУсиление в последнее время внимания в мире к изучению тропосферного озонасвязанососледующимиосновнымифакторами:1)озонявляетсятоксичнымзагрязнителем атмосферы, концентрация которого нередко превышает предельнодопустимую, вследствие чего Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) включилаегов списокпяти основныхзагрязнителей,содержание которыхнеобходимоконтролировать при определении качества воздуха; 2) озон играет ключевую роль вхимических и фотохимических процессах в тропосфере, обусловливая ее окислительнуюспособность; 3) озон является одним из основных, после водяного пара и углекислогогаза, парниковыхгазов.

Обеспокоенность вызывает наблюдаемый в обширныхконтинентальных районах Северного полушария общий рост озона в тропосфере (чтоприводит к усилению парникового эффекта) и приземном слое (что чревато учащениемэпизодов с опасными для здоровья концентрациями озона).Несмотрянаогромноеколичествоэкспериментальныхитеоретическихисследований, до сих пор неизвестен характер наблюдаемых долговременных измененийконцентраций озона в тропосфере, включая озон в приземном слое. Причины будущихизменений приземного озона связываются в моделях, прежде всего, с объемамиантропогенных выбросов и экспериментальное подтверждение этих моделей можно будетполучить только через несколько десятилетий. До сих пор для большинства регионовмира, в т.ч.

для значительной части территории России, отсутствуют данные наблюдений,которыепозволилибысоставитьадекватноеописаниесезонно-суточнойипространственной изменчивости приземного озона. Известно, что на многих станцияхнаблюдений, расположенных в Западной Европе, в сезонном ходе среднесуточных илимаксимальных суточных концентраций приземного озона наблюдаются два максимума,но природа их возникновения до сих пор считается дискуссионной (Monks, 2000). Зарубежом разработано множество химическо-транспортных моделей, описывающихглобальное распределение приземного озона в прошлом, настоящем и будущем, ноотсутствуют данные о том, как эти модели соотносятся с фактическим географическимраспределением приземного озона, его сезонной изменчивостью и уже наблюдаемымидолговременными изменениями.

И, наконец, Россия является одной из немногихцивилизованных стран, где фактически отсутствует сеть наблюдений концентрацийприземного озона и не осуществляется их прогнозирование.Поэтому актуальными являются:3•1) Прогнозирование озона как одного из главных показателей качества воздуха;•2) Установление основных показателей изменчивости приземного озона, вчастности, в Московском регионе (в т.ч., вероятности превышений предельнодопустимык концентраций - ПДК) по данным регулярных наблюдений;•3) Установление количественных связей приземного озона с его предикторами;•4) Установление географического распределения приземного озона по даннымнаблюдений;•5) Установление долговременных изменений озона в тропосфере.Цель и задачиЦелью работы является исследование пространственно-временной изменчивоститропосферного озона и разработка метода прогнозирования приземного озона, пригодногодля использования в России.Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:•Созданы базы данных измерений отношения смеси приземного озона ивертикального распределения озона, а также сопутствующих метеопараметров сиспользованием собственных данных и всех доступных источников данных(архивы WOUDC, WDCGG, NOAA, EMEP и др.);•Рассчитаны параметры корреляционных и регрессионных связей отношения смесиприземногоозонасосновнымиметеорологическимипараметрамииконцентрациями других малых газовых составляющих атмосферы;•Определеныпараметрыпространственнойкорреляцииотношениясмесиприземного озона в Европе;•Рассчитаны параметры долговременных изменений отношения смеси озона втропосфере,включаяприземныйслой,иисследованиеихсвязисдолговременными изменениями других метеорологических параметров;•Параметризована структура и изучены особенности вертикального распределенияотношения смеси озона и, в частности, определены динамический диапазон ивысотные интервалы монотонности;•Разработана совместно со специалистами Главной геофизической оберватории(ГГО) им А.И.

Воейкова и Гидрометцентром России методика прогнозированиямаксимальных суточных отношений смеси приземного озона.Научная новизнаНачаты (с 1991 г.) и продолжаются по настоящее время первые регулярныеэквидистантные измерения концентрации приземного озона в Центральной России. Эти4измерения позволили получить первые надежные количественные оценки среднегомноголетнего хода приземного озона на станции Долгопрудный, расположенной в зеленойзоне г. Москвы, а также выявить наличие существенных превышений предельнодопустимых концентраций озона в регионе, наблюдаемых с конца 1990-х гг.Впервые определены спектральные характеристики (амплитуды и фазы гармониксезонной и суточной изменчивости, а также погрешности их расчета) временного ходаконцентрации приземного озона в Московском регионе, Новосибирске, Киеве и на 98станциях, ведущих наблюдения по программе EMEP в Европе. Это дало возможностьрассчитать климатические нормы концентрации приземного озона в Европе дляпроизвольного сезона и времени суток.

Разработано программное обеспечение длявизуализации периодической изменчивости полей концентрации приземного озона вЕвропе.Разработанная статистическая модель временного хода приземного озонаобобщена за счет описания его зависимости от метеопараметров и концентраций другихмалых газовых составляющих атмосферы. Модель отличается от известных ранее тем, чторегрессионная зависимость вводится не между самими величинами, а между иханомалиями. Дополнительно регрессионные коэффициенты полагаются зависимыми отюлианского дня года.

Ранее известные модели могут быть получены как частные случаиразработанной. Коэффициент детерминации разработанной модели обычно составляет0.4-0.6 (до 0.7), в то время как коэффициент детерминации ранее известных моделей непревышает 0.4. Вычислены параметры модели для ряда станций наблюдений в России,Украине и Германии. Впервые в России на основе созданной модели разработанаметодика прогнозирования суточных максимумов концентрации приземного озона дляряда населенных пунктов России, в т.ч., для Москвы.Впервые для анализа закономерностей временного хода приземного озонаиспользованы сезонно-суточные диаграммы (3-мерные). Такие диаграммы впервыеиспользованы для классификации пунктов наблюдений приземного озона.

Впервыепроведен совместный анализ сезонно-суточных ходов озона и других малых газовыхсоставляющих атмосферы, позволивший установить, что сезонный и суточный ходыприземного озона в умеренных широтах Северного полушария связаны, в первую очередь,с вертикальным перемешиванием в пограничном слое атмосферы.Впервые с использованием метода кластерного анализа проведена классификацияосновных мировых пунктов наблюдения приземного озона в сельской местности по видусезонно-суточной изменчивости. В соответствии с установленными существеннымиразличиямивыделены6классовстанций:отдаленные(незагрязненные),слабозагрязненные равнинные, загрязненные равнинные, слабо загрязненные возвышенные,горные и полярные/отдаленные прибрежные станции.5Впервые рассчитаны характеристики полиномиальных трендов (в т.ч., ихпогрешности) долговременных изменений концентрации приземного озона в ряде районовмира (более 120 пунктов наблюдений) и их связи с характеристиками долговременныхизмененийметеопараметров.Наоднойизстанций(ЮжныйПолюс)впервыезафиксирован статистически достоверный (здесь и далее принят уровень доверительнойвероятности Р=0.95) квадратический тренд с нисходящей и восходящей ветвями.