Пространственно-временная изменчивость озона в тропосфере, страница 5

Суточный ход приземногоозона летом на всех станциях значительно сильнее, чем зимой. Явно выраженныйсуточный ход зимой наблюдается лишь в южной Европе - там, где в полдень высотаСолнца над горизонтом достаточно велика (более 20 о).Наблюдаемые на станциях мировой сети характеристики сезонно-суточнойизменчивости концентрации приземного озона могут быть физически обоснованноразделены на различные виды с использованием методов кластерного анализа. Выявлено6 основных видов сезонно-суточной изменчивости приземного озона. Виды различаютсяформами сезонного (в частности, наличием одного или двух максимумов, срокаминаступлениямаксимумов)исуточногоходов,атакжеколичественнымихарактеристиками изменчивости.

В соответствии с этими различиями выделены 6 классовстанций: отдаленные (незагрязненные), слабо загрязненные равнинные, загрязненныеравнинные,слабозагрязненныевозвышенные,горныеиполярные/отдаленныеприбрежные. Сезонный ход приземного озона наблюдается во всех классах станций,суточный ход отчетливо выражен практически на всех станциях, за исключениемполярных. Применение кластерного анализа позволило подтвердить заключение, чтовесенний максимум приземного озона, вероятнее всего, обусловлен динамическимипроцессами – горизонтальным и вертикальным переносом, а летний максимум –фотохимической генерацией озона, т.к.

он сильнее выражен на станциях, расположенныхв более загрязненных регионах, ярче проявляется в дневные часы, а также гораздо болееизменчив во времени.Проведен совместный анализ сезонно-суточной изменчивости озона и первичныхзагрязнителей атмосферы - оксидов азота и монооксида углерода, - в приземном слоеатмосферы большого города (на примере Москвы за четырехлетний период). Сезонносуточные ходы концентраций рассмотренных составляющих атмосферы свидетельствуют,что в теплый сезон они в сильной степени определяются вертикальным перемешиванием впограничном слое атмосферы. Сравнены изменчивости приземного озона в городе иблизкорасположенной сельской местности (на расстоянии около 100 км). Выявленыосновные различия в концентрациях приземного озона в большом городе и сельскойместности, а также в их временном ходе.

Показано, что в различные периоды годасоотношение концентраций приземного озона с первичными загрязнителями атмосферыопределяется, главным образом, различными атмосферными процессами: адвекцией вхолодный период и вертикальным перемешиванием в теплый. Наибольшая корреляциянаблюдается между максимальной суточной концентрацией озона и максимальнымиутреннимиконцентрациямипервичныхзагрязнителей.19Вхолодныйсезонпридлительности временного интервала около 1 мес коэффициент корреляции между нимипрактически всегда статистически значим и отрицателен; в теплый сезон он бываетстатистическизначимымкакположительным,такиотрицательным,причемположительным он бывает только в периоды, когда явно наблюдается фотохимическаягенерация озона (характерная особенность таких периодов – высокие значения отношениясмеси озона, они приближаются или даже иногда превышают уровень 80 млрд-1).Третьяглавапосвященаисследованиюстатистическихзависимостей,позволяющих выразить временной ход концентрации озона через юлианский день года,час суток, а также временные ходы метеопараметров.

Исследования статистическихзависимостей концентрации озона от метеопараметров в г. Долгопрудном (Звягинцев,1995) показали, что из метеорологических факторов на концентрацию озона сильнее всеговлияет температура воздуха. Она влияет на интенсивность вертикального перемешивания,эмиссии предшественников озона, скорости химических реакций.

Слабее, но, тем неменее, ощутимо, особенно при определенных условиях, влияют влажность воздуха, атакже скорость ветра и направление переноса. При высокой влажности увеличиваетсясодержание влажных аэрозолей, на которых озон разрушается особенно быстро. Вразличных условиях ветер может как увеличивать содержание озона, так и уменьшать его,влияя, например, на интенсивность вертикального перемешивания и концентрациипредшественников озона. Влияние направления переноса [41] проиллюстрировано на рис.6; в частности, видно, что в летний период при южном и восточном переносемлрд-140SNEAll3020W100090180270360Рис. 6. Средний сезонный ход концентрации приземного озона на станции Долгопрудныйдля всех направлений (All) и различных направлений (N, E, S, W) переноса воздуха.концентрации озона существенно выше, чем при северном и западном.

На основестатистического материала была разработана модель, основанная на наличии эмпирически20устанавливаемых связей между концентраций озона и основными предикторами, в числокоторых могут входить метеорологические параметры, солнечная освещенность,характеристики газового состава атмосферы, а также концентрации самого озона впредшествующие дни. Наличие таких связей впервые было установлено при анализенаблюдений концентрации озона на американских и западноевропейских станциях иподтверждено анализом данных измерений на территории России [10, 23, 33, 40]. Притрудностях с получением достоверной информации о концентрациях в воздухе малыхгазовых составляющих – предшественников озона (и даже их полном отсутствии), модель может оказаться достаточно эффективной, если антропогенные эмиссии этихпредшественников меняются сравнительно слабо ото дня ко дню и от года к году, аестественные эмиссии, а также процессы накопления и рассеяния в приземном слоеатмосферы, обусловлены, главным образом, метеорологической ситуацией.

Зависимостьот предшественников озона (NOx, CO) в городах относительно слабая, но заметная, еслидля расчета максимальной суточной концентрации озона используются максимальныеутренние значения их концентраций. При небольших периодах времени (от несколькихсуток до месяцев) озон и метеопараметры заметно коррелируют между собой. Нопоскольку сроки экстремумов сезонного хода озона и метеопараметров не совпадают, то вэмпирической модели целесообразно использовать их не абсолютные значения, аотклонения от «норм» (средних многолетних величин). К тому же именно отклонения от«норм» распределены по закону, близкому к нормальному, что дает возможностьпостроить модель в форме линейной регрессии.Эмпирическая зависимость максимальной среднесуточной концентрации озонаC(d) от предикторов описывается следующим выражением:C (d ) = C0 (d ) + ∑ ki (d − i ) × ∆C (d − i ) + ∑ k jl × ∆Pj (d − l ) + r (d )iгде,(3)j ,lC0(d) – величина средней многолетней («норма») концентрации озона, зависящаятолько лишь от юлианского дня d;ΔC(d) = C(d) - C0(d) – отклонение наблюдаемой концентрации озона от «нормы» вдень d;ki(d-i) – коэффициент авторегрессии i-го порядка для наблюдаемых отклоненийконцентрации озона, имеющих место за i дней (i=1,2,3,…) до прогноза;ΔPj(d-l) = Pj(d-l) - Pj0(d-l) – отклонение величины (прогнозируемой илинаблюдаемой) предиктора Pj(d-l) от «нормы» Pj0(d-l) в день (d-l);kjl(d-l) - коэффициент регрессии для отклонений в день l (l = 0,1,2) до дня прогнозаj-го предиктора ΔPj(d-l) (например, для температуры, концентрации NO2 и др.);21r(d) – остаток, среднее которого равно 0, а дисперсия существенно меньшедисперсии исходного ряда C(d).Регрессионный коэффициент kjl(d) для предиктора Pj(d-l) представляется в виде:kjl(d-l)) = kjl0 + kjs sin (2π (d-l)/365) + kjc cos (2π (d-l)/365) ,где(4)kj0, kjs и kjc – постоянные.

Такое представление позволяет учесть наличие сезонногохода у этих коэффициентов.Предикторамивформуле(3)могутявлятьсяосновныеметеопараметры(температура, максимальная за сутки и в отдельные сроки, относительная влажность,минимальная или также в отдельный срок, характеристики ветра у земной поверхностии/или на различных уровнях пограничного слоя), концентрации различных малых газовыхсоставляющих (в первую очередь, окислов азота, оксида углерода, различныхуглеводородов и др.), а также другие величины. «Нормы» для концентраций озона ипредикторов, необходимые для использования формулы (3), получают сглаживанием ихходов за несколько последних полных лет наблюдений.Проверка модели проведена по данным ряда отечественных и германских станций.Полученные результаты [33, 36, 37, 40] использованы в разработке Единой методикипрогнозирования максимальных суточных концентраций приземного озона по пунктам сзаблаговременностью до 48 ч, утвержденный Центральной методической комиссией погидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам (ЦМКП) Росгидромета 16 мая2008 г.В четвертой главе описаны закономерности пространственного распределенияконцентраций приземного озона по данным европейских станций, в том числе, вразличные сезоны и в различное время суток [16, 34].

Совместный анализ данныхмаксимальных суточных 20-и европейских станций в период 1985-1986 гг. показал [16],что для исследований пространственных характеристик поля приземной концентрацииозона ее временные ряды целесообразно представлять в виде суммы рядов модельногонормального годового хода и остатка. Информация, характеризующая особенностивременных зависимостей приземной концентрации озона, в наиболее чистом видесодержится в ряде остатка.