Пространственно-временная динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей (1097843), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Кроме того, использовались данные о скоростиэкваториального стратосферного ветра, индексах крупномасштабных модциркуляции, индексах солнечной активности из баз данных в Интернете,данные о спектральных потоках солнечной радиации по измерениям со14спутника UARS (предоставлены Ю. Лин из Центра космических исследованийим. Е.О.
Халберта в Вашингтоне).В разделе 2.2 дано краткое описание применявшихся моделей. Этодвумерная (высота-широта) численная модель фотохимии, радиации идинамики атмосферы SOCRATES, разработанная в Национальном центреатмосферных исследований США (NCAR) и частично усовершенствованнаяавтором; трехмерная глобальная химико-климатическая модель HAMMONIA,разработанная недавно в Институте метеорологии им. Макса Планка вГамбурге; одномерная фотохимическая модель атмосферы, разработаннаяавтором для интерпретации результатов измерений содержания NO2 встратосфере; аналитическая двумерная (в координатах широта-долгота) модельбароклинной атмосферы с учетом озонных притоков тепла, разработаннаяавтором на основе динамической модели, первоначально сформулированнойА.М.
Обуховым.В разделе 2.3 описаны некоторые методы анализа, применявшиеся вданной работе, которые требуют определенных комментариев. Это методамплитудно-фазовых характеристик, предложенный И.И. Моховым,вейвлетный анализ, спектральные методы высокого разрешения, кроссспектральный анализ высокого разрешения, методы анализа нелинейнойизменчивости: метод Грассбергера-Прокачча анализа размерности временнóгоряда и анализ отображения окружности.Глава 3 «Анализ сезонных изменений содержания примесей встратосфере». Эта глава посвящена анализу сезонных изменений содержанияозона, NO2, N2O, CH4, HNO3 в атмосфере.
Основным материалом дляисследований послужили данные спутниковых, сетевых наземных иозонозондовых измерений, а также результаты измерений (с участием автора)содержания озона и NO2 в Атлантике с корабля и многолетних измерений NO2на Звенигородской научной станции. Впервые выполнен анализпространственной динамики основных фаз годового цикла содержанияпримесей, характеризующих различные режимы эволюции примесей в годовом15ходе. Для интерпретации части результатов анализа использованы модельныерасчеты.В разделе 3.1 проведена диагностика пространственно-временнóйдинамики широтно-высотных полей озона, CH4, N2O, HNO3 в годовом ходе(ГХ) на основе данных спутниковых (эмпирические модели) и озонозондовыхизмерений с применением различных методов анализа, включая методамплитудно-фазовых характеристик. Изучены амплитудные характеристики ГХпримесей, которые характеризуются эволюцией во времени границ областейувеличения или уменьшения содержания примеси на заданную величинуотносительно распределения примеси в конкретный месяц.
Выполнен анализдинамики важных фазовых характеристик ГХ примесей: 0-фазы, или фазыроста, и π-фазы, или фазы уменьшения, соответствующих моментампересечения кривой годового хода со среднегодовым режимом на стадиях роста(0-фаза) и уменьшения (π-фаза) содержания примеси, фаз экстремальныхзначений содержания примесей в ГХ, соответствующих годовым максимуму иминимуму. На рис. 1 для примера показана широтно-высотная динамика 0фазы ГХ отношения смеси озона в стратосфере. Режим 0-фазы в верхнейстратосфере южного полушария (ЮП) берет начало осенью в высоких широтахи распространяется к экватору, а затем вниз в направлении субтропическойобласти в средней стратосфере, которой он достигает весной.
В среднихширотах ЮП происходит опускание режима 0-фазы в средней стратосфере,также с локализацией субтропической области. Запаздывание режима 0-фазы всубтропических широтах характерно и для северного полушария (СП).Существенное отличие от ЮП состоит в том, что в средней стратосфере СПрежим 0-фазы распространяется из арктической области, где он наблюдаетсяуже в первой половине зимы.
В верхней стратосфере СП режим 0-фазыраспространяется в течение осени от уровня 40 км над Арктикой в направленииэкваториальной стратопаузы.16Рис. 1. Фаза роста отношения смеси стратосферного озона в годовом ходе поспутниковым данным. Целочисленные значения соответствуют середине месяца.Сплошные и штрих-пунктирные изолинии соответствуют разным семействам.Стрелки указывают направления распространения режима фазы роста.Важно, что динамика разных фаз ГХ примесей может существенно, дажепринципиально, различаться.
Это зависит от степени ангармоничности ГХ. Ееанализ выполнен по структурным характеристикам ГХ – интервалампревышения (продолжительность времени в году, когда содержание примесивыше среднегодового) и роста (продолжительность времени в году, когдасодержание примеси возрастает).Анализ данных озонозондовых измерений выявил, что сезонныеизменения содержания озона в тропосфере в зимне-весенний периодопределяются притоком озона из стратосферы. На основе проинтегрированногопо тропосфере уравнения переноса озона получена оценка потока озона черезтропопаузу во внетропических широтах СП, среднее значение которой для этихширот составило около 1011 мол/cм2 в секунду.17Рис. 2. Границы областей увеличения (со стороны заштрихованной частиграниц) отношения смеси N2O на 1 млрд-1 в последующие месяцы относительномайского и ноябрьского распределений. Целочисленные значения соответствуютсередине месяца.Особенности эволюции в годовом ходе широтно-высотного полястратосферного содержания закиси азота демонстрируются на рис.
2. На немпоказаны границы областей увеличения отношения смеси N2O на 1 млрд-1относительно майского и ноябрьского распределений. Налицо важныемежполушарные различия процессов роста концентрации N2O. В течениесевернополушарного лета фронт увеличения N2O относительно майскогораспределения продвигается из тропиков в высокие широты СП.Распространение в направлении ЮП стабилизируется на экваторе.
В течениеюжнополушарного лета происходит расширение области роста N2Oотносительно ноябрьского распределения не только в средние широты летнего,ЮП, но и в средние широты зимнего, СП. При этом зимой в арктическойстратосфере возникает изолированная область увеличения N2O, границакоторой продвигается в средние широты СП.Диагностика ГХ примесей показала, что особенности динамики ГХ разныхпримесей в целом существенно различаются. Конкретные механизмы,ответственные за эти особенности, должны изучаться с привлечением численныхмоделей.
В то же время результаты диагностики полезны для тестированиямоделей. По результатам расчетов на 2-мерной фотохимической модели,18выполненных И.Л. Каролем и А.П. Кудрявцевым, получено достаточно хорошеекачественное соответствие амплитудно-фазовых характеристик ГХ озона снашими результатами.Анализ амплитудно-фазовых характеристик ГХ температуры показал, чтоособенности ГХ озона в верхней стратосфере связаны с эволюцией полятемпературы.В разделе 3.2 выявлены региональные особенности ГХ ОСО по даннымизмерений на мировой озонометрической сети.
По фазовым характеристикамГХ выделены географические области наиболее раннего достижения разныхфаз ГХ над северо-востоком Азии, Средней Азией и средними широтамиСеверной Америки. Среднеширотные области долготно соответствуютположениям зимних квазистационарных ложбин в поле геопотенциала внижней стратосфере СП. С помощью аналитической двумерной озоннодинамической модели показано, что основные общие особенности широтнодолготной динамики фаз ГХ ОСО можно объяснить сезонной эволюциейквазистационарных планетарных волн.В разделе 3.3 рассмотрены сезонные и суточные вариациистратосферного содержания NO2 по данным многолетних утренних и вечернихизмерений общего содержания (ОС) и вертикального распределения NO2 наЗвенигородской станции и по данным измерений ОС NO2 на сети NDSC.Выявлены особенности широтного распределения ОС NO2 в зависимости отсезона по измерениям с борта корабля (с участием автора).
Получена широтнаяструктура суточных и сезонных вариаций ОС NO2.В данных измерений суточные вариации проявляются в разностиутренних и вечерних значений содержания NO2 при бóльших значенияхвечернего содержания. Эта разность имеет ярко выраженный сезонный иширотный ход. Широтные максимумы разности во все сезоны находятся вокрестности 40°N и 40-45°S, где достаточно велики как содержание NO2, так идлительность дня и ночи. В процентном отношении они достигают 50-60%.Сезонные максимумы разности в этих поясах достигаются в СП летом, а в ЮП19– в конце весны - начале лета в окрестности годовых максимумов ОС NO2. Вполярных широтах величина разности между вечерними и утреннимизначениями ОС NO2 мала, а в периоды летнего и зимнего солнцестоянийпрактически отсутствует, в соответствии с фотохимическими представлениями.Сезонный ход стратосферного содержания NO2 примерно следует загодовым ходом солнечной инсоляции и характеризуется летним максимумом изимним минимумом. Максимальные по СП и ЮП абсолютные значения ОСNO2, превышающие по данным вечерних измерений 6·1015 мол/см2,наблюдаются в середине лета в окрестностях 40°N и 60°S, минимальные (менее1015 мол/см2) – в середине зимы в северной и южной полярных областях.Значительные сезонные вариации содержания NO2 в стратосфереприводят к тому, что содержание NO2 в летнем полушарии выше содержанияNO2 в зимнем полушарии.
Этим объясняются глобальные закономерностиполученных нами трех широтных разрезов ОС NO2 в Атлантике и их сезоннаязависимость. По этим измерениям выявлена также тонкая широтная структураОС NO2, которая определяется региональными, в том числе, динамическимипроцессами. В частности, особенности широтного распределения ОС NO2 вразные сезоны связаны с положением и эволюцией стратосферногоциркумполярного вихря и положением верхнетропосферного субтропическогоструйного течения.Амплитуда годового хода ОС NO2 минимальна на экваторе и практическимонотонно нарастает с широтой.
В полярных областях амплитуда ГХ достигает80% от среднегодового значения ОС NO2. На экваторе значение амплитудыменее 10%. В годовом ходе ОС NO2 доминирует годовая гармоника, заисключением экватора, где амплитуды годовой и полугодовой гармониксравнимы по величине.После извержения в 1991 г. вулкана Пинатубо наблюдалась значительнаяотрицательная аномалия содержания NO2 в стратосфере, длившаяся около 3-хлет. В абсолютных единицах максимальный эффект уменьшения ОС NO2отмечен летом и в процентном отношении по данным вечерних измерений20составил 20-25% на всех широтах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
