Пространственно-временная изменчивость озона в тропосфере (1097845), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для временных рядов остатков приземной концентрации озонав Европе наблюдаются кросс-корреляция и когерентность, значимые для областейсиноптического масштаба 1000 км и более. Наибольшая кросс-корреляция наблюдается втеплый период, когда концентрации озона наибольшие. Зависимость пространственнойкорреляционной функции от расстояния в первом приближении можно описатьсоотношением r(L) = exp ((-L/L0 ) ), где L0 ~ 500…1000 км.
Величина коэффициента кросскорреляции уменьшается сильнее в широтном направлении, чем в долготном. Существует22заметное различие в кросс-корреляционной функции для станций, пространственноразделенных расстоянием 500..1000 км по широте и долготе. Станции, разделенные такимрасстоянием преимущественно по широте, имеют максимум кросс-корреляционнойфункции без временного сдвига, в то время как станции, разделенные по долготе, имеютмаксимум при сдвиге 1-2 суток, что соответствует средней скорости западного переноса~10 м с-1.Анализ периодической изменчивости приземной концентрации озона на 98равнинных станциях Западной и Центральной Европы, участвующих в программе ЕМЕРне менее 7 (до 14) лет [34, 35], позволил определить основные характеристикираспределения средних многолетних полей приземного озона.
Некоторые характеристикитакого распределения, иллюстрирующие различия полей в теплый и холодный сезоны, атакже днем и ночью, приведены на рис. 7 и 8. Модельные концентрации приземного озонана каждой из станций для каждого дня и часа суток представлены в аналитическом виде,который представляет сумму постоянной составляющей и основных гармоник,определяющих изменчивость концентраций озона в течение года и суток (12-, 6- и 4месячной, а также 24-, 12- и 8-часовой). В энергетическом спектре сезоннойсреднесуточной изменчивости озона на большинстве станций доминирует 12-месячнаягармоника, ее доля на 78 % станциях превышает 80 %.
Максимум 12-месячной гармоникинаблюдается в весенний период; в северной Европе он наблюдается на 1-2 мес раньше,чем в южной. Энергетическая доля высших (6- и 4-месячной) гармоник наибольшая настанциях, лежащих вблизи побережий морей и океана. Высшие гармоники в значительнойстепени влияют на срок наступления экстремумов озона, сдвигая его ближе к лету илидаже образуя второй (летний) максимум, который на ряде станций (в Италии, Венгрии, наюге ФРГ и др.) по величине превышает весенний. В энергетическом спектре суточнойизменчивости озона доминирует 24-часовая гармоника, ее доля на 86 % станцийпревышает 90 %.
На основе полученных модельных характеристик построены карты«нормального» распределения полей приземного озона и их стандартных отклонений дляразличных сезонов и времен суток. Полученные «нормы» могут быть использованы длявыявления аномалий во временном ходе приземного озона и определения достоверностиегоклиматическихизменений.Пространственноераспределениеконцентрацийприземного озона свидетельствуют об их значительной зависимости от климатасоответствующих территорий.2380807070606050504040-10010203040-10010203040Рис. 7. Среднее распределение озона 16 января в 3 и 15 ч местного времени.80807070606050504040-10010203040 -100102030Рис.
8. Среднее распределение озона 16 июля в 3 и 15 ч местного времени.40В пятой главе рассмотрены особенности вертикального распределения озона втропосфере, которые в значительной степени определяют характеристики и приземногоозона. Типичные вертикальные распределения озона и температуры в атмосфере,полученные по данным озонных аэрологических и ракетных зондов, приведены на рис. 9.Как правило, отношение смеси озона от поверхности Земли до высоты около 35 км тольковозрастает.
В свободной тропосфере над пограничным слоем, где отсутствуюттемпературные инверсии, отношение смеси озона обычно либо почти постоянно, либослабо увеличивается. И лишь в районе тропопаузы происходит резкое увеличениеотношение смеси озона, что дало основания к наряду с понятиями термической идинамической тропопаузы ввести понятие химической тропопаузы (в ряде работпредлагается количественно определить ее высоту, как уровень, на котором отношениесмеси озона составляет 100 млрд-1, см., например, Pan, 2004). Внутри пограничного слоя24Рис.
9. Схематическое вертикальное распределение парциального давления озона (p3),отношения смеси озона (r3) и температуры (T) в атмосфере (справа - по Schurath, 1984).вертикальное распределение озона сильно зависит от вертикального распределениятемпературы. В частности, наличие инверсии может привести к практически полномууничтожению озона в приземном слое; сказанное относится как к приземной, так и кприподнятойинверсии.Прихорошоразвитомвертикальномперемешивании,достигаемом, например, в теплое время года после полудня, отношения смеси озона нанижней и верхней границе пограничного слоя почти не различаются.
Некоторые примерывертикального распределения озона и температуры, иллюстрирующие вышесказанное, вт.ч., из практики наблюдений с участием автора, приведены на рис. 10.Рис. 10. Вертикальное распределение озона в единицах парциального давления (p3) иотношения смеси (r3) и температуры (T) по результатам измерений: слева - г. Рыльск,01.08.89, 15:30 мск; система озонозонд ЦАО - метеолокатор Метеорит-2; справа - г.Долгопрудный, 12.11.92, 12:00 мск; система озонозонд ЕСС-5а –радиозонд Vaisala.25Рис. 11.
Сезонный ход распределения отношения смеси озона (млрд-1; значениярасположены на изолиниях) и высоты тропопаузы (жирная линия) на станциях Резолют(75о с.ш., 95о з.д., 64 м над у.м.), Гус (53о с.ш., 60о з.д., 64 м над у.м.) и Саппоро (43о с.ш.,141о в.д., 19 м над у.м.).На рис. 11 представлены изолинии отношения смеси озона на тропосферныхвысотах, усредненные по данным озонного зондирования вместе с сезонным ходомвысоты тропопаузы, рассчитанной по данным тех же выпусков в течение несколькихдесятков лет (по 20-50 выпусков в год). Хорошо видно сгущение изолиний в районетропопаузы, свидетельствующее о резком увеличении отношения смеси озона, начиная сэтих высот.
Также видно, что изолинии отношения смеси озона располагаются близко кпараллельным по отношению к сезонному ходу высоты тропопаузы.В шестой главе рассмотрены эпизоды, когда в приземном слое возникаютаномально высокие отношения смеси озона (фотохимический смог) [26, 27, 44, 45],которые характерны для уровней озона в районе тропопаузы или даже их превышают.Обычное вертикальное распределение озона, подобное изображенному на рис. 9-11, несохраняется при хорошо выраженной фотохимической генерации озона, наблюдаемой вовремя неблагоприятных для рассеяния загрязнителей метеорологических условий ивызывающей повышение концентрации озона до уровней, превышающих предельнодопустимую концентрацию (ПДК; в России ПДК составляет 80 млрд-1).
Такие эпизодыособенно часто наблюдаются в США и южных странах Европы, случаются они и встранах СНГ, особенно в мегаполисах. На рис. 12 приведен график максимальныхсуточных концентраций озона, зарегистрированных на станции Долгопрудный (ЦАО) и вметеобсерватории МГУ (ИФА РАН и географический факультет МГУ) во время эпизода2002 г., когда отмечались беспрецедентно высокие значения концентрации озона –26млрд-112018024001/76/711/716/721/726/731/7Рис. 12. Временной ход приземного отношения смеси озона в июле – начале августа натерритории обсерватории МГУ, Москва (тонкая линия), и на станции Долгопрудный(толстая линия с маркерами) в 2002 г. Стрелками отмечены периоды грозы в ночь на 9июля (1; начало в 04:40) и ливня в ночь на 3 августа (2; начало в 00:50). Деления на осиабсцисс относятся к 00:00 ч соответствующего дня.до 145 млрд-1, который является одним из самых сильных, зарегистрированных в Европеза последние 25 лет [26, 27].
Еще более высокие концентрации озона – до 250 млрд-1 (поданным ГПУ "Мосэкомониторинг") были зарегистрированы во время аномальной жарылетом 2012 г. [44, 45]. По результатам анализа эпизодов в Московском регионе впоследние 15 лет показано, что в течение эпизодов в период наблюдений наивысшихконцентраций озона аномален и ход градиента вертикального распределения температурыв дневное время - его переход после ночных инверсий к положительным значениямнаблюдается сравнительно поздно, а максимальное значение меньше, чем в соседние дни(рис. 13).
В период озонных эпизодов в Московском регионе концентрации первичныхзагрязнителей атмосферы, в первую очередь, CO, оказываются повышенными, а ихсуточный ход - также аномальным.Поскольку во время эпизодов приземная концентрация озона часто превышаетконцентрацию в районе тропопаузы (~100 млрд-1), были проанализированы данныемировой сети озонного зондирования атмосферы с целью выявления вертикальногораспределения озона в период эпизодов. Выявлено, что общее число выпусковозонозондов, в которых приземная концентрация озона превышает 80 млрд-1 и в нижнейтропосфере наблюдается отрицательный вертикальный градиент отношения смеси озона,27Рис.
13. Временной ход разовых концентраций приземного озона O3, температуры T и еевертикального градиента grT в нижнем 200-м слое тропосферы в период 5-10 августа 2010г. по данным станции Долгопрудный. Отрицательные градиенты температуры в периодыночных инверсий на рисунке не показаны. Прямыми линиями показан уровень предельнодопустимой максимальной разовой концентрации озона – 160 мкг м-3.составляет менее 0.1 %. Такие аномальные профили вертикального распределенияотношения смеси озона удалось обнаружить лишь в данных европейских станций впериоды, когда озонные эпизоды охватывали значительную территорию (более 1 млн км2)Европы (рис.
14). Показано [27], что в течение таких эпизодов в пограничном слоеатмосферы (ПСА) наблюдается примерное постоянство или даже небольшое возрастаниеотношения смеси озона, над ПСА происходит его основное падение, а выше в свободнойтропосфере отношение смеси озона увеличивается с ростом высоты.Анализ рассмотренных случаев позволяет сделать следующие заключения обозонных эпизодах, наблюдаемых в Европе [27]:1) На обширных территориях площадью до 1 млн кв. км и более в малоподвижныхвоздушных массах при повышенных максимальных суточных температурах (обычно, 28оС и более) и невысокой скорости переноса в пограничном слое (не более 4 м с-1)наблюдаются эпизоды длительностью до 10 суток с аномально высокими максимальнымисуточными уровнями отношения смеси приземного озона, превышающими критическиеуровни воздействия на здоровье – 80-90 млрд-1.
Промежуток времени междупоследовательными эпизодами может быть незначителен (до 2 суток).28Рис. 14. Вертикальное распределение отношения смеси озона на станциях Легионово 21июня (1) в 11 ч и Линденберг 22 (2) и 28 июня 2000 г. (3) в 9 ч местного времени.2) Эпизоды с аномально высокими отношениями смеси озона имеют место, повидимому, только в нижней тропосфере. При этом в ограниченной области высот надпограничным слоем атмосферы возникает аномальное вертикальное распределениеотношения смеси озона – уменьшение отношения смеси с высотой (рис. 14).3) В течение этих эпизодов повышенные по сравнению с обычными уровнямиотношения смеси озона на высокогорных станциях наблюдаются, как правило,круглосуточно, а на равнинных станциях – только днем. Ночью на равнинных станцияхотношение смеси озона, как правило, уменьшается до обычных уровней. В периодэпизодов, как и обычно, суточные ходы приземного озона на равнинных и высокогорныхстанциях находятся в противофазе: максимум на равнинных и минимум на высокогорныхстанциях наблюдаются примерно через 1-4 часа после полудня.4) В Московском регионе наиболее значительные эпизоды возникают в периодвозникновения лесных и торфяных пожаров.В седьмой главе рассмотрены вопросы долговременной изменчивости озона втропосфере и его связи с климатическими изменениями [31, 43].
Анализ измененийприземной концентрации озона проведен, в основном, по данным 6 станций NOAA(США; от Барроу на Аляске до станции Южный Полюс; с 1973 г.), 8 станций DWD(Германия; с 1990 г.) и станции Долгопрудный (с 1991 г.). Анализ измененийконцентрации озона в тропосфере проведен по данным 13 станций мировой сети озонногозондирования (от станции Резолют на севере Канады до станции Южный Полюс).Долговременный ход приземного отношения смеси озона на станциях NOAA,29расположенных в различных широтных поясах, проиллюстрирован на рис. 15. По даннымозонного зондирования установлены связи между изменениями отношения смеси озона наразличных уровнях в тропосфере и высотой тропопаузы, временной ход хоторойобнаруживает долговременные изменения (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
