Крупномасштабные пространственно-временные вариации озона и УФ радиации (1103337), страница 3
Текст из файла (страница 3)
-80 ю.ш.) итропической зоны (30 ю.ш. -30 с.ш.). Впервые для исследованияпространственного распределения озона создана адаптированнаятрехмерная база данных среднемесячных значений парциального давленияозона на 15 высотных уровнях в тропической области за 25 летний период(1979-2003 гг.) на равномерной долготно-широтной сетке (20 ш. х 400 д.) наоснове данных наблюдений SBUV.Во втором разделе главы 2 приведено математическое описаниеметода разложения по Естественным Ортогональным Функциям (ЕОФ)[Дианский, ФАО, 1998].
Метод основан на разложении исходныхпространственно-временных полей по ортогональным базисным векторам,которые не задаются заранее, а определяются из самих исходных полей.Этот подход является важным преимуществом, отличающим метод ЕОФразложения от других методик, в которых используется некая априорнаяинформация об исследуемых полях.
В результате ЕОФ разложения мыполучаем вектора, описывающие пространственное распределениеособенностей, присущих изучаемым полям, и соответствующиекоэффициенты разложения, характеризующие временную эволюцию вцелом по всему исследуемому полю. Моды ЕОФ анализа располагаются впорядке уменьшения их вклада в дисперсию исходного поля. Такимобразом, первые ЕОФ моды описывают максимальную изменчивостьисходного пространственно-временного поля. В работе использовалсяпрограммный комплекс ДИОГИН (Доступ И Обработка ГеофизическойИНформации), разработанный в Институте Вычислительной МатематикиРАН Дианским Н.А., включающий в себя ЕОФ метод.Третий раздел главы 2 посвящен описанию модифицированногорадиационного комплекса для расчета потоковых и яркостныххарактеристик атмосферы. В состав комплекса вошли следующие модели:яркостная радиационная модель, основанная на численном методепоследовательных порядков рассеяния; потоковая модель, основанная наприближении Эддингтона; модифицированная потоковая модель,основанная на сочетании дельта аппроксимации и приближенияЭддингтона; модель расчета радиационных характеристик атмосферногоаэрозоля и облачности, основанная на теории Ми.
Комплекс рассчитываетпотоковые и яркостные характеристики УФ радиации в атмосференесколькими независимыми методами, что дает возможность взаимной10верификации и оценки одних характеристик поля радиации поизмеренным значениям других. Приводятся результаты верификациирадиационного комплекса для случая однородной среды по стандартнойметодике [Ленобль, 1990]. Также представлены результаты сравнениярассчитанных с помощью численного комплекса спектральных потоковУФ радиации (290-325 нм) с измеренными величинами на КВНС.В четвертом разделе главы 2 приведены оценки радиационногонагрева верхней стратосферы за счет поглощения озоном солнечнойрадиации. Распределение поступающей солнечной энергии, как высотное,так и широтное, играет основополагающую роль в формированииклиматических условий на земле и зависит от ряда факторов, в которомодну из важнейших ролей играет высотно-широтное распределениепоглощающих газов, в том числе и озона.
В настоящем разделе проводитсяоценка радиационной энергетики озона в солнечном диапазоне спектра180-780 нм, изучается широтно-сезонная изменчивость радиационныхпотоков и притоков тепла, обусловленных влиянием озона на различныхвысотах. Для этих целей была сформирована база данных среднеклиматических профилей парциального давления озона (в нбар) для 81высотного уровня (от 1013 мбар до 0.10 мбар) для 35 широтных зон (850ю.ш.-850 с.ш. с шагом 50) для 12 месяцев на основе климатическихпрофилей озона, используемых в системе спутникового мониторингаSBUV.Расчеты показали, что области максимального нагрева атмосферы засчет поглощения озоном солнечного излучения располагаются вблизиверхнейграницымоделисреднесрочногопрогнозапогодыГидрометцентра России. Радиационное нагревание стратосферынеоднородно по широте и зависит от сезона.
Широтно-сезонноераспределение скорости нагревания озоносферы определяется тремяфакторами: высотой солнца, продолжительностью светового дня ивертикальным профилем озона. Максимальные значения скоростинагревания за сутки (до 16 К/сут), согласно расчетам без учета эффектовохлаждения другими газами, наблюдаются в полярных широтах летнегополушария на уровне 47 км: в январе – в Антарктической области, в июле– в Арктической. По результатам этих работ даны рекомендации дляуточнения входных данных по озону для спектральной моделисреднесрочного прогноза погоды Гидрометцентра России.Третья глава посвящена исследованию сезонной, межгодовой икрупномасштабной изменчивости долготно-широтных полей ОСО и УФэритемной облученности.В первом разделе главы 3 исследуются долготно-широтныеособенности сезонной изменчивости ОСО и УФ эритемной облученности всредних широтах Северного полушария на примере ЕОФ анализаежедневных полей за 2000 год.
Предварительно исходные ряды данных11были нормированы на среднегодовые значения. Показано, что режимомсезонных вариаций ОСО управляют преимущественно динамическиефакторы (порядка 50% сезонной изменчивости озона), вклад солнечнойинсоляции составляет порядка 11-15%. Обнаружены долготные структурыв пространственном распределении сезонных вариаций озона, тесносвязанные с барическими гребнями и ложбинами на уровне 100 мбар.Главным фактором, определяющим режим сезонных вариаций УФрадиации (ЕОФ-1, описывает порядка 80% изменчивости) являетсясезонная изменчивость величины солнечной инсоляции в Северномполушарии. В пространственном распределении четко выделяются областиорографических аномалий над Северной Америкой и Евразией.Во втором разделе главы 3 изучается межгодовая изменчивостьполей среднемесячных значений ОСО и УФ облученности в ноябре вАнтарктической области.
Ноябрь – последний весенний месяц, в течениекоторого все еще наблюдаются аномально низкие значения ОСО надАнтарктикой. Предварительно из исходных данных были удалены средниеза 25 лет значения для ноября. Анализ полей среднемесячных значенийОСО и УФ эритемной облученности в Антарктике для ноября за 25-тилетний период (1978 – 2002 г.г.) обнаружил тесную связь вариацийисследуемых величин с характерными для этого периода динамическимипроцессами: циркумполярный вихрь и его разрушение, а также сэкваториальным КДЦ ветра. Кроме того, наблюдается тесная связь междувариациями ОСО и изменениями УФ облученности, что видно при анализекак пространственных ЕОФ векторов, так и соответствующих временныхкоэффициентов. Этот факт показывает, что основным фактором,влияющим на формирование потоков УФ радиации над Антарктикой вэтот период, является ОСО.Третийразделглавы3посвященисследованиюкрупномасштабных вариаций полей ОСО и УФ облученности в тропиках спомощью ЕОФ метода.
В качестве исходных данных использовалисьдолготно-широтные поля среднемесячных значений общего содержанияозона за 25 летний период (январь 1979 - декабрь 2003 г.г.) по даннымTOMS и SBUV и УФ эритемной облученности за период ноябрь 1978 июль 2003 гг. по данным TOMS в тропической области (30 ю.ш. – 30 с.ш.)с пространственным разрешением 40 по широте и 400 по долготе. Висходных базах данных с помощью стандартных методик были удаленысезонный ход и тренд за исследуемый период.
Отметим, что величинатренда на экваторе оказалась статистически незначима, однако ксубтропикам его величина возрастает до значений ∼ -3 е.Д./за десятилетие,что согласуется с данными работ [Randel et all., Sci. Rev. 1999; Bojkov,Fioletov, J. Geophys. Res., 1995; Wang et all., , J.
Geophys. Res., 2002].12Выделены характерные пространственные, временные и фазовыеструктуры в полях аномалий ОСО, тесно связанные с солнечнойактивностью и с элементами общей циркуляции атмосферы, такими как11-ти летний солнечный цикл (ЕОФ 1), квазидвухлетние колебания (ЕОФ2), колебаниями с периодом ∼ 20 месяцев (ЕОФ 3), представляющих собойинтерференционное взаимодействие годового и квазидвухлетнего циклов(КДГЦ), и явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо) (ЕОФ 4). На рис. 1-4представлены первые четыре ЕОФ моды.Показано, что примерно 31-36% вариаций аномалий ОСО втропической области (300 ю.ш -300 с.ш.) связаны с квазидвухлетнейцикличностью в стратосфере. В западной фазе КДЦ нисходящие движениявоздушных масс в экваториальной стратосфере приводят к нарастаниюконцентрации ОСО над экватором, а происходящие в то же времявосходящие движения в субтропиках - к уменьшению ОСО.
Обратнаяситуация характерна для восточной фазы КДЦ. За индекс КДЦ принятосчитать зональный ветер на уровне 30 мбар в Сингапуре, положительныезначения которого соответствуют западной фазе КДЦ, а отрицательные –восточной. Амплитуда вариаций ОСО, связанных с КДЦ, составляетпорядка 6.5-8 е.Д.
на экваторе и 8-11 е.Д. в субтропиках. Смена фазы КДЦколебаний ОСО происходит ~ на 100 широты в обоих полушариях. Следуетотметить обнаруженное опережение КДЦ сигнала в ОСО на 3 месяца посравнению с индексом КДЦ (рис. 1, б).Повышение солнечной активности в 11-ти летнем цикле приводит кувеличению генерации озона и повышению ОСО. 25% низкочастотныхвариаций аномалий ОСО в тропиках связано с 11-ти летним солнечнымциклом с максимальными амплитудами на экваторе (порядка 9-12 е.Д.) исущественно меньшими в субтропиках (порядка 1.5-3 е.Д.).Выделены колебания ОСО с периодом около 20,4 месяца,представляющие собой интерференцию годового и квазидвухлетнегоцикла (КДГЦ) (15% остаточной изменчивости).
КДГЦ колебания ОСОпроисходят в противофазе в южном и северном полушариях с несколькосмещенной в южное полушарие (50 ю.ш.) границей. Максимальныевеличины амплитуд наблюдаются в субтропиках (порядка 4.5-8 е.Д.).Порядка 4% остаточной изменчивости ОСО связано с явлениямиЭль-Ниньо (Ла-Ниньо). В поле ОСО четко выделяется дипольнаяструктура в регионе Тихого океана. В период Эль-Ниньо наблюдаетсяпонижение озона в восточной области Тихого океана вдоль береговАмерики и повышение озона в западной области Тихого океана надИндонезией. Обратная ситуация характерна для фазы Ла-Ниньо.Амплитуда вариаций ОСО, связанных с явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо),может достигать 3-6 е.Д.131, б1, аРисунок 1.
Первая ЕОФ мода аномалий ОСО по данным SBUV (описывает 36%остаточной изменчивости ОСО в тропиках). Первая мода отражает связь ОСО сКДЦ. На рисунке а) представлено пространственное (долгота х широта)распределение ЕОФ-1 в величинах аномалий ОСО (е.Д.), а на рисунке б)соответствующий временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении синдексом КДЦ (пунктирная линия). Коэффициент корреляции между двумякривыми равен 0,64. Величина вариаций ОСО, связанная с данной ЕОФ модой,получается путем умножения значений пространственного вектора насоответствующий временной коэффициент.2, б2, аРисунок 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
