Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние атмосферных планетарных волн на глобальное распределение озона 19
1.1. Обзор исследований отклика в озоне, связанного с воздействием стационарных и распространяющихся планетарных волн 19
1.2 Перенос озона вследствие распространения планетарных волн 20
1.3 Влияние планетарных волн на динамику средней атмосферы 21
1.4. Особенности циркуляции атмосферы в южном полушарии 23
1.5. Известные черты распространяющейся на восток волны к=2 24
2. Используемые данные 27
2.1. Пространственное и временное разрешение используемых данных 27
2.2. Технология измерений и ассимиляции используемых данных 28
2.2.1. Данные стратосферного озона GEOS 28
2.2.2. Данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра UARS-UKMO 29
2.2.3. Данные общего содержания озона, измеренные прибором TOMS 30
3. Исследование крупномасштабных долготных возмущений распределения озона и динамического отклика средней атмосферы при их учете в вычислениях на трехмерной модели циркуляции .
3.1. Введение 31
3.2. Анализ данных общего содержания озона с 1979 г. по 2002 г .
3.2.1. Исследование долготных неоднородностей распределения ОСО 33
3.2.2 Связь межгодовых колебаний интенсивности долготных возмущений ОСО и экваториального квазидвухлетнего цикла 38
3.3. Модельные расчеты циркуляции, учитывающие незональное распределение озона
3.3.1. Описание модели средней атмосферы 40
3.3.2. Схема использования данных озона GEOS модельных вычислений 45
3.3.3. Расчеты для периода декабрь - апрель 1991 -1992 гг 48
3.3.4. Расчеты для периода январь-май 1998 г 52
3.4 Исследование изменения температурного режима стратосферы при наблюдаемом увеличении содержания двуокиси углерода и уменьшении озонового слоя 59
3.4.1. Проведение модельных вычислений 61
3.4.2. Обсуждение результатов модельных вычислений 62
3.4.3. Сравнение с результатами других модельных вычислений и наблюдений .67
4. Иследование бегущей на восток планетарной волны с зональным волновым числом 2 69
4.1 Метод исследования бегущих планетарных волн
4.1.1. Задача выделения планетарных волн из рядов метеорологических данных .69
4.1.2 Применяемый метод выделения планетарных волн 69
4.2 Результаты исследования волны к=2 в июле-октябре 1998 г
4.2.1 Характеристики волны к=2 в озоне, температуре, геопотенциале 72
4.2.2. Вычисление отклика в озоне на наблюдаемые возмущения температуры и меридионального ветра, связанные с волной к=2 77
4.2.3. Связь эволюции волны к=2 с сезонным изменением зонального ветра 81
4.2.4. Взаимосвязь распространяющейся на восток волны к=2 и квази -стационарной волны к=\ 82
4.2.5. Связь интенсивности волны к=2 и резкого увеличения температуры в верхней стратосфере в сентябре 1998 г 83
4.2.6. Исследование "языковых" забросов воздушных масс из тропиков в высокие южные широты в июле-октябре 1998 г 85
4.3. Исследование возможного механизма генерации бегущей на восток волны к=2 89
4 4. Исследование бегущей на восток волны k=2 в общем содержании озона
4.4.1 Выявление сигнала волны А=2 в ОСО в сентябре-октябре 1998 г 92
4.4.2. Сравнение амплитуды квази-стационарной волны &=2 и распространяющейся волны к=2 в ОСО 102
4.4.3. Исследование планетарной волны к=3 в зимне-весенний сезон 1998 г 103
4.4.4. Вычисление амплитуды волны k=2 в ОСО 105
4.4.5. Исследование межгодовой изменчивости волны к=2 в ОСО 106
4.5. Основные выводы Главы 4 111
5. Исследование неожиданно значительного увеличения озонового слоя в антарктике в 2002 г 112
5.1. Сильное стратосферное потепление в Антарктике 23-27 сентября 2002 г.
5.1.1. Классификация стратосферных потеплений 116
5.1.2. Краткое описание теории возникновения стратосферных потеплений 117
5.1.3. Анализ термического режима стратосферы в августе-октябре 2002 г 118
5.2. Анализ активности планетарных волн в Антарктике в 2002 г 125
5.3. Анализ зональной циркуляции в южном полярном регионе в 2002 г 132
5.4. Исследование роли динамических факторов в увеличении озона над Антарктикой в сентябре 2002 г 137
5.5. Анализ меридионального переноса озона в Антарктике в сентябре 2002 г 142
5.6. Сравнение вихревого меридионального переноса озона в Антарктике в августе-октябре 1998 г. и 2002 г 149
5.7. Исследование пространственно-временных связей зональной циркуляции и общего содержания озона в августе-октябре 2002 г 152
5.7.1. Метод анализа и используемые данные 152
5.7.2. Результаты и их обсуждение 153
5.8. Основные выводы Главы 5 159
Основные выводы и заключение 160
- Технология измерений и ассимиляции используемых данных
- Анализ данных общего содержания озона с 1979 г. по 2002 г
- Модельные расчеты циркуляции, учитывающие незональное распределение озона
- Результаты исследования волны к=2 в июле-октябре 1998 г
Введение к работе
Атмосферный озон является чрезвычайно важным элементом химического состава атмосферы Земли. Наибольшая часть озона находится в стратосфере, где озон поглощает большую часть коротковолновой радиации Солнца, способной негативно влиять на биосферу Земли. При поглощении озоном УФ радиации Солнца в стратосфере происходит выделение тепла, неравномерное распределение которого является главным источником циркуляции средней атмосферы. Кроме этого, озон, являясь парниковым газом, поглощает часть длинноволновой радиации, отраженной от поверхности Земли.
Меньшая часть озона находится в тропосфере, где озон, являясь химически активным элементом, является важным фактором загрязнения воздуха. При больших концентрациях озон способен оказывать вредоносное влияние на растительный мир, здоровье человека, а также на различные материалы.
Изменение озонового слоя Земли тесно связано с наблюдаемым в последние десятилетия изменения климата, вызванные накоплением в нижней атмосфере парниковых газов. При этом изменения озонового слоя и климата могут взаимно влиять друг на друга: увеличение содержания озона в тропосфере, также как и других парниковых газов, приводит к повышению её температуры, а уменьшение содержания озона в стратосфере ведет к уменьшению температуры стратосферы. Изменение температурного режима атмосферы приводит к изменению циркуляции, что в свою очередь также оказывает влияние на озонный слой, также как на распределение других малых газовых составляющих атмосферы. Кроме этого, скорости химических реакций, в ходе которых происходит образование и разрушение озона также зависят от температуры.
Интенсивное разрушение озонового слоя в полярных регионах обоих полушарий в течение зимних и весенних сезонов главным образом вызвано выбросами в атмосферу Земли газов, содержащих хлор, бром, такие как хлоровтороуглеводы, вследствие хозяйственной деятельности человека.
Хотя, озон образуется и разрушается вследствие химических реакций, его глобальное распределение в атмосфере и межгодовые вариации контролируется главным образом динамическими процессами, к числу которых относятся планетарные стационарные и распространяющиеся волны, наблюдаемые преимущественно в средних и высоких широтах обоих полушарий в зимние и весенние сезоны. Долгое время изучение процессов переноса озона было ограничено отсутствием регулярных данных озона и метеорологических параметров, особенно для Южного полушария, где находилось гораздо меньшее количество станций наземного наблюдения. С развитием спутниковых наблюдений в последние два десятилетия ситуация резко изменилась, но вследствие технических трудностей, особенностей работы различной измерительной техники и ограничению времени её эксплуатации до настоящего времени не существует долговременных регулярных глобальных данных вертикального распределения озона
В последние годы происходит создание и развитие баз данных, аккумулирующих всю доступную спутниковую информацию и рассчитывающих недостающие параметры атмосферной циркуляции, используя глобальные модели общей циркуляции. В результате, для научных исследований становятся доступными регулярные глобальные данные, охватывающие большую часть тропосферы и стратосферы с высоким пространственным и временным разрешением, например, данные реанализа NCEP, ECMWF, UKMO.
Хотя процессы переноса озона планетарными волнами давно привлекают внимание исследователей, полной картины переноса пока нет, также как и возможности исследовать те или иные эпизоды. Появившиеся в последнее время архивы данных позволяют получить регулярные глобальные данные горизонтальных скоростей (зонального и меридионального ветра) и других метеорологических параметров во всем диапазоне высот верхней тропосферы и стратосферы с высоким пространственным и временным разрешением и с задержкой не более месяца. Однако, данные вертикального распределения озона, учитывающие особенности его долготного распределения, доступны лишь для отдельных интервалов времени, имеют ограничения по пространству, и часто не регулярны.
Большую проблему представляет вычисление вертикального переноса, из-за ошибок вычислений вертикальных скоростей, вследствие неточностей параметризации радиационных источников и стоков тепла.
Дальнейшее изучение процессов переноса озона связанных с распространением планетарных волн необходимо для более точного понимания естественных изменений распределения озона и их межсезонной и межгодовой изменчивости, включая интенсивное разрушение озонного слоя, наблюдаемое в полярных регионах обоих полушарий. Особую актуальность эта проблема приобрела после неожиданного аномально низкого разрушения озонового слоя в Антарктике в 2002 г.
Цель работы.
Целью настоящей работы является исследование пространственной структуры, интенсивности, эволюции доминирующих в средней атмосфере средних и высоких широт Южного полушария квазистационарных и распространяющихся планетарных волн, а также влияния динамических процессов связанных с их распространением на распределение озона в Антарктике, в частности, в связи с неожиданно высоким (за последние 20 лет) содержанием озона в 2002 г.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать пространственную структуру, интенсивность, межгодовую и межсезонную изменчивость крупномасштабных долготных неоднородностей общего содержания озона в обоих полушариях.
2. Исследовать пространственные возмущения нагрева средней атмосферы озоном, вызванные долготными неоднородностями в его распределении. Разработать методику усвоения глобальных ассимилированных данных вертикального распределения озона для использования в модельных вычислениях. Оценить динамический отклик средней атмосферы при учете долготных возмущений распределения озона при проведении вычислений на трехмерной модели средней атмосферы.
3. Исследовать пространственную структуру, интенсивность, эволюцию стационарных и распространяющихся планетарных волн, доминирующих в Антарктике в зимне-весенние сезоны. Изучить структуру меридионального вихревого переноса озона, связанного с распространением планетарных волн.
4. Исследовать изменения циркуляции стратосферы, активность планетарных стационарных и распространяющихся волн, развитие впервые зарегистрированного в Антарктике сильного стратосферного потепления, приведшего к необычайно низкой озонной аномалии. Оценить роль динамических факторов связанных с распространением планетарных волн в увеличении озона над Антарктикой в 2002 г.
Научная новизна.
1. Исследована межгодовая изменчивость пространственной структуры и интенсивности крупномасштабных долготных неоднородностей распределения общего содержания озона в обоих полушариях с 1979 по 1994 г. и с 1996 г. по 2002 гг., вызванных воздействием квазистационарных планетарных волн. Впервые установлено, что интенсивность крупномасштабных долготных неоднородностей озона, осредненная за исследуемый период, в весенний сезон в Южном полушарии примерно в два раза больше, чем в Северном полушарии.
2. С использованием трехмерной модели средней атмосферы показано, что наблюдаемое уменьшение концентраций озона за 10 лет с середины 1980-х до середины 1990-х гг. приводит к наибольшему охлаждению в декабре-феврале в верхней стратосферы в высоких и средних широтах Южного полушария и составляет около -1.4°К. Увеличение двуокиси углерода от 355 до 370 ppmv привело к глобальному уменьшению температуры от -0.2°К в нижней до -0.9-1°К в верхней стратосфере.
3. Используя ежедневные глобальные ассимилированные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра, а также вертикального распределения озона, исследована пространственная структура, интенсивность, временная изменчивость бегущей на восток волны с зональным волновым числом к=2 в Антарктике. Установлено, что волновые процессы, связанные с волной к=2, могут вызывать волновое возмущение распределения общего содержания озона с тем же волновым числом и периодом и амплитудой в десятки единиц Добсона.
4. Впервые проанализирована структура и интенсивность меридионального вихревого переноса озона, связанного с распространением планетарных волн, в зимне-весенний сезон в Южном полушарии в 1998 г. и 2002 г. Показано, что интенсивный меридиональный вихревой перенос озона из средних в высокие широты имел важное значение в увеличении озонного слоя в Антарктике в 2002 году.
Практическая значимость.
1. Полученные результаты исследования квазистационарных и бегущих планетарных волн в данных общего содержания озона могут служить справочной информацией о структуре, эволюции и интенсивности планетарных волн в зимне-весенние сезоны в Северном и Южном полушариях.
2. Разработана методика использования глобальных трехмерных ассимилированных данных вертикального распределения озона, осредненных за сезон, месяц или сутки в вычислениях на трехмерной модели средней атмосферы. Методика позволяет проводить модельные вычисления с трехмерными, либо среднезональными данными озона.
3. Результаты численных экспериментов могут быть использованы для уточнения реакции температуры стратосферы в моделях общей циркуляции атмосферы к изменениям озонного слоя.
4. Полученные результаты о структуре, интенсивности меридионального потока озона позволяют оценить роль динамических факторов (связанных с распространением планетарных волн) в увеличении озона в Антарктике в 2002 г.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа пространственной структуры, интенсивности, межсезонной и междугодовой изменчивости крупномасштабных долготных неоднородностей озона в Южном и Северном полушариях.
2. Обнаружение и исследование отклика, являющейся особенностью циркуляции стратосферы Южного полушария бегущей на восток планетарной волны с зональным числом к=2 в данных общего содержания озона.
3. Результаты анализа особенностей циркуляции стратосферы Южного полушария, в частности, меридионального вихревого переноса озона, свидетельствующие о важной роли динамических процессов в межгодовой изменчивости антарктической озонной аномалии.
Достоверность результатов определяется согласованностью параметров планетарных волн в различных данных параметров циркуляции, вертикального распределения и общего содержания озона, а также:
• хорошим совпадением результатов анализа распространяющихся планетарных волн, и проведенных модельных расчетов с расчетами авторов других исследований
• согласованностью параметров выявленных планетарных волн в различных данных параметров циркуляции, вертикального распределения и общего содержания озона
• использованием трехмерной модели средней атмосферы, созданной в университете г. Кёльн (Германия) и многократно применявшейся в различных исследованиях
• надежностью использованных данных:
— глобальные ежедневные спутниковые данные общего содержания озона, измеряемого прибором TOMS
— глобальные ежедневные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра, подготовленные в метеорологическом департаменте Великобритании (UKMO) на основе данных спутника UARS
— глобальные среднемесячные и среднесуточные ежедневные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра (NCEP реанализ), подготовленные в Центре Исследований Климата США
—глобальные ежедневные данными вертикального распределения озона (GEOS), подготовленных в отделе ассимиляции данных космического агентства США
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит участие в постановке задач, их решении, математической обработке и анализе исходных данных и результатов.
Апробация работы.
Работа выполнялась на физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова с 1996 г. по 1998 г. и в Центральной Аэрологической Обсерватории с 1999 г. по 2004 г. Тема диссертации включена в план работ кафедры физики атмосферы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по озону (Салонники, Греция, 1994), XVII Международном симпозиуме по озону (Ля-Акуила, Италия, 1996 г.), XXXI Международной научной ассамблее COSPAR (Единбург, Великобритания, 1996 г.), Международной конференции европейского геофизического общества (Гаага, Нидерланды, 1996 г., Вена, Австрия, 1997 г., Ница, Франция, 1998 г.), Международной летней школе по атмосферной физике и химии, (Крит, Греция, 1999 г.), Международном радиационном симпозиуме, (Санкт-Петербург, Россия, 2000 г.), XVIII и XIX Международном симпозиуме по озону (Саппоро, Япония, 2000 г., Кос, Греция, 2004 г.), IV всероссийской научной конференции Физические проблемы экологии, (Москва, 2004 г.), VIII конференции молодых ученых "Состав атмосферы и электрические процессы" (Москва, 2004 г.).
В России результаты докладывались на семинарах в Центральной Аэрологической Обсерватории, Московском Государственном Университете.
В ходе выполнения работы была подготовлена задача "Моделирование распространения стационарных планетарных волн из тропосферы в стратосферу в зимний и летний сезоны" для проведения занятий в практикуме кафедры физики атмосферы физического факультета МГУ.
По теме диссертации опубликовано 17 основных работ в отечественных и зарубежных журналах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 186 наименований. Рукопись содержит 170 страниц, 136 рисунка, 3 таблиц.
Технология измерений и ассимиляции используемых данных
Данные озона, используемые в вычислениях, были вычислены при помощи ассимиляционной системы GEOS (Goddard Earth Observing System), разработанной в отделе ассимиляции данных космического агентства США. Также как и в большинстве метеорологических систем, ассимиляционная система GEOS оперирует следующим образом: в анализируемое время решается уравнение адвекции озона, на основе прогноза из предыдущего состояния и доступных наблюдений в данный момент времени. При этом учитываются ошибки наблюдений и прогноза. Переменной, которая анализируется и прогнозируется, является отношение плотности озона к плотности воздуха (называемое в дальнейшем для краткости отношение смеси озона) jU. Используя модель прогноза, анализируемое состояние распространяется вперед во времени до следующего периода анализа, затем этот цикл повторяется. Содержание озона рассчитывается на основе уравнения адвекции озона [142]: -+U-VJU = P-M-L (1) dt где и _ поле скоростей (зональный, меридиональный и вертикальный ветер), коэффициенты Р и L отвечают за образование и разрушение озона при протекании фотохимических реакций. Модель прогноза имеет пространственное разрешение 2 по широте от полюса до полюса и 2.5 по долготе, а также 29 вертикальных уровней. Шаг модели прогноза по времени составлял 15 минут.
Транспортная компонента уравнения (1) решается на основе использования Лагранжевой схемы [103]. Входными данными для транспортной модели являются данные ветра и давления из системы ассимиляции GEOS [50]. Эти данные с интервалом в 6 часов линейно интерполируются во времени. Скорости образования и разрушения озона, являющиеся функцией широты, высоты и сезона, получены, используя двумерную фотохимическую модель [54]. Сравнение данных GEOS с данными озона, измеренными спутниковым прибором HALOE (Halogen Occultation Experiment), установленном на спутнике UARS, показали хорошее соответствие [157]. Описание вычислительной системы (при помощи которой, был рассчитан трехмерный озон), модели прогноза, входных данных ОСО, измеренных прибором TOMS, и вертикального распределения озона, измеренных прибором SBUV (Solar Backscatter Ultra Violet instrument), схемы анализа и ее применения представлены в [137, 157]. 2.2.2. Данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра UARS-UKMO Используемые данные UARS-UKMO являются результатом ассимиляции данных, измеренных приборами спутника UARS, в ассимиляционной системе метеорологического отдела Великобритании (UKMO) [104]. Входными для ассимиляционной системы являются данные международной сети наблюдений и различных спутниковых измерений. Данные UARS-UKMO (температура, геопотенциал, зональный и меридиональный ветер) имеют разрешение по широте 2.5 от полюса до полюса и 3.75 по долготе и распределены по 21 уровню от 1000 до 0.316 мб. Данные UARS-UKMO охватывают период функционирования спутника UARS с октября 1991 г. до июля 2001 г.
Вследствие особенностей орбиты спутника UARS, находившиеся на его борту приборы способны производить измерения параметров средней атмосферы в течение 20 суток в области широт, например, от 80 ю.ш. до 30 с.ш., а затем -20 суток в области от 30 ю.ш. до 80 с.ш. При этом получаемые данные не являются регулярными по пространству (т.е. с каждым следующим витком орбиты изменяется география измерений). Поэтому использование регулярных, глобальных, ассимилированных данных UARS-UKMO является удобным для проведения различных исследований. Данные общего содержания озона, измеренные прибором TOMS. Физическая основа измерений ОСО прибором TOMS состоит в том, что приходящая к Земле ультрафиолетовая радиация Солнца рассеивается на частичках воздуха, аэрозоле и частичках облаков и отражается от поверхности Земли. При этом озон поглощает определенные длины волн этой радиации. Прибор TOMS измеряет ультрафиолетовую радиацию, отраженную атмосферой Земли. Общее количество озона между верхней границей атмосферы и высотой эффективного отражения (которой считается поверхность Земли) рассчитывается как отношение величины приходящей и отраженной ультрафиолетовой радиации Солнца двух длин волн (например, 312 нм и 331 нм), одна из которых сильно поглощается озоном, а другая поглощается только слабо. Размер площади охвата поверхности Земли прибором TOMS составляет 50 квадратных километров. Пространственное разрешение данных составляет 1 по широте и 1.25 по долготе. Прибор TOMS производил 35 измерений ОСО каждые 8 секунд, что соответствует приблизительно 200,000 измерениям в течение суток, причем измерения осуществлялись всегда в одном полушарии в период времени соответствовавшему местному полудню, а для другого полушария - времени полуночи. Ошибки измерений ОСО прибором TOMS составляют до 3% [115], валидация данных TOMS в сравнении с другими измерениями представлена в [59].
Анализ данных общего содержания озона с 1979 г. по 2002 г
Для анализа долготных неоднородностей озона использовались рассчитанные среднемесячные данные ОСО TOMS с 1979 по 2002 г. Имеющиеся пробелы в данных были заполнены при помощи линейной интерполяции, а отсутствующие данные за 1995 г. были заменены средними значениями с 1979 по 1994 г. и с 1996 по 2002 г. Как известно (см. Введение), в зимне-весенний сезон в обоих полушариях наблюдаются крупномасштабные долготные возмущения распределения озона. Характерные черты долготных неоднородностей ОСО представлены на Рис.3.2.1, где изображено распределение общего содержания озона в сентябре 1998 г. Видно, что в высоких широтах Южного полушария (70-50 ю.ш) наблюдается долготное возмущение распределения ОСО с зональным волновым числом 1. При этом максимальное значение ОСО составляет более 450 е.Д. в области 80-120 в.д., а минимальное 300 е.Д в области 80-160з.д. Отметим, что при рассмотрении среднемесячных значений ОСО в сентябре-октябре максимальные значения ОСО наблюдаются в средних и высоких широтах преимущественно вблизи Австралии, где расположен австралийский антициклон.
Для изучения пространственной структуры и временной изменчивости долготных неоднородностей озона к среднемесячным данным ОСО был применен гармонический анализ. Изменение интенсивности долготных неоднородностей ОСО в области 60 ю.ш. в течение 1988 г. представлено на Рис.3.2.2. Наибольшие долготные возмущения распределения ОСО наблюдаются в зимне-весенний сезон (июль-октябрь), соответствуют зональному волновому числу к=\, и достигают максимальных значений до 80-100 е.Д. в сентябре-октябре. В дальнейшем, именно эти месяцы были выбраны для исследования межгодовой изменчивости долготных неоднородностей озона в Южном полушарии. Отметим, что в отличие от Южного, в Северном полушарии планетарные волны с к=2-3, отвечающие за соответствующие возмущения долготного распределения ОСО, носят преимущественно квазистационарный характер. Связь межгодовых колебаний интенсивности долготных возмущений ОСО и экваториального квазидвухлетнего цикла. Межгодовая изменчивость нижней стратосферы в тропиках характеризуется колебанием скорости зонального ветра с периодом около двух лет, получившее название -квазидвухлетний цикл (КДЦ) [23]. В зависимости от направления зонального ветра над экватором в нижней стратосфере различают восточную (ветер с востока на запад) и западную (с запада на восток) фазу КДЦ. На основе анализа данных зонального ветра с 1953 г. по 1997 г. были выявлены два основных периода КДЦ: 24 и 30 месяцев, и установлено, что в средней стратосфере амплитуда КДЦ увеличивается с ростом периода [69]. Моделирование КДЦ впервые было проведено Холтоном [82]. В настоящее время принято считать, что природа КДЦ связана с вертикальным переносом импульса, вызванным распространением бегущих на восток волн Кельвина и гравитационных волн [39]. Хотя КДЦ является процессом тропического региона, он оказывает влияние на глобальную циркуляцию [84]. Изменяя структуру ветров, температуры, внетропические планетарные волны и меридиональную циркуляцию, КДЦ влияет на распределение и перенос малых газовых составляющих атмосферы, например, озона, в средних [23] и высоких широтах [101]. Установлено, что зимний полярный вихрь в Арктике обычно слабее, а минимальная температура внутри него выше, в годы восточной фазы КДЦ, по сравнению с годами западной фазы [166, 67], причем, в годы восточной фазы в средних и высоких широтах озона ОСО наблюдалось больше, чем в годы западной фазы. При этом в средних и высоких широтах колебания озона находятся в противофазе с колебаниями в тропическом регионе, где ОСО изменяется в фазе с КДЦ.
Исследование связи между интенсивностью разрушения озона в Антарктике и фазой КДЦ являлось целью многих исследований, например, [37, 85]. Объяснение связи тропического КДЦ и межгодовой изменчивости озонной дыры было предложено Лайт [101]: в течение восточной фазы КДЦ более высокая интенсивность планетарных волн в стратосфере средних и высоких широт приводит к увеличению температуры стратосферы Антарктики. Из-за этого уменьшается процесс образования, размеры и время жизни полярных стратосферных облаков, на частицах которых в ходе гетерогенных реакций происходит интенсивное уменьшение озона, что приводит к проникновению большего количества NO х Во внутреннюю зону полярного вихря. Хотя КДЦ исследуется, начиная с середины XX века, до настоящего времени остаётся много нерешенных вопросов, связанных с объяснением механизма передачи сигнала КДЦ из тропиков в средние и высокие широты. В начале 90-х годов произошел "сбой" (нарушение) связи межгодовой изменчивости антарктической озонной аномалии и КДЦ. Было показано [9], что "сбой" наблюдался между изменчивостью озонной дыры и экваториальным КДЦ, при этом связь с сигналом КДЦ в средних широтах сохранялась. На основе анализа спутниковых данных ОСО с 1979 г. по 1993 г. установлено, что наибольшая интенсивность крупномасштабных долготных возмущений озона наблюдается в годы восточной фазы КДЦ, а минимальная - в годы западной фазы [167]. Рассмотрим межгодовую изменчивость амплитуд доминирующей первой гармоники в области широт 65 -55 ю.ш. в сентябре с 1979 по 2002 г. С 1982 г. по 1990 г. и с 1993 г. по 2002 г. наблюдается устойчивая двухлетняя изменчивость амплитуды первой гармоники (Рис.3.2.8.). Минимальные амплитуды =1 наблюдаются в годы западной фазы квази-двухлетнего цикла, а максимальные значения - в годы восточной фазы КДЦ. Проведенный анализ показал, что в октябре межгодовая изменчивость амплитуды первой гармоники ОСО в высоких южных широтах не имеет ярко выраженного квазидвухлетнего характера (Рис. 3.2.9). Таким образом, проведенный анализ межгодовых вариаций среднемесячных значений амплитуды первой гармоники ОСО в высоких широтах Южного полушария в сентябре с 1979 по 2002 г. выявил присутствие сигнала квазидвухлетнего цикла.
Модельные расчеты циркуляции, учитывающие незональное распределение озона
Для исследования влияния учета крупномасштабных долготных возмущений распределения озона при проведении модельных вычислений использовалась трехмерная механистическая модель циркуляции средней атмосферы, а также глобальные данные вертикального распределения озона GEOS. 3.3.1. Описание трехмерной модели средней атмосферы. В настоящей работе численные вычисления были выполнены с использованием трехмерной механистической модели общей циркуляции атмосферы (Cologne Model of the Middle Atmosphere - COMMA) [31, 32, 49], разработанной в университете г. Кёльн российская государственная ьиь лиотека /Германия/. Модель СОММА успешно применялась во многих исследованиях, например: моделировании стратосферных потеплений [143], изучении влияния гравитационных волн на циркуляцию мезосферы [89] и исследовании влияния увеличения концентрации СО 2 на температурный режим средней атмосферы [32].
Модель основана на решении системы нелинейных уравнений динамики атмосферы: уравнений горизонтального движения (1-2), уравнения термодинамики (3), уравнения неразрывности (4) и уравнения гидростатики (5), выраженных в сферических координатах по горизонтали и логарифмических координатах по вертикали Z=H-ln (-р0/ р), где Н=7 км. В уравнении (3) — 8t AT1 heat - отвечает за нагрев при поглощении УФ Солнца, а — dt cool за выхолаживание при излучении длинноволновой радиации. В уравнениях движения (1-2) и уравнении термодинамики (3) Р"х , Ф , Ft описывают основные процессы механической и термической диссипации (приводящие к ускорению или замедлению зонального/меридионального ветра) в частности: распространение гравитационных волн, Рэлеевское и ионное трение, турбулентная диффузия, динамическая вязкость, молекулярная теплопроводность. Модель имеет следующее пространственное разрешение по широте Аф =5 (36 точек от полюса до полюса), по долготе ДЯ = 22.5 (16 точек на каждой широте), по вертикали 5.7 км (24 уровня от 3.2 до 146 км). При проведении модельных вычислений использовались граничные условия: на верхней границе вертикальная скорость приравнивалась к нулю и не dW t/Ф _л изменялась (— = О ), на нижней границе геопотенциал сохранялся постоянным ( т - и ). Так как используемая модель охватывает диапазон высот от нижней тропосферы до нижней термосферы (3.2 -146 км), выше 100 км используются параметризации источников и стоков энергии: динамической вязкости, ионного трения, теплопроводности. Механическая диссипация учитывается использованием параметризации Рэлеевского трения и турбулентной диффузии.
Система уравнений (1-5) решается на основе численной схемы, описанной в [31], с фиксированным шагом по времени 450 секунд. Для предотвращения накапливания энергии малых масштабов (генерации волновых процессов с большими зональными волновыми числами) применялась фильтрация, предложенная Шапиро [146]. В модели вычисляются скорости нагрева атмосферы при поглощении солнечной радиации озоном (03), водяным паром (НгО), углекислым газом (С02), кислородом (02) на основе параметризации Стробела [158], и скорости выхолаживания атмосферы при испускании инфракрасной радиации (НгО, С02, NO, Ог). До высоты -80 км, где столкновение атмосферных частиц происходят достаточно часто (время релаксации значительно меньше, радиационного времени жизни возбужденных вращательных и колебательных состояний), используется параметризация, удовлетворяющая условиям локального термодинамического равновесия (ЛТЕ). Выше 80 км используется параметризация, учитывающая нарушение условий ЛТЕ [60]. Скорости нагрева вычисляются в каждом узле сетки модели в зависимости от являющегося функцией долготы, широты, высоты и местного времени суток зенитного угла Солнца. В используемой версии модели СОММА, не содержащей блока химических реакций (т.е. без расчета малых газовых составляющих атмосферы), задавалось фиксированное зонального-осредненное распределения озона, составленное на основе первых спутниковых наблюдений [64,160] и соответствующее зимнему сезону в Северном полушарии (Рис.3.3.1). Результаты современных исследований выявили ряд расхождений между используемым и наблюдаемым распределением зонального озона, в частности: в "старом" распределении неточно описано распределение озона в тропосфере и нижней стратосфере экваториального региона. Кроме этого для проведения модельных вычислений охватывающих несколько месяцев или даже сезонов необходимо учитывать сезонные изменения распределения озона.В качестве "нового" распределения озона для модели СОММА, соответствующего современным спутниковым наблюдениям, а также для исследования учета долготных возмущений распределения озона были выбраны данные озона GEOS. Для использования в модельных расчетах незональных и изменяющихся со временем глобальных данных озона GEOS были усовершенствованы блоки модели, отвечающие за расчет озонного нагрева и выхолаживания (дополнительно по всем долготам). Отметим, что использование данных GEOS при проведении модельных вычислений позволило получить более точное распределение температуры, в частности более низкую температуру в нижней стратосфере экваториального региона. Далее представлены ежесуточные суммарные скорости нагрева в полосах поглощения ъ , СО 2 , н2 , О2 (Рис. 3.3.2) и выхолаживания в полосах испускания Оъ , СО 2 , H20 , N0 (Рис. 3.4.3) средней атмосферы для середины декабря, вычисляемые в численной модели, а также в качестве примера скорости озонного нагрева при поглощении коротковолновой УФ радиации Солнца (Рис. 3.3.4) и выхолаживания при излучении озоном инфракрасной длинноволновой радиации (Рис. 3.3.5). Схема использования данных озона GEOS в модельных вычислений В настоящей работе используется два массива данных озона GEOS (см. Главу 2, 2.3, п.2.3.1.) доступные на первом этапе исследования (проведенном в 1998 г.) для зимы 1991-1992 гг., а, затем, на втором этапе (2000-2001 гг.) для нового объёма данных с января по сентябрь 1998 г. Для проведения вычислений на модели средней атмосферы СОММА была разработана схема использования глобальных данных стратосферного озона. Для того, чтобы использовать в модельных вычислениях глобальные данные озона GEOS были выполнено следующее. После осреднения по периоду с 13 декабря по 27 февраля и удаления трех нижних (663 и 298 гПа) и одного верхнего (0.2 гПа) уровней данных, содержащих большое количество неопределенных значений, данные на оставшихся уровнях были интерполированы к вертикальной и горизонтальной сетке численной модели. Таким образом, было получено незональное глобальное распределение озона для периода с 13 декабря 1991 г. по 27 февраля 1992 г. и для высот от 15 до 53 км (модельные уровни № 3 -9). Высоты уровней используемой модели средней атмосферы представлены в Таблице 2.
Результаты исследования волны к=2 в июле-октябре 1998 г
Присутствие сигнала волны к=2 в данных отношения смеси озона может быть проиллюстрировано при помощи долготно-временной диаграммы (или диаграммы Хофмюлера), на которой для определенного уровня, широты и зонального волнового числа представлено изменение со временем долготной структуры возмущений, соответствующих стационарным и бегущим волнам. На Рис.4.2.1. представлены изменения волновых возмущений с зональным числом к=2 на 10 гПа и 56 ю.ш. с июня по сентябрь 1998 г. При построении диаграммы выбор широты и высоты был обусловлен расположением максимума интенсивности волны к=2 (см. Рис.4.2.4). В первую очередь Рис.4.2.1 свидетельствует об известном из наблюдений доминировании в Южном полушарии в зимний сезон распространяющихся на восток волн к=2. Бегущая на восток волна к=2 с периодом 10-15 суток четко проявляется во второй половине августа и в сентябре 1998 г. В начале июня наблюдается бегущая на восток волна с периодом 6-8 суток и квазистационарная волна. В июле происходит увеличение периода бегущей на восток волны к-2 до 15-20 суток, после чего примерно с середины августа и в течение сентября период волны составляет вновь —10-15 суток. Принимая во внимание, что волна к=2 наблюдалась с июля по сентябрь 1998 г., и её пространственная структура, интенсивность и период изменялись, исследование данной волны осуществлялось для двух периодов: июль-август и август-сентябрь.
Широтная структура спектральной мощности для распространяющихся на запад и восток волн к=2 в озоне в июле-августе и августе-сентябре представлена на Рис.4.2.2-4.2.3. В течение июля-августа и августа-сентября в высоких широтах северного полушария отмечен сигнал бегущей на запад волны с периодом 10-12 суток, а в высоких южных широтах - более интенсивный сигнал бегущей на восток волны с периодом 10-14 дней. Учитывая различие в интенсивности бегущих на запад и восток волн на Рис.4.2.2.а)-Ь) (также как и на Рис.4.2.3.а)-Ь)) используются разные шкалы спектральной мощности. После изучения широтной структуры бегущих волн на всех исследуемых уровнях была проанализирована высотно-широтная структура амплитуды волны к=2 в озоне. Так, в июле-августе максимальная амплитуда волны в отношении смеси озона наблюдалась на высоте -30 км в области 60-55 ю.ш. и составляла -0.33 ppmv (Рис.4.2.4.). Отметим, что амплитуда волны вычислялась как квадратный корень из соответствующей удвоенной спектральной мощности, осредненной по выбранному интервалу частот максимума волны, также как [132]. В нижней стратосфере максимальная амплитуда волны к=2 не превышала 0Л5 ppmv. В августе-сентябре пространственная структура и интенсивность волны к-2 изменились. Так, в нижней стратосфере на высотах 20-25 км максимальная амплитуда волны достигла -0.32 ppmv, а в верхней стратосфере -0.38 ppmv на высоте 37 км (Рис.4.2.5). Широтное расположение максимумов волны при этом не изменилось. Высотно-широтная структура амплитуды волны А=2 в температуре представлена на Рис.4.2.6.а)-Ь). Для более детального исследования пространственной структуры волны к=2 на Рис.4.2.6.а)-Ь) представлена область от 70 ю.ш. до экватора. В июле-августе волна к=2 имела два равных по интенсивности максимума —3.2 К в нижней и верхней стратосфере около 20-25 и 45 км (Рис.4.2.6.а). При этом, максимум в верхней стратосфере располагался вблизи 50 ю.ш., а максимум в нижней - южнее, около 60 ю.ш. В августе-сентябре, высотное расположение максимумов волны сохранилось, а по широте максимум в нижней стратосфере располагался немного севернее: около 55 ю.ш., интенсивность волны при этом усилилась: максимальная амплитуда в нижней стратосфере составила более 5 К, в верхней стратосфере - более 4.5 К (Рис.4.2.6.Ь).
Высотно-широтная структура исследуемой волны в геопотенциале представлена на Рис.4.2.7. В июле - августе максимум волны располагался на высоте 30-35 км в области 60-50 ю.ш. и составлял 200 гпм (Рис.4.2.7.а), в августе-сентябре расположение максимума волны не изменилось, а интенсивность увеличилась до -320 гпм (Рис.4.2.7.Ь). Полученная структура волны в геопотенциале соответствует (через уравнение гидростатического баланса) структуре волны в температуре. Высотная структура фазы исследуемой волны кг=2 в температуре и озоне (вычисленная относительно 0.3 гПа для температуры и 0.4 гПа для озона - наиболее высоких уровней используемых данных), а также различие между фазами волны в температуре и озоне на 60 ю.ш. и для июля - августа 1998 г. представлены на Рис.4.2.8. В верхней стратосфере фаза волны в температуре и озоне находится приблизительно в противо-фазе, а в средней и нижней стратосфере (ниже 40 км) приблизительно в фазе.
Таким образом, на высотах стратосферы, где фаза исследуемой волны в температуре и озоне приблизительно равны, содержание озона контролируется динамическими процессами. В то время как, на высотах, где фаза в температуре и озоне находятся приблизительно в противофазе, содержание озона контролируется главным образом фотохимическими процессами [141]. 4.2.2. Вычисление отклика в озоне на наблюдаемые возмущения температуры и меридионального ветра, связанные с волной к=2. Одним из фундаментальных аспектов стратосферы Земли является сильное взаимодействие радиационных и динамических процессов. Составным элементом каждого из этих процессов является озон, который, поглощая ультрафиолетовую и видимую радиацию, обеспечивает нагрев, определяющий главным образом общую циркуляцию стратосферы. Концентрация озона, однако, сама зависит от циркуляции, так как определяется комбинацией фотохимических и динамических процессов. Изучая влияния химических процессов, вызывающих разрушение озона, на процессы переноса Хартман, Гарсия [71] исследовали эффект влияния планетарных волн на озон, используя механистическую модель, учитывающую простую динамическую схему и параметризованную химию озона. Параметры, определяющие отклик в озоне к динамическим возмущениям озона и температуры, были определены на основе реакций, входящих в схему Чепмена, с модифицированными коэффициентами реакций, отражающими каталитические процессы. Параметры отклика озона были определены для области наибольшей активности наблюдаемых планетарных волн (60 широты) и являлись функцией высоты через заданные профили озона и температуры, но при этом пренебрегалось зависимостью протекания каталитических процессов от высоты и широты.
В настоящей работе для вычисления амплитуды волны к-2 в озоне из соответствующих возмущений температуры и меридионального ветра использовалась адвективно-фотохимической модель [71, 132, 19], состоящая из линеаризованных уравнений неразрывности озона и термодинамики: dt дх T + V y + W -S = 0 (2) где U - зональный ветер, № , V , W, Т - отклонения от среднезонального (возмущения) озона, меридионального и вертикального ветра, и температуры, My и Mz - производные зонального озона М (осредненного за июль-август) по широте и высоте, Н ( 7J+H дТ 8z -статистический параметр устойчивости, Н = R s /g - высота однородной атмосферы, R - универсальная газовая постоянная, g - ускорение свободного падения, г] = RjCp = 2/7, Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении, 7 =273 К-средняя температура стратосферы. Фотохимические коэффициенты Г и Q , отвечающие за восстановление и разрушение озона и соответствующие региону 60 широты зимнего полушария были взяты из [19]. Г- обозначает скорость фотохимической релаксации озона (1/Г-время релаксации озона, т.е. время изменения концентрации в е раз), Q — линеаризованный отклик озона к малым возмущениям температуры. Вертикальные профили используемых коэффициентов Г и Q представлены на Рис.4.2.9.а)-Ь). Отметим, что используемые коэффициенты Г и Q вычислены [71] на основе реакций, входящих в схему Чепмена.
Похожие диссертации на Влияние квазистационарных и распространяющихся планетарных волн на распределение озона
