Пространственно-временная динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Физический факультет

На правах рукописи

Пространственно-временная динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Груздев Александр Николаевич

Москва 2007

Работа выполнена в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Кожевников Валентин Николаевич

доктор физико-математических наук Нерушев Александр Федорович

доктор физико-математических наук Погорельцев Александр Иванович

Ведущая организация: Институт вычислительной математики Российской академии наук

Защита состоится «18 » октября 2007 г. в «15 » часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.63 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу 119991 Москва, Ленинские горы, ГСП-1, МГУ им. М.В. Ломоносова, Физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физического факультета МГУ

Автореферат разослан « » сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук В.Б. Смирнов

азот атмосфера спектральный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение. Атмосферный озон, концентрация которого в воздухе на различных высотах измеряется лишь миллионными и даже миллиардными долями, является, тем не менее, одним из важнейших атмосферных газов в силу своих оптических и химических свойств. Поглощение озоном биологически активного компонента ультрафиолетовой солнечной радиации служит основным механизмом, регулирующим интенсивность этой радиации на поверхности Земли и, таким образом, наличие озонного щита является жизненно важным для существования разнообразных форм жизни на Земле. Поглощение озоном коротковолновой солнечной радиации и излучение в инфракрасной области спектра (в окрестности 9.6 мкм) служат важнейшими составляющими радиационного и термического баланса атмосферы. Наличие стратосферного озонного слоя радикальным образом влияет на температурную стратификацию стратосферы и, тем самым, оказывает важное воздействие на динамические процессы и климат стратосферы. Благодаря высокой химической активности озон играет важнейшую роль в химических процессах в различных слоях атмосферы. Участвуя во множестве реакций, он влияет на содержание других малых газовых составляющих атмосферы, обладающих важными радиационными или химическими свойствами. В свою очередь, фотохимический баланс озона существенно зависит от концентраций других малых примесей атмосферы из разных химических семейств.

Из малых атмосферных примесей, кроме озона, в диссертации рассмотрены, в частности, двуокись азота NO₂, закись азота N₂O, азотная кислота HNO₃, метан CH₄. Двуокись азота - важнейший компонент семейства окислов азота, которое вносит основной вклад в химической разрушение озона в средней стратосфере. Присутствие NO₂ необходимо для фотохимического образования озона в нижней тропосфере. Метан и закись азота - важнейшие после углекислого газа парниковые газы атмосферы. Кроме того, закись азота служит основным источником окислов азота в стратосфере, а метан - важным источником гидроксила ОН в тропосфере и стратосфере. Метан - также важнейший поставщик водяного пара в стратосфере и мезосфере, который тоже является важным источником гидроксила. Цепочка окисления метана приводит к образованию перегидроксила водорода HO₂, который, наряду с гидроксилом ОН, играет важнейшую роль в фотохимии тропосферного и стратосферного озона. Азотная кислота служит важным резервуаром химически активных окислов азота в нижней стратосфере, а ее вымывание в тропосфере - основным механизмом удаления химически активных азотсодержащих соединений из атмосферы.

Актуальность проблемы исследования. Чрезвычайно важная роль озона и связанных с ним атмосферных примесей в радиационных, химических и динамических процессах в атмосфере определяет актуальность всестороннего исследования их пространственно-временнуй изменчивости. О серьезном внимании, уделяемом изучению озона и других атмосферных примесей, свидетельствует большое число национальных и международных программ в рамках Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Подписание в 1987 г. Монреальского протокола было направлено на предотвращение начавшегося истощения стратосферного озонного слоя. Регулярно наблюдавшееся в течение последних 20-25 лет сильное уменьшение содержания озона над южной полярной областью в весеннее время (антарктическая «озонная дыра») и обусловленное этим увеличение уровня биологически активной УФ радиации и климатические изменения в нижней тропосфере над Антарктикой и прилегающими областями подтвердили злободневность проблемы.

Цель и задачи. Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование вариаций содержания озона и других газовых атмосферных составляющих на различных временных масштабах с оценкой амплитудных и фазовых характеристик вариаций и выявлением их региональных и крупномасштабных особенностей.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.

1. Изучение характеристик годового хода содержаний озона, двуокиси азота, закиси азота, метана, азотной кислоты.

2. Изучение особенностей и механизмов изменчивости содержания озона и двуокиси азота в полярных областях.

3. Изучение квазидвухлетних вариаций озона, температуры, давления, скорости ветра в стратосфере и тропосфере.

4. Изучение вариаций состава, температуры и динамики средней и верхней атмосферы под воздействием вариаций уровня солнечной активности.

5. Изучение эффектов долговременной изменчивости и трендов содержания озона и двуокиси азота в стратосфере; оценки долговременных изменений термического режима средней атмосферы.

6. Анализ спектральных и структурных закономерностей пространственно-временной изменчивости озона и двуокиси азота.

Научная новизна.

1. Впервые проведены наблюдения NO₂ в восточной Антарктиде и широком широтном секторе Атлантики северного и южного полушарий, получен уникальный материал о временнуй изменчивости и широтном распределении этой примеси. Получен первый и до сих пор единственный широтный профиль концентрации озона в приземном слое Антарктиды по измерениям с самолета. Впервые по данным дистанционных спектрометрических измерений на Звенигородской научной станции ИФА РАН получен многолетний материал одновременных измерений содержания NO₂ в стратосфере и тропосфере.

2. Впервые выполнен анализ пространственной динамики основных фаз годового цикла содержания примесей, характеризующих различные режимы эволюции примесей в годовом ходе.

3. Обнаружены два режима квазидвухлетней цикличности зональной скорости ветра в экваториальной стратосфере с периодами 2 и 2.5 года. Вариации с такими же периодами обнаружены в концентрации озона, температуре, давлении, скорости ветра в стратосфере и тропосфере внетропических широт северного полушария.

4. В различных атмосферных параметрах и концентрации озона обнаружены вариации с комбинационными частотами квазидвухлетней цикличности и годового цикла.

5. Показано, что квазидвухлетние вариации концентрации озона, температуры, давления, скорости ветра в тропосфере и стратосфере внетропических широт северного полушария обусловлены комбинированным влиянием Эль-Ниньо - Южного колебания, Североатлантического колебания и квазидвухлетней цикличности в экваториальной стратосфере.

6. Обнаружены и проанализированы эффекты воздействия 11-летнего цикла солнечной активности на годовой ход стратосферного озона и получены оценки вклада динамического переноса в 11-летние вариации концентрации стратосферного озона во внетропических широтах северного и южного полушарий. Показано, что термический и химический отклик атмосферы на 27-суточные вариации коротковолновой солнечной радиации имеет перемежающийся и нелинейный характер.

7. Предложен и рассмотрен новый механизм внутрисуточной и межсуточной изменчивости концентрации озона в приземном слое атмосферы в Антарктиде за счет изменений циркуляции с участием стокового ветра (холодного воздуха, стекающего по антарктическому куполу под действием силы тяжести). Получены первые результаты о содержании и изменении стратосферного содержания NO₂ в восточной Антарктиде.

8. Проанализированы первые широтные разрезы общего содержания NO₂, полученные с помощью единого прибора, и выявлена тонкая структура широтного распределения NO₂.

9. Впервые выявлены и оценены линейные тренды характеристик годового хода общего содержания озона. Получена и проанализирована неизвестная ранее широтная структура линейных трендов стратосферного содержания NO₂.

10. Показано, что в долговременные изменения термического режима мезосферы могут вносить значительный вклад не только изменения концентраций радиационно-активных газов, но и вероятные долговременные изменения активности внутренних гравитационных волн.

11. Впервые показано, что спектры мощности флуктуаций содержания NO₂ в приземном слое атмосферы в диапазоне периодов от нескольких суток до нескольких месяцев подчиняются степенному закону с показателем около -0.4. Обнаружено, что меридиональные вариации концентрации озона в стратосфере в диапазоне горизонтальных масштабов от 200 до 6500 км подчиняются закону статистического самоподобия, показатель которого зависит от высоты и сезона.

Достоверность научных положений и полученных результатов обусловлена большим объемом экспериментального материала, на основе которого сделаны основные выводы работы, подтверждением результатов с помощью различных методов анализа, использованием для интерпретации результатов наблюдений численных и аналитических моделей.

Научная и практическая значимость полученных результатов.

1. В работе решена крупная научная проблема исследования особенностей и механизмов пространственно-временной изменчивости атмосферного озона и связанных с ним малых газовых составляющих атмосферы (NO₂, N₂O, HNO₃, CH₄ и других), имеющих важное значение в формировании климата средней и верхней атмосферы.

2. Полученные автором закономерности вариаций содержания озона и двуокиси азота на различных временных масштабах, количественные оценки амплитуд и фаз вариаций этих примесей и характеристики их связи с изменениями циркуляции атмосферы и уровнем солнечной активности важны для понимания естественной изменчивости атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей и прогноза межгодовых и многолетних изменений содержания озона.

3. Несомненную ценность представляют результаты исследований межгодовых и многолетних изменений общего содержания озона, позволяющие вследствие этого осуществлять прогноз среднего уровня биологически активной ультрафиолетовой (УФ) солнечной радиации на поверхности Земли. Полученные автором результаты о квазидвухлетней цикличности общего содержания озона использованы для теоретической оценки межгодовых вариаций дозы УФ радиации, получаемой биосферой Арктики.

4. Усовершенствованная автором двумерная модель фотохимии, динамики и радиации атмосферы служит для изучения воздействия кратковременных и долговременных изменений содержания радиационно- и химически активных газов на температуру и состав средней атмосферы. Разработанная автором одномерная фотохимическая модель используется в задаче мониторинга NO₂ в стратосфере и тропосфере на Звенигородской научной станции ИФА РАН, в том числе при мониторинге загрязнения приземного слоя атмосферы окислами азота. Разработанная автором параметризация фотохимических процессов в уравнении переноса озона будет использована в климатической модели ИФА РАН.

5. Разработанная при активном участии автора методика измерений содержания NO₂ и результаты измерений содержания NO₂ на Звенигородской научной станции ИФА успешно используются для валидации спутниковых измерений содержания NO₂. Звенигородская научная станция включена в состав Международной сети по обнаружению стратосферных изменений (Network for the Detection of Stratospheric Change - NDSC), а результаты регулярных измерений содержания NO₂ в столбе стратосферы на Звенигородской станции представлены в базе данных NDSC и доступны для использования.

6. Полученные автором результаты о пространственной и временнуй изменчивости атмосферного озона и других атмосферных примесей используются для тестирования атмосферных моделей.

7. Научная и практическая значимость выполненных автором исследований подтверждается также тем, что они проводились по программам ГНТП № 18, Президиума РАН № 16 и 30, международным программам MAP (Middle Atmosphere Program), ARM (Atmospheric Radiation Measurements), международной программе Европейского космического агентства “Calibration and Validation of the Ozone Monitoring Instrument Data”, в рамках хоздоговорных работ, в составе 33-й и 34-й Советских антарктических экспедиций.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Амплитудные и фазовые характеристики сезонных изменений широтно-высотных полей содержания озона, метана, закиси азота, азотной кислоты, широтно-долготного поля общего содержания озона. Широтная структура характеристик годового и суточного хода стратосферного содержания двуокиси азота.

2. Исследование механизмов изменчивости содержания озона и двуокиси азота в полярных областях. Выявлен новый механизм внутрисуточной и межсуточной изменчивости приземного озона в Антарктиде под действием стоковых ветров. Выявлена связь вариаций стратосферного содержания NO₂ в Антарктике с эволюцией зимнего стратосферного циркумполярного вихря.

3. Результаты исследования квазидвухлетних вариаций общего содержания озона, концентрации озона, температуры, давления, скорости ветра в стратосфере и тропосфере. Выявлены два режима квазидвухлетних вариаций указанных параметров с периодами около 2 и 2.5 лет, а также колебания с периодами около 20 и 8.5 мес, соответствующими комбинационным частотам квазидвухлетних вариаций и годового цикла.

4. Результаты исследования вариаций состава, температуры и динамики средней и верхней атмосферы под воздействием вариаций уровня солнечной активности. Обнаружено влияние 11-летних вариаций солнечной активности на характеристики годового хода содержания стратосферного озона. Всесторонне исследован отклик средней и верхней атмосферы на вариации уровня солнечной активности с периодом 27 суток.

5. Оценки линейных трендов содержания двуокиси азота в стратосфере; оценки линейных трендов амплитудных и фазовых характеристик годового хода общего содержания озона; оценки долговременных изменений термического режима средней атмосферы в результате возрастания концентраций парниковых газов и возможных долговременных изменений активности внутренних гравитационных волн.

Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Постановка всех научных задач и планирование экспериментов и экспедиций сделаны автором. Анализ результатов измерений и модельных расчетов, главным образом, выполнены автором. Автором разработаны использованные в диссертации аналитические модели, выполнено усовершенствование двумерной численной модели фотохимии, радиации и динамики атмосферы SOCRATES и проведены все использованные в диссертации расчеты на ней. Автор является инициатором, руководителем и непосредственным участником измерений содержания двуокиси азота в Антарктиде, Атлантике и на Звенигородской научной станции. Методика определения содержания NO₂ по результатам дистанционных спектрометрических измерений разработана при активном участии автора. Измерения концентрации озона в Антарктиде, представленные в диссертации, выполнены, главным образом, автором.

Апробация работы. По теме диссертации было сделано несколько десятков докладов на отечественных и международных симпозиумах, конференциях и совещаниях. Результаты работы докладывались на трех Четырехгодичных озонных симпозиумах (ФРГ, 1988 г.; США, 1992 г.; Греция, 2004 г.), на XVI (ФРГ, 1991 г.), XVII (Англия, 1992 г.), XVIII (ФРГ, 1993 г.), XIX (Франция, 1994 г.), XX (ФРГ, 1995 г.), XXI (Нидерланды, 1996 г.), XXVI (Франция, 2001 г.) и XXVII (Франция, 2002 г.) Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества, на 2-м (Норвегия, 1992 г.), 3-м (США, 1994 г.) и 4-м (Нидерланды, 1996 г.) Циркумполярных симпозиумах по дистанционному зондированию окружающей среды Арктики, на 31-й (Англия, 1996 г.), 32-й (Япония, 1998 г.) и 36-й (Китай, 2006 г.) Научных ассамблеях COSPAR, на 1-й (Австралия, 1996 г.) и 2-й (Аргентина, 2000 г.) Генеральных ассамблеях SPARC, на V, X и XIV международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Россия, 1998, 2003 и 2007 гг.), на VI Всесоюзном симпозиуме по атмосферному озону (1985 г.), Всесоюзной конференции по атмосферному озону (1988 г.), Всесоюзной конференции «Взаимосвязь региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере» (1988 г.), Международном симпозиуме по исследованиям средней атмосферы (СССР, 1989 г.), Международной конференции «Климат северных широт» (Норвегия, 1990 г.), Симпозиуме по тропосферной химии антарктического региона (США, 1991 г.), V Совещании по атмосферной оптике (СССР, 1991 г.), Симпозиуме по наукам о средней атмосфере (Япония, 1992 г.), Международном рабочем совещании по электродинамике и составу мезосферы (Россия, 1992 г.), Международном симпозиуме по экологическим эффектам загрязнения окружающей среды Арктики (Исландия, 1993 г.), Международной конференции по прошлому, настоящему и будущему климату (Финляндия, 1995 г.), Международной конференции по озону в нижней стратосфере (Греция, 1995 г.), Шестой научной конференции Проекта по глобальной атмосферной химии (IGAC) (Италия, 1999 г.), Второй международной конференции “Состояние и охрана воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекреационных регионов” (Россия, 2000 г.); Международном радиационном симпозиуме (Россия, 2000 г.); Генеральной ассамблее IAMAS (Австрия, 2001 г.); Международном рабочем совещании “Развитие наземной сети наблюдений двуокиси азота в стратосфере” (Россия, 2001 г.), Международном симпозиуме стран СНГ “Атмосферная радиация” (Россия, 2002 г.), Объединенной ассамблее EGS-AGU-EGU (Франция, 2003 г.), Всемирной конференции по изменению климата (Россия, 2003 г.), Международной конференции по оптическим технологиям для изучения атмосферы, океана и окружающей среды (Китай, 2004 г.), Генеральной ассамблее EGU (Австрия, 2005 г.), Ассамблее IAMAS «Увлекательная атмосфера: изменяемая и изменчивая» (Китай, 2005 г.). Кроме того, результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета ИФА РАН, Президиума РАН, на Секции метеорологии и атмосферных наук Национального геофизического комитета России, на Межведомственных семинарах по атмосферному озону (ИФА РАН), на семинарах в ИФА РАН, Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург), в Лаборатории аэрономии Национальной администрации по исследованиям океана и атмосферы (NOAA, Боулдер, США), в Институте исследований окружающей среды Кёльнского университета (Кёльн, Германия), на обсерватории Хоэнпайсенберг (Германия).

По теме диссертации опубликовано более 100 научных работ, в том числе 44 в ведущих рецензируемых отечественных и иностранных журналах и изданиях. Некоторые результаты диссертации опубликованы в отчете Всемирной метеорологической организации “Scientific Assessment of Stratospheric Ozone: 1989”. Автор диссертации был одним из ведущих авторов (Lead authors) первой главы отчета Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) “Safeguarding the Ozone Layer and the Global Climate System: Issues Related to Hydrofluorocarbons and Perfluorocarbons” (2005 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и приложения. Она содержит 328 страниц, включая 6 страниц приложений, 127 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 545 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена новизна полученных результатов и выводов, их достоверность, личный вклад автора, обосновывается научная и практическая значимость работы. Выделены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 «Основные процессы и механизмы, определяющие пространственное распределение и баланс малых газовых примесей в атмосфере». В первой главе приводятся основные сведения о фотохимических и динамических процессах, оказывающих влияние на распределение и временнэю эволюцию атмосферных примесей. Конкретизируется понятие характерного времени фотохимической релаксации (ХВФР) примеси к состоянию фотохимического равновесия. Рассмотрены основные временные циклы примесей и дан краткий обзор современного состояния проблемы их изучения.

В разделе 1.1 на основе уравнения переноса примеси обсуждается роль динамических и фотохимических процессов в изменении содержаний примесей.

В разделе 1.2 получено аналитическое решение упрощенного дифференциального уравнения фотохимической эволюции озона с квадратичной нелинейностью. Параметрами решения являются фотохимически равновесная концентрация озона и ХВФР, которые выражаются аналитически через концентрации ОН, НО₂, Н₂О₂, NO, NO₂, HNO₃, СН₃О₂, плотность воздуха и коэффициенты скоростей реакций. Рассчитаны широтно-высотные распределения этих параметров в зависимости от сезона с привлечением данных о других атмосферных примесях, полученных по расчетам на 2-мерной фотохимической модели SOCRATES (описана в главе 2).

В разделе 1.3 рассмотрены основные процессы динамического переноса примесей, действующие на глобальном и региональном масштабах. Дан обзор современного состояния научных знаний о процессах крупномасштабного переноса в стратосфере, влиянии на примеси тропосферной циркуляции и изменений высоты тропопаузы, тропосферно-стратосферном обмене, крупномасштабных модах циркуляции, обратных связях озона и атмосферной динамики.

В разделе 1.4 рассматриваются основные временные циклы содержания примесей. Обсуждается состояние знаний и современные проблемы сезонных изменений, суточных вариаций, квазидвухлетних вариаций примесей, воздействие на атмосферу 11-летнего цикла солнечной активности и 27-суточного цикла коротковолновой солнечной радиации.

В разделе 1.5 приводится современная информация о многолетних изменениях и трендах стратосферного содержания озона и NO₂, подробно освещена проблема многолетних изменений и трендов термических и циркуляционных характеристик мезосферы.

Глава 2 «Данные и методы исследования». Глава 2 содержит информацию о данных наблюдений, привлекавшихся для решения задач диссертационной работы, использованных численных и аналитических моделях атмосферы, методах анализа данных измерений и моделирования.

Раздел 2.1 приводит информацию об использованных данных наблюдений с указанием источника и, при необходимости, краткой характеристикой особенностей данных. Использованы опубликованные среднезональные эмпирические модели широтно-высотных распределений и сезонных вариаций температуры и состава атмосферы (О₃, СН₄, N₂O, HNO₃), данные многолетних наземных измерений общего содержания озона (ОСО) на станциях мировой озонометрической сети и со спутников (прибор TOMS), данные одновременных измерений вертикальных профилей озона и метеопараметров с помощью озонозондов, данные о вертикальных профилях озона по измерениям со спутника (прибор SBUV), результаты измерений приземной концентрации озона в Антарктиде (в основном, измерения автора), данные измерений стратосферного содержания NO₂ на Сети по обнаружению стратосферных изменений (NDSC) и с участием автора - в Антарктике, Атлантическом океане и на Звенигородской научной станции ИФА (ЗНС). Результаты измерений на ЗНС включают также данные о содержании NO₂ в приземном слое атмосферы. Кроме того, использовались данные о скорости экваториального стратосферного ветра, индексах крупномасштабных мод циркуляции, индексах солнечной активности из баз данных в Интернете, данные о спектральных потоках солнечной радиации по измерениям со спутника UARS (предоставлены Ю. Лин из Центра космических исследований им. Е.О. Халберта в Вашингтоне).

В разделе 2.2 дано краткое описание применявшихся моделей. Это двумерная (высота-широта) численная модель фотохимии, радиации и динамики атмосферы SOCRATES, разработанная в Национальном центре атмосферных исследований США (NCAR) и частично усовершенствованная автором; трехмерная глобальная химико-климатическая модель HAMMONIA, разработанная недавно в Институте метеорологии им. Макса Планка в Гамбурге; одномерная фотохимическая модель атмосферы, разработанная автором для интерпретации результатов измерений содержания NO₂ в стратосфере; аналитическая двумерная (в координатах широта-долгота) модель бароклинной атмосферы с учетом озонных притоков тепла, разработанная автором на основе динамической модели, первоначально сформулированной А.М. Обуховым.

В разделе 2.3 описаны некоторые методы анализа, применявшиеся в данной работе, которые требуют определенных комментариев. Это метод амплитудно-фазовых характеристик, предложенный И.И. Моховым, вейвлетный анализ, спектральные методы высокого разрешения, кросс-спектральный анализ высокого разрешения, методы анализа нелинейной изменчивости: метод Грассбергера-Прокачча анализа размерности временнуго ряда и анализ отображения окружности.

Глава 3 «Анализ сезонных изменений содержания примесей в стратосфере». Эта глава посвящена анализу сезонных изменений содержания озона, NO₂, N₂O, CH₄, HNO₃ в атмосфере. Основным материалом для исследований послужили данные спутниковых, сетевых наземных и озонозондовых измерений, а также результаты измерений (с участием автора) содержания озона и NO₂ в Атлантике с корабля и многолетних измерений NO₂ на Звенигородской научной станции. Впервые выполнен анализ пространственной динамики основных фаз годового цикла содержания примесей, характеризующих различные режимы эволюции примесей в годовом ходе. Для интерпретации части результатов анализа использованы модельные расчеты.

В разделе 3.1 проведена диагностика пространственно-временнуй динамики широтно-высотных полей озона, CH₄, N₂O, HNO₃ в годовом ходе (ГХ) на основе данных спутниковых (эмпирические модели) и озонозондовых измерений с применением различных методов анализа, включая метод амплитудно-фазовых характеристик. Изучены амплитудные характеристики ГХ примесей, которые характеризуются эволюцией во времени границ областей увеличения или уменьшения содержания примеси на заданную величину относительно распределения примеси в конкретный месяц. Выполнен анализ динамики важных фазовых характеристик ГХ примесей: 0-фазы, или фазы роста, и р-фазы, или фазы уменьшения, соответствующих моментам пересечения кривой годового хода со среднегодовым режимом на стадиях роста (0-фаза) и уменьшения (р-фаза) содержания примеси, фаз экстремальных значений содержания примесей в ГХ, соответствующих годовым максимуму и минимуму. На рис. 1 для примера показана широтно-высотная динамика 0-фазы ГХ отношения смеси озона в стратосфере. Режим 0-фазы в верхней стратосфере южного полушария (ЮП) берет начало осенью в высоких широтах и распространяется к экватору, а затем вниз в направлении субтропической области в средней стратосфере, которой он достигает весной. В средних широтах ЮП происходит опускание режима 0-фазы в средней стратосфере, также с локализацией субтропической области. Запаздывание режима 0-фазы в субтропических широтах характерно и для северного полушария (СП). Существенное отличие от ЮП состоит в том, что в средней стратосфере СП режим 0-фазы распространяется из арктической области, где он наблюдается уже в первой половине зимы. В верхней стратосфере СП режим 0-фазы распространяется в течение осени от уровня 40 км над Арктикой в направлении экваториальной стратопаузы.

Важно, что динамика разных фаз ГХ примесей может существенно, даже принципиально, различаться. Это зависит от степени ангармоничности ГХ. Ее анализ выполнен по структурным характеристикам ГХ - интервалам превышения (продолжительность времени в году, когда содержание примеси выше среднегодового) и роста (продолжительность времени в году, когда содержание примеси возрастает).

Анализ данных озонозондовых измерений выявил, что сезонные изменения содержания озона в тропосфере в зимне-весенний период определяются притоком озона из стратосферы. На основе проинтегрированного по тропосфере уравнения переноса озона получена оценка потока озона через тропопаузу во внетропических широтах СП, среднее значение которой для этих широт составило около 10¹¹ мол/cм² в секунду.

Особенности эволюции в годовом ходе широтно-высотного поля стратосферного содержания закиси азота демонстрируются на рис. 2. На нем показаны границы областей увеличения отношения смеси N₂O на 1 млрд^-1 относительно майского и ноябрьского распределений. Налицо важные межполушарные различия процессов роста концентрации N₂O. В течение севернополушарного лета фронт увеличения N₂O относительно майского распределения продвигается из тропиков в высокие широты СП. Распространение в направлении ЮП стабилизируется на экваторе. В течение южнополушарного лета происходит расширение области роста N₂O относительно ноябрьского распределения не только в средние широты летнего, ЮП, но и в средние широты зимнего, СП. При этом зимой в арктической стратосфере возникает изолированная область увеличения N₂O, граница которой продвигается в средние широты СП.

Диагностика ГХ примесей показала, что особенности динамики ГХ разных примесей в целом существенно различаются. Конкретные механизмы, ответственные за эти особенности, должны изучаться с привлечением численных моделей. В то же время результаты диагностики полезны для тестирования моделей. По результатам расчетов на 2-мерной фотохимической модели, выполненных И.Л. Каролем и А.П. Кудрявцевым, получено достаточно хорошее качественное соответствие амплитудно-фазовых характеристик ГХ озона с нашими результатами.

Анализ амплитудно-фазовых характеристик ГХ температуры показал, что особенности ГХ озона в верхней стратосфере связаны с эволюцией поля температуры.

В разделе 3.2 выявлены региональные особенности ГХ ОСО по данным измерений на мировой озонометрической сети. По фазовым характеристикам ГХ выделены географические области наиболее раннего достижения разных фаз ГХ над северо-востоком Азии, Средней Азией и средними широтами Северной Америки. Среднеширотные области долготно соответствуют положениям зимних квазистационарных ложбин в поле геопотенциала в нижней стратосфере СП. С помощью аналитической двумерной озонно-динамической модели показано, что основные общие особенности широтно-долготной динамики фаз ГХ ОСО можно объяснить сезонной эволюцией квазистационарных планетарных волн.

В разделе 3.3 рассмотрены сезонные и суточные вариации стратосферного содержания NO₂ по данным многолетних утренних и вечерних измерений общего содержания (ОС) и вертикального распределения NO₂ на Звенигородской станции и по данным измерений ОС NO₂ на сети NDSC. Выявлены особенности широтного распределения ОС NO₂ в зависимости от сезона по измерениям с борта корабля (с участием автора). Получена широтная структура суточных и сезонных вариаций ОС NO₂.

В данных измерений суточные вариации проявляются в разности утренних и вечерних значений содержания NO₂ при бульших значениях вечернего содержания. Эта разность имеет ярко выраженный сезонный и широтный ход. Широтные максимумы разности во все сезоны находятся в окрестности 40N и 40-45S, где достаточно велики как содержание NO₂, так и длительность дня и ночи. В процентном отношении они достигают 50-60%. Сезонные максимумы разности в этих поясах достигаются в СП летом, а в ЮП - в конце весны - начале лета в окрестности годовых максимумов ОС NO₂. В полярных широтах величина разности между вечерними и утренними значениями ОС NO₂ мала, а в периоды летнего и зимнего солнцестояний практически отсутствует, в соответствии с фотохимическими представлениями.

Сезонный ход стратосферного содержания NO₂ примерно следует за годовым ходом солнечной инсоляции и характеризуется летним максимумом и зимним минимумом. Максимальные по СП и ЮП абсолютные значения ОС NO₂, превышающие по данным вечерних измерений 6•10¹⁵ мол/см², наблюдаются в середине лета в окрестностях 40N и 60S, минимальные (менее 10¹⁵ мол/см²) - в середине зимы в северной и южной полярных областях.

Значительные сезонные вариации содержания NO₂ в стратосфере приводят к тому, что содержание NO₂ в летнем полушарии выше содержания NO₂ в зимнем полушарии. Этим объясняются глобальные закономерности полученных нами трех широтных разрезов ОС NO₂ в Атлантике и их сезонная зависимость. По этим измерениям выявлена также тонкая широтная структура ОС NO₂, которая определяется региональными, в том числе, динамическими процессами. В частности, особенности широтного распределения ОС NO₂ в разные сезоны связаны с положением и эволюцией стратосферного циркумполярного вихря и положением верхнетропосферного субтропического струйного течения.

Амплитуда годового хода ОС NO₂ минимальна на экваторе и практически монотонно нарастает с широтой. В полярных областях амплитуда ГХ достигает 80% от среднегодового значения ОС NO₂. На экваторе значение амплитуды менее 10%. В годовом ходе ОС NO₂ доминирует годовая гармоника, за исключением экватора, где амплитуды годовой и полугодовой гармоник сравнимы по величине.

После извержения в 1991 г. вулкана Пинатубо наблюдалась значительная отрицательная аномалия содержания NO₂ в стратосфере, длившаяся около 3-х лет. В абсолютных единицах максимальный эффект уменьшения ОС NO₂ отмечен летом и в процентном отношении по данным вечерних измерений составил 20-25% на всех широтах. Процентное уменьшение утренних значений ОС NO₂ варьирует с широтой в пределах от 25 до 35%.

Глава 4 «Особенности временнуго режима содержания озона и NO₂ в полярных областях». Особенности временных режимов озона и NO₂ в полярных областях более подробно исследованы в 4-й главе. Изучались суточные, межсуточные и сезонные вариации. Наблюдательным материалом послужили данные озонозондовых измерений и результаты измерений содержания озона и NO₂ в Антарктике (с участием автора).

В разделе 4.1 анализируются особенности регулярных сезонных вариаций и внутригодовой изменчивости озона в полярных областях по данным озонного зондирования на станциях Алерт (82.5N) и Резольют (75N) в канадской Арктике и Сёва (62S) и Амундсен-Скотт (Южный полюс) в Антарктиде. Выявлены особенности сезонной и внутрисезонной эволюции озона в полярных областях по сравнению со средними широтами.

Показано, в частности, что важную роль в динамике и внутригодовой эволюции тропосферного озона в Арктике играет приток озона из стратосферы в зимне-весеннее время. Однако, в отличие от средних широт СП, влияние стратосферно-тропосферного обмена в Арктике не распространяется на пограничный слой атмосферы, для которого характерна особая, обособленная от вышележащих слоев, внутригодовая эволюция О₃. Это указывает на динамическую изолированность пограничного слоя, при которой затруднен обмен озоном с вышележащими слоями атмосферы. На содержание и изменчивость озона в арктической стратосфере в отдельные годы оказывают сильное влияние внезапные зимние стратосферные потепления. Показано, что они могут вызывать не только увеличение, как считалось прежде, но и уменьшение концентрации озона в области потепления.

Доминирующая особенность сезонного хода стратосферного озона в антарктической стратосфере, начиная с 80-х гг. прошлого столетия, -значительный весенний дефицит озона в нижней стратосфере - т.н. «озонная дыра». Наряду с этим в диссертации показано, что сильное уменьшение концентрации озона в стратосфере, сравнимое по величине и продолжительности с эффектом «озонной дыры», имело место и значительно раньше - в начале 70-х гг.

Корреляционный анализ концентрации О₃, температуры, зональной и меридиональной составляющих скорости ветра показал, что внутрисезонная изменчивость озона в полярных областях выше примерно 25 км в осенне-зимний период определяется вихревым переносом. Изменчивость O₃ в слое от уровней средней тропосферы до высот нижней стратосферы тесно связана с режимом циркуляции в окрестности тропопаузы; конкретные механизмы этой связи требуют изучения.

Раздел 4.2 посвящен сезонным и внутрисезонным изменениям двуокиси азота в Антарктике по данным измерений с активным участием автора в 1987/88 гг. на станциях Молодежная и Мирный и в 1989 г. в море Уэдделла, в результате которых впервые получены результаты о стратосферном содержании NO₂ в восточной Антарктиде и его изменениях. Показано, что финальное потепление в стратосфере над Антарктидой в начале декабря 1987 г. сопровождалось сильным увеличением ОСО (на 100 е.Д.) и ОС NO₂ (более чем в 3 раза, см. рис. 3). В последующий летне-осенний период происходит постепенное уменьшение ОСО и ОС NO₂, на которое наложены вариации, обусловленные синоптическими процессами.

По измерениям в сентябре-октябре 1989 г. с борта корабля в широтном поясе 62-66єS обнаружены значительные согласованные вариации ОС NO₂ (до 100%) и температуры, обусловленные зональной волновой структурой стратосферного циркумполярного вихря и его эволюцией.

Таким образом, содержание и изменчивость ОС NO₂ в Антарктике в весенний период ключевым образом зависят от интенсивности и положения стратосферного циркумполярного вихря. Большие градиенты концентрации NO₂ в области вихря в направлении периферии вихря вызывают значительную изменчивость ОС NO₂ в неподвижной точке наблюдений при эволюции вихря. Сезонный рост ОС NO₂ в Антарктиде отличается большой скоростью и определяется временем разрушения стратосферного вихря во время весенней перестройки циркуляции.

В разделе 4.3 исследуются механизмы изменчивости приземной концентрации озона в Антарктиде. Основная часть данных получена автором. По измерениям приземной концентрации озона на побережье Антарктиды исследованы внутрисуточные и межсуточные вариации озона. Выявлены различные режимы изменчивости приземного озона, обусловленные циклонической активностью и циркуляцией в системе стоковых ветров. Показано, что стоковый ветер осуществляет перенос озона в прибрежную зону с континента. Суточные вариации направления приземного ветра воздействуют на суточные вариации приземного озона.

Воздействие циркуляции, связанной со стоковыми ветрами, на приземный озон распространяется и на межсуточный масштаб. Обнаружена сильная положительная корреляция концентрации приземного озона с температурой тропосферы выше пограничного слоя и антикорреляция с относительной влажностью. Это обусловлено вовлечением в сток влажного морского воздуха. Усиление режима стоковых ветров приводит к увеличению концентрации О₃ в приземном слое. Это подтверждается выполненными автором измерениями широтного распределения О₃ в приземном слое Антарктиды с самолета, которые показали, что приземная концентрация О₃ увеличивается при удалении вглубь континента.

Глава 5 «Квазидвухлетние вариации содержания озона и метеопараметров». Эта глава посвящена анализу квазидвухлетних вариаций скорости экваториального стратосферного ветра, концентрации озона, температуры, давления, скорости ветра в тропосфере и стратосфере северного полушария по данным многолетних сетевых радиозондовых и озонозондовых измерений и данным сетевых наземных измерений общего содержания озона.

В разделе 5.1 выполнен подробный и всесторонний анализ вариаций зональной скорости экваториального стратосферного ветра в слое 70-10 гПа. Обнаружены два режима квазидвухлетней цикличности (КДЦ) скорости ветра с периодами 2 и 2.5 года. Важно, что этот результат получен тремя независимыми методами: методом вейвлет-преобразования, путем спектрального анализа высокого разрешения и путем анализа отображения окружности. Наличие этих двух периодов подтверждается и существованием спектральных максимумов с периодами 12 и 6 мес, а также 15, 10 и даже 7.5 мес, соответствующими гармоникам основных периодичностей. Режимы колебаний со средними периодами 2 и 2.5 года периодически сменяют друг друга, примерно с периодом цикла солнечной активности. Наряду с этим в спектрах скорости экваториального стратосферного ветра обнаружены спектральные пики на периодах 20, 8 и 8.7 мес, соответствующих комбинационным частотам двух режимов КДЦ и годового цикла, которые можно объяснить взаимодействием КДЦ с годовым циклом в силу нелинейности уравнений гидротермодинамики.

Частоты двух основных режимов КДЦ находятся в дробно-рациональном отношении к частоте годового колебания (1/2 и 2/5), указывая на синхронизацию КДЦ с годовым ходом. В качестве механизма синхронизации высказана возможность затягивания частоты и запирания фазы квазидвухлетних колебаний. Как известно, такие эффекты могут наблюдаться в нелинейных системах с периодической вынуждающей силой.

В разделе 5.2 рассмотрены квазидвухлетние вариации (КДВ) концентрации озона и метеопараметров (температуры, давления, зональной и меридиональной составляющих скорости ветра) по данным озонного зондирования в североамериканском (Канада) и западноевропейском регионах. С помощью спектрального анализа высокого разрешения показано, что квазидвухлетние вариации этих величин в тропосфере и стратосфере имеют периоды, которые группируются в окрестности определенных значений, чаще всего вблизи значений 2 и 2.5 года. В большинстве случаев значительны вариации с периодом около 20 мес, соответствующим одной из комбинационных частот (см. выше). Обнаружены важные, в ряде случаев принципиальные различия КДВ различных параметров на одной и той же станции, а также различия КДВ одного и того же параметра не только между регионами, но и в пределах одного и того же региона. Примеры спектров концентрации озона, температуры и зональной составляющей скорости ветра на двух канадских станциях Черчилль и Эдмонтон показаны на рис. 4.

Кросс-спектральный анализ высокого разрешения показал, что сложную картину и разнообразие квазидвухлетних эффектов можно объяснить комбинированным влиянием на внетропическую атмосферу КДЦ в экваториальной стратосфере, Эль-Ниньо-Южного колебания (ЭНЮК) и Северо-Атлантического колебания (САК). Физические механизмы воздействий этих факторов на различные параметры могут быть разными. Это объясняет различия КДВ разных параметров даже для одной и той же станции.

Вариации стратосферного озона с периодом около 2.5 лет в обоих регионах статистически связаны с аналогичными вариациями скорости ветра в экваториальной стратосфере и с вариациями индекса ЭНЮК. Двухлетние вариации озона в стратосфере над Западной Европой связаны с ЭНЮК, а 2-летние вариации озона в тропосфере - с САК. Выявлена более четкая связь 2.5-летних вариаций температуры с ЭНЮК, чем с экваториальной КДЦ. 2-летние вариации температуры в стратосфере и тропосфере объясняются вариациями ЭНЮК или САК. КДВ зональной и меридиональной составляющих скорости ветра в тропосфере и стратосфере над Канадой в большей мере, чем другие параметры, связаны с САК, которое влияет не только на 2-летние, но и на 2.5-летние вариации ветра. Однако над Западной Европой они определяются в первую очередь влиянием ЭНЮК.

КДВ озона характеризуются значительным фазовым сдвигом по вертикали (а в европейском регионе - и по горизонтали), что приводит к трудностям изучения КДВ в общем содержании озона.

В разделе 5.3 выполнен анализ квазидвухлетних вариаций ОСО по данным измерений на мировой озонометрической сети. Несмотря на отмеченные выше трудности, он представляет немалый интерес ввиду значительно большего количества станций наблюдения ОСО и возможности более подробного изучения горизонтальной неоднородности характеристик КДВ озона. Показано, что значения ОСО в периоды западной и восточной фаз экваториального стратосферного ветра различаются, и соответствующая разность ОСО сезонно зависима. Горизонтальное распределение КДВ ОСО можно описать в терминах сезонной эволюции этой разности ДХ = X_w - Х_е, где индексы "w'' и "е" соответствуют западной и восточной фазам экваториального ветра на уровне 50 гПа. Отметим, например, уменьшение амплитуды и дробление крупномасштабной зональной структуры разности с изменением зонального волнового числа от 1 до 4 от зимы к лету. Для тропического пояса в целом характерны положительные, а для средних и высоких широт - отрицательные значения разности.

По результатам спектрального анализа высокого разрешения выявлены КДВ ОСО и вариации с комбинационной частотой. КДВ ОСО определяются в основном колебаниями с периодами 28-30 мес. Период вариаций с комбинационной частотой находится в окрестности 20 мес, а их амплитуда наиболее значительна в регионах, где существенна межсезонная эволюция границы раздела между тропическим поясом положительных значений ДХ и внетропическими областями с ДХ < 0, и незначительна в регионах с квазистационарными аномалиями ДХ.

Глава 6 «Воздействие вариаций уровня солнечной активности на состав, температуру и динамику средней атмосферы». В этой главе исследуется воздействие вариаций уровня солнечной активности на состав, температуру и динамику средней атмосферы по данным наблюдений и с помощью численных моделей. Рассмотрен 11-летний цикл солнечной активности и 27-суточный цикл, обусловленный вращением Солнца вокруг своей оси.

Раздел 6.1 посвящен эффектам 11-летнего цикла солнечной активности (СА) в озоне и NO₂. Обнаружены и проанализированы эффекты воздействия 11-летнего цикла СА на годовой ход стратосферного озона и получены оценки вклада динамического переноса в вариации концентрации стратосферного озона во внетропических широтах. Для анализа данных измерений ОСО на мировой озонометрической сети и ОС NO₂ на сети NDSC применялись статистические модели множественной линейной регрессии, учитывающие линейный тренд, эффекты СА, КДЦ, ЭНЮК, САК, воздействие вулканического аэрозоля после извержений вулканов Пинатубо и Эль-Чичон (только для NO₂). Для интерпретации результатов анализа использована 2-мерная модель фотохимических, радиационных и динамических процессов SOCRATES.

В результате показано, что изменение коротковолновой солнечной радиации в 11-летнем цикле СА воздействует на интенсивность меридионального переноса стратосферного озона в течение осенне-зимнего периода. Приток озона в средние широты возрастает при высоком уровне СА по сравнению с притоком в период минимума СА. По данным моделирования этот механизм обеспечивает до 30% зимнего увеличения содержания озона в слое озонного максимума (около 22 км) в средних широтах ЮП в условиях высокой СА (рис. 5). В средних широтах СП этот механизм вносит основной вклад в изменения содержания озона в этом слое во второй половине зимы при вариациях СА. Изменение величины притока стратосферного озона под действием вариаций СА отражается на годовом ходе озона.

Эффект СА в ОСО и характеристиках годового хода ОСО сильно зависит от региона. Выделены два характерных типа квазидесятилетних вариаций фазы годовой гармоники ОСО: в фазе и в противофазе с вариациями СА (рис. 6). Противофазные с солнечной активностью изменения фазы годовой гармоники ОСО отмечены в высоких широтах Североатлантического региона и в тропическом поясе, а со-фазные изменения - в средних и субтропических широтах обоих полушарий. Эти широтные различия могут быть объяснены общим усилением динамического притока стратосферного озона во внетропические широты в период максимума СА по сравнению с периодом минимума СА, наряду со смещением в СП положения широтного максимума этого избыточного притока озона в течение зимы из высоких широт в средние широты (рис. 5).

Согласно данным наблюдений, в средних широтах обоих полушарий ОС NO₂ в период максимума СА в целом ниже, чем в период минимума СА. Разность достигает 12% на Звенигородской станции. Величина эффекта СА в средних широтах СП и ЮП уменьшается с уменьшением широты. В целом из анализа эффекта СА в NO₂ следует вывод о его региональной зависимости.

Сопоставление с эффектом в ОСО показывает, что значительный отрицательный эффект СА в ОС NO₂ отмечен на станциях, которые расположены в регионах со значительным положительным эффектом СА в ОСО. Эффект СА в NO₂ по расчетам с помощью модели SOCRATES в целом соответствует по знаку результатам анализа данных наблюдений. Однако модельный эффект в несколько раз меньше, чем наблюдаемый на некоторых станциях. Вероятная причина расхождений - региональный характер проявления эффекта СА в содержании примесей, что невозможно учесть в двумерной модели.

В разделе 6.2 исследуется воздействие 27-суточных вариаций коротковолнового солнечного излучения на состав и термический режим средней и верхней атмосферы по результатам численного моделирования с помощью 3-мерной глобальной химико-климатической модели HAMMONIA. Анализ модельных результатов показал, что в то время как вариации температуры и примесей, вызванные воздействием 27-суточного солнечного цикла, очень отчетливы и постоянны в верхней атмосфере, в стратосфере и мезосфере они имеют сильно перемежающийся характер и, вероятно, зависят от динамической обстановки. Получены широтно-высотные распределения чувствительности и фазовой задержки откликов температуры и химического состава атмосферы на 27-суточный солнечный цикл. Отклики во внетропических широтах, как правило, сезонно зависимы и во многих случаях сильнее зимой, чем летом. Чувствительности откликов нелинейно зависят от амплитуды солнечного воздействия, уменьшаясь с его усилением.