авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

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

-- [ Страница 2 ] --

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 временню 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 временнго 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-временнй 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 -фазы, или фазы уменьшения, соответствующих моментам пересечения кривой годового хода со среднегодовым режимом на стадиях роста (0-фаза) и уменьшения (-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 бльших значениях вечернего содержания. Эта разность имеет ярко выраженный сезонный и широтный ход. Широтные максимумы разности во все сезоны находятся в окрестности 40°N и 40-45°S, 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 61015 мол/см2, наблюдаются в середине лета в окрестностях 40°N и 60°S, 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 временнго 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 (82.5°N) и Резольют (75°N) в канадской Арктике и Сёва (62°S) и Амундсен-Скотт (Южный полюс) в Антарктиде. Выявлены особенности сезонной и внутрисезонной эволюции озона в полярных областях по сравнению со средними широтами.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.