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 | 2 || 4 | 5 |

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

-- [ Страница 3 ] --

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 62-66S 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 Х = Xw – Хе, 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 Х и внетропическими областями с Х < 0, и незначительна в регионах с квазистационарными аномалиями Х.

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.

Чувствительность отклика озона максимальна в верхней атмосфере, где она может превышать 10% на 1% изменений потока солнечной радиации на длине волны 205 нм. В верхней стратосфере она может достигать 1%/%. Чувствительность термического отклика выше 110 км превышает 2 К на 1% изменений потока солнечной радиации на длине волны 205 нм, а ее значение в окрестности локального высотного максимума чувствительности в слое тропической стратопаузы над порядок меньше.

Значения фаз откликов температуры и атмосферных примесей на 27-суточный солнечный цикл тоже зависят от высоты и широты. Например, температурный отклик в окрестности стратопаузы и в термосфере происходит примерно в фазе с солнечным циклом, запаздывая по отношению к нему на 1-2 суток. Запаздывание увеличивается до 5 суток в верхней мезосфере. Концентрация озона над тропиками ниже 60 км изменяется примерно в фазе с солнечным циклом, опережая его в верхней части слоя на 1-2 суток, а выше 70 км – примерно в противофазе с солнечным циклом. Опережение обусловлено, в частности, температурной зависимостью скоростей реакций.

Чувствительность и фаза озонного отклика в стратосфере и нижней мезосфере в тропиках находятся в удовлетворительном согласии с имеющимися результатами наблюдений, в то время как выше 70-75 км имеются принципиальные различия между модельными и наблюдавшимися (только две серии данных) значениями фазы озонного отклика.

Что касается температурного отклика, то может быть несоответствие между характеристиками наблюдаемого отклика по данным разных авторов, но в то же время характеристики модельного отклика температуры в верхней стратосфере и нижней мезосфере соответствуют некоторым наблюдениям. Однако нет никакого соответствия между расчетным и наблюдавшимся (только одна серия данных) температурными откликами выше 75 км. В настоящее время недостаточно экспериментальных данных для всестороннего сопоставления модельных и наблюдаемых эффектов 27-суточного солнечного цикла.

Модельные расчеты показали, что атмосферная циркуляция может оказывать важное воздействие на отклик атмосферы на 27-суточный солнечный цикл в средне- и высокоширотной стратосфере и мезосфере в зимний период.

Глава 7 «Эффекты долговременной изменчивости». В 7-й главе исследуются эффекты долговременной изменчивости содержания озона и NO2 и термического режима мезосферы по данным наблюдений и с помощью численного моделирования.

В разделе 7.1 оцениваются линейные тренды характеристик годового хода (амплитуд и фаз гармоник) общего содержания озона по данным многолетних наземных измерений на мировой озонометрической сети. Оценки получены с помощью модели множественной линейной регрессии (описана в главе 6). Оказалось, что тренд фазы годовой гармоники ОСО, если он статистически значим, везде положительный. Но механизмы этого тренда в Антарктике и остальных областях разные. Величина тренда фазы на некоторых станциях достигает 8 сут, а на станции Сёва в Антарктиде – 18 сут за 10 лет. Амплитуда годовой гармоники ОСО со временем увеличивается в Антарктике и в тропической зоне, а в остальных местах она уменьшается. Во внетропических широтах тренд амплитуды годовой гармоники ОСО составляет по величине большую часть тренда среднегодового значения ОСО, что является результатом сезонной зависимости трендов ОСО. К выявленным трендам характеристик годового хода ОСО может приводить долговременное уменьшение ОСО в зимний период, предшествующий моменту годового максимума ОСО, а в Антарктиде – многолетнее уменьшение значений ОСО в период весенней «озонной дыры» с одновременным смещением сроков «дыры» на более поздние даты.



Pages:     | 1 | 2 || 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.