научная статья по теме ИЗМЕНЧИВОСТЬ АЭРОЗОЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ АТМОСФЕРЫ СЕВЕРНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЧИВОСТЬ АЭРОЗОЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ АТМОСФЕРЫ СЕВЕРНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ»

УДК 551.521.3(235.216.2-17)

Изменчивость аэрозольной оптической толщины атмосферы Северного Тянь-Шаня

Н. И. Сизов*, Р. М. Акименко*, В. Н. Арефьев*, Ф. В. Кашин*, М. Д. Орозалиев**, В. П. Синяков***, Л. И. Сорокина***

Приводятся данные измерений аэрозольной оптической толщины (ЛОТ) атмосферы на длине волны 500 нм за период с 1984 по 2009 г. на станции мониторинга Иссык-Куль, расположенной в центральной части Евразии. За период измерений произошло уменьшение ЛОТ примерно на 4,3%, выявлены сезонные вариации, линейные тренды и периоды увеличения ЛОТ, связанные с извержениями вулканов. Спектральный анализ данных измерений с использованием Фурье- и вейвлет-преобразований позволил определить основные характеристики составных колебаний вариации ЛОТ. За период с 1995 по 2009 г. линейный тренд вместо отрицательного становится положительным, что может свидетельствовать об увеличении количества аэрозоля в эти годы. Предложена простая статистическая модель для описания временных изменений ЛОТ.

Ключевые слова: аэрозоль, аэрозольная оптическая толщина атмосферы, сезонные вариации, линейный тренд, Северный Тянь-Шань.

Введение

Атмосфера Земли состоит из смеси газов и взвешенных в ней твердых и жидких частиц аэрозоля. Из-за физических и химических свойств аэрозоль является существенным фактором, влияющим на формирование энергетического баланса планеты и изменение климата. Взаимодействие аэрозоля с излучением Солнца и Земли определяет значительную часть радиационной энергетики нашей планеты [7, 8]. Изменчивость физических и химических свойств аэрозоля в пространстве и во времени обусловила необходимость организации мониторинга, который осуществляется в разных местах разными методами [15—17, 19, 20].

В на стоя щей ра боте при водят ся результаты и анализ дан ных изме ре ний аэрозольной оптической толщины атмосферы (АОТ) на станции мониторинга Иссык-Куль, которая расположена на северном берегу оз. Иссык-Куль (42037' с. ш., 76°59' в. д., 1650 м над уровнем моря) [4]. Место наблюдений характеризуется, во-первых, расположением в относительно ма-

* Научно-производственное объединение "Тайфун"; e-mail: las@typhoon.obninsk.ru.

** Институт инновационных профессий при Кыргызском государственном университете строительства, транспорта и архитектуры, Кыргызстан; e-mail: omdi@elcat.kg.

*** Кыргызский государственный национальный университет, Кыргызстан; e-mail: sinvalery@yandex. ru.

лоизученной центральной части Евроазиатского континента, на большей части которого и в настоящее время мало пунктов мониторинга атмосферы; во-вторых, особенностями атмосферной циркуляции: воздушные массы приходят в основном с запада и севера; в-третьих, отсутствием мощных промышленных предприятий и, следовательно, заметных антропогенных источников аэрозоля.

Технология мониторинга аэрозольной оптической толщины атмосферы

Величина АОТ (та) вычислялась по величине измеренной прозрачности атмосферы [3]:

Та = -(1/т)[1пРа - (Ту + Тр)], (1)

где Ра — прозрачность атмосферы; ту — оптическая толщина молекулярного поглощения; тр — оптическая толщина молекулярного рассеяния; т — атмосферная масса.

Прозрачность атмосферы на длине волны 500 ± 10 нм измерялась в течение дня при разных зенитных углах Солнца фильтровыми фотометрами [1, 5]. Этот участок спектра длин волн практически свободен от полос поглощения атмосферных газов и изменчивость прозрачности здесь определяется в основном вариациями аэрозоля. Инструментальная погрешность единичного измерения прозрачности атмосферы составляла ±2%.

Результаты измерений

Полученные в течение всего периода единичные измерения АОТ осред-нялись за день, и далее вычислялись среднемесячные значения, которые служили основой для последующего анализа.

На рис. 1 приведены средние месячные значения АОТ на длине волны 500 нм, их тренд, сезонные и более долговременные вариации. В сглаженных значениях АОТ, т. е. с исключенными сезонными вариациями, харак-те ри зу ю щих изме не ния от года к году, про сле жи ва ет ся рез кое уве ли че ние АОТ, вызванное извержением вулкана Пинатубо (1991 г). Следует, однако, отметить, что в последние годы (1995—2009 гг.) линейный тренд вместо отрицательного за весь период становится положительным (показатель линейного тренда ВТ = 1,8% в год), что может свидетельствовать об увеличении в атмосфере концентрации аэрозоля в эти годы. Самоочищение атмосферы от вулканического аэрозоля, как видно из данных рис. 1, происходит примерно за 2—3 года.

Скорость изменений АОТ (производная от годовых значений) за время наблюдений от года к году изменялась незначительно, кроме времени извержения вулкана Пинатубо, а ее среднее значение составило Я = -(2,1 ± ± 0,1) ■ 10-3 год_1. В целом за период наблюдений среднее годовое значение АОТ в линейном приближении уменьшилось на ~4,3% и описывается следующим выражением:

Т500(0 = Т0 + Вт/12, (2)

где т0 = (0,158 ± 0,006) — АОТ в начальный момент измерений ^ = 0); t — порядковый номер месяца наблюдений ^ = 1 — июль 1984 г.); Вт = -(1,77 ± 0,36) ■ 10-4 мес- (-1,3% в год).

Рис. 1. Аэрозольная оптическая толщина атмосферы на длине волны 500 нм.

1 — средние месячные значения; 2 — сглаженные значения; 3 — линейный тренд; 4 — тренд после 1995 г.

Сезонные изменения АОТ в течение года определяются в основном тем, что летом воздушные массы в целом более теплые и более запыленные, а зимой более холодные и чистые. В течение года минимум сезонных вариаций АОТ приходится на декабрь, а максимум — на апрель и август. В июне отмечается некоторое уменьшение АОТ, связанное с испарением воды с поверхности оз. Иссык-Куль. Средняя амплитуда сезонных вариаций составила 0,011 ± 0,004, или ~9% среднего годового значения за 25 лет.

Анализ результатов измерений аэрозольной оптической толщины атмосферы

В процессе анализа результатов измерений общие статистические и спектральные характеристики вычислялись по стандартным методикам [2, 10, 12]. Общие статистические характеристики включают в себя следующие параметры: число месяцев наблюдений Ы, средние арифметические тс, минимальные тт;п и максимальные ттах значения АОТ, медиану М, моду т1, коэффициент асимметрии g3 (характеристика симметрии распределения) и коэффициент эксцесса g4 (характеристика формы распределения).

В табл. 1 приведены основные общие статистические характеристики средних месячных значений АОТ на длине волны 500 нм за период 1984— 2009 гг. Из данных табл. 1 видно, что распределения средних месячных значений АОТ (тм) и характеризующих средние годовые значения сглаженных значений АОТ (тг) различаются незначительно. Средние значения тс, медианы М и моды т1 несколько отличаются друг от друга. Медианы и моды смещены в сторону меньших значений. Коэффициенты асимметрии g3 — положительные. Коэффициенты эксцесса g4 — также положительные, что указывает на относительную островершинность распределения.

Спектральные характеристики АОТ определялись при помощи Фурье-и вейвлет-преобразований. Фурье-анализ выявил колебания АОТ с перио-

Таблица 1

Статистические характеристики аэрозольной оптической толщины

атмосферы

АОТ N Хс М т1 Хтт Хтах §3 §4

Хм 300 0,128 ± 0,003 0,119 0,14 0,026 0,375 1,23 2,7

Хг 25 0,128 ± 0,002 0,118 0,11 0,085 0,262 1,87 3,8

дами от 3 до 153 мес. (см. ниже табл. 2). Полученные значения не противоречат данным других авторов [11, 13, 14].

Вейвлет-преобразование позволило оценить временные изменения АОТ. Из анализа трехмерного представления результатов (рис. 2) следует, что выявленные колебания АОТ не являются чисто гармоническими.

Спектр АОТ отличается большим количеством составных колебаний, в том чис ле ко ротко пе ри од ных, кото рые явля ют ся следстви ем час той сме ны (через каждые 3—5 дней) воздушных масс с разной запыленностью, приходящих к месту наблюдений с разных сторон. Амплитуды 3—22-месячных колебаний пульсируют с периодом ~5 лет. Для 14—22-месячных колебаний наблюдается нарушение фаз, у остальных они практически постоянны. Амплитуды длиннопериодных колебаний с периодами 84 и 153 месяца соизмеримы с амплитудой 12-месячного колебания, причем у них также наблюдаются нарушения стабильности амплитуд в 1991—1995 гг.

Модель временной изменчивости аэрозольной оптической толщины атмосферы

В метеорологии для описания временных изменений данных наблюдений широко применяется представляющая собой сумму гармонических ко-

Рис. 2. Результаты вейвлет-преобразований аэрозольной оптической толщины атмосферы.

Таблица 2 Параметры колебаний

П;, мес. А; ■ 103 П , мес. А; ■ 103 П , мес. А; ■ 103

3 1,32 3,04 12 24,07 -0,33 32 13,15 0,32

4 5,24 2,91 14 10,65 2,42 39 14,06 -2,38

6 22,57 -2,90 16 5,92 1,29 48 15,73 0,11

8 4,33 -0,39 19 8,36 0,01 61 13,10 2,50

9 6,87 2,13 22 8,27 -0,55 84 23,98 -0,86

10 5,34 -0,98 24 5,29 -0,79 153 23,82 2,42

лебаний простая статистическая модель Райса [10], дополняемая линейным трендом (2). При этом нарушения гармоничности колебаний полагаются незначительными.

В общем виде для средних месячных (годовых) значений модель т(?) име ет следу ю щий вид:

т(0 = Т0 + Бг + ЕАгсо8(2яШг + ¥,), (3)

где т0 — среднее месячное значение составляющей атмосферы в начальный момент измерений при г = 0; Б — показатель линейного тренда.

Представленные в табл. 2 параметры составных колебаний: амплитуды А;, периоды П и фазы определялись мультирегрессионным методом наименьших квадратов по экспериментальным данным с использованием в качестве первого приближения периодов колебаний, полученных с использованием Фурье-анализа.

На рис. 3 приведено сопоставление экспериментальных и рассчитанных значений АОТ. Расчет по модели (3) описывает средние месячные значения АОТ с погрешностью ~20%. Столь большая ошибка определяется не возмож нос тью над еж но го уче та в про стой статис ти чес кой моде ли многочисленных короткопериодных колебаний.

Средние годовые значения АОТ согласуются с моделью с использованием колебаний с П; > 19 мес. со среднеквадратическим отклонением ~4%.

Заключение

Анализ результатов мониторинга аэрозольной оптической толщины атмосферы в горных условиях Тянь-Шаня показал, что среднее годов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком