ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 2, с. 260-265
УДК 551.510.534:550.388.8
О ПОВЕДЕНИИ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА В ЗАПАДНОМ СЕКТОРЕ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ ЗИМОЙ-ВЕСНОЙ 2003/2004 гг.
© 2007 г. Ю. Ю. Куликов*, Ä. Ä. Красильников*, Л. М. Кукин*, В. Г. Рыскин*,
М. И. Белоглазов**, В. Р. Савченко**
*Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: yuyukul@appl.sci-nnov.ru **Полярный геофизический институт КНЦ РАН 184209 Апатиты, ул. Ферсмана, 14 E-mail: beloglazov@pgi .kolasc.net.ru Поступила в редакцию 18.05.2005 г., после доработки 13.07.2006 г.
Приведены результаты одновременных измерений изменчивости озонового слоя в Северо-Западном секторе Арктики, выполненных различными измерительными средствами. Показано, что в зимнем сезоне 2003/2004 гг. в условиях относительно теплой стратосферы и высокой волновой активности наблюдаются пространственные неоднородности поля распределения озона. В апреле 2004 г. отмечено уменьшение содержания 03 в интервале высот 25-40 км, которое в это же время было зарегистрировано спутниковыми инструментами HALOE, SAGE и POAM.
Целью работы являлось изучение пространственных и временных вариаций концентрации атмосферного озона, измеренной одновременно различными средствами от поверхности Земли до стратопаузы. Исследование проводили в СевероЗападном секторе Арктики, где в зимнее время формируются стратосферные полярные циклоны. Центр вихря располагается, как правило, именно в этом районе [1]. Особенностью поведения озона в Арктике является межгодовая изменчивость величины убыли стратосферного озона, которая к тому же сильно зависит от температуры стратосферы [2, 3].
В этом сообщении представлены результаты наблюдений за поведением озона зимой 2003/2004 гг. (с декабря 2003 г. по май 2004 г.) на высотах от 20 до 60 км. Наблюдения были выполнены с помощью микроволновых спектрометров, которые были установлены на Кольском полуострове в Полярном геофизическом институте (г. Апатиты) и в Институте космической физики (г. Кируна, Швеция). Кроме того, мы использовали результаты измерений in situ вертикального распределения озона от земной поверхности до высот 25-30 км, которые выполнялись с помощью баллонных озонозондов (электрохимическая ячейка типа ECC-6A) в Метеорологическом институте (г. Соданкюля, Финляндия) и в Институте Альфреда Вегенера (станция Колдевей, Шпицберген). Эти измерения распределения озона по высоте в настоящее время являются наибо-
лее точными (3-5%) в практике озонометрии [4]. Оценка вертикального профиля озона в верхней атмосфере (высоты от 15 до 60 км) в Апатитах и Кируне осуществлялась методом наземной микроволновой радиометрии. Для этого были использованы гетеродинные приемники миллиметрового излучения и анализаторы спектра. Метод основан на измерении и анализе спектра теплового излучения атмосферы в окрестностях линий вращательных переходов озона. В наблюдениях на Кольском полуострове был использован вращательный переход О3 40.4-413 на резонансной частоте 101736.8 МГц, а в Швеции были использованы два перехода О3 140Л4-141Л3 и 11210-103.7 на резонансных частотах 195430.4 и 195721.2 МГц соответственно. Параметры микроволновых приборов позволяли получать качественные спектры атмосферных линий О3 с временным разрешением порядка часа. Эти спектры затем преобразовывали в вертикальные профили озона в интервале высот 20-60 км, используя процедуру решения обратной задачи. При обработке спектров озона, измеренных в Швеции, были использованы ежедневные высотные профили давления и температуры по данным Национального центра прогноза окружающей среды (КСЕР), а в качестве алгоритма восстановления профиля О3 был применен метод оптимальных приближений [5]. Вертикальные профили озона из микроволновых измерений, выполненных на Кольском полуострове, были получены методом наименьших квадратов
5Е + 4Е + 3Е + 2Е +
5Е +
ИЕ+
о
« 3Е + 5 2
ей
2 2Е +
та
И о
со
2 5Е +
и я
ей
^ 4Е +
х о
ё3Е+ &
2Е +
5Е + 4Е + 3Е + 2Е +
12
12 12 12 12
12 12 12 12
Колдевей (79° N 12° Е)
03, ЕСС-6 ■ Т(25 км)
(а)
Кируна (68° N 20° Е)
П П
И
Соданкюля (67° N, 27° Е)
_а
Апатиты (67° N 35° Е)
Ь_1
п г
—03, МКВ (•) -----Т(25 км)
(в)
03, ЕСС-6 ■ Т(25 км)
03, МКВ
(г)
. Т(20 гПа) v 7
М1
240 220 200 180
220 200
180 &
у
т
а р
е п
220Н
200
180
220
200
180
Декабрь Январь Февраль Март Апрель 2003/2004 гг.
Рис. 1. Изменение содержания озона и температуры на высоте около 25 км зимой 2003/2004 гг. по результатам измерений на различных арктических станциях. Прямоугольниками на оси абсцисс отмечены периоды времени, когда пункт наблюдения находился вне границ полярного вихря или на его краю.
по отклонению между спектрами, рассчитанными по параметрической модели озонового слоя и измеренными [6]. В расчетах были использованы зональные среднемесячные вертикальные распределения давления и температуры [7] и спутниковые результаты температурного зондирования (над Апатитами) с любезного разрешения М. Гольдберга (КОАА) [8, 9]. Точность оценки вер-
тикального распределения озона в указанном интервале высот была не хуже 20%.
На рис. 1 показаны временною зависимости среднесуточной плотности озона и температуры на высоте 25 км, которые были получены из измерений зимой 2003/2004 гг., на перечисленных выше арктических станциях. На рис. 1а и 1в приведены данные баллонных озонозондов ЕСС-6А
на станции Колдевей и в Соданкюля. На рис. 16 и 1г показаны результаты микроволнового зондирования озонового слоя в Кируне и Апатитах. Данные о температуре над Апатитами в период наших наблюдений получены спутником (прибор AMSU) [8]; они были измерены на уровне 20 гПа, что приблизительно соответствует высоте 25 км. По сравнению с зимой 2002/2003 гг., когда наблюдались экстремально низкие стратосферные температуры, особенно в ноябре-декабре зимой 2003/2004 гг. температура стратосферы была выше. Практически за весь рассматриваемый период на всех четырех станциях температура на высоте 25 км не опускалась ниже 200 К, исключая декабрь 2003 г. Средняя температура за декабрь на высоте 25 км над всеми станциями была около 195 К, при этом отмечена самая низкая плотность озона 2.4 х 1012 см-3 в течение зимы 2003/2004 гг. Наименьшая средняя плотность была измерена в Апатитах - 2.1 х 1012 см-3, а наибольшая в Кируне -2.7 х 1012 см-3. Приведенные плотности 03 существенно меньше среднемесячной модели вертикального распределения озона (ВРО) для этого региона. Модель ВРО составлена на основании in situ многолетних (1989-2001 гг.) баллонных измерений 03 на станции Соданкюля.
Начиная с января 2004 г. наблюдались большие колебания плотности слоя озона (высота 25 км) на станции Колдевей (см. рис. 1), что, по-видимому, свидетельствует о том, что воздушные массы в стратосфере над станцией находились вне или на краю полярного вихря. Размах этих изменений был почти двукратным. Рост температуры и плотности озона от декабря к январю происходил практически синхронно. В дальнейшем с января до середины апреля наблюдалось устойчивое снижение плотности озона и температуры. В то же время над другими станциями хорошо заметен монотонный рост, как плотности озона, так и температуры. Анализ взаимосвязи среднесуточных значений плотности озона и температуры на высоте 25 км зимой 2003/2004 гг. над Апатитами показал, что коэффициент корреляции был близок к нулю (слабая взаимосвязь), т.е. он был заметно ниже, чем в предыдущие зимне-весенние сезоны [2, 3]. Так, зимой-весной 1999/2000 гг. и 2002/2003 гг. эта связь оказалась наиболее высокой за все годы микроволновых наблюдений на Кольском полуострове. Коэффициент корреляции плотности озона на высоте 25 км и температуры на уровне 20 гПа составлял величину порядка 0.7 с уровнем значимости не менее 5% [3]. Величина выборок (число дней измерений) составляла порядка 70, что может свидетельствовать о репрезентативности результатов корреляционных оценок.
Обращает на себя внимание различие значений плотности озона, полученных по измерениям в Соданкюля и Апатитах. Особенно большое различие (в два раза) отмечалось в марте. Расстояние между пунктами наблюдения невелико, порядка 400 км. Сравнение результатов аналогичных измерений плотности озона на высоте 25 км во время зимней кампании SOLVE 1999/2000 гг. показало, что различие плотностей 03 над этими двумя станциями не превышало 10% [10]. Надо отметить, что зимой 1999/2000 гг. в стратосфере наблюдался длительное время устойчивый циркумполярный вихрь. В процессе формирования полярного вихря во внутренней его части образуются области с низкими значениями температуры и содержания озона. Причем воздушные массы внутри изолированного вихря характеризуются довольно однородными значениями плотности озона, которые мало отличаются друг от друга по всей площади пространства, занимаемого вихрем. В сезоне 2003/2004 гг. в стратосфере Арктики наблюдался слабый неустойчивый вихрь, центр которого часто смещался из районов Кольского полуострова и Северной Скандинавии к востоку. В таких условиях наблюдается вторжение в полярные широты воздуха с более высоким содержанием озона из умеренных широт и активное перемешивание воздушных масс. Это обстоятельство, по-видимому, явилось причиной обнаруженной нами меридиональной неоднородности в распределении стратосферного озона (см. рис. 1 и 2).
На рис. 2 показана эволюция плотности озона на высотах 25, 30, 40, 50 и 60 км по данным микроволнового зондирования на станциях Апатиты и Кируна зимой 2003/2004 гг. На этом же рисунке приведены также изменения температуры в стратосфере на тех же самых высотных уровнях по данным измерений спутниковым прибором AMSU-A над Апатитами в тот же период времени [8]. Этот инструмент, установленный на спутниках серии NOAA и работающий в микроволновом диапазоне, при зондировании в надир позволяет получать профили температуры в интервале 1000-0.1 гПа с горизонтальным разрешением 50 км (диаметр пятна). По мнению исследователей, работающих с этим прибором, достоверность данных температурного зондирования существенно снижается на высотах более 45 км (атмосферное давл
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.