ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 447, № 3, с. 326-330
ГЕОФИЗИКА
УДК 551.510.534
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ АНОМАЛИЯ СТРАТОСФЕРНОГО СОДЕРЖАНИЯ Ш2 НАД ЗВЕНИГОРОДОМ В КОНЦЕ МАРТА-НАЧАЛЕ АПРЕЛЯ 2011 г.
© 2012 г. А. Н. Груздев, А. С. Елохов
Представлено академиком Г.С. Голицыным 16.03.2012 г. Поступило 05.04.2012 г.
По наблюдениям двуокиси азота на Звенигородской научной станции (ЗНС) ИФА РАН отмечена сильная отрицательная аномалия общего содержания NO2 в конце марта 2011 г. Уменьшение содержания NO2 составило около 40% от среднего для этого времени года значения содержания NO2. В работе показано, что данная аномалия вызвана переносом стратосферного воздуха из области озонной дыры, наблюдавшейся в тот сезон над Арктикой.
1. В конце зимы—начале весны 2011 г. в Арктике наблюдалось беспрецедентно низкое для этого времени года содержание стратосферного озона [1, 2]. Химическое разрушение озона над Арктикой в 2011 г. впервые за весь период наблюдений оказалось сопоставимо с разрушением озона в области антарктической озонной дыры. Общее содержание озона (ОСО) в середине марта было меньше обычного примерно на 130 е.Д. [1, 2], и отрицательная озонная аномалия существовала вплоть до первой декады апреля (рис. 1в). Такая большая убыль озона оказалась возможной из-за значительной денитрификации (уменьшения суммарной концентрации азотсодержащих примесей) арктической стратосферы в условиях аномально низкой температуры c образованием полярных стратосферных облаков [1—4].
Окислы азота находятся в фотохимическом балансе с долгоживущими азотсодержащими примесями атмосферы. Общее (интегральное по вертикали) содержание двуокиси азота NO2 измеряется спектрометрическими методами с поверхности земли на нескольких десятках станций, многие из которых, обеспечивающие высокое качество данных измерений, входят в состав международной Сети по обнаружению изменений состава атмосферы (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change — NDACC). Общее содержание NO2 испытывает сильный годовой ход с зимним минимумом и летним максимумом, амплиту-
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук, Москва
да которого зависит от широты [5], причем зимнее содержание NO2 в средних и высоких широтах убывает с широтой. Общее содержание NO2 также испытывает долговременные изменения, межгодовые, внутрисезонные и межсуточные вариации [5—7].
2. В данной работе использованы данные измерений содержания NO2 на ЗНС, входящей в состав NDACC. Станция расположена в 50 км западнее Москвы. Измерения выполняются с 1990 г. в утренние и вечерние сумерки по рассеянному из зенита солнечному излучению. Используемая нами методика позволяет восстанавливать вертикальный профиль NO2 и исключать из интегрального содержания NO2 содержание NO2 в пограничном слое атмосферы, подверженном антропогенному загрязнению [7, 8]. Поскольку содержание NO2 в незагрязненной тропосфере низкое [7, 8], то определяемое таким образом общее содержание (ОС) NO2 практически совпадает с интегральным содержанием NO2 в вертикальном столбе стратосферы. Данные измерений на ЗНС можно найти в свободном доступе по адресу http://www.ndacc.org/.
Для интерпретации результатов анализа данных об NO2 привлечены данные измерений ОСО с помощью прибора OMI (Ozone Monitoring Instrument), установленного на спутнике EOS Aura, и данные аэрологического зондирования на станции Долгопрудная близ Москвы и в Мурманске (http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html). Для получения необходимых данных об ОСО использован интернет-сервис Giovanni (http://gdata1 -ts1.sci.gsfc.nasa.gov/daac-bin/G3/gui.cgi?instance_id =omi). После процедуры статистической отбраковки выбросов [5] из временных рядов был удален годовой ход с помощью предложенного в [9] метода. Сначала рассчитывались многолетние среднемесячные значения (за 1990—2011 гг. для NO2 и аэрологических данных за 2004—2010 гг. для озона) и по ним путем разложения в ряд Фурье определялись амплитуды и фазы гармоник — спектральных компонент годового хода. Годовой ход для произвольного времени года определялся как суперпозиция фурье-компонент для этого
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ АНОМАЛИЯ СТРАТОСФЕРНОГО СОДЕРЖАНИЯ
327
15 ™ ,-2
АК02, 1015 см 2
-1
-2
А03 е.Д.
200 " (б)
100
0 щ
-100 "V у
200
А03 е.Д.
200 " (в)
100
\
-100 -200
о -
А Г, °С 30
10
-10
-30
АН, км 1.0
0.5 0
-0.5 -1.0
-1.5 2010
(д)
2011
2012 г.
Рис. 1. Отклонение от многолетнего среднего годового хода следующих величин в течение 2010—2011 гг.: а — вечернего значения ОС N02 над Звенигородом с исключенным линейным трендом; б — ОСО над Звенигородом (черная кривая) и в широтно-долготном секторе 60°—65° с.ш., 30°—40° в.д. (серая кривая); в — ОСО в широтно-долготном секторе 65°—70° с.ш., 30°—40° в.д. (серая кривая) и в Арктическом широтном поясе 70°—80° с.ш. (черная кривая); г — температуры на изобарической поверхности 50 гПа над Долгопрудным (черная кривая) и Мурманском (серая кривая); д — высоты изобарической поверхности 50 гПа над Долгопрудным (черная кривая) и Мурманском (серая кривая). Вертикальные штриховые линии соответствуют экстремумам отрицательных аномалий N02 25 марта 2010 г. и 30 марта 2011 г.
1
0
328
ГРУЗДЕВ, ЕЛОХОВ
Высота, км 50
40
30
20
10
10 15 20 Концентрация N0^ 108
см
25
■3
Рис. 2. Вертикальные профили N02 на Звенигородской станции по вечерним измерениям 25 марта 2010 г. (1), 30 марта 2011 г. (2) и многолетний средний профиль, соответствующий концу марта (3).
момента времени. Из данных об N02 был также удален линейный тренд, рассчитанный по методу [5, 6].
3. Полученные таким образом ежедневные отклонения различных параметров от годового хода приведены на рис. 1 для периода 2010—2011 гг. Все отклонения сглажены скользящим осреднением по трем суткам. Значительный дефицит озона в Арктике наблюдался в начале 2005 г. (не показано) и в начале 2011 г., но в 2011 г. он был рекордным (рис. 1б, в). Отрицательные аномалии содержания N02 на ЗНС случались в разные годы, но аномалия в конце марта 2011 г. была рекордной (рис. 1а). Она достигла примерно 40% от среднего для этого периода значения содержания N0^ Покажем, что она связана с озонной аномалией.
На рис. 1а выделяются две отрицательные аномалии содержания N0^ в феврале—марте 2010 г. и в конце марта—апреле 2011 г. Однако они наблюдались в существенно различающихся условиях. Экстремум аномалии N02 25 марта 2010 г. отмечен после финальной перестройки стратосферной циркуляции при высоких значениях ОСО в
Арктике (черная кривая на рис. 1в). Пониженные значения ОСО и стратосферной температуры в долготном секторе 30°—40° в.д. (рис. 1б, г) — региональный эффект, связанный с зональной неоднородностью полей озона и температуры.
Аномалия содержания N02 2011 г. наблюдалась до перестройки стратосферной циркуляции при значительном дефиците стратосферного озона в арктической области. Ее экстремум отмечен 30 марта 2011 г. (рис. 1а). Ей соответствуют отрицательные аномалии ОСО над Звенигородом и в долготном секторе 30°—40° в.д. на широтах 60°-65°, 65°—70° (рис. 1б, в), 70°—75° с.ш. (не показано) значительно севернее Звенигорода и аномалии температуры (рис. 1г) и высоты изобарической поверхности 50 гПа (рис. 1д) над Долгопрудным и Мурманском. Экстремумы озонной аномалии в секторе 30°—40° в.д. отмечены позднее, чем экстремум, соответствующий среднезо-нальным данным (рис. 1в). Анализ поля ОСО показал, что это вызвано смещением арктической области озонного минимума в конце марта в сторону Северной Европы. Уменьшение ОС N02 на ЗНС 30 марта 2011 г. составило 1.7 • 1015 см-2, или примерно 40% от среднего для этого периода значения содержания N0^ Соответствующее этой аномалии значение ОСО над Звенигородом было ниже среднего значения ОСО на 85 е.Д., а температура на высоте 20 км (50 гПа) понизилась на 16°С. Значительное уменьшение ОСО, температуры и высот изобарических поверхностей в слое 1525 км отмечено как в Московском регионе, так и севернее его.
На рис. 2 приведены вертикальные профили N02 на ЗНС для дат, соответствующих экстремумам аномалий ОС N02 на ЗНС 25 марта 2010 г. и 30 марта 2011 г. в сравнении с характерным для конца марта профилем N0^ Вертикальное разрешение профилей 5 км [7, 8].
4. Для интерпретации аномалий проведем анализ траекторий переноса, рассчитанных с помощью траекторной модели HYSPLIT (М1р:/Деаёу. arl.noaa.gov/HYSPLIT.php). На рис. 3 приведены траектории, проходящие через точку с координатами ЗНС на высотах 20, 24 и 30 км 24 марта, 30 марта и 25 апреля 2011 г. Время прихода траекторий на ЗНС примерно соответствует времени сеанса вечерних наблюдений N0^ Высота 20 км примерно соответствует высоте максимума температурной аномалии, а 30 км — стратосферному максимуму концентрации N02 [8]. Дата 24 марта непосредственно предшествует началу развития аномалии N0^ а 25 апреля следует сразу же за окончанием аномалии N0^
Рисунок 3 показывает, что стратосферные траектории, соответствующие датам до и после аномалии N0^ имеют преимущественно долготную составляющую, а траектории, соответствующие
0
5
о
и
к
К
£
м о
м
(а)
(б)
(в)
-зо-зв / .
I л
-20 км
24 км
30 км
Рис. 3. Траектории переноса, проходящие через точку с координатами Звенигородской станции на высотах 20, 24 и 30 км 24 марта (а), 30 марта (б) и 25 апреля (в) 2011 г. Положение станции показано звездочкой. Время прихода траекторий на ЗНС соответствует 16 ч Гринвичского времени. Крупные символы на траекториях соответствуют 0 ч, а мелкие символы —12 ч Гринвичского времени за текущие и предшествующие двое суток.
О н ►и 8
н §
б4
>
я
о
о
н §
о о е
и та Я О м О
о §
и
я
я
ы
чо
330
ГРУЗДЕВ, ЕЛОХОВ
экстремуму аномалии N0^ прошли над Северным полюсом. Траектории с датами прихода на ЗНС между 24 марта и 25 апреля 2011 г. имеют северную (т.е. ориентированную в южном направлении) составляющую, причем траектории с датами прихода в окрестности 30 марта (рис. 3б) проходят вблизи центра арктической области. Таким образом, аномалия содержания N02 2011 г. обусловлена стратосферным переносом из Арктики.
Анализ траекторий для дат, соо
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.