УДК 551.510.534.3:551.590.21
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ 11-ЛЕТНЕГО ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА СОДЕРЖАНИЕ ОЗОНА В СТРАТОСФЕРЕ
© 2014 г. А. Н. Груздев
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва e-mail: a.n.gruzdev@mail.ru Поступила в редакцию 20.06.2013 г. После доработки 22.11.2013 г.
С применением спектрального, кросс-спектрального и регрессионного методов выполнен анализ влияния 11-летнего цикла солнечной активности на содержание озона в стратосфере и нижней ме-зосфере по данным спутниковых измерений с помощью приборов SBUV/SBUV2 в 1978—2003 гг. Выявлена высокая когерентность между содержанием озона и уровнем солнечной активности на масштабе солнечного цикла. В большей части этой области содержание озона изменяется примерно в фазе с солнечным циклом, однако в областях значительных градиентов отношения смеси озона в средней стратосфере фазовый сдвиг между озонными и солнечными колебаниями может быть значительным, вплоть до п/2. Показано, что он может быть обусловлен динамическими процессами. Высотные максимумы чувствительности озона к 11-летнему солнечному циклу отмечены в верхней окрестности стратопаузы (50—55 км), в средней стратосфере (35—40 км) и нижней стратосфере (ниже 25 км). Максимальные изменения содержания озона в солнечном цикле, до 10% и более, отмечены в зимне-весенние периоды в полярных областях.
DOI: 10.7868/S0016794014040178
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема влияния вариаций уровня солнечной активности (СА) на состав, динамику атмосферы и климат Земли привлекает внимание исследователей на протяжении многих лет. Однако до сих пор нет удовлетворительного согласия между результатами анализа данных наблюдений и результатами моделирования влияния СА на земную атмосферу, причем одним из слабых мест в этой проблеме является понимание и оценка роли динамических процессов в атмосфере [Gray et al., 2010]. По нашим оценкам роль атмосферной циркуляции в проявлении эффектов 11-летнего цикла СА в стратосферном озоне может быть весьма существенной в зимне-весенний период [Груздев и Брассёр, 2007].
Одним из механизмов влияния СА на земную атмосферу служит нагревание атмосферы за счет поглощения коротковолновой солнечной радиации озоном; при этом сам озон испытывает вариации как в результате изменения условий фотохимического баланса, так и под действием изменений циркуляции атмосферы.
Наиболее подробный материал для анализа изменчивости озона предоставляют спутниковые измерения его концентрации. К сожалению, длительность наблюдений обычно не превышает длительности двух солнечных циклов. Анализ проявлений 11-летнего солнечного цикла в стратосферном озоне по различным спутниковым
данным выполнен рядом авторов [Chandra and McPeters, 1994; Soukharev and Hood, 2006; Remsberg, 2008; Remsberg and Lingenfelser, 2010; Hood and Soukharev, 2012].
В последние годы получены новые данные об изменении спектрального состава солнечной радиации в течение солнечного цикла [Haigh et al., 2010], которые, по-видимому, потребуют пересмотра модельных результатов о воздействии СА на атмосферу и, в частности, на озон. Поэтому анализ данных наблюдений сохраняет свою актуальность.
Цель настоящей работы состоит в анализе вариаций содержания озона в 11-летнем цикле СА по результатам спутниковых измерений с учетом дополнительных факторов, которые не были учтены в предыдущих работах.
2. ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА
В работе использованы результаты измерений отношения смеси озона в 1978—2003 гг. с борта спутников Nimbus 7, NOAA 9, NOAA 11 и NOAA 16 с помощью приборов SBUV и SBUV2. Данные доступны по адресу http://mirador.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/mirador/ presentNavigation.pl?tree=project&project=SBUV& CGISESSro=3e87ff5484b18bc47992ab39ff5a5c2d. Данные SBUV/SBUV2 ранее использовались для анализа 11-летнего цикла в озоне в работах [Chandra and McPeters, 1994; Soukharev and Hood, 2006].
Новизна нашей работы заключается в следующем. Во-первых, расширен высотный диапазон использованных для анализа озонных данных. Во-вторых, впервые выполнен анализ данных в полярных областях. В-третьих, впервые получены характеристики отклика озона на 11-летний солнечный цикл в зависимости от сезона. В-четвертых, регрессионный анализ вариаций озона дополнен кросс-спектральным анализом. И, наконец, в регрессионной модели использованы, наряду с результатами наблюдений площади поверхности стратосферного аэрозоля из работы [Thomason etal., 1997], более детальные и современные данные из статьи [Bauman et al., 2003].
Исходные данные об озоне содержат значения отношения смеси озона на изобарических поверхностях в диапазоне от 50 до 0.5 гПа, а также значения содержания озона в различных атмосферных слоях, причем высоты нижнего и верхнего слоев выходят за пределы указанного диапазона. Мы использовали для анализа данные на изобарических поверхностях и, для расширения высотного диапазона, — данные по слоям. Для приблизительной привязки по высоте значений содержания озона в нижнем (1000—63 гПа) и верхнем (выше 0.4 гПа) слоях им поставлены в соответствие положения "центров тяжести" этих озонных слоев. "Центр тяжести" определялся как уровень, делящий слой на две части с одинаковыми значениями в них интегрального содержания озона. При этом считалось, что характер вертикального распределения озона внутри слоя определяется вертикальным градиентом концентрации озона, значение которого предполагалось равным вертикальному градиенту на ближайшем участке вертикального профиля озона по данным, приведенным на изобарических поверхностях. Положение "центра тяжести" верхнего слоя незначительно варьируется по широте и принято равным 0.27 гПа. Положение "центра тяжести" нижнего слоя изменяется от ~80 гПа на экваторе до 100 гПа в средних широтах и для простоты везде принято равным 90 гПа.
Результаты спутниковых измерений были усреднены по широтным поясам шириной 5° и помесячно. В качестве индекса солнечной активности использованы среднемесячные значения потока радиоизлучения Солнца /10.7 на длине волны 10.7 см (ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/ SOLAR_RADIO/FLUX/Penticton_Observed/monthly/ MONTHLY.OBS).
Для анализа связи содержания озона и уровня СА на масштабе солнечного цикла применялись техники спектрального и кросс-спектрального анализа по методу максимальной энтропии [Кей и Марпл, 1981; Jones, 1978].
Для оценки чувствительности озона к вариациям уровня СА использована модель множе-
ственной линейной регрессии [Груздев, 2008; Ог^аеу, 2009]:
У(П = а0 + аА + а2Г(0 +
+ ^СА^п + ^зСА) + а4 ^КДЦ^п + 4кДЦ) + (1)
+ а5Уп«п) + еЦ„), п = 1, ..., N
где у^п) — ряд среднемесячных значений содержания озона; 1п — время; N — количество членов ряда; Г — периодически продленный среднемноголет-ний годовой ход озона; 1СА — индекс солнечной активности /10.7; иКдц — среднемесячные значения зональной скорости экваториального стратосферного ветра на изобарической поверхности 30 гПа (http://www.geo.fu-berlin.de/en/met/ag/strat/produkte/ qbo/index.html), использованные в качестве индекса квазидвухлетней цикличности; УП — индекс стратосферного содержания аэрозоля после извержения в июне 1991 г. вулкана Пинатубо; ^СА и 4вдц — временные задержки; а0, а1, ... а5 — искомые константы, имеющие смысл линейного тренда (а1) и коэффициентов регрессии (а2, ... а5); е — остаточный ряд с нулевым средним значением, включающий неучтенные в модели зависимости, искажения за счет нелинейных эффектов, внешние случайные воздействия, ошибки наблюдений и пр. В качестве индекса УП использованы результаты наблюдений площади поверхности стратосферного аэрозоля из работ [Thomason et а1., 1997; Ваитап et а1., 2003].
В контексте данной работы искомой величиной является коэффициент а3. Переопределенная N > 6) система уравнений (1) решалась методом наименьших квадратов при варьировании параметра ?зКдц и фиксированном значении параметра ?зСА. Окончательные значения неизвестных определялись из условия минимизации дисперсии остаточного ряда. Доверительные интервалы для искомых коэффициентов определялись при решении системы (1).
Модель (1) применялась в двух вариантах: при нулевом значении задержки ?зСА и при значении, оцененном по результатам кросс-спектрального анализа на периоде 11-летнего солнечного цикла.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке 1а представлено широтно-высот-ное распределение отклика озона на изменения уровня СА от минимума к максимуму, рассчитанное по полному ряду с применением множественной линейной регрессии при нулевом значении задержки ?зСА. На рисунке 2а, б показаны распределения отклика озона в периоды с февраля по апрель и с августа по октябрь, соответственно. Выбор таких периодов, смещенных относительно календарных сезонов, обусловлен особенностями годового хода озона в большей части внетропиче-ской стратосферы — с максимумом содержания
-60° -50° -40° -30° —2°0 —10° 0° 10° 20° 30° 40° 50° 60°
Широта
Рис. 1. Изменение содержания озона (%) при изменении потока Л0.7 от минимума к максимуму в 11-летнем солнечном цикле как функция широты и высоты при нулевом значении задержки ГзСа в регрессионной модели (а) и при значении задержки на периоде солнечного цикла, полученной по результатам кросс-спектрального анализа (б). Области с косой штриховкой соответствуют статистически недостоверным значениям (по уровню статистической значимости 0.05).
озона в конце зимы - начале весны и минимумом в конце лета - начале осени. Рисунки 1, 2 показывают, что содержание озона увеличивается при увеличении уровня СА. Низкие значения озонного отклика статистически незначимы (соответствующие области на рисунках заштрихованы).
Чувствительность озона к 11-летнему солнечному циклу характеризуется локальными высотным максимумами в верхней окрестности страто-паузы (~0.5 гПа). В окрестности тропической стра-топаузы изменение озона в целом за год составляет 4-5% (рис. 1а). Тропический максимум повышен в
период, соответствующий лету и осени в северном полушарии, достигая значений ~6% (рис. 2б).
Обращают на себя внимание максимумы отклика озона в верхней окрестности стратопаузы и в нижней стратосфере полярных широт. Анализ по сезона
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.