ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 643-650
УДК 551.510.534
РЕКОРДНОЕ ХИМИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНА В АРКТИКЕ
ЗИМОЙ 2004/2005 года
© 2007 г. Н. Д. Цветкова*, В. Ä. Юшков*, Ä. Н. Лукьянов*, В. М. Дорохов*, X. Накане**
*Централъная аэрологическая обсерватория 141700 г. Долгопрудный, Московская обл., ул. Первомайская, 3 E-mail: vladivir@caomsk.mipt.ru **Институт исследования окружающей среды, Япония Поступила в редакцию 15.11.2006 г., после доработки 22.01.2007 г.
Исключительно холодная зима 2004/2005 гг. сопровождалась интенсивным образованием полярных стратосферных облаков и значительным химическим разрушением озона. В статье приводятся результаты расчета химических потерь озона в полярном циклоне по данным спутниковых измерений SAGE-III. За период с 1 января по 25 марта 2005 г. на изэнтропических уровнях 450-500 К около 60% озона было разрушено. Зона образования полярных стратосферных облаков опускалась этой зимой до уровней с очень низкими значениями потенциальной температуры (вплоть до 350 К), что привело к заметному разрушению озона на малых высотах. Химические потери общего содержания озона достигли к 25 марта 2005 г. рекордной для Арктики величины 116 ± 10 е.Д. (128 ± 10 е.Д. на границе циклона).
ВВЕДЕНИЕ
За последние двадцать лет достигнуты существенные успехи в понимании химических и динамических процессов, ведущих к химическому разрушению озона в зимней полярной стратосфере. Тем не менее дальнейшие количественные оценки химических потерь озона необходимы для достоверных прогнозов эволюции озонового слоя в высоких широтах. Несмотря на некоторое снижение уровня озоноразрушающих веществ в стратосфере после 2000 г. [1], продолжающееся охлаждение зимней полярной стратосферы [2] и в дальнейшем может приводить к значительному химическому разрушению озона за счет более интенсивного образования полярных стратосферных облаков (ПСО). Положительный долгопериодный тренд максимальных значений величины Рр8С (объем воздушной массы с благоприятными для формирования ПСО условиями в течение зимы) за последние 40 лет отмечен в работе [3]. Там же показано, что существует тесная линейная зависимость между величиной химических потерь общего содержания озона и объемом полярных стратосферных облаков в течение зимы.
Сильная изменчивость метеорологических условий в Арктике приводит к заметной межгодовой изменчивости величины химических потерь озона в арктическом полярном циклоне. На изэн-тропическом уровне 475 К (~18-20 км) химические потери озона варьируются от 10% теплой зимой
1998/1999 гг. до 70% холодной зимой 1999/2000 г. Зима 2004/2005 гг. была наиболее холодной за время наблюдений в Арктике и сопровождалась интенсивным образованием ПСО, сильной хлорной активацией, денитрификацией стратосферы и существенными потерями озона [4]. В настоящей работе приводятся результаты расчетов химических потерь стратосферного озона зимой 2004/2005 гг. с использованием спутниковых данных измерений содержания озона (SAGE-III, версия 3.0) и радиационной модели NASA [5] для расчета скорости неадиабатического охлаждения воздушных масс. Анализ полей метеоэлементов в течение зимне-весеннего периода 2004/2005 гг. проводился на основе данных Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF). База данных ECMWF позволяет определять значения температуры, потенциальной завихренности, вертикальной и горизонтальной составляющих скорости ветра на 50 уровнях давления от поверхности земли до 0.1 гПа через каждые 6 часов с пространственным разрешением 1.125° по широте и долготе.
Существуют различные методы оценки химических потерь озона (ХПО), которые можно условно разделить на четыре группы.
1. В корредяционном методе для оценок ХПО используется тесная корреляцимя между содержанием озона и долгоживущих трассеров (обычно N2O). Отклонение корреляционной зависимости со временем от начальной, полученной на стадии формирования полярного циклона, приписывает-
643
5*
Температура, К
Юлианские дни
Рис. 1. Значения минимальной температуры в полярных широтах (севернее 60° N) на изэнтропическом уровне 475 К в течение зимне-весеннего периода 2004/2005 гг. по данным ECMWF. Горизонтальные линии соответствуют пороговым температурам образования ПСО I (Tnaat) и II (Tice) типов.
ся химическому разрушению озона. Основным источником погрешностей метода являются неточность начальной корреляционной зависимости озон-трассер, а также процессы перемешивания воздушных масс через границу циклона.
2. "Match''-метод основан на двух и более измерениях содержания озона в одной и той же воздушной массе вдоль рассчитанной траектории в разные моменты времени. Изменение отношения смеси озона между двумя последовательными измерениями интерпретируется как ХПО. Основным источником погрешности метода является недостаточная точность расчета траекторий движения воздушных масс, так как при расчетах используются прогностические поля метеоэлементов.
3. Метод "пассивного озона" основан на сравнении данных спутниковых или наземных измерений общего содержания озона и результатов модельных расчетов, в которых озон рассматривается как пассивный трассер. Разница между измеренными и модельными значениями интерпретируется как химические потери озона. Результаты расчетов целиком зависят от адекватности используемой модели.
4. В методе "vortex average descent" величина химических потерь озона рассчитывается путем сравнения двух средних вертикальных профилей отношения смеси озона, полученных по данным спутниковых, баллонных или наземных измерений в
полярном циклоне в начальной и финальной стадиях процесса разрушения озона. При этом начальный профиль озона корректируется по высоте с учетом скорости неадиабатического опускания воздушных масс. Одной из разновидностей метода, используемой в данной работе, является расчет скорости изменения среднего по циклону отношения смеси озона на уровнях с фиксированными значениями потенциальной температуры с учетом притока озона с более высоких уровней за счет неадиабатического опускания воздушных масс. Основным источником погрешности метода является влияние перемешивания воздушных масс через границу циклона на структуру профилей озона.
МЕТЕОРОЛОГИЯ ПОЛЯРНОГО ЦИКЛОНА
Зимой 2004/2005 гг. в стратосфере арктического полярного циклона наблюдались рекордно низкие за последние 50 лет значения температуры, благоприятные для интенсивного образования ПСО I и II типов. На рис. 1 представлены значения минимальной температуры в полярных широтах (севернее 60° N на изэнтропическом уровне 475 К (18-20 км) в течение зимы 2004/2005 гг. по данным ECMWF. Температуры ниже пороговых значений для образования ПСО I типа наблюдались непрерывно с начала декабря до середины марта в широком слое с потенциальной температурой 380-625 К (13-25 км). В течение зимы высотная зона образования ПСО постепенно опускалась и к концу января достигла уровня с небывало низким значением потенциальной температуры 350 К. В слое с потенциальной температурой 450-675 К в отдельные продолжительные периоды температура в стратосфере опускалась ниже пороговых значений для образования ПСО II типа. Область минорного потепления, наблюдавшегося в начале февраля 2005 г. в верхней стратосфере, не опустилась ниже изэн-тропического уровня 575 К и на более низких высотах циклон продолжал оставаться холодным (Т < < 195 К). Второе минорное потепление в конце февраля вызвало повышение температуры в стратосфере и область низких температур существенно сократилась.
Площадь области возможного образования ПСО и длительность существования облаков зимой 2004/2005 гг. достигали рекордных значений. Например, ниже изэнтропического уровня 400 К площадь области образования ПСО на 50-60% превосходила наблюдавшиеся ранее значения. Средний объем воздушной массы с благоприятными для формирования ПСО условиями за весь зимний период достигал величины 56 х 106 км3, что приблизительно на 25% больше, чем наблюдалось
когда-либо за последние 40 лет [4]. Таким образом, метеорологические условия этой зимой создавали предпосылки для значительного химического разрушения озона.
Зима 2004/2005 гг. была не совсем обычной с точки зрения динамики полярного циклона. Очень холодный циклон в то же время отличался сильной динамической активностью, которая часто сопровождалась переносом воздушных масс из средних широт, а также с периферии циклона в его внутреннюю область (обычно динамическая неустойчивость циклона характерна для теплых зим). 25 февраля 2005 г. циклон разделился на две части, однако быстро восстановился. Второе разделение циклона произошло 14 марта. В таком виде он просуществовал до финального разрушения, которое наступило в конце марта.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИИ ОЗОНА В ЗИМНЕ-ВЕСЕННИИ ПЕРИОД 2004/2005 гг. ПО ДАННЫМ SAGE-IH И БАЛЛОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ НА СТ. САЛЕХАРД
Анализ эволюции вертикального распределения озона (ВРО) в течение зимы 2004/2005 гг. проводился на основе спутниковых данных SAGE-III с привлечением данных баллонного зондирования на станции Салехард (67° N, 67° E) для валидации спутниковых данных. Спутниковый эксперимент SAGE-III предназначен для определения характеристик газового и аэрозольного состава атмосферы по ослаблению солнечного излучения в спектральном диапазоне 285-1545 нм на касательных трассах при восходах и заходах Солнца и Луны. Измерительная аппаратура установлена на борту российского спутника Метеор-3М, запущенного на солнечно-синхронную орбиту в декабре 2001 г. Измерения вертикального распределения малых газовых составляющих атмосферы (озона, а также окислов азота и хлора) и коэффициентов аэрозольного ослабления проводятся в диапазоне высот 10-100 км с вертикальным разрешением 0.5 км в высоких широтах северного (50-80° N) и средних широтах южного (25-60° S) полушарий через каждые 25° долготы. Случайная погрешность измерений озона составляет не более 10%.
Для анализа эволюции озона в зимнем полярном циклоне были использованы около 900 спутниковых и 20 баллонных профилей озона, полученных в различных областях циклона с 1 декабря 2004 г. по 25 марта 2005 г. в слое с потенци
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.