ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 416, № 1, с. 107-111
ГЕОФИЗИКА
УДК 551.510.534
ШИРОТНАЯ СТРУКТУРА ТРЕНДОВ И ЭФФЕКТА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В СТРАТОСФЕРНОМ СОДЕРЖАНИИ N0:2 © 2007 г. А. Н. Груздев
Представлено академиком Г.С. Голицыным 23.11.2006 г. Поступило 30.11.2006 г.
В работе впервые представлены оценки линейных трендов общего содержания (ОС) NO2 в зависимости от широты. Оценки трендов для нескольких пунктов наблюдения NO2 были ранее получены в [1-5]. Сообщалось о положительных трендах NO2 на новозеландской станции Лаудер -около 5% [1], швейцарской станции Юнгфрауйох -около 6% [3] и киргизской станции Иссык-Куль - в пределах 5-7% за 10 лет [4] по данным измерений за срок 17-21 лет. За более короткий срок измерений (13 лет) на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы РАН получены высокие (по модулю) значения отрицательного тренда ОС NO2 - 12% за 10 лет [5].
В настоящее время на ряде станций, проводящих измерения ОС NO2 в рамках Сети по обнаружению изменений состава атмосферы (Network for the Détection of Atmospheric Composition Change -NDACC), накоплены ряды измерений длительностью около 10 лет и выше, что дает возможность оценить тренды NO2 для большего числа станций и выявить широтные особенности трендов.
Данные об ОС NO2 в вертикальном столбе атмосферы заимствованы по адресу ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/ndacc. Предполагается, что основной вклад в ОС NO2 дает стратосфера. Для Звенигородской научной станции содержание NO2 в вертикальном столбе включает атмосферу выше приземного слоя. Информация о станциях приведена в табл. 1. Результаты измерений подвергнуты статистической проверке. Были рассчитаны многолетние среднемесячные значения ОС NO2 и среднеквадратичные отклонения для них и произведена отбраковка данных, выходящих за пределы учетверенного среднеквадратичного отклонения относительно многолетних среднемесячных значений. Эта процедура повто-
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова Российской Академии наук, Москва
рялась итерационно. Затем были рассчитаны текущие среднемесячные значения содержания NO2 и средний годовой ход NO2 - среднемесячные значения содержания NO2 за весь срок измерений (исключая данные с июля 1991 г. по июнь 1993 г., когда на стратосферное содержание NO2 повлияли продукты извержения вулкана Пинатубо [1, 4-6]).
Для оценки трендов NO2 использована модель множественной линейной регрессии:
У(О = «0 + а^ + а^О) + %1са(0 +
+ «4^кдц(^я + ^зКДц) +
+ а/юк^п + ¿зюк) + «б^п(О + а7Кэч(0 + £(0, (1)
п = 1, 2, ..., N
где у(О - ряд среднемесячных значений содержания N0^ tn - время; N - число членов ряда; Г - периодически продленный годовой ход N0^ 1са -индекс солнечной активности (СА) - среднемесячные значения спектральной плотности потока радиоизлучения Солнца F10.7 на длине волны 10.7 см (адрес: http://sec.noaa.gov/ftpmenu/mdi-ces/old_indices.html); иКдц - среднемесячные значения зональной скорости экваториального стратосферного ветра на изобарической поверхности 50 гПа (http://strat-www.met.fu-berHn.de/re-search/), использованные в качестве индекса квазидвухлетней цикличности; 1юк - среднемесячные значения индекса Эль-Ниньо - Южного колебания (http://www.cru.uea.ac.uk/cru/data); УП - индекс стратосферного содержания аэрозоля после извержения в июне 1991 г. вулкана Пинатубо; Уэч - индекс стратосферного содержания аэрозоля после извержения в апреле 1982 г. вулкана Эль-Чичон; tзКдц и tзЮК - временны е задержки; а0, ах, ..., а7 - искомые константы, имеющие смысл линейного тренда (ах) и коэффициентов регрессии (а2, ..., а7); £ - остаточный ряд.
Таблица 1. Линейные тренды содержания NO2 в вертикальном столбе атмосферы
Станция Широта Долгота Период наблюдении, годы Тренд, % за 10 лет
градусы утро вечер
Ни-Алезунд 78.92 N 11.93 Е 1991,1993-2003 -3.4 ± 6.4 -3.8 ± 6.1
Скоресбизунд 70.48 N 21.95 W 1996-2004 -2.1 ± 6.8 -4.1 ± 6.1
Кируна 67.84 N 20.41 Е 1991-2004 -1.7 ± 3.6 -2.3 ± 2.9
Соданкила 67.37 N 26.63 Е 1995-2004 1.7 ± 5.6 1.5 ± 5.3
Жиганск 66.79 N 123.35 Е 1992-2004 3.9 ± 4.0 5.5 ± 4.3
Харестуа 60.22 N 10.75 Е 1994-2006 0.7 ± 5.6 0.5 ± 4.4
Звенигород 55.69 N 36.77 Е 1990-2004 -6.5 ± 3.3 -6.7 ± 2.4
Юнгфрауйох 46.55 N 7.98 Е 1990-2006 -9.3 ± 2.5 -12 ± 2.3
Мосири 44.37 N 142.27 Е 1991-2001 -11 ± 5 -6.2 ± 3.8
Иссык-Куль 42.62 N 76.99 Е 1983-2005 2.6 ± 2.1 0.6 ± 1.4
1990-2005 2.4 ± 2.9 2.4 ± 2.1
Мауна-Лоа 19.54 N 155.58 W 1996-2004 -2.0 ± 3.9 -2.5 ± 3.4
Бауру 22.35 Б 49.03 W 1996-2004 2.2 ± 4.5 4.6 ± 3.4
Лаудер 45.04 Б 169.68 Е 1981-2004 5.8 ± 1.0 5.8 ± 0.9
1990-2004 3.0 ± 1.8 1.3 ± 1.6
0. Кергелен 49.35 Б 70.26 Е 1996-2004 7.3 ± 4.6 0.4 ± 4.0
0. Маккуори 54.50 Б 158.94 Е 1996-2004 12 ± 6 8.0 ± 3.9
Димон-Дюрвиль 66.67 Б 140.02 Е 1988-2004 -1.8 ± 2.5 -1.1 ± 2.2
Ротера 67.57 Б 68.13 W 1996-2005 0.4 ± 6.4 -1.5 ± 6.1
Арривал-Хайтс 77.83 Б 166.66 Е 1991-2004 8.6 ± 9.6 8.4 ± 9.4
Индекс УП представлен в виде
кп(0 = 0 при ¿п < 7п +
Уп(г„) = (1-ехрехр1+ gY(г„)) (2)
при ¿п > Тп + ¿зП,
где Тп - момент извержения вулкана Пинатубо (июнь 1991 г.), ¿зП - задержка появления продуктов извержения над пунктом наблюдения К02, тох - постоянная времени окисления S02, характеризующая нарастание концентрации стратосферного аэрозоля, та - постоянная времени удаления аэрозоля из стратосферы, у - нормированный на амплитуду годовой ход К02, g - константа. Индекс ¥эч представлен похожим образом за тем исключением, что в выражении для него отсутствует последний сомножитель, а значения постоянных времени нарастания и удаления аэрозоля полагали, согласно [1], равными 5.8 недели и 1 году соответственно.
Использование в регрессионной модели годового хода Г вместо описывающего его набора гармоник позволило значительно уменьшить количество переменных (на 7 по сравнению с [1]). Введение годового хода К02 в аппроксимирую-
щую формулу эффекта Пинатубо (2) позволило учесть сезонную зависимость эффекта [6].
Переопределенную (Ы > 8) систему уравнений (1) решали методом наименьших квадратов при варьировании параметров ¿зКдц, ¿зюк, ¿зП, ¿зЭч (задержка появления продуктов извержения вулкана Эль-Чичон), тох, та и g. Окончательные значения параметров определяли из условия минимизации дисперсии остаточного ряда. При найденных таким образом значениях параметров та же модель (1) применялась и для оценок линейных трендов по сезонам. На рис. 1 для примера приведены среднемесячные значения ОС К02, их аппроксимация регрессионной моделью (1) и остаточный ряд по данным вечерних измерений на станциях Звенигород, Лаудер и Дюмон-Дюрвиль.
Таблица 1 содержит годовые значения трендов ОС К02. Жирным шрифтом выделены статистически значимые значения трендов. Оценки трендов для станций Лаудер и Иссык-Куль приведены для полных и сокращенных сроков наблюдений. Оценки трендов К02 для Лаудера за полный срок (~6% за 10 лет) находятся в хорошем соответствии с оценками, приведенными в [1], с учетом того, что в [1] выявлена тенденция увеличения трендов с увеличением ряда наблюдений. Отри-
Общее содержание N0^ 1015 мол/см
Звенигород
Лаудер
Дюмон-Дюрвиль
1980
1985
1990
1995
2000
2005 г.
Рис. 1. Среднемесячные значения содержания N02 в вертикальном столбе атмосферы (точки), их аппроксимация регрессионной моделью (кривые) и остаточный ряд (точки в нижних частях рисунков) по данным вечерних измерений на станциях Звенигород, Лаудер и Дюмон-Дюрвиль.
цательный тренд--10% за 10 лет на станции
Юнгфрауйох, полученный нами по более короткому, чем в [3], периоду наблюдений, качественно согласуется с уменьшением содержания К02 в 1990-2003 гг. на рис. 4.29 в [3]. Наши оценки трендов К02 на станции Иссык-Куль за полный срок наблюдений количественно отличаются от оценок, полученных в [4], и это расхождение нельзя объяснить незначительной разницей (2 года) длин использованных рядов. Новые оценки подтвердили наличие устойчивого отрицательного тренда ОС К02 на Звенигородской научной станции.
Уточненные годовые оценки трендов--6% за
10 лет меньше (по модулю) оценок, полученных в [5], что обусловлено, в частности, учетом в регрессионной модели эффекта солнечной активности.
Рис. 2 демонстрирует широтную зависимость трендов К02. Для нее характерны отрицательные значения годовых трендов в средних широтах северного полушария и положительные значения в средних широтах южного полушария. Годовые оценки трендов в тропических широтах не всегда
статистически значимы на 95%-м уровне (но, как правило, значимы на 90%-м уровне), однако в целом можно сделать вывод, что они совпадают по знаку с трендами в средних широтах соответствующих полушарий. В высоких и полярных широтах обоих полушарий годовые оценки трендов статистически незначимы. Отметим, что годовые оценки трендов на арктической станции Ни-Але-зунд и антарктической станции Арривал-Хайтс представлены главным образом весенним и осенним сезонами.
На станциях Звенигород, Юнгфрауйох и Лаудер знак трендов К02 не зависит от сезона, хотя величина трендов с сезоном меняется. На других станциях значения трендов, их статистическая значимость и даже знак трендов могут меняться с сезоном. Так, весной отмечен отрицательный тренд К02 на станции Ни-Алезунд —5% за 10 лет и сильный положительный тренд ~ 20% за 10 лет на станции Арривал-Хайтс.
При определении линейных трендов важен учет возможной зависимости содержания К02 от
Тренд, %/10 лет 20 г
10 0
-10-20 20
10 0 -10
-20
1
Утро
{
Вечер
Изменение N02, % 20 г
10 0 10
-20
-80° -60° -40° -20° 0 20° Широта
40° 60° 80°
-80° -60° -40° -20° 0 20° 40° 60° 80° Широта
Рис. 2. Годовые оценки линейного тренда содержания N02 в вертикальном столбе атмосферы (точки) и их 95%-е доверительные интервалы (вертикальные отрезки) в зависимости от широты по данным утренних и вечерних измерений.
фазы 11-летнего цикла СА. На рис. 3 приведены оценки изменения ОС К02 от фазы минимума к фазе максимума СА по данным утренних измерений. Они рассчитаны как произведение коэффициента регрессии а3 на среднюю разность значений потока F10.7 в максимуме и минимуме СА. Отметим качественное согласие нашей оценки с выводом [1] о незначительн
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.