ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 521-530
УДК 551.510.5
СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ТОЛЩЕ АТМОСФЕРЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЕВРАЗИИ (СТАНЦИЯ МОНИТОРИНГА "ИССЫК-КУЛЬ")
© 2007 г. Ф. В. Кашин*, В. Н. Арефьев*, Н. Е. Каменоградский*, В. К. Семенов**,
В. П. Синяков**
*Государственное учреждение "Научно-производственное объединение "Тайфун", 249038 Обнинск, Калужская обл., пр. Ленина, 82 E-mail: vnaref@typhoon .obninsk.ru **Киргизский национальный университет, 720033 Бишкек, ул. Манаса, 101, Киргизстан E-mail: vk-semenov@yandex.ru Поступила в редакцию 26.04.2006 г., после доработки 04.10.2006 гг.
Приведены уточненные данные измерений спектроскопическим методом концентрации углекислого газа в столбе континентальной атмосферы на станции мониторинга атмосферы "Иссык-Куль" за период с 1980 по 2006 гг. и результаты сопоставления их с данными измерений углекислого газа в пробах воздуха, а также со средней зональной эмпирической моделью CMDL. Проанализированы сезонные вариации и долговременный тренд концентрации углекислого газа в толще атмосферы за 25 лет измерений. Средняя месячная концентрация С02 выросла на ~40.5 млн1, а показатель линейного тренда составил 1.62 млн1 в год. Результаты самолетных измерений концентрации С02 в пробах воздуха в среднем согласуются с данными спектроскопических измерений концентрации углекислого газа в столбе атмосферы. Концентрация С02 в приземном воздухе различается день ото дня и только самые минимальные ее значения совпадают с концентрацией С02 в толще атмосферы. Результаты измерений концентрации С02 в толще атмосферы и в ее приземном слое на ближайших станциях KZD и KZM в целом различаются, причем данные KZD и KZM также не совпадают. Концентрация С02 в толще атмосферы в среднем на 1-2% выше концентрации по модели CMDL для широты 42.6°. Коэффициент корреляции между данными измерений и моделью высокий (r = 0.95).
ВВЕДЕНИЕ
Контроль содержания в атмосфере углекислого газа (С02) проводится на международной сети станций [1] со второй половины прошлого века. Измерения концентрации (отношение смеси) С02 осуществляются в пробах приземного воздуха недисперсионными инфракрасными газоанализаторами [2]. Метод измерений, основанный на сравнении концентрации С02 в пробе воздуха с эталонными газовыми смесями, имея высокую точность, предъявляет особые требования к месту нахождения станций наблюдения. Большинство станций расположено в районах, свободных от сильного прямого влияния антропогенных источников С02. Однако результаты измерений С02 в пробах воздуха, особенно на континентальных станциях, могут быть подвержены случайному влиянию источников и стоков С02, которые располагаются вблизи земной поверхности и воздействуют на состав анализируемой пробы приземного воздуха. Полученные данные обрабатываются и анализируются по специальной методике [3] и считаются характеризующими пространственно-
временные изменения С02 во всей толще атмосферы.
Метод солнечной абсорбционной спектроскопии (спектроскопический метод), который давно применяется для измерения общего содержания разных газов в атмосфере [4-9], позволяет получать результаты, представительные для всей толщи атмосферы и практически свободные от влияния естественных и антропогенных приземных источников/стоков измеряемых газов. С 1980 г. этот метод используется на высокогорной станции мониторинга атмосферы "Иссык-Куль" (станция КК242Ш0 [1, 10], 42.6°1Ч, 77°Е, 1650 м над ур. моря) для мониторинга С02 [11-14]. Из измеряемого общего содержания С02 определяется средняя по высоте относительная объемная концентрация С02 (отношение смеси) в предположении, что углекислый газ равномерно перемешан в атмосфере. В последние годы появился ряд публикаций [15-24], в которых приведены результаты измерений С02 спектроскопическим методом.
В настоящей работе представлены уточненные результаты 25-летних измерений концентра-
и
390 § 370 Ц
а
3501 и
330^
1980 1985 1990 1995 2000 2005 Время, год
Рис. 1. Концентрация углекислого газа в атмосфере на ИК (средние дневные - 1, средние месячные - 2 и линейный тренд - 3).
ции С02 в атмосфере на станции "Иссык-Куль" (ИК) и анализ их сопоставления с данными измерений С02 в пробах воздуха.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ.
Аппаратура и методика измерений С02 вместе с результатами исследований до 2000 г. описаны в [11-14]. С мая 1980 по апрель 2005 г. на ИК в течение 4132 солнечных дней было выполнено около 200 тысяч единичных регистраций солнечного спектра (по 10-60 спектров в день). Для нахождения концентрации С02 функция пропускания атмосферы, определяемая из измеренного солнечного спектра в области полосы поглощения С02 с центром около 2.06 мкм, сопоставляется с функциями пропускания, вычисляемыми методом line by line при различных концентрациях С02. В настоящей работе, в отличие от [11-14], в расчетах функций пропускания вместо средних месячных вертикальных профилей температуры и давления использованы профили, скорректированные для каждого дня по средним дневным значениям температуры и давления в приземном воздухе. С учетом этого уточнены все результаты измерений концентрации С02 на ИК, начиная с 1980 г.
На рис. 1 представлены средние дневные и средние месячные величины концентрации С02, которые отражают существующие сезонные вариации и постоянное увеличение содержания С02 в атмосфере. За время наблюдений на ИК средняя годовая концентрация С02 увеличилась на ~40.5 млн-1. Линейный тренд (прямая 3 на рис. 1) получен методом наименьших квадратов:
Q - ё0
+ (B/12)t,
(1)
где С, млн 1 - среднемесячная концентрация С02 для месяца с порядковым номером t (t = 1 - май 1980 г.); С0 = (340.8 ± 0.5) млн-1 - концентрация С02
и
S 380 §370 £360
У 350
д340 о
2---2а
3 4
1980 1985
1990 1995 Время, год
2000 2005
10 5
-5 -100
н ,-г ° о
оо р г
и-*
о £ а 5 ом
Рис. 2. Концентрация углекислого газа (1), линейные тренды (2) и (2а), скорость роста (3) и ее среднее значение (4).
к началу измерений; В = (1.62 ± 0.03) млн 1 в год -показатель линейного тренда.
Величина показателя линейного тренда на ИК за период с 1980 по 2005 г. согласуется со средней глобальной скоростью роста С02 за период с 1979 по 2003 г., составляющей 1.6 млн-1 в год [1].
На рис. 2 приведены сглаженные средние месячные концентрации С02 и их скорость роста. Сглаживание (исключение сезонных колебаний) и определение величин скорости роста (производной от сглаженных величин) выполнены по методике [3].
Сглаженные величины концентраций С02 (кривая 1 на рис. 2) демонстрируют особенности их межгодовых изменений. Скорость роста концентрации С02 (кривая 3 на рис. 2) принимает как положительные, так и отрицательные значения. Ее средняя величина (прямая 4 на рис. 2) за период наблюдений составила (1.57 ± 0.19) млн-1 в год, что на 3% меньше показателя линейного тренда, представленного на рис. 2 штриховой прямой 2. Вместе с тем, если эту среднюю скорость роста использовать как показатель линейного тренда, то прямая этого линейного тренда (прямая 2а на рис. 2) совпадает с минимальными сглаженными значениями концентрации С02 при исключении экстремально низких концентраций С02 в 19861987 гг. Это свидетельствует о том, что на концентрацию С02 влияют и глобальные, и региональные процессы.
На рис. 3 представлены средние месячные концентрации С02, полученные с исключением межгодовых изменений (кривая 1 на рис. 2) и представляющие сезонные вариации С02, а также амплитуды этих вариаций (разность в абсолютных величинах между экстремумами: от максимума до минимума и от минимума до максимума концентрации С02 в годовом цикле). Как правило, максимумы и минимумы сезонных вариаций С02 приходятся на апрель и август соответственно, но иногда они смещаются на 1-2 месяца. Период увеличения С02 в среднем продолжается 8, а умень-
шения - 4 месяца. Продолжительность этих периодов также иногда изменяется на 1-2 месяца.
Для большинства лет наблюдений величины амплитуд сезонных вариаций С02 на ПК с вероятностью 95% приходится на интервал 7-13 млн-1 (на рис. 3 он ограничен штриховыми линиями). В других регионах на широтах, близких к широте ПК, по данным измерений в пробах приземного воздуха амплитуды могут составлять 8-13.8 млн-1 в Европе [25] и достигать 14.5 млн-1 в Японии [26]. В Северной Америке, где измерения проводились и в приземном воздухе, и в столбе атмосферы [27], они в пробах у поверхности земли доходили до 13.4 млн-1, превышая более чем вдвое величины амплитуд в столбе атмосферы. На более высоких северных широтах, на Шпицбергене, где измерения проводились методом солнечной Фурье-спектроскопии [19, 20], амплитуды в столбе атмосферы изменяются в пределах 3-11 млн-1. Нельзя не отметить, что величины амплитуд в приземном воздухе часто могут быть несколько больше, чем в столбе атмосферы.
Самые большие амплитуды сезонных вариаций С02 (15.5-20.1 млн-1) отмечены на ПК в 19871988 гг. при самых высоких за все время измерений сезонных максимумах в мае 1987 г., июне 1988 г. и при самом низком минимуме в сентябре 1987 г. В эти годы имел место сдвиг времени экстремумов. Самые маленькие амплитуды 5-6 млн-1 были в 1989, 1990 и 1996 гг. при самых высоких за все время измерений минимумах сезонных вариаций в 1989 и 1996 гг. Кроме того, в большей части годовых сезонных циклов в ноябре-декабре и иногда в марте прослеживаются небольшие локальные минимумы концентрации С02, т.е. ее величина на 0.5-3 млн-1 меньше, чем в соседние месяцы (рис. 3).
Сложный характер изменчивости С02 в атмосфере Северного Тянь-Шаня требует дальнейших исследований. Сейчас можно полагать лишь то, что он связан в основном с различным содержанием С02 в воздушных массах, приходящих к ПК. Например, известно, что в Cеверном полушарии содержание и амплитуда сезонных вариаций С02 возрастают в направлении от экватора к полюсу [16, 28-31]. Анализ траекторий перемещения воздушных масс показал, что в атмосферу над ПК поступают воздушные массы, формируемые преимущественно в регионах, расположенных в интервале широт от 30 до 60°N [11]. Пз рис. 4, где представлены широтные зависимости средней концентрации С02 по [32
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.