ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 6, с. 88-93
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ВАРИАЦИИ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ И НАЗЕМНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ В РАЙОНЕ г. УЛАН-УДЭ
© 2012 г. В. П. Бутуханов*, Ю. Л. Ломухин
Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ E-mail: lom@pres.bscnet.ru Поступила в редакцию 14.02.2012 г.
В работе представлены результаты анализа взаимосвязи общего содержания озона (ОСО) и приземной концентрации озона (ПКО) по многолетним наблюдениям в атмосфере г. Улан-Удэ, полученных с прибора EP TOMS и наземного автоматизированного измерительного комплекса газовых примесей. Изложены особенности сезонно-суточных и межгодовых вариаций. Обсуждается связь ОСО с концентрацией озона в зимней стратосфере в период прохождения полярного вихря.
Ключевые слова: приземная концентрация озона, общее содержание озона, сезонные, суточные и межгодовые вариации, антициклоническая и циклоническая циркуляции, стратосферно-тропо-сферный обмен (СТО), циркумполярный вихрь
ВВЕДЕНИЕ
Пространственное и временное распределение приземного озона в значительной степени определяется местными природно-климатическими условиями. Кроме этого, к фактору крупномасштабного влияния на изменчивость приземного озона можно отнести общее содержание озона (ОСО), солнечную активность и характеристики общей циркуляции атмосферы (Звягинцев, Крученицкий, 1999).
Характерным для климата исследуемого района является высокая повторяемость континентального воздуха умеренных широт (90%) и большое количество солнечных дней — 2472 ч в год. На климат г. Улан-Удэ в некоторой степени влияет близость водной поверхности оз. Байкал, которая сказывается на характере распределения облачности. В среднем за год антициклоническая циркуляция характерна для 53%, а циклоническая — для 47% общего числа дней.
СЕЗОННЫЕ И СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ ПКО
В работе приведены результаты многолетних рядов наблюдений приземной концентрации озона (ПКО) в атмосфере г. Улан-Удэ за период с 1999 по 2004 гг. Аппаратура и методика измерений ПКО подробно описаны в работе (Бутуханов, Ломухин, 2008).
Для оценки озонных связей использовались данные ОСО, полученные в результате спутникового зондирования аппаратурой TOMS для координат г. Улан-Удэ (51°50'N, 107°30'E) и представ-
ленные в Интернете (ftp://toms.gsfe.nasa.gov /pub/ eptoms/data/montly averages/ozone).
На рис. 1 показаны сезонно-суточные вариации ПКО. Из рисунка видно, что главный максимум ПКО устанавливается в местный полдень. Характер внутрисуточной изменчивости близок к фоновым условиям.
Сезонные максимальные и минимальные значения ПКО в основном обусловлены синоптическими (частыми вторжениями арктических воздушных масс) и локальными (температурные инверсии, фотохимические процессы) процессами (Бутуханов и др., 2005).
Рисунок 2 иллюстрирует вариации приземного давления и ПКО в период весенней активизации синоптических процессов. Приход антициклона, связанный с усилением меридиональной циркуляции воздушных масс, приводит к резкому увеличению приземного давления и ПКО. С приходом циклональных воздушных масс наблюдаются значительное понижение атмосферного давления и уменьшение ПКО. Можно предположить, что вариации ПКО тесно связаны с вариациями приземного давления.
СВЯЗЬ ПКО С ОБЩИМ СОДЕРЖАНИЕМ ОЗОНА
Особенности межгодовой изменчивости ПКО и ОСО
Для анализа межгодовой изменчивости приземного озона и ОСО из их ежедневных рядов методом наложения эпох были выделены среднемесячные значения ПКО и ОСО за весь период на-
о л В
24 21 18 15 12 9 6 3
0 20 50 80 110 140 170 200 230 260 290 320 350
Юлианские дни
Рис. 1. Сезонно-суточная изменчивость ПКО в г. Улан-Удэ, мкг/м3.
ПКО, мкг/м3 50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
р, мм рт. ст. 735
730
725
720
715
710
705
700
695
690
685
I II II II 1 НИ I II II 1 И Н Н II I II II Н И ЛI II II Н И! Н II |1 И 1 Н 1
2002 г.
1999 г.
2000 г.
2001 г.
2003 г.
Рис. 2. Вариации приземного давления (1), ПКО (2) в условиях весенней активизации синоптических процессов (циклонов и антициклонов).
блюдения, см. рис. 3. Из данного рисунка видно значимое влияние ОСО на изменения максимальных и минимальных ПКО в городском воздухе. Из рис. 3 следует также, что максимальные и минимальные значения ПКО в среднем отстают от аналогичных значений ОСО на 3 мес. Обнаруженное поведение ПКО и ОСО, вероятнее всего, связано с переносом озона из верхних слоев атмосферы в нижние во время зимне-весенней перестройки общей циркуляции атмосферы.
Аналогичный механизм поступления озона в приземный слой атмосферы обсуждается в работе (Потемкин, Шультайс, 2005).
Из рис. 3 можно выделить явный весенний максимум ОСО в 1999 г., на аналогичный максимум указано в работе (Вергасова и др., 2005) для широты г. Иркутска, и этот максимум вызван усилением атмосферной циркуляции, имеющей квазидвухлетний цикл.
Следует особо отметить распределение ПКО и ОСО в условиях аномально холодной зимы 1999—
90
БУТУХАНОВ, ЛОМУХИН
Рис. 3. Межгодовая изменчивость общего содержания озона и приземной концентрации озона за период наблюдения 1999—2004 гг. Сплошной линией 1 обозначены вариации ОСО в ед. Добсона, штриховой линией 2 — ПКО в мкг/м3.
2000 гг. Появление второго максимума ОСО в январе 2000 г. (рис. 3), видимо, является основным признаком частых вторжений в пункт наблюдения арктических воздушных масс, относительно богатых озоном. В марте значение основного максимума ОСО было значительно ниже, чем в предыдущий год. Это, очевидно, связано с тем, что в условиях продолжительного антициклональ-ного типа погоды стратосферно-тропосферный обмен воздушных масс был ослаблен. Указанные процессы повлияли на величину и временное распределение максимума ПКО, наступление которого в 2000 г. произошло с запаздыванием на один месяц относительно 1999 г.
В теплую зиму 2002 г. территория Восточной Сибири и Монголии чаще оказывалась под меньшим влиянием арктических ВМ и под большим влияниям теплых вторжений с южных широт, поэтому наблюдались относительно низкие значения максимумов ОСО и ПКО, причем максимум ОСО смещен на позднюю весну (апрель) (рис. 3).
Максимальному значению ОСО в марте 2004 г. соответствовали значительные вариации приземного давления от 703 до 721 мм рт. ст. во второй половине месяца при преобладающем северо-западном ветре. С усилением скорости ветра до 10 м/с происходил активный вынос арктических ВМ в пункт наблюдения, при этом среднесуточная приземная температура воздуха понижалась до - 14°С.
Указанные процессы явились причиной заметного увеличения максимального ОСО относительно предыдущих двух зимних теплых годов. Одновременно наблюдались относительно высокие концентрации приземного озона, по сравнению с предыдущими годами соизмеримые только с ПКО 1999 г.
При анализе среднеквадратических отклонений ПКО и ОСО в весенний период (март) за все годы наблюдения в атмосфере Улан-Удэ установлено, что в марте, за период с 2001 по 2004 гг., вариации ПКО синхронно следуют вариациям ОСО с квазипериодом максимальных значений в два года, см. рис. 4. Обнаруженные связи между ПКО и ОСО являются проявлением усиления воздухообмена между верхними слоями атмосферы и приземным слоем в весенний период.
Вариации ПКО и ОСО в зимней атмосфере
Особый интерес представляют средние дневные значения ПКО и ОСО, измеренные в зимние месяцы, когда наблюдались пониженные температуры при усилении активности синоптических процессов, см. рис. 5. Интересно отметить, что в условиях полярной стратосферы в указанные периоды времени обнаружено продолжительное и стабильное существование циркумполярного вихря, внутри которого наблюдаются пониженные значения плотности озона (Рыскин и др., 2005).
Из рис. 5 видно, что вариации средних дневных значений ОСО и ПКО во временном интервале с 12.02. по 30.03. для каждого года и их межгодовая изменчивость отличаются существенной неоднородностью и представляют собой квазипериодические колебания. Главной особенностью вариаций ОСО и ПКО является многомодальный характер колебаний в отдельные периоды наблюдения. Наибольшие амплитуды колебаний ОСО и ПКО отмечены в марте 1999, 2001 и 2002 гг. Относительно низкие значения ОСО и ПКО наблюдались в 2000 г. Характерной особенностью 2003 г. явились невысокие амплитуды вариаций ОСО в условиях перехода от зимы к весне, и лишь к середине марта они становятся значимыми.
О К П
О К
С
1 60
50
40
30
С
О
20 КО
С
10
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 год Рис. 4. Среднеквадратические отклонения ПКО — 1 и общего содержания озона — 2.
1
2
8
7
6
5
3
2
ОСО, ед. Д 550
500 450 400 350 300
250
200
-ОСО, ед. Д. ПКО, мкг/м3
1999 г. 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 г. ................................................................
N2 N ......■< N2 N ' 'V -.V N2 N
•§ь-§-§Л||||| ььЩщц
ПКО, мкг/м3 50
45
40
35
30
25
20
15 10 5
0
' 1 1 N2 N2 N ......С N Г^Г^ —^N2 42 I
•§•§ яь!!^: «Ь! Й Й й й й й
Рис. 5. Вариации ОСО и ПКО в зимне-весенний период в атмосфере г. Улан-Удэ.
Вариации ОСО в зимней стратосфере
В широтном поясе 52° с.ш.—68° с.ш. часто наблюдаются значительные согласованные вариации ОСО и концентрации озона на высоте 40 км, обусловленные зональной волновой структурой стратосферного полярного вихря и его эволюцией (рис. 6). Они могут охватывать значительные региональные масштабы в интервале времени от нескольких дней до месяца.
В сезоне 2003—2004 гг. в стратосфере Арктики наблюдался слабый неустойчивый вихрь, центр которого часто смещался из районов Кольского
п-ова и Северной Скандинавии к востоку (Куликов и др., 2007). В таких условиях наблюдаются вторжение в полярные широты воздуха с более высоким содержанием озона из умеренных широт и активное перемешивание воздушных масс. Большие градиенты концентрации озона в области вихря в направлении периферии вихря вызывают значительную изменчивость ОСО в точке наблюдения г. Улан-Удэ при эволюции вихря в средних широтах (рис. 6). Коэффициент корреляции вариаций концентрации озона на высоте 40 км на ст. Кируна (Северная Скандинавия) и ОСО в пункте наблюдения г. Улан-Удэ Я =
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.