научная статья по теме ВРЕМЕННAЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВРЕМЕННAЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 774-781

УДК 551.510.41; 551.510.42

ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

© 2009 г. М. В. Макарова*, А. В. Поберовский*, К. Н. Вишератин**, А. В. Поляков*

*Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: zaits@troll.phys.spbu.ru **Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: kvisher@typhoon.obninsk.ru Поступила в редакцию 18.06.2008 г., после доработки 01.10.2008 г.

Представлены результаты измерений содержания метана во всей толще атмосферы в районе Санкт-Петербурга за период 1991-2007 гг. Показано, что средний годовой ход общего содержания (ОС) метана за этот период характеризуется максимальными значениями в декабре-январе и минимальными в июне-августе при амплитуде годового хода ~3.6%. При этом годовые изменения ОС метана для отдельных лет могут существенно отличаться от полученного среднего годового хода. Статистически значимого линейного тренда ОС СН4 за период 1991-2007 гг. не выявлено. Полученные оценки показателя линейного тренда имеют противоположные знаки для зимних и летних месяцев (положительный для января 0.6 ± 0.2%/год и февраля 0.4 ± 0.2%/год и отрицательные для июля 0.3 ± 0.2%/год и августа 0.2 ± 0.1%/год), что свидетельствует о тенденции увеличения амплитуды годового хода ОС СН4. Проведенный спектральный анализ ряда общего содержания СН4 показал, что для периода 1991-2007 гг. с достоверностью 95% выделяются следующие гармоники: 12 мес (годовая гармоника), 32 мес (квадидвухлетние осцилляции), 55 мес (4.5 года), которые проявляются также в рядах метеорологических величин и общего содержания озона.

1. ВВЕДЕНИЕ

К важнейшим парниковым газам земной атмосферы относятся: водяной пар, углекислый газ, метан и закись азота. По сравнению с доиндустриаль-ным периодом содержание CO2 и СН4 в атмосфере возросло примерно в два раза. Относительный вклад метана в радиационный форсинг в настоящее время составляет около 20% [1]. Метан играет заметную роль в тропосферной и стратосферной химии: в тропосфере важны его реакции с гидрокси-лом и озоном, в стратосфере он служит источником водяного пара и водорода, а также стоком хлора [2].

Локальные приземные измерения концентрации метана осуществляются на сетях станций NOAA/GMD (США) и AGAGE (международная сеть, при поддержке NASA) [1]. Сеть станций NDACC (Network for Detection Atmospheric Chemistry Change) осуществляет регулярные спектроскопические измерения общего содержания (ОС) метана (а также в ряде случаев и элементов вертикальных профилей СН4) по высокоразрешенным ИК спектрам прямой солнечной радиации [3]. В России спектроскопический метод начал использоваться в ИФА РАН с 1974 г. [4, 5] с применением спектрометров среднего спектрального разрешения. В настоящее время регулярные наземные спектроскопические измерения ОС метана в России осуществ-

ляются на трех станциях: в НИИФ СПбГУ (вблизи Санкт-Петербурга), на Звенигородской научной базе (ЗНБ) ИФА РАН и в ИЭМ (Обнинск) [6, 7].

В НИИФ СПбГУ спектроскопические измерения ОС СН4 проводятся с 1991 г. [8-10] в пригороде Санкт-Петербурга (Ст. Петергоф), расположенном в 25 км от центра города (59.9° N, 29.9° Е, 20 м над ур. моря). Описание аппаратуры и методики интерпретации этих измерений содержатся в работах [8, 9]. В настоящей работе анализируются результаты измерения ОС метана, накопленные более чем за 15-летний период (с января 1991 по 2007 гг.).

2. АНАЛИЗ ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА

2.1. Общая характеристика временной изменчивости значений общего содержания метана

Результаты измерений ОС метана, приведенные на рис. 1, включают в себя около 1100 среднедневных значений величины ОС СН4. Количество дневных измерений, начиная с 1998 г., возросло по сравнению с предыдущим периодом, что связано не с увеличением количества солнечных дней, а с более полным использованием случаев кратковременных прояснений для проведения измерений. Особенно-

ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ 775 4.5 -

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Год

Рис. 1. Среднедневные значения ОС СН4 вблизи Санкт-Петербурга.

стью спектроскопических измерении является их зависимость от погодных условии (необходимо чистое небо или достаточные для проведения наблюдении разрывы облачности). В осенне-зимнее время количество измерении дополнительно сокращается в силу короткого светового дня. Отметим, что влияние погодных условии и длительности светлого времени суток на количество измерении имеет место для всех спектроскопических измерении.

Среднедневное значение ОС СН4 вычислялось как средневзвешенное значение единичных измерении ОС СН4 в течение дня. В качестве веса отдельного измерения использовалась величина, обратно пропорциональная значению среднеквадратическо-го рассогласования между измеренным и рассчитанным спектрами солнечного излучения. Эта величина является объективнои оценкои качества решения обратнои задачи по определению ОС газа. Случаи-ная погрешность единичного измерения общего содержания метана составляет 4—6% [8]. Погрешность среднедневного значения ОС СН4 обычно составляет 1-3% и зависит от метеоусловии [8-10].

В табл. 1 приведены экстремальные (максимальное wmax и минимальное значения ОС СН4, среднее значение (^ауг), медиана (^шей), сред-неквадратическое отклонение (а), коэффициен-

ты асимметрии |а и эксцесса |е. По результатам измерении ОС СН4 вблизи Санкт-Петербурга минимальное среднедневное значение наблюдалось 27 июля 2005 г., максимальное - 21 февраля 2007 г.

Смысл некоторых из статистических характеристик наглядно виден на рис. 2, где приведена гистограмма частоты повторяемости значении ОС СН4. Значения величин м>тей и wSЧT, отмеченные на рисунке вертикальными линиями, очень близки (при симметричном распределении случаинои величины медиана совпадет со средним значением). Положи-тельньш коэффициент асимметрии указывает на отклонение распределения, представленного на рис. 2, в сторону больших значении (что проявляется как более длинныи "хвост" в области больших значении ОС СН4). Значение коэффициента эксцесса |е невелико, но его положительное значение свидетельствует о более остроконечном, чем нормальное, распределении.

2.2. Годовой ход содержания СН4

Временнои ход ОС СН4 содержит периодические сезонные, долговременные, а также нерегулярные изменения. Для характеристики сезонных изменении ОС СН4 вблизи Санкт-Петербурга приведен рис. 3, демонстрирующии среднии годовои ход для

Таблица 1. Статистические характеристики ряда ОС СН4

wmax х 1019 мол/см2 wmin х 1019 мол/см2 Wavr X 1019 мол/см2 wmed х 1019 мол/см2 о х 1019 мол/см2 ца це

4.09 3.19 3.54 3.52 0.16 0.2 0.5

90

80

70

60

и)

н (д 50

й 40

н

ей 30

20

10

0

(мед.) 3.52 90 9 85 81

74

60 50

28 25

16 6

(ср.) 3.54

I

84 84

59

32

47

29

38

17 18

11

89

■ У

22

3.09 3.18 3.27 3.36 3.45 3.54 3.63 3.72 3.81 3.90 3.99 4.08 4.17 OC CH4 х 1019 мол/см2

Рис. 2. Гистограмма частоты повторяемости значений ОС СН4.

всего периода наблюдений (1991-2007 гг.), а также примеры годового хода для различных лет наблюдений (2001, 2002, 2006, 2007 гг.).

Полученный средний годовой (еще называемый сезонным) ход ОС СН4 за 1991-2007 гг. характеризуется максимальными значениями в декабре-январе и минимальными в июне-августе. Амплитуда его составляет ~3.6%. Из рис. 3 видно, что характер годовых изменений для отдельных лет измерений может существенным образом отличаться от полученного среднего годового хода. Сезонные изменения, наблюдавшиеся в 2007 г., близки к среднему годово-

4.2 г

-» Средний + 2001

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Месяц

Рис. 3. Годовой ход общего содержания метана вблизи Санкт-Петербурга.

му ходу, но (по сравнению с ним) имеют более высокие значения ОС CH4 в феврале-марте и резко выраженный минимум в июле. В 2006 г. наблюдался локальный максимум в мае-июле, минимумы ОС CH4 для этого года отмечены в апреле и сентябре. В 2001 и 2002 гг. минимальные значения наблюдались в апреле и в августе соответственно. Амплитуда годового хода для конкретного года (см. рис. 3) может существенно отличаться от среднего ее значения (~3.6%). Так, например, в 2002 г. амплитуда годового хода составила ~8%. Различия в характере сезонного хода для различных лет связаны с естественной изменчивостью интенсивности источников и стоков CH4 от года к году, влияющей на количество метана в атмосфере [11]. Например, глубокий минимум летом 2002 г., скорее всего, обусловлен сухой и жаркой погодой, что привело к уменьшению эмиссии CH4, вызванному пересыханием заболоченных мест (мощного естественного источника метана в северо-западном регионе).

Наблюдаемая межгодовая изменчивость среднего годового хода ОС CH4 характеризуется средне-квадратическими отклонениями (ам), рассчитанными для каждого месяца и приведенными на рис. 3. С апреля по август значения ам для Санкт-Петербурга меньше (минимум - май-июнь), чем для осенне-зимнего периода. Это связано частично с небольшим количеством дней наблюдений в осеннее и зимнее время, а также с большей изменчивостью ОС CH4 в холодный период (причиной чего может являться увеличение интенсивности антропогенных источников осенью и зимой).

Приземные отношения смеси CH4 (q0) для двух ближайших по широте станций NOAA CMDL (Baltic, 55.5° N, 16.7° E и Iceland, 63.2° N, 20.2° W) имеют

временнАя изменчивость общего содержания метана в атмосфере

777

сезонные изменения, по характеру аналогичные вариациям ОС СН4 для Санкт-Петербурга [12]. Однако амплитуды годового хода для приземных отношении смеси на станциях КОАА СМБЬ не превышают 1.5-2% [12].

2.3. Долговременные изменения (тренды) содержания СН4

Для оценок долговременных изменений (трендов) ОС CH4 (r, %/год) были использованы среднемесячные значения ОС CH4. Это позволило избавиться от необходимости исключения сезонного хода ОС метана и проводить расчеты только для тех месяцев, ко

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.

Показать целиком