научная статья по теме АНАЛИЗ КВАЗИДВУХЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА И ЕЕ СВЯЗИ С КВАЗИДВУХЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТЬЮ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА Геофизика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ КВАЗИДВУХЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА И ЕЕ СВЯЗИ С КВАЗИДВУХЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТЬЮ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 494-502

УДК 551.510

АНАЛИЗ КВАЗИДВУХЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА И ЕЕ СВЯЗИ С КВАЗИДВУХЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТЬЮ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА

© 2008 г. С. А. Ситнов

Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: ssitnov@mail.ru Поступила в редакцию 11.09.2007 г., после доработки 17.03.2008 г.

По данным спутниковых наблюдений содержания окиси углерода (СО) в столбе и общего содержания озона (ОСО) проведен анализ связи межгодовой изменчивости СО с квазидвухлетней цикличностью (КДЦ) экваториального стратосферного ветра и КДЦ ОСО. Обнаружено, что над большей частью земного шара содержание СО в западной фазе КДЦ превышает содержание в восточной. Глобальное распределение амплитуд КДЦ СО обнаруживает локальный максимум над Индонезией, где размах квазидвухлетних колебаний СО составляет в среднем 15% от локального среднегодового содержания СО в этом регионе. Анализ показывает, что в период 2000-2007 гг. квазидвухлетние колебания СО четко синхронизированы с КДЦ ветра на уровне 50 гПа. Вместе с тем совместный анализ характеристик КДЦ СО и КДЦ ОСО свидетельствует об отсутствии прямой фотохимической связи вариаций ОСО и СО квазидвухлетнего масштаба.

ВВЕДЕНИЕ

Окись углерода (СО) производится при неполном сжигании топлива в печах, двигателях внутреннего сгорания и горении биомассы. Примерно половина атмосферного СО образуется при окислении углеродосодержащих веществ, главным образом метана и терпенов. Время жизни СО в атмосфере зависит от высоты, широты и сезона и в тропосфере (где находится основная масса СО) составляет от нескольких недель до нескольких месяцев [1]. Являясь т.н. газом-предшественником, СО активно участвует в глобальном углеродном цикле, обеспечивая образование до 20% содержания двуокиси углерода (СО2) в атмосфере [2]. В тропосфере, в присутствии окислов азота (N0^), процессы окисления СО приводят к образованию озона (О3) [3, 4]. Основным стоком СО является его реакция с ОН:

СО + ОН — С02 + Н. (1)

Источником последнего в тропосфере является фотолиз озона с последующей реакцией возбужденного атома кислорода с водяным паром [3]:

03 + Н\ —- 02 + 0(1Б), (2)

О (1Б) + Н20 — 0Н + 0Н (3)

Концентрация 0 (1Б) зависит от уровня УФ-В радиации (290-320 нм), приходящей к верхней границе тропосферы, которая, в свою очередь, зависит от общего содержания озона (ОСО) [4]. Расчеты по фотохимической модели [5] показали, что умень-

шение ОСО на 1% приводит к увеличению концентрации ОН в тропосфере на 0.6-0.9%. Очевидно, что изменчивость ОСО может влиять на изменчивость СО по примерной схеме: рост (уменьшение) ОСО уменьшает (увеличивает) интенсивность УФ-В радиации в тропосфере и приводит к уменьшению (увеличению) скорости образования ОН, что, в свою очередь, уменьшает (увеличивает) сток СО на ОН и приводит к росту (уменьшению) СО соответственно. Подобная связь между СО и ОН действительно прослеживается в их сезонной изменчивости. В [6] было показано, что при полушарном осреднении наблюдений июльский максимум годового хода концентрации ОН совпадает с минимумом концентрации СО. В качестве возможной причины замедления положительного тренда СО, наблюдавшегося в период 1980-2000 гг., многими авторами указывалось увеличение УФ радиации вследствие отрицательного тренда ОСО, наблюдавшегося в этот период ([7-10]). В [10] на основании результатов анализа долговременных наземных спектрометрических наблюдений СО было показано, что чувствительность (коэффициент регрессии) СО на изменение ОСО может достигать величины 0.55 ррЬ СО/е.Д.

Изменчивость ОСО хорошо документирована [3, 11, 12]. В его межгодовой изменчивости наиболее интенсивной квазирегулярной компонентой является квазидвухлетняя, обусловленная влиянием на динамику атмосферы квазидвухлетней цикличности (КДЦ) ветра в стратосфере над экватором

([13]). В [14] по данным проб воздуха на 27 станциях был проведен анализ межгодовых периодичностей приземных концентраций CO. Aнализ показал наличие колебаний CO с периодами 2-4 года, однако единого временного масштаба колебаний обнаружить не удалось. Cпeктpальный анализ межгодовой изменчивости CO и OCO обнаружил близость спектральных пиков квазидвухлетних колебаний CO (26.5 мес) и OCO (27.9 мес) лишь в высоких широтах дверного полушария. Oчeвиднo, что неопределенность результатов в [14], по-крайней мере отчасти, может быть связана с тем, что приземные наблюдения CO больше подвержены воздействию локальных источников CO, чем его наблюдения в столбе и поэтому могут быть сильно зашумлены.

Целью данной работы является диагностика КДЦ в содержании CO в столбе и анализ ее связи с КДЦ OCO.

БАЗА ДАННЫХ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Для анализа CO использовались измерения дневного содержании CO в столбе спутникового прибора MOPITT (Measurement of Pollution in The Troposphere), находящегося на борту спутника Terra, запущенного на солнечно-синхронную полярную орбиту с высотой 705 км в конце 1999 г. Газокорреляционный радиометр MOPITT производит надирные измерения ИК радиации. Для дневных наблюдений используется отраженное солнечное излучение на длине волны 2.3 мкм. Oптичecкая система прибора сканирует поперек движения спутника, обеспечивая практически глобальное покрытие примерно за 3 дня. Точность измерений CO составляет 10%, а горизонтальное разрешение - 22 км. В данной работе использовались данные 3-го уровня (MOPITT Level-3 Daily Averaged Gridded CO) - восстановленные и прошедшие вали-дацию ежедневные данные, осредненные по географической сетке 1o x Р (широта x долгота) в период с марта 2000 по май 2007 гг. Данные MOPITT оперативно собираются, обрабатываются и архивируются в научном центре HACA в Лэнгли (NASA Langley Distributed Active Archive Center (DAAC)) и доступны по адресу: http://eosweb.larc.nasa.gov/prodocs/mopitt/ table_mopitt.html.

Для анализа OCO в этот же период использовались среднемесячные данные спектрометра TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), установленного на спутнике Earth Probe (EP) и спектрометра OMI (Ozone Monitoring Instrument), установленного на спутнике Aura. Данные EP TOMS охватывают период с июля 1996 г. по март 2005 г., а данные OMI - период с апреля 2005 г. по июнь 2007 г. EP TOMS практически идентичен спектрометру TOMS, установленному на спутнике Nimbus-7 [2]. Oтличиeм является использование пары длин волн 309 нм и 322 нм вместо 340 нм и 380 нм, что делает алгоритм восстановления OCO менее чувствительным к

ошибкам калибровки прибора и повышает точность восстановления ОСО в высоких широтах. Погрешность определения ОСО EP TOMS лежит в пределах 2-5% [2]. Горизонтальное разрешение прибора составляет 39 км. В работе использованы среднемесячные данные ОСО (TOMS v.8), приведенные к географической сетке 1° х 1.25° (широта х х долгота). Данные доступны по адресу: http:// disc.sci.gsfc.nasa.gov/data/datapool/TOMS/Level_3/. OMI - спектрометр, который в отличие от TOMS измеряет непрерывный спектр отраженной и рассеянной земной атмосферой и поверхностью солнечной радиации в диапазоне длин волн 270-500 нм с разрешением 0.5 нм [15]. Эта особенность прибора позволяет получать информацию о содержании нескольких атмосферных газовых составляющих одновременно, а также характеристики атмосферного аэрозоля и потоки УФ радиации. Поле зрения прибора - 114° соответствует ширине охвата поверхности 2600 км, что позволяет за сутки охватить измерениями всю земную поверхность. Погрешность определения ОСО спектрометром OMI близка к погрешности TOMS. Горизонтальное разрешение при измерениях в надир составляет 13 км х 24 км (вдоль и поперек движения спутника соответственно). В работе использовались ежедневные наблюдения ОСО, полученные с помощью алгоритма TOMS v.8 и приведенные к сетке 1° х 1.25°; Данные доступны по адресу: http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/data/ datapool/OMI/Level3_V002/OMTO3D/.

Данные об экваториальном зональном ветре взяты в Берлинском Институте метеорологии (Institut fur Meteorologie, Freie Universität Berlin). Среднемесячные значения ветра на уровнях давления 10-70 гПа в период с января 1953 г. по май 2007 г. доступны по адресу: http://www.geo.fu-berlin.de/met/ ag/strat/produkte/qbo/. Описание процедуры обработки и архивации радиозондовых измерений можно найти в [16].

Измерения СО и ОСО обрабатывались по одинаковой схеме. По ежедневным наблюдениям были рассчитаны среднемесячные значения, которые затем осреднением были приведены к сетке 10° х 10°. В каждом из узлов сетки из временного ряда среднемесячных вычетом многолетних среднемесячных был удален годовой ход и рассчитан линейный тренд, который далее также был удален из временного ряда. Для уменьшения внутригодо-вой изменчивости разностные ряды (ряды аномалий) были сглажены скользящим средним по 7 мес. Сглаженные данные являлись исходным материалом для последующего анализа разностей аномалий СО в периоды западных и восточных экваториальных ветров на уровне 50 гПа. Аномалии, соответствующие слабым ветрам (\ы\ < 1 м/с) из

анализа исключались. Статистическая значимость разностей оценивалась с помощью статистики

г =

АХщ-АХ,

(4)

А Хп

N

+

А XЕ

АХ

N

АХ

где АХЩ и АХ, - средние отклонения, аАи

2

аАХ - дисперсии отклонений, NАи NАХ - количество использованных аномалий СО в западной (Щ) и восточной (Е) фазах КДЦ соответственно. Для достаточно больших N ^Хж и NАХ Ъ распределена нормально. В соответствии с критерием Уэлча разность АХщ и АХЕ является значимой на уровне

95% (99%) если |Ъ| > 1.65 (|Ъ| > 2.317) соответственно [17]. Следует заметить, однако, что используемый критерий предполагает независимость аномалий С0, что является очевидным упрощением. Автокорреляция аномалий уменьшает число независимых величин в выборках, что приводит к уменьшению величины Ъ. Поэтому уровни значимости разностей СО в восточной и западной фазах КДЦ, рассчитанные на основании формулы (4) и представленные ниже (рис. 16), вероятно, являются несколько завышенными.

Для накопления и выделения во временных рядах сигналов КДЦ применялся также метод наложения эпох [18].

РЕЗУЛЬТАТ

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