УДК 551.583.13;551.510.04
АНАЛИЗ НЕДЕЛЬНОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ В АТМОСФЕРЕ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА
© 2013 г. А. Н. Груздев
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3
E-mail: a.n.gruzdev@mail.ru Поступила в редакцию 11.04.2011 г., после доработки 30.08.2012 г.
Спектральным методом и методом группирования по дням недели выполнен анализ недельной цикличности по данным стандартного аэрологического зондирования на станции Долгопрудный близ Москвы и по результатам измерений содержания NO2 в толще стратосферы и в пограничном слое атмосферы на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН в течение 1990—2010 гг. Выявлены недельные циклы содержания NO2 в вертикальном столбе стратосферы, температуры, геопотенциала, скорости меридионального ветра в тропосфере и нижней стратосфере, высоты тропопаузы в теплое полугодие (с середины апреля по середину октября). Недельные вариации температуры в тропосфере положительные в первой половине и отрицательные во второй половине недели, а вариации температуры в слое тропопаузы и в нижней стратосфере противоположны по знаку тропосферным вариациям. Недельный цикл высоты тропопаузы находится примерно в фазе с циклом тропосферной температуры, а недельный цикл содержания NO2 в стратосферной толще противоположен по фазе циклу высоты тропопаузы. Недельные вариации отмечены и в общем содержании озона над Москвой. Этот результат подкреплен расчетами на основе регрессионных связей вертикального распределения озона с высотой тропопаузы. Предложены концептуальные механизмы недельной цикличности.
Ключевые слова: недельная цикличность, антропогенное воздействие, окислы азота, озон, высота тропопаузы.
Б01: 10.7868/80002351513020090
1. ВВЕДЕНИЕ
Крупные города и индустриальные центры выделяют в атмосферу заметное количество тепла, оказывая определенное влияние на климат урбанизированного района [1], а их жизнедеятельность подчинена недельному рабочему ритму. Важный вопрос состоит в том, не оказывает ли недельный ритм достаточно заметного влияния на климатическую систему на региональном масштабе, что могло бы вызывать недельные вариации термодинамических и динамических параметров атмосферы в окрестностях мегаполисов.
К настоящему времени насчитывается немало работ, в которых сделан вывод о наличии недельной цикличности в атмосфере урбанизированных районов. Он касается температуры [2—6] и других параметров, включая ветер, осадки, облачность, грозы [4—9]. В отдельных работах приведены данные о недельной цикличности значительно выше пограничного слоя атмосферы, вплоть до уровней верхней тропосферы [5, 6]. Предполагается, что недельная цикличность в атмосфере обусловлена
влиянием аэрозоля на облачность и тем самым на атмосферную циркуляцию [2, 5, 9].
Авторы большинства работ исходят из того, что цикл с периодом ~7 дней несвойствен природе и может быть лишь результатом человеческой деятельности, но авторы [10] считают, что существует и природный недельный цикл, и он намного сильнее антропогенно обусловленного цикла. В [11] недельная цикличность обнаружена в отдельные сезоны в различных атмосферных параметрах не только в приземном слое атмосферы, но и на стратосферных высотах вблизи крупного мегаполиса (Москва) и в малонаселенной местности (Западная Сибирь). Появление все новых результатов о недельной цикличности сопровождается дебатами об их достоверности [12—14].
Москва — один из крупнейших мегаполисов мира. Выполненный в [11] спектральный анализ данных аэрологического зондирования указывает на существование вариаций недельного масштаба в московском регионе в течение ограниченных временных интервалов (обычно в определенные сезоны). Из этого, однако, не следует, что фазы этих вариаций в разные годы близки между собой
£
м о С О
103 102 101 100 10—1 10-2 10—3 10—4
10
(а)
_1_I_I I I I I 11
_1_I_I I I I I 11
_1_I_I I I I I 11
103
102
101
10 100 (б)
1000
М^АаЛК/-^...
_I_I_I I м 111_I_I_I I I I 111_I_I_I I I I 111
1 10 100 Период, сут
1000
Рис. 1. а — Спектры мощности флуктуаций содержания N02 в толще стратосферы за 1990—2010 гг. 1 — исходные данные; 2, 3 — из исходных данных вычтены значения, полученные сглаживанием исходного ряда фильтром Кайзера—Бесселя (2) и прямоугольным фильтром (3) с частотами среза 1/30 сут-1; 4, 5 — из исходных данных вычтены значения, полученные сглаживанием исходного ряда фильтром Кайзера— Бесселя с частотой среза 1/8 сут-1 (4) и прямоугольным фильтром с частотой среза 1/7 сут-1 (5). б — Спектры мощности флуктуаций содержания N02 в пограничном слое атмосферы (1) и его первых разностей. Вертикальные пунктирные линии соответствуют периодам 7, 14 и 21 суток.
и средний за много лет недельный ход будет статистически значимым. С другой стороны, фазовая согласованность недельных вариаций в разные годы могла бы быть индикатором влияния недельного ритма в деятельности человека на динамику и термодинамику атмосферы. Предлагаемая статья посвящена анализу недельной цикличности в атмосфере в окрестности Москвы.
2. ТИПИЧНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА НЕДЕЛЬНОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ
В большинстве работ недельный цикл получают путем осреднения данных по дням недели или
за рабочие и выходные дни, то есть выборка данных осуществляется с недельной периодичностью. Этот прием привносит в результаты анализа навязанный недельный масштаб и может приводить к фиктивной недельной цикличности даже в ее отсутствие [11]. Простой пример — получение недельного хода при анализе этим методом волнообразного сигнала асимметричной формы с кратным неделе периодом. Фактически после осреднения данных по дням недели часто получается некий средний "недельный" ход. Тем же способом можно получить "шестидневный" ход и др. Проверка существования недельного цикла другими методами в большинстве работ, за редкими исключениями [15], не делается.
Укажем также на типичные ошибки в применении критериев статистической значимости к результатам анализа недельной цикличности указанным выше методом. Все критерии основаны на предположении о независимости данных. Однако данные за соседние дни обычно нельзя считать независимыми, и этот факт не принимается в расчет при оценке статистической значимости.
Для удаления низкочастотных компонент изменчивости, амплитуды которых обычно превосходят амплитуду вариаций недельного масштаба, часто применяют скользящее осреднение с последующим вычитанием сглаженного ряда из исходного. Скользящее осреднение по месячному интервалу практически не искажает вариации недельного и меньшего масштабов (ср. кривые 1 и 3 на рис. 1а), однако не устраняет полностью 2-х и 3-х недельные вариации. В некоторых работах применяется скользящее осреднение по недельному интервалу или, что хуже, рассматривается отклонение данных в пределах календарной недели от среднего за эту неделю значения [8] (в [11] к подобным работам ошибочно отнесена и работа [6]). Однако скользящее осреднение по недельному интервалу подавляет вариации с двухнедельным периодом примерно на 65%, а вариации с трехнедельным периодом — на 85%. Поэтому в остаточном ряде, получаемом вычитанием сглаженного ряда из исходного, не удается полностью исключить низкочастотные вариации, а вариации недельного масштаба могут заметно искажаться (ср. кривые 1 и 5 на рис. 1а) из-за спектрального просачивания, свойственного прямоугольному фильтру [16].
Другая типичная проблема связана с выбором статистического критерия. Для установления различия средних значений по двум группам данных (например, за рабочие и выходные дни) естественно применение ¿-критерия Стьюдента. Однако при большем числе групп применение этого критерия встречает серьезные затруднения, связанные с ужесточением требований к статистической значимости [17] (уровень которой в случае
1
2
семи групп должен быть 0.24% для обеспечения результирующего 5%-ного уровня значимости недельного цикла). Во всех известных нам работах, где недельный цикл представлен средними по дням недели значениями, это не принимается в расчет и используется уровень значимости по критерию Стьюдента 5%, а кое-где даже 10% [6], не обеспечивающий уровень значимости, достаточный для вывода о наличии недельного цикла (формально уровень значимости недельного цикла при этом может приближаться к 66% и 89% соответственно). Неудивительно, что при таком слабом критерии недельная цикличность легко "обнаруживается" во множестве атмосферных параметров. Столь же легко получить на основе тех же данных и шестисуточный цикл. В [15] на примере реальных данных об осадках убедительно показано, как ¿-критерий с 5%-ным уровнем значимости в подавляющем большинстве случаев приводит к ложному заключению о существовании недельного цикла.
3. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Как и в [11], будем использовать для анализа данные наблюдений содержания двуокиси азота на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ЗНС) и данные стандартного аэрологического зондирования в г. Долгопрудном за два последних десятилетия (1990—2010 гг.). Звенигородская станция расположена на расстоянии около 40 км к западу от Московской кольцевой автодороги. Из наблюдений М02 определяются интегральное содержание М02 в пограничном слое атмосферы (ПСА) и общее содержание М02 в атмосферном столбе выше ПСА утром и вечером. Метод измерений подробно описан в [18, 19]. Результаты измерений содержания М02 находятся в открытом доступе по адресу http://www.ndacc.org/. Общее содержание М02 выше ПСА практически совпадает с содержанием М02 в столбе стратосферы ввиду малой концентрации М02 выше ПСА [19]. Поэтому во избежание путаницы будем называть его стратосферным содержанием (СС).
Долгопрудный расположен в северной пригородной зоне Москвы. Результаты зондирования доступны по адресу http://weather.uwyo.edu/upperair/ sounding.htm. Для анализа использовались данные за 0 и 12 ч Гринвичского времени на уровне земли на стандартных и промежуточных изобарических поверхностях. Промежуточные поверхности выбирались так, чтобы шаг по высоте в слое от земли до поверхности 100 гПа не превышал 0.5 км, а в
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.