ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 438, № 5, с. 678-682
= ГЕОФИЗИКА
УДК 551.510.534+51.583:551.510.53
КВАЗИДВУХЛЕТНИЕ ВАРИАЦИИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ NO2
© 2011 г. А. Н. Груздев
Представлено академиком Г.С. Голицыным 24.01.2011 г. Поступило 04.02.2011 г.
В работе приведены первые результаты анализа квазидвухлетних вариаций содержания NO2 в вертикальном столбе атмосферы по результатам многолетних наземных измерений на станциях международной Сети для обнаружения изменений состава атмосферы (NDACC). Амплитуда вариаций в средних и полярных широтах составляет 2—3%, а в тропиках и в окрестности полюсов достигает 4—5%. Фаза вариаций в южном полушарии возрастает с широтой, а в северном широтный ход фазы немонотонный.
Квазидвухлетние вариации (КДВ) атмосферных параметров, в том числе вариации содержания малых газовых составляющих атмосферы, связывают в основном с квазидвухлетними колебаниями зональной скорости ветра в экваториальной стратосфере. Подробно изучены КДВ озона [1—4]. Первые результаты о КДВ NO2 получены в [5] на основе анализа данных измерений концентрации NO2 в слое средней стратосферы
25—40 км с помощью спутникового прибора SAGE II в 1984—1990 гг. (примерно 2.5 квазидвухлетних цикла). Максимум амплитуды КДВ концентрации NO2 порядка 18—20% отмечен в слое
26—29 км над экватором; амплитуда уменьшается в 3—4 раза к субтропическим широтам. Согласно [5, 6] фаза КДВ NO2 по данным SAGE II существенно изменяется с высотой — примерно на 10 мес в слое 25—35 км (окрестность максимума концентрации NO2 [7]). Квазидвухлетение вариации концентрации NO2 выявлены также в данных спутниковых измерений с помощью прибора GOMOS в 2002—2008 гг. (примерно три квазидвухлетних цикла) [8]. В этой работе указано, что максимальная амплитуда КДВ концентрации NO2 порядка 18% наблюдается в слое максимума NO2 над экватором, а в средних широтах эффект мал (согласно рис. 18 в [8] амплитуда КДВ NO2 на высоте 30 км в широтном поясе 40°—50°N составляет около 5%). Отметим также работу [9], где анализировались КДВ концентрации NO2 в слое 2—70 гПа в тропическом поясе по данным спут-
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук, Москва
никовых измерений с помощью прибора HALOE в 1991—1995 гг. Однако в этот период слой NO2 был сильно возмущен продуктами извержения вулкана Пинатубо [7, 10, 11], что не было учтено в [9]. Какие-либо другие работы, содержащие экспериментальные результаты о КДВ NO2, нам неизвестны.
В настоящее время в мире насчитывается несколько десятков станций наблюдения NO2 в вертикальном столбе атмосферы и среди них около двух десятков станций с рядами наблюдений NO2 длительностью 15 лет и более. Станции с высоким качеством данных наблюдений, в том числе российская станция Звенигород, включены в международную Сеть для обнаружения изменений состава атмосферы (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change — NDACC).
Рис. 1. Спектры мощности флуктуаций общего содержания N02 по результатам вечерних измерений на станциях Дюмон-Дюрвиль (1), Кергелен (2), Реюньон (3), Мауна-Лоа (4), Звенигород (5) и Скорсби-сунн (6). Значения спектральных плотностей увеличены с коэффициентами, приведенными справа от кривых.
Амплитуда, % 10 г
18 17ё
15
12
16
14
11
\13
10
8 76 1
2
-80° -60° -40° -20° 0° 20° 40° 60° 80° Широта
Рис. 2. Амплитуда квазидвухлетних вариаций общего содержания N02 в зависимости от широты по результатам утренних (светлые кружки) и вечерних (темные кружки) измерений. Вертикальные отрезки (концы отрезков для вечерних величин утолщены) соответствуют 95%-м доверительным интервалам. Числа у отрезков соответствуют номерам станций, указанным в табл. 1.
Задержка, мес 218! 16
15 10 5
-10
17
14
15 13
5
12
11
9.4
2
1
10
8
73 3
4
-80° -60° -40° -20° 0° 20° 40° 60° 80° Широта
Рис. 3. Фазовая задержка квазидвухлетних вариаций общего содержания N02 относительно квазидвухлетних колебаний зональной скорости экваториального ветра на изобарической поверхности 30 гПа по результатам утренних (светлые кружки) и вечерних (темные кружки) измерений на станциях, приведенных в табл. 1. Отрицательные значения задержки означают, что вариации содержания N02 опережают вариации скорости ветра.
5
8
1
6
0
5
|_4_I
Таблица 1 содержит сведения о станциях NDACC, данные которых использованы в настоящей работе. Результаты измерений находятся в открытом доступе по адресу http://www.ndacc.org/.
Содержание N02 измеряется с поверхности земли спектрометрическим методом по рассеянному из зенита солнечному излучению в видимой области спектра во время утренних и вечерних сумерек. Приводимые данные наблюдений соответствуют зенитному углу Солнца 90°. Общая методика измерений на сети NDACC и особенности методики определения содержания N02 на станции Звенигород описаны в [7, 12, 13]. Приведенные в табл. 1 станции, за исключением звенигородской, расположены в удаленных от промышленных центров пунктах с низким уровнем загрязнения нижней тропосферы окислами азота, и измеряемое на них общее содержание N02 практически соответствует содержанию N02 в вертикальном столбе стратосферы. На ст. Звенигород применяется особая методика определения содержания N0^ позволяющая определять стратосферное содержание N02 по измерениям в условиях чистого и загрязненного пограничного слоя атмосферы [7, 12, 13]. Таким образом, изучаемые в настоящей работе КДВ N02 характеризуют вариации содержания N02 в стратосферном столбе (примерно в слое 10—50 км [7]).
Результаты измерений N02 подвергнуты нами статистической проверке. Рассчитаны многолетние среднемесячные значения содержания N02 и среднеквадратичные отклонения для них и произведена отбраковка данных, выходящих за пределы учетверенного среднеквадратичного отклонения относительно многолетних среднемесячных
значений. Эта процедура повторялась итерационно. Затем были рассчитаны текущие среднемесячные значения содержания N02 и средний годовой ход N02 — среднемесячные значения содержания N02 за весь срок измерений (исключая данные с июля 1991 г. по июнь 1993 г., когда на стратосферное содержание N02 повлияли продукты извержения вулкана Пинатубо [7]). Для анализа использованы среднемесячные данные.
На рисунке 1 представлены спектры мощности флуктуации содержания N02 на отдельных станциях, представляющих полярные, средние и тропические широты северного и южного полушарий. Спектры рассчитаны с помощью метода максимальной энтропии по среднемесячным данным с исключенным средним годовым ходом. На всех спектрах присутствует спектральный максимум с периодом в интервале между 20 и 30 мес, характерным для КДВ (см. [1, 3, 4]). Максимум в окрестности периода 20 мес на отдельных спектрах соответствует комбинационной частоте колебаний с периодами 1 год и 2.5 года [3, 4]. Отметим, что примененный нами стандартный способ исключения среднего годового хода не обеспечивает полного удаления годового цикла (см. рис. 1), тем не менее он оказался достаточным, чтобы выявить сигнал на частотах квазидвухлетней цикличности. В спектрах на рис. 1 проявляются также максимумы в диапазоне периодов 3—5 лет, характерном для Эль-Ниньо Южного колебания (ЭНЮК), и максимумы на периодах 6—10 лет, предположительно связанные с влиянием 11-летнего цикла солнечной активности (ряды наблюдений N02 пока недостаточно длинны для кор-
Таблица 1. Станции наблюдений NO2
Станция Широта Долгота Организация, ответственная за наблюдения Период наблюдений, годы
1. Ню-Олесунн (Ny-Alesund) 78.92°N 11.93°E IEP 1995- 2008
2. Скорсбисунн (Scoresbysund) 70.48°N 21.95 °W DMI, CNRS 1991- 2009
3. Кируна (Kiruna) 67.84°N 20.41 °E NIWA 1991- 2009
4. Соданкюля (Sodankyla) 67.37°N 26.63°E FMI, CNRS 1990- 2009
5. Жиганск (Zhigansk) 66.79°N 123.35°E ЦАО, CNRS 1991- 2009
6. Харестуя (Harestua) 60.22°N 10.75 °E IASB 1994- 2010
7. Звенигород (Zvenigorod) 55.69°N 36.77°E ИФА 1990- 2009
8. Юнгфрауйох (Jungfraujoch) 46.55°N 7.98 °E IASB 1990- 2010
9. Иссык-Куль (Issyk-Kul) 42.62°N 76.99°E КНУ 1983- 2009
10. Мауна-Лоа (Mauna Loa) 19.54°N 155.58°W NIWA 1996- 2008
11. о. Реюньон (Reunion Isl.) 20.90°S 55.48°E CNRS 1993- 2009
12. Бауру (Bauru) 22.35°S 49.03°W UNESP, CNRS 1995- 2009
13. Лаудер (Lauder) 45.04°S 169.68°E NIWA 1981- -2009
14. о. Кергелен (Kerguelen Isl.) 49.35°S 70.26°E CNRS 1996- 2009
15. о. Маккуори (Macquarie Isl.) 54.50°S 158.94°E NIWA 1996- 2009
16. Дюмон-Дюрвиль (Dumont d'Urville) 66.67°S 140.02°E CNRS 1988- -2009
17. Ротера (Rothera) 67.57°S 68.13 °W BAS 1996- 2007
18. Арривал-Хайтс (Arrival Heights) 77.83°S 166.66°E NIWA 1991- 2009
Примечание. IEP — Institute of Environmental Physics, University of Bremen, Germany; DMI — Danish Meteorological Institute; CNRS — Centre National de la Recherche Scientifique, Paris, France: FNI — Finnish Meteorological Institute; NIWA — National Institute of Water and Atmospheric Research, Lauder, New Zealand; ЦАО — Центральная аэрологическая обсерватория, Долгопрудный; IASB — Institut d'Aeronomie Spatiale de Belgique, Brussels, Belgium; ИФА — Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, Москва; КНУ — Киргизский национальный университет, Бишкек; UNESP — Universidade Estadual Paulista, Brazil; BAS — British Antarctic Survey, Cambridge, UK.
ректного определения этого цикла спектральным методом).
Для оценки амплитуды и фазы КДВ содержания N02 применялась модель множественной линейной регрессии [10, 11]:
У () = ао + «1К + «2Г( tn) + аг /ел( tn) +
+ «4 ^30 (tn + tзКД) + а51юк( Ъ + tзЮК) +
+ а6Уп(^) + а7¥эч(^) + е(К), п = 1, 2.....N (1)
где у^„) — ряд среднемесячных значений содержания N02 по данным утренних или вечерних измерений, — время, N — число членов ряда, Г — периодически продленный годовой ход N0^ 1сл — индекс солнечной активности — среднемесячные значения спектральной плотности потока радиоизлучения Солнца F10.7 на длине волны 10.7 см (йр://йр. ngdc.noaa.gov/stp/solar_data/solar_radio/flux/Pen-ticton_0bserved/monthly/), Ц.0 — среднемесячные значения зональной скорости экваториального ветра на изобарической поверхности 30 гПа (http://www. geo.fu-berlin.de/met/ag/strat/produ
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.