УДК 551.510.534.001.572« 1993/2000»
Моделирование межгодовых изменений общего содержания озона в 1993—2000 гг. и влияние ограничений производства озоноразрушающих веществ
Т. А. Егорова*, Е. В. Розанов**, И. Л. Кароль*, В. А, Зубов*, С. Л, Малышев***
Приведены оценки ёлиянш мер по ограничению производства хлорфтор-углеводородов (ХФУ) Монреальского протокола и дополнений к нему (МПД), а также межгодовых вариаций циркуляции атмосферы на атмосферный озон. Представленные результаты получены с помощью трехмерной глобальной транспортно-фотохимической модели, использующей данные ассимиляционной системы Метеорологической службы Великобритании о состоянии атмосферы в 1990-х годах. Выделено заметное влияние вариаций атмосферной циркуляции на общее содержание озона в Северном полушарии. Полученные оценки показали, что введение МПД позволило сохранить к началу 2000 г. до 2% озона в Северном полушарии и до 5% в Южном. Расчеты также показывают, что ХФУ не играют определяющей роли в наблюдаемой межгодовой изменчивости озона.
Открытие в 1983 г. озоновой "дыры" в Южном полушарии [10] и истощение озонового слоя в Северном полушарии во второй половине 1980-х годов [3] привели к введению ограничений на производство и использование озоноразрушающих соединений, таких как хлорфторуглеводороды (ХФУ). Увеличение выброса в атмосферу ХФУ ведет к росту концентрации активного хлора в стратосфере [14], который каталитически разрушает атмосферный озон [20]. Измерения, проведенные в последние годы, показывают начало уменьшения содержания некоторых ХФУ в атмосфере [1, 9, 11, 15, 16]. Также в [1] было отмечено, что начиная с 1997 г. наблюдается уменьшение содержания активных соединений хлора в стратосфере, однако до настоящего времени не приводилось никаких оценок текущего влияния мер по ограничению производства ХФУ в соответствии с Монреальским протоколом и дополнениями к нему (МПД) на общее содержание озона (ОСО) в атмосфере. Соответственно, очень важно исследовать, какую выгоду принес МПД с точки зрения сохранения озонового слоя сегодня и как будет происходить процесс его восстановления в будущем [21, 22]. Такое исследование не может быть выполнено только на основе ана-
* Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова.
** Физическая метеорологическая обсерватория в Давосе, Мировой радиационный центр, Швейцария.
*** Иллинойскийуниверситет в Урбана-Шампейн, США.
лиза наблюдаемых изменений общего содержания озона или с помощью простых моделей, поскольку содержание озона в атмосфере обусловлено совокупностью многих взаимосвязанных атмосферных процессов, включающих как фотохимическое разрушение и образование озона, так и его трехмерный глобальный перенос в атмосфере и разрушение вблизи подстилающей поверхности.
В настоящей работе влияние МПД на общее содержание озона в атмосфере оценено с помощью трехмерной глобальной транспортно-фотохими-ческой модели (ТФМ) МЕЗОН (Модель для исслЕдования трендов оЗОНа). В МЕЗОН используются близкие к реальности ежедневные глобальные распределения скорости ветра и температуры Метеослужбы Великобритании с сентября 1992 г. по март 2000 г. [23],
МЕЗОН имеет горизонтальное разрешение 4° по широте и 5° по долготе, 24 уровня по вертикали от поверхности земли до высоты примерно 50 км (до изобарической поверхности 1 г Па). В фотохимической части модели рассчитываются концентрации 43 газовых примесей с учетом 199 газофазных и 16 гетерогенных реакций на поверхности аэрозольных частиц. Свойства полярных стратосферных облаков (ПСО) рассчитываются с использованием диагностической термодинамической схемы, которая в упрощенном виде включает описание процессов конденсации, седиментации и испарения частиц ПСО первого и второго типов. Исходная версия фотохимического блока модели подробно рассмотрена в [18]. Использованная в настоящей работе версия модели дополнительно содержит полное описание цикла окисления метана в тропосфере и стратосфере и реакций бромного цикла. Коэффициенты гетерогенных реакций на поверхности сульфатного аэрозоля и частиц ПСО взяты из [7] и [13] соответственно. Диагностическая схема расчета ПСО заимствована из [6, 12]. Частицы ПСО переносятся модельными ветрами, а их гравитационное осаждение параметризовано согласно предложенному в [4] методу.
Начальные распределения концентраций малых газовых составляющих были построены по данным спутниковых измерений UARS для августа 1992 г. (адрес в Интернете; http: //hyperion.gsfc.nasa.gov). Свойства стратосферного вулканического аэрозоля были заданы согласно оценкам из [2]. Меняющиеся в зависимости от сезона отношения смеси СО2, СН4, N2O и фреонов в приземном слое для каждого моделируемого года были взяты из базы данных NO А А/С MDL (адрес в Интернете: http://www.cmdl.noaa.gov) отдельно для Северного и Южного полушарий. Отношения смеси ХФУ-11 и ХФУ-12 были увеличены для учета других источников активного хлора (CH3CCI3, СС14, СН3С1, CC12FCC1F2, CHCI3 и некоторые другие). Интенсивности наземных источников NO„ и СО были заимствованы из [17]. Эта же база данных была использована для описания молниевого источника NOx. Изменения солнечной ультрафиолетовой радиации, связанные с 11-летним циклом солнечной активности, были заданы для всего периода модельного расчета по данным прямых спутниковых измерений. Ежедневные данные о температуре и составляющих скорости ветра на всех высотах получены из ассимиляционной системы Метеорологической службы Великобритании [23]. Здесь ежедневные поля ветра и температуры определяются с помощью процедуры реанализа, т. е. усвоения моделью общей 6
циркуляции атмосферы данных различных систем наблюдений, которая помогает устранить недостатки данных наблюдений, в первую очередь — неполный пространственно-временной охват и отсутствие измерений некоторых величин. Ассимиляционная система Метеорологической службы Великобритании была успешно использована для расчета ОСО с помощью транспортно-фотохимической модели в [5].
С помощью МЕЗОН были проведены два расчета изменений газового состава атмосферы с сентября 1992 г. по март 2000 г. Контрольный расчет был проведен с использованием наблюдаемых отношений смеси фреонов. Для второго расчета отношения смеси фреонов были увеличены по рекомендации ВМО (согласно [21], предполагается примерно 3,5%-ный годовой рост тропосферных отношений смеси ХФУ, связанный с гипотетическим отсутствием всяких ограничений на производство и использование озоноразрушающих материалов).
На рис. 1 представлено сравнение рассчитанных и измеренных среднемесячных значений ОСО, осредненного по широтным зонам 30—90° с. и' 30—90° ю. Комбинация доступных результатов измерений ОСО (включает
ОСО,е,Д
1993 1994 7399 7996 1997 7998 7999 2000
Рис. 1. Рассчитанное (сплошная линия) и измеренное (затененная зона — комбинация доступных спутниковых данных) общее содержание озона, осредненное по широтным зонам 30—90° с. (о) и 30—90° ю. (б).
и (м/с) — средняя за зимний сезон зональная составляющая скорости ветра на изобарической поверхности 10гПана широтс70° с.(о) и 60" ю. (б); Г(К)—средняя температура в марте над Северным полушарием (а) и в сентябре над Южным полушарием (б) на изобарической поверхности 30 гПа.
данные спутников "NIMBUS-7", "МЕТЕОР-3", "TOVS", "ADEOS", "ERS-2" и "Earth'Probe"; адрес в Интернете: http://hyperion.gsfc.nasa.gov) показана на рис. 1 в виде затененной зоны с учетом неопределенности данных измерений. Данные наблюдений, осредненные как указано выше, не показывают уменьшения ОСО после 1993 г. Модель хорошо воспроизводит наблюдаемые сезонный цикл и межгодовую изменчивость ОСО в средних и высоких широтах Северного полушария (см. рис. 1а). Здесь модель завышает ОСО весной 1993 г. примерно на 30 е. Д. и занижает его весной 1998—1999 гг. на 10-—15 е. Д. Модель несколько хуже воспроизводит сезонный цикл озона в средних и высоких широтах Южного полушария (рис. 16), где модель недооценивает ОСО с 1993 по 1995 г. примерно на 40 е. Д, ,и на 20 е. Д. после 1995 г. Такое расхождение для Южного полушария неудивительно, поскольку количество и качество метеорологических наблюдений в этом районе недостаточны для точного воспроизводства многих важных атмосферных волн в модели Метеорологической службы Великобритании и соответственно в использованных нами полях ветра. Таким образом, в целом рассчитанное общее содержание озона хорошо согласуется с данными измерений даже после восьмилетнего интегрирования модели. Следовательно, можно сделать вывод о том, что перенос озона ветрами, взятыми из ассимиляционной системы Метеорологической службы Великобритании, и химическое образование (разрушение) озона находятся в разумном балансе. Более подробно исследование используемой модели представлено в [8, 18, 19].
На рис. 1 также приведена средняя за зимний сезон зональная скорость U на изобарической поверхности 10 гПа (~30 км) на 70° с. ш. и 60° ю. ш. — значения, близкие к максимуму скорости струйного течения на границах полярной ночи в Северном и Южном полушариях соответственно. Там же отмечена средняя температура в марте над Северным полушарием и в сентябре над Южным на изобарической поверхности 30 гПа (~24 км). Приведенные значения зональной скорости и температуры взяты из используемой в модели ассимиляционной системы Метеорологической службы Великобритании. Если в южной полярной области не отмечается заметных межгодовых вариаций скорости полярной струи и температуры (возможно, такие вариации недостаточно отражены в используемой ассимиляции ветра и температуры), то в северной полярной области эти вариации значительны (рис. 1а), и они влияют на максимумы ОСО.
На рис. 2 представлено географическое распределение разности,среднего ОСО в марте над Северным полушарием для ряда последовательных лет. Разность ОСО (1997 г. — 1996 г.) является отрицательной, разность (1998 г. — 1997 г.) положительна для рассчитанных по МЕЗОН и для измеренных значений, хотя их абсолютные значения несколько различаются. Модель в целом правильно отражает известные из анализа данных измерений ОСО в высоких широтах Северного полушария закономерности его распределе
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.