УДК 551.510.534:551.583
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕПРЯМЫХ ЭФФЕКТОВ ВЛИЯНИЯ ГРОЗОВОЙ АКТИВНОСТИ НА ТЕМПЕРАТУРУ АТМОСФЕРЫ © 2013 г. С. П. Смышляев*, Е. А. Мареев**, В. Я. Галин***, П. А. Блакитная*
*Российский государственный гидрометеорологический университет 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98 **Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 ***Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mails: smyshl@rshu.ru, mareev@appl.sci-nnov.ru, galin@inm.ras.ru Поступила в редакцию 23.03.2011 г., после доработки 26.12.2012 г.
Химико-климатическая модель нижней и средней атмосферы используется для исследования изменений температуры атмосферы при возмущении ее химического состава в результате грозовой активности, вызывающего вариации локального нагрева и охлаждения, а также переноса тепла и массы в атмосфере. Результаты модельных расчетов показали, что в результате изменчивости грозовой продукции окислов азота и результирующей изменчивости концентраций атмосферных газов температура более всего меняется в нижней и средней стратосфере в тропических и полярных районах. Количественно этот эффект, в среднем за период в несколько десятилетий, составляет несколько десятых градуса, но может достигать нескольких градусов на высотах нижней стратосферы в полярных районах. Уровень статистической значимости полученных оценок превышает 0.95 почти на всех высотных диапазонах для глобальной молниевой продукции, превышающей 6 ТТЫ/год.
Ключевые слова: атмосфера, химический состав, молниевая продукция, окислы азота, атмосферная циркуляция, моделирование, обратные связи.
DOI: 10.7868/S0002351513050131
ВВЕДЕНИЕ
Молниевая продукция является одним из основных источников окислов азота в атмосфере [1—3]. В связи с особой ролью, которую играют окислы азота для баланса атмосферного озона [4] и процессов формирования полярных стратосферных облаков [5], изменчивость их молниевой продукции может привести к существенным вариациям в содержании озона и других газов в нижней и средней атмосфере [6, 7]. Существующая естественная неопределенность в климатологических оценках средней глобальной грозовой продукции окислов азота [8, 9], а также ее вертикальной и горизонтальной изменчивости приводит к соответствующей неопределенности в оценках влияния природных и антропогенных факторов на распределение атмосферных газов [6, 7].
Оценки глобальной годовой продукции окислов азота в результате грозовой активности показывают, что от года к году она меняется в широких пределах, но чаще всего находится в диапазоне от 2 до 20 ТгМ/год [7, 10]. При этом определить более узкий интервал ее значений очень сложно из-за
естественной природной изменчивости количества молниевых вспышек и образующихся при этом окислов азота. Теоретические и экспериментальные исследования показали важную роль молниевой продукции окислов азота в формировании химического состава тропосферы и стратосферы [11—13], в связи с чем большинство моделей состава атмосферы стали учитывать грозовую продукцию окислов азота [14—15]. Результаты измерений также показали увеличение содержания азотных газов в регионах с частыми грозами [16, 17]. Авторы настоящей работы ранее также обращались к теме влияния грозовой продукции окислов азота на баланс химически активных газов в атмосфере и продемонстрировали влияние неопределенности в оценке этого источника атмосферного азота на распределение озона и гид-роксильных радикалов [6, 7].
Выполненные исследования показали, что неопределенность в оценках молниевой продукции окислов азота служит сдерживающим фактором в совершенствовании моделей газового состава атмосферы, а решением проблемы может стать разработка физических параметризаций эффектов
образования окислов азота при молниевых вспышках. Между тем подверженный воздействию образующихся в результате молниевых вспышек окислов азота атмосферный озон определяет нагрев стратосферы за счет поглощения солнечной радиации и вносит вклад в парниковый эффект и охлаждение верхней тропосферы и нижней стратосферы [4, 18]. Изменение содержания озона в результате химических реакций с участием окислов азота грозового происхождения может привести к изменению радиационного баланса и возмущению общей циркуляции атмосферы. Изменения режима циркуляции атмосферы создают потенциал для нарушения баланса атмосферных газов, подверженных атмосферному переносу, а также к изменениям потоков тепла в атмосфере.
Изменения концентраций радиационно-ак-тивных газов, нагрева и циркуляционных условий могут привести к изменениям температуры атмосферы, которая, в свою очередь, существенно влияет на скорости химических реакций, на радиационный баланс атмосферы и на общую и локальную циркуляцию атмосферы [4]. Таким образом, изменения скорости молниевой продукции окислов азота в атмосфере не только оказывают влияние на изменение химического состава атмосферы, но и создают потенциал для возникновения обратных связей между физическими и химическими процессами в атмосфере.
Целью настоящей работы является исследование влияния естественной неопределенности в молниевой продукции окислов азота на изменчивость температуры атмосферы, возникающую в результате изменения содержания озона, с учетом обратных связей между изменениями состава и структуры атмосферы.
МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изменение химического состава атмосферы оказывает воздействие на радиационный режим и температуру атмосферы, во-первых, из-за изменения нагрева и охлаждения атмосферы в результате изменения концентраций озона, водяного пара и других радиационно-активных газов, а во-вторых, из-за изменения переноса тепла в атмосфере, инициируемого изменением радиационного баланса. Для учета этих воздействий и возникающих обратных связей целесообразно использовать химико-климатические модели атмосферы (ХКМ), учитывающие согласованное изменение ее состава, температуры и циркуляции [19].
Для проведения настоящего исследования использовалась глобальная ХКМ нижней и средней атмосферы [20], охватывающая высотный диапазон от земной поверхности до 90 км с переменным шагом по высоте. В горизонтальном направлении ХКМ охватывает весь земной шар с равномерными шагами по широте (4 градуса) и по долготе (5 градусов) [21]. Динамическими про-
гностическими переменными являются скорость ветра, температура, удельная влажность и приземное давление. В химическом блоке модели учитывается изменчивость 74 основных газовых составляющих, прямо или косвенно влияющих на скорости нагрева атмосферы [22]. Количество и тип учитываемых в модели фотохимических реакций позволяет исследовать изменчивость основных газов стратосферы, тропосферы и мезосферы.
Попадающие в атмосферу азотные малые газовые составляющие могут довольно быстро разрушаться в результате химических реакций, однако общее количество азота, так называемый "нечетный азот" (N0^), имеет в атмосфере долгое время жизни [4, 18]. Таким образом, изменение количества окислов азота в атмосфере в результате вариаций грозовой активности может сказаться не только вблизи источника, но и в других районах Земного шара. В настоящей работе особое внимание обращено на эффекты окислов азота молниевого происхождения в полярных районах, где они влияют не только на газовый состав, но и на формирование полярных стратосферных облаков (ПСО) [4]. Для этого использовалась модель изменчивости газовых и аэрозольных составляющих в стратосфере полярных районов, в которой учитываются и фазовые переходы окислов азота, и их влияние на ПСО [5].
Для исследования влияния молниевой продукции окислов азота на изменение температуры атмосферы в настоящей работе климатологические данные о продукции окислов азота в результате молниевых вспышек добавлялись в химическом блоке модели к продукции нечетного азота за счет других химических и физических процессов. Рассчитанные с учетом этого источника концентрации озона и других радиационно-актив-ных газов влияют на изменение температуры и циркуляции атмосферы за счет обратных связей.
Скорость молниевой продукции нечетного азота (МПНА) добавляется к фотохимической скорости образования N0^ в каждом узле модельной сетки. При этом аналогично более ранней работе авторов настоящего исследования [7], в данной работе для расчета скорости МПНА в каждом узле модельной сетки использовались климатологические данные [9] о горизонтальном и сезонном распределении МПНА, нормированные на заданную глобальную МПНА. Полученное интегральное в столбе значение скорости МПНА в каждом узле модельной сетки перераспределялось по высотам на основании данных работы [23].
Для исследования влияния естественной неопределенности в оценках МПНА на изменение температурного режима горизонтальное и сезонное распределение этого вида продукции нечетного азота задавалось не в абсолютных единицах, соответствующих на основании [9] глобальной продукции в 12 Т^/год, а в процентах заданной
Глобально осредненная изменчивость температуры в разных высотных слоях атмосфере при увеличении глобальной молниевой продукции окислов азота от 0 ТТЫ/год до величины, указанной в первой колонке
Сценарий ТгК/год В столбе 0-3 км 3-12 км 12-20 км 20-50 км
изменение, % уровень значимости изменение, % уровень значимости изменение, % уровень значимости изменение, % уровень значимости изменение, % уровень значимости
0.00001 0.01 0.43 -0.01 0.25 -0.02 0.53 0.02 0.49 0.01 0.59
0.0001 0.00 0.06 -0.01 0.45 -0.02 0.64 0.01 0.24 0.01 0.24
0.001 -0.00 0.21 -0.00 0.01 0.00 0.13 -0.02 0.60 -0.01 0.45
0.01 -0.00 0.10 -0.02 0.69 -0.04 0.87 -0.01 0.48 0.01 0.36
0.1 0.01 0.66 -0.01 0.49 -0.02 0.48 0.03 0.70 0.02 0.79
0.5 0.00 0.11 -0.01 0.23 0.00 0.03 0.01 0.21 0.00 0.08
1 -0.01 0.65 0.01 0.26 -0.00 0.01 0.03 0.66 -0.02 0.84
2 -0.02 0.77 0.01 0.32 0.00 0.13 0.03 0.66 -0.03 0.95
4 -0.04 0.98 0.01 0.44 0.04 0.94 0.08 0.99 -0.09 1.00
6 -0.07 1.00 0.01 0.41 0.05 0.98 0.11 1.00 -0.14 1.00
8 -0.09 1.00 0.01 0.64 0.05 1.00 0.14 1.00 -0.16 1.00
10 -0.10 1.00 0.02 0.69 0.08 1.00 0.20 1.00 -0.20 1.00
12 -0.11 1.00 0.01 0.24 0.08 1.00 0.23 1.00 -0.22 1.00
14 -0.13 1.0
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.