ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 3, с. 348-355
УДК :551.510.534:551.524
О ВЛИЯНИИ ОДИННАДЦАТИЛЕТНЕГО ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА КВАЗИДВУХЛЕТНЮЮ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОЗОНА И ТЕМПЕРАТУРЫ В КАНАДСКОМ СЕКТОРЕ АРКТИКИ
© 2009 г. С. А. Ситнов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: ssitnov@mail.ru Поступила в редакцию 30.11.2007 г., после доработки 19.06.2008 г.
Анализ данных высокоширотных канадских станций баллонного зондирования озона, показывает, что в максимуме 11-летнего цикла солнечной активности (СА) содержание озона в нижней стратосфере выше, чем в минимуме СА, кроме того в максимуме СА нижняя стратосфера теплее, а тропосфера холоднее, чем в минимуме. Отклики озона и температуры на экваториальную квазидвухлетнюю цикличность (КДЦ), проявляющиеся в противоположных фазах 11-летнего цикла СА также обнаруживают существенные различия: в максимуме СА эффекты КДЦ в озоне и температуре охватывают больший диапазон высот, максимумы эффектов обнаруживаются на 5-10 км выше, а их амплитуды превышают амплитуды эффектов в минимуме СА. Полученные результаты свидетельствуют, что КДЦ является одним из "проводников" влияния 11-летнего цикла СА в канадском секторе Арктики.
ВВЕДЕНИЕ
Совместное воздействие 11-летнего солнечного цикла и квазидвухлетней цикличности зонального ветра в экваториальной стратосфере (КДЦ) на вне-тропическую атмосферу было обнаружено в работе [1], где показано, что зимой в Северном полушарии 11-летняя изменчивость высоты изобарической поверхности 30 гПа выявляется при разбиении данных по фазам КДЦ. Несколько позднее авторы [2] показали, что температура зимней полярной стратосферы меняется в фазе с солнечной активностью (СА) при западной фазе КДЦ и в противофазе с СА при восточной фазе КДЦ. Эти результаты, вызвав сначала серьезную критику, связанную с непродолжительностью (на тот момент времени) анализировавшихся рядов наблюдений, позднее подтвердились [3, 4] и были успешно воспроизведены в модели общей циркуляции атмосферы [5]. Вследствие недостаточного пространственного разрешения такие модели пока не в состоянии генерировать КДЦ и последняя задается в них принудительно, при этом модельные расчеты выполняются, как правило, при фиксированной фазе КДЦ. При исследовании механизмов влияния на атмосферу 11-летнего цикла СА фиксация фазы экваториального стратосферного ветра оправданна, однако следует помнить, что, поскольку период КДЦ почти в пять раз меньше периода 11-летнего цикла СА, то именно СА определяет тот "фон", на котором проявляются эффекты КДЦ. Данная работа рассматривает проблему взаимодействия двух явлений в ином аспекте
и исследует различия эффектов КДЦ в противоположных фазах 11-летнего цикла СА.
Большинство сведений о взаимодействии эффектов СА и КДЦ получены на основании анализа интегральных атмосферных параметров (общего содержания озона, геопотенциала, потенциальной температуры) или локальных характеристик (концентрации озона, температуры, ветра). Между тем в [6] было показано, что амплитуды и фазы внетро-пических эффектов КДЦ в озоне и температуре существенно зависят от высоты, причем аномалии одного знака на одной высоте часто сопровождаются аномалиями противоположного знака на другой. Очевидно, что анализ локальных характеристик на отдельных высотах не даёт полного представления об эффектах, а использование интегральных параметров приводит к искажению и ослаблению эффектов. В данной работе выполнен анализ совместного взаимодействия СА и экваториальной КДЦ на вертикальные распределения озона и температуры в канадском секторе Арктики. Используемый подход для выделения эффектов КДЦ позволил получить более полное представление о высотно-вре-менной динамике эффектов КДЦ в тропосфере и стратосфере, а совместный анализ изменчивости озона и температуры - конкретизировать физические механизмы эффектов.
Следует отметить, что согласно [7-9] существует квазидесятилетняя модуляция продолжительности западной фазы КДЦ, следствием которой является уменьшение (увеличение) периода КДЦ вблизи солнечного максимума (минимума). Возможность реа-
Использованные данные баллонного зондирования озона
№ станции (по WOUDC) Станция Широта Долгота Тип зонда Период измерений Количество пусков
024 Резолью т 74.7° N 95.0° W BM 01.1966-11.1979 1677
ECC 12.1979-12.2007
315 Юрéка 80.0° N 86.2° W ECC 11.1992-12.2006 951
018 Алерт 82.5° N 62.3° W ECC 12.1987-12.2006 1004
лизации различных физических механизмов влияния 11-летнего цикла СА на период экваториальной КДЦ продемонстрирована и в моделях [10—12]. Однако, анализ более продолжительного ряда наблюдений профилей ветра над Бальбоа (9° К; 79.5° W), выполненный в [13], обнаружил, что связь периода КДЦ с уровнем СА слабая и проявляется лишь для части временного ряда, что поставило под сомнение выводы [7-9], а проведенный в [14] анализ данных радиозондирования экваториального ветра и данных реанализа ЕИА-40, охватывающих период пяти с половиной циклов СА, показал, что квазидесятилетняя модуляция периода КДЦ перестает обнаруживаться при увеличении анализируемого периода.
БАЗА ДАННЫХ
Использованы данные трех станций баллонного зондирования озона, расположенных в канадском секторе Арктики. Исходные данные содержатся в архиве Мирового центра озонных данных и данных об ультрафиолетовой радиации (World Ozone and Ultraviolet Data Center - WOUDC), находящегося в г. Торонто, Канада, и доступны по интернет-адресу: ftp://woudc:woudc@ ftp.tor.ec.gc.ca/Archive-NewFormat/ ozonesonde_1.0_1/. В таблице приведена информация о станциях зондирования, периодах наблюдений и количестве пусков озонозондов. Данные охватывают период 42 года и в сумме включают 3632 подъема зондов.
В баллонном зондировании используются два основных типа озонозондов - зонды Брюера-Маста (Brewer-Mast (BM)) [15] и электрохимические ячейки (еlectrochemical concentration cells (ECC)) [16]. Среднеквадратическая ошибка измерений содержания озона зондом ECC составляет 6-10% в области 800-200 гПа и 5-6% в области 200-10 гПа. Выше ошибка быстро растет с высотой, достигая 16% на уровне 6 гПа [17]. По сравнению с ECC зонды BM завышают на 10-15% содержание озона в тропосфере, дают примерно одинаковые результаты в области озонного максимума и занижают на 5% содержание озона на уровне 10 гПа. Внесение температурных поправок (датчик температуры зонда смонтирован на одной платформе с датчиком озона) и поправок на давление позволяет уменьшить различия отсчетов содержания озона зондами BM и ECC до 3% [18].
В качестве индекса экваториальной КДЦ используются среднемесячные данные о скорости экваториального зонального ветра на уровне 30 гПа по результатам измерений на трех приэкваториальных станциях радиозондирования, подготовленные в Берлинском институте метеорологии (Institute fur Meteorologie, Freie Universität Berlin) и доступные по интернет-адресу: http://www.geo.iu-berlin.de/met/ag/ strat/produkte/qbo/. Описание данных можно найти в [19]. В качестве индекса СА используются данные о потоке радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см (F10.7), доступные по адресу: www. cdc.noaa.gov/ ClimateIndices/Analysis/.
МЕТОД
С помощью сопутствующих измерений температуры данные озонного зондирования были переведены из шкалы давлений в шкалу высот (при отсутствии сопутствующих температурных данных использовались многолетние среднемесячные профили температуры на данной станции, интерполированные к дате полета зонда). Далее, с помощью линейной интерполяции данные были приведены к одинаковым для всех пусков равноотстоящим высотам в интервале от 1 км до 35 км (шаг 1 км) и дополнены наземными значениями. На основе этих данных на каждой из высот были рассчитаны текущие среднемесячные значения и многолетние среднемесячные значения, а также их разности (аномалии). Для подавления шума разностные ряды были сглажены семимесячным скользящим средним. Для выделения эффекта КДЦ использовался метод наложения эпох (МНЭ) [20]: аномалии, соответствующие одинаковым временны м задержкам из интервала ± 21 мес. были осреднены относительно ключевых дат, в качестве которых выбирались месяцы смены направлений экваториального зонального ветра на уровне 30 гПа с восточного на западное. Полученные таким образом средние аномалии имеют на разных высотах единую временную привязку, что позволяет проводить анализ вы-сотно-временной структуры эффектов КДЦ, а также совместный анализ эффектов КДЦ в озоне и температуре. Эта особенность метода объясняет бoльшую информативность МНЭ при анализе эффектов КДЦ по сравнению, например, со спектральным анализом [21]. Применение МНЭ оправдано также тем, что он применим к неэквидистантным и
Озон
Температура
3
Месяц
3
Месяц
Рис. 1. Профили разностей средних аномалий озона (а) и температуры (б), проявляющихся в периоды максимума (Б10.7 > 150 с.е.п.) и минимума (Б10.7 < 110 с.е.п.) солнечной активности. Черным (серым) цветом отмечены разности, статистически значимые на уровне значимости 0.05 (0.1) соответственно. Профили эффективных выборочных интервалов озона (в) и температуры (г).
разрывным данным, в частности, к данным, сгруппированным в соответствии с уровнем СА.
Поскольку среднее значение Б10.7 в период 19652006 гг. составляло примерно 130 солнечных единиц потока (с.е.п.), период высокой (низкой) СА в работе определялся как период, когда Б10.7 > > 150 с.е.п. (Б10.7 < 110 с.е.п.) (1 с.е.п. = 10-22 Вт м-2 Гц-1). Анализ охватывает период с 20-го по 23-й циклы СА, а общее число реализаций эпох в максимуме и минимуме солнечной активности для трех станций составляет соответственно 12 и 19.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 показаны профили разностей средних аномалий озона и температуры, между периодами максимума и минимума СА. Из рис. 1а видно, что в нижней и средней стратосфере содержание озона в максимуме СА выше его содержания в минимуме СА. В нижней стратосфере эти различия статистически значимы (на уровне значи-
мости 0.05) и достигают 6 нбар (3.5% от локального среднегодового содержания озона). Значимость разностей оценивалась с помощью
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.