ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 5, с. 654-662
УДК 551.510.41.551;510.42
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВТОРЖЕНИЙ ВОЗДУХА ИЗ ВЕРХНЕЙ ТРОПОСФЕРЫ НА ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ СО В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
© 2008 г. М. В. Макарова*, Г. А. Алексеенков**, В. С. Косцов*, А. В. Поберовский*
*Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: zaits@troll.phys.spbu.ru **Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт 199397 Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38 Поступила в редакцию 06.06.2007 г.
На основе спектроскопических измерений общего содержания СО, обратных траекторий движения воздушных масс (модель HYSPLIT) и метеорологической информации исследовано влияние затока воздуха из верхних слоев тропосферы на общее содержание СО. Показано, что наблюдавшиеся случаи вторжения субстратосферного, верхнетропосферного воздуха определяют минимальные значения общего содержания СО в конце января-конце марта. Вторжение воздуха из верхнетропосферных слоев может вызывать уменьшение значений общего содержания СО до 30% (от средних значений). На примере 31 января 2000 г. продемонстрировано влияние затока арктического воздуха из верхней тропосферы на общее содержание СО для района Санкт-Петербурга: результаты измерений общего содержания СО в районе Санкт-Петербурга и на полярной станции Kiruna (NDACC) согласуются в пределах 1% (в том случае, если при сопоставлении учтен процесс вертикального перемещения объемов воздуха). Таким образом, для корректного совместного анализа результатов измерений общего содержания СО для различных наблюдательных станций необходимо привлечение информации о траекториях движения воздушных масс.
ВВЕДЕНИЕ
Окись углерода (СО) - химически активная компонента, влияющая на содержание трех важнейших компонент земной атмосферы: тропосферного озона (О3), метана (СН4) и двуокиси углерода (СО2). Радикал гидроксила (ОН) является основным стоком окиси углерода и метана в тропосфере, поэтому окись углерода одновременно контролирует содержание СН4 и окислительную способность тропосферы (ОН). Процессы окисления СО, в зависимости от содержания окислов азота, могут приводить как к образованию, так и разрушению тропосферного озона. Например, при наличии достаточно высокого содержания окиси азота (NO), реакции окисления СО приводят к образованию тропосферного озона [1, 2]. Концентрации, достаточные для образования О3 могут достигаться для индустриально развитых регионов средних широт Северного полушария, а также в верхних слоях тропосферы тропических широт (где значительное количество NO формируется молниями). При низких содержаниях окиси азота в тропосфере (что более характерно для Южного полушария) имеет место другая цепочка реакций с участием СО, которая ведет к разрушению тропосферного О3 [1]. Конечным продуктом
при окислении СО в обоих случаях является двуокись углерода (важнейший парниковый газ).
Атмосферные динамические процессы оказывают существенное влияние как на локальные значения концентрации, так и на общее содержание СО в атмосфере. Во многих случаях происхождение воздушной массы позволяет объяснить наблюдающиеся изменения газового состава атмосферы [3-8]. Так, например, аномально высокие значения общего содержания СО в Петербурге во второй половине лета-начале осени связаны с приходом воздуха (обогащенного СО) из районов, где наблюдаются мощные лесные пожары. В таких условиях процессы трансформации воздушных масс особенно сильно влияют на наблюдающиеся значения общего содержания СО в атмосфере [9]. Существенное повышение значений (~25% от среднегодовых) содержания СО в атмосфере в холодное время года связано с высокой интенсивностью антропогенных источников СО, а также с низкими концентрациями радикала гидроксила в тропосфере (основного стока СО). При восточном, северо-восточном переносе воздушные массы, аккумулирующие выбросы материковых источников (например, Санкт-Петербурга), могут приводить к дополнительному увеличению измеряемых значений общего содержания СО на
20-30% (от средних, характерных для этого времени года). Фоновые значения СО обычно регистрируются при поступлении атлантического воздуха [9].
Наряду с адвекцией, вертикальные движения воздуха также оказывают влияние на содержание газа в атмосфере [10]. Ячейки циркуляции атмосферы и связанные с ними вертикальные движения воздуха приводят к значительным изменениям концентрации малых газовых составляющих атмосферы [6]. На высокогорных станциях отчетливо прослеживаются периоды, когда восходящими потоками воздуха выносятся загрязнения из нижней тропосферы в более высокие слои [11]. Случаи возрастания концентрации О3, обусловленные процессами вторжения стратосферного и субстратосферного воздуха в нижележащие слои тропосферы, зарегистрированы на Кисловодской научной станции ИФА РАН (~2070 м над уровнем моря, 43°44' К, 42°43' Е) [12].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Основной целью данной работы являлась оценка влияния вторжений воздуха из верхней тропосферы на изменения общего содержания СО для Санкт-Петербурга. Исследование основано на результатах спектроскопических измерений общего содержания СО [13, 14], анализе траекторий движения воздушных масс (модель ЫУ8РЫТ) [15] и метеорологической информации [16, 17]. Совместный анализ массива среднедневных значений общего содержания СО для района Санкт-Петербурга (1997-2005) и обратных траекторий движений воздушных масс позволил выбрать периоды (их семь), иллюстрирующие влияние вертикальных перемещений воздушных масс на общее содержание СО. В большинстве случаев - это нисходящие движения воздуха, наблюдавшиеся преимущественно в холодное время года. Три из семи случаев зарегистрированы в конце января-фев-рале: 31 января 2000 г., 21 февраля 2003 г. и 21 февраля 2004 г. Отметим, что интенсивные вторжения субстратосферного, верхнетропосферного воздуха - явление относительно редкое. В эти периоды можно ожидать снижения концентрации окиси углерода в нижних тропосферных слоях и, как следствие, уменьшения измеряемых значений общего содержания СО.
Оптические (спектроскопические) измерения общего содержания СО требуют определенных погодных условий: ясное небо либо разрывы в облачности. Поэтому выбор наглядных примеров, демонстрирующих влияние конкретного динамического процесса на общее содержание более сложен, чем в случае непрерывных измерений (например, локальных газохроматографических) [3, 11, 12]. Необходимо, чтобы в период смены воздушных масс было проведено несколько дней
измерений. Распределение конкретных дней измерений в этом периоде должно было таким, чтобы была возможность проследить влияние рассматриваемого динамического процесса в атмосфере на общее содержание газа.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотрим подробнее результаты измерений общего содержания СО для района Санкт-Петербурга, полученные с конца января по конец марта в 1997-2005 гг. (см. рис. 1). Именно этот двухмесячный период соответствует максимуму годового хода общего содержания СО [13, 18]. Он характеризуется относительно небольшой (по сравнению с другими месяцами) межгодовой изменчивостью средних значений общего содержания СО, что наглядно демонстрируют годовые хода общего содержания СО для 1997-2004 гг. (см. рис. 2) [18]. Исключение составляет лишь 1999 г., когда в январе-феврале отмечались аномально высокие значения общего содержания СО [13]. За 9 лет в период с конца января по конец марта измерения проводились в течение 114 дней. Среднее значение общего содержания СО за указанный период составило wср = = 0.290 х 1019 мол/см2, среднеквадратическое отклонение а = 0.025 х 1019 мол/см2. Минимальное (0.221 ± 0.003) х 1019 мол/см2 и максимальное (0.37 ± ± 0.01) х 1019 мол/см2 значения (среднеденевные) были зарегистрированы 21 февраля 2004 г. и 27 февраля 1999 г. соответственно. Количество высоких значений, выходящих за пределы коридоров и'ф ± а и wсp ± 2а, значительно больше, чем низких (см. рис. 1). Это связано с тем, что измерения проводятся на материковой станции, и наблюдаемые значения общего содержания СО зависят от мощности действующих источников окиси углерода.
За девять лет измерений три самых низких среднедневных значения (для периода конца января-конца марта) были зарегистрированы при вторжениях воздуха из верхних тропосферных слоев: 31 января 2000 г., 21 февраля 2003 г. и 21 февраля 2004 г. (см. рис. 1). Отличительной особенностью этих трех дней является резкое уменьшение значения общего содержания СО по сравнению с соседними днями (на 14% 31 января 2000 г. и 21 февраля 2003 г. и на 30% 21 февраля 2004 г.). Без анализа дополнительной метеорологической информации, траекторий движения воздушных масс такие случаи могут быть приняты за промахи при проведении и обработке эксперимента. Самое значительное падение общего содержания СО наблюдалось 21 февраля 2004 г. и связано оно с вторжением верхнетропосферного воздуха, сформировавшегося над южной Атлантикой. Все три случая интересны для анализа, однако, с нашей точки зрения, период 29 января-01 февраля 2000 г. наиболее удачен для дальнейшего, более подробного рассмотрения.
Общее содержание СО, 1019 мол/см2 0.39
0.37 0.35 0.33 0.31 0.29 0.27 0.25 0.23 0.21
-2а а
5
2а 31 января 2000 г.
21 февраля 2004 г.
0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24
Десятичные доли года
Рис. 1. Результаты измерений общего содержания СО для района Санкт-Петербурга (конец января-конец марта 1997-2005 гг.)
Общее содержание СО, 1019 мол/см2 0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
Годовые хода:
1997
1998
1999
2000 2001
2003
ЯФМАМИИАСО
Н Д Месяцы
Рис. 2. Годовые хода общего содержания СО для 1997-2004 гг.
а
Таблица 1. Значения общего содержания СО и Н2О для района Санкт-Петербурга (О и Юшш (К)
Дата/станция Вертикальные движения воздушных масс Общее содержание СО, 1019 мол/см2 Общее содержание Н2О, г/см2
28.01.2000 (К) - 0.2331 ± 0.0005
29.01.2000 (С) - 0.284 ± 0.005 0.51
30.01.2000 (С) - - 0.70(мз)
31.01.2000 (С) нисходящие 0.244 ± 0.004 0.20
01.02.2000 (С) - 0.282 ± 0.005 0.36
02.02.2000 (К) - 0.2453 ± 0.0005
Спектроскоп
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.