ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 510-521
УДК 551.510.41
СЕЗОННО-СУТОЧНЫЙ ХОД ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА ВО ВНЕТРОПИЧЕСКИХ ШИРОТАХ
© 2008 г. А. М. Звягинцев*, О. А. Тарасова**, Г. И. Кузнецов**
*Централъная аэрологическая обсерватория Росгидромета 141700 Московская обл., г. Долгопрудный, ул. Первомайская, 3 E-mail: oom@cao-rhms.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119992, г. Москва, ул. Лебедева, 2 E-mail: atm554@phys.msu.ru Поступила в редакцию 24.05.2007 г., после доработки 10.10.2007 г.
Рассмотрены основные характеристики временного хода отношения смеси приземного озона на ряде станций мировой сети, предоставляющих результаты наблюдений в Мировой центр данных по парниковым газам и банк данных Европейской совместной программы мониторинга и оценки переноса воздушных загрязнений на большие расстояния. Проанализированы данные за период 1990-2004 гг., относящиеся, в основном, к Северному полушарию. Сезонный ход приземного озона отчетливо выражен на всех обследованных 114 пунктах наблюдений, суточный - также на всех, кроме полярных. Методами кластерного анализа выявлено шесть основных видов сезонно-суточной изменчивости приземного озона. Кроме количественных характеристик, виды различаются формами сезонного и суточного ходов (в частности, наличием одного или двух сезонных максимумов, сроками наступления максимумов). В соответствии с этими различиями выделены шесть классов станций: отдаленные (незагрязненные), слабо загрязненные равнинные, загрязненные равнинные, слабо загрязненные возвышенные, горные и полярные/отдаленные прибрежные станции. В группе "отдаленных" станций в Северном полушарии сезонный максимум приземного озона имеет место в апреле, как днем, так и ночью. В группе загрязненных станций, к которым относится большинство европейских сельских станций и которые имеют два сезонных максимума (весной и летом) или один широкий весенне-летний максимум, весенний максимум наблюдается и днем, и ночью, а летний - только днем. Высказано заключение, что весенний максимум обусловлен в основном динамическими процессами - переносом воздушных масс, а амплитуда летнего максимума определяется фотохимической генерацией озона.
ВВЕДЕНИЕ
Озон играет ключевую роль практически во всех химических и фотохимических процессах в тропосфере, обусловливая ее окислительную способность [1]. Внимание мировой научной общественности к тропосферному озону определяется, с одной стороны, высокой токсичностью озона (большинство зарегистрированных случаев неудовлетворительного качества воздуха в США и Западной Европе связано с превышением предельно допустимых концентраций озона) [2], а с другой стороны, - его вкладом в парниковый эффект [3]. Несмотря на меры, предпринимаемые международным сообществом по контролю уровня приземного озона, до настоящего времени наблюдается тенденция к увеличению его содержания в тропосфере, включая незагрязненные регионы [4, 5]. Например, в [4] показано, что в измерениях в чистом океаническом секторе на станции Мэйс Хэд в Ирландии рост концентрации приземного озона составил около 8 млрд-1 за период 1987-2003 гг. В течение длительного времени основным источником озона в тропосфере считался перенос из стратосферы [6-8]. В
начале 1970-х гг. была высказана гипотеза [9, 10], что основная часть тропосферного озона образуется фотохимическим путем в результате фотохимического окисления летучих углеводородов и оксида углерода СО в присутствии радикалов ЫОх и оксидов азота N0^, действующих как катализаторы. С тех пор было выполнено много экспериментальных и модельных исследований по определению вкладов фотохимии и переноса (как горизонтального, так и вертикального) в бюджет озона [2, 11, 12], которые показали для свободной тропосферы необходимость учета обоих механизмов, а для приземного слоя дополнительно - сухого осаждения. Фотохимическое образование озона происходит одновременно с его химическими потерями: в условиях постоянных изменений уровня солнечной освещенности, температуры, газового состава атмосферы и интенсивности стока (на аэрозольных частицах и земной поверхности) равновесие постоянно сдвигается либо в сторону образования озона, либо его разрушения. Концентрация приземного озона (далее просто озона) определяется такими факторами, как вертикальная устойчивость атмосферы, го-
ризонтальный перенос, фотохимическое образование и разрушение, которые нелинейно зависят от температуры, солнечной радиации, концентраций оксидов азота, летучих органических соединений, радикала OH и пр. К настоящему времени накоплен достаточно большой материал (до 20 и более лет) по временшму ходу озона в различных регионах мира [5, 13], включая оценки трендов на различных станциях, особенности сезонных и суточных вариаций и межгодовой изменчивости, однако он недостаточно обобщен. Типизация сезонного хода озона для европейских станций впервые выполнена в [14], исходя из априорной информации о свойствах станций. Целью настоящей работы является объективная систематизация видов сезонно-суточной изменчивости озона, наблюдаемых на различных станциях мировой сети, выполненная путем классификации типов одновременно сезонного и суточного хода без привлечения априорной информации о свойствах рассматриваемых станций.
ДАННЫЕ
В работе использованы ежечасные данные наблюдений озона из базы Мирового центра данных по парниковым газам (World Data Centre for Greenhouse Gases - WDCGG; http://gaw.kishou.go.jp), Япония, и данные, полученные на сети станций проекта EMEP (Европейская совместная программа мониторинга и оценки переноса воздушных загрязнений на большие расстояния; http://www.nilu.no). Использованы данные 114 станций; ввиду громоздкости справочный материал, содержащий названия станций, их месторасположение, отнесение к различным кластерам, дополняющий и дублирующий нижеприведенные сведения, расположен в Интернете по адресам http://oom.cao-rhms.ru и http://www.atmos-chem-phys.net/7/6099/2007/. Расчеты проведены в единицах отношения смеси озона. В работе использованы данные, полученные с помощью регулярно калибруемых унифицированных УФ-газоанализа-торов озона; приборная погрешность их разовых измерений составляет 1-2 млрд-1. Длительность использованных данных наблюдений для станций Северного полушария (СП) - не менее 10 лет (продолжительность наблюдений на большинстве станций проекта EMEP покрывает период 1990-2004 гг.), Южного полушария (ЮП) - не менее 8 лет. Следует отметить, что рассматриваемая выборка станций является пространственно неоднородной и сильно смещенной в сторону СП и, более конкретно, в Европейский регион. Тем не менее нам представляется, что полученные в работе результаты являются репрезентативными для широкого круга условий и описывают общие закономерности сезонных и суточных вариаций концентрации озона.
Для каждой из станций, обозначаемых индексом i, была вычислена среднемесячная (m - месяц) многолетняя концентрации озона Ci(m, h) (в едини-
цах отношения смеси озона) для каждого часа суток (Н) по местному времени (именно эти времена и приведены ниже) с предварительным вычитанием из исходного ряда значений линейного тренда. Эта процедура применена для получения статистически однородного сезонного хода и уменьшения погрешности определения среднемесячных значений за весь период измерений; на основном результате анализа - отнесении отдельных станций к различным кластерам - она практически не сказывается. Для большинства станций (более 80%) тренды получились статистически незначимыми или не превышали 1% в год; их значения приведены по упомянутым выше адресам. Обсуждение трендов выходит за рамки настоящей работы. Таким образом, для каждой г-й станции были сформированы прямоугольные матрицы отношений смеси озона размера 12 х 24 элементов С(т, Н), показывающие средний многолетний сезонный ход для каждого часа суток и средний многолетний суточный ход для каждого месяца года. Стандартное отклонение полученных элементов Сг(т, Н) оценено в 2-7%, но не более 3 млрд-1. Для каждой станции погрешность определения времени экстремумов сезонного хода не превышает 1 мес, суточного - 1-2 ч. Для соответствия локальной сезонности в разных полушариях данные измерений для ЮП сдвинуты на 6 месяцев.
МЕТОД АНАЛИЗА
Определение характерных форм сезонно-суточ-ных вариаций выполнено путем математически объективной классификации средних многолетних матриц, рассчитанных для различных станций. Одним из наиболее удобных методов классификации является кластерный анализ, представляющий собой разбиение совокупности данных на группы (или кластеры), близкие по определенным свойствам или параметрам. Использование методов кластерного анализа приводит к десяткам, а то и сотням разнообразных классов, что связано с большим количеством возможных способов вычисления расстояния между отдельными объектами и с не меньшим количеством методов вычисления расстояния между отдельными кластерами в процессе кластеризации, а также многообразными оценками оптимальности конечной кластерной структуры [15, 16].
В геофизических приложениях наибольшее распространение получили две группы алгоритмов кластерного анализа: иерархические агломератив-ные методы и итеративные методы группировки. Недостатком первой группы методов является необходимость на каждом шаге обрабатывать весь массив данных и рассчитывать расстояния между всеми элементами, поэтому иерархические методы применяются в случае не слишком большого числа исходных объектов. Для решения задачи оптимального распределения объектов по заранее из-
вестному числу кластеров используются итеративные (или последовательные) методы. В них на каждом шаге вычислений используется небольшая часть наблюдений и результаты разбиения на предыдущей итерации. Преимуществом таких методов является их быстрота, а к недостаткам относится необходимость априорной информации о числе кластеров.
В настоящей работе реализован иерархический подход в метрике квадрата евклидова расстояния р2:
р2(Сь С) = С(Н, т) - Су(Н, т))2,
где С и С - матрицы сезонно-суточного хода для различных станций г иу (объекты
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.