ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 3, с. 345-359
УДК 551.51O.534
ШИРОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ВАРИАЦИИ СТРАТОСФЕРНОГО СОДЕРЖАНИЯ NO2
© 2008 г. А.Н. Груздев
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: a.n.gruzdev@mail.ru Поступила в редакцию 15.01.2007 г., после доработки 16.08.2007 г.
По данным наземных спектрометрических измерений общего содержания (ОС) NO2 в вертикальном столбе стратосферы на станциях Сети по обнаружению изменений состава атмосферы (NDACC) выполнен анализ суточных и годовых вариаций ОС NO2, эффекта уменьшения ОС NO2 под действием продуктов извержения вулкана Пинатубо, изменения ОС NO2 в 11-летнем цикле солнечной активности и линейных трендов ОС NO2. Выявлена широтная зависимость указанных вариаций и трендов. Обнаружено, что годовые оценки линейных трендов ОС NO2 преимущественно положительны в средних и низких широтах Южного полушария и отрицательны в средних и низких широтах Северного полушария. Максимальные значения положительных и отрицательных трендов составляют ~10% за 10 лет. В высоких и полярных широтах обоих полушарий годовые оценки тренда статистически незначимы. Сезонные оценки трендов могут отличаться от годовых. Оценки трендов и эффекта солнечной активности в ОС NO2, полученные в расчетах с 2-мерной моделью SOCRATES, а также аналитические оценки среднезо-нального тренда ОС NO2 в целом значительно отличаются от полученных по данным измерений.
1. ВВЕДЕНИЕ
Широтная зависимость стратосферного содержания NO2 изучалась по данным спектрометрических наземных [1-4], самолетных [5-7] и спутниковых измерений [8-10]. За последние полтора десятка лет значительно расширилось количество наземных станций, выполняющих систематические измерения общего содержания (ОС) NO2 в вертикальном столбе стратосферы, и появилась возможность применения статистического подхода к изучению изменчивости NO2 и ее широтных и региональных особенностей. На некоторых станциях продолжительность наблюдений NO2 составляет около 10 лет и более, что позволяет использовать эти данные для оценки линейных трендов и эффекта солнечной активности (СА) в NO2.
Оценки трендов для нескольких пунктов наблюдения NO2 были ранее получены рядом авторов [1115]. Сообщалось о положительных трендах ОС NO2 на новозеландской станции Лаудер - около 5% [11], швейцарской станции Юнгфрауйох - около 6% [13] и киргизской станции Иссык-Куль - в пределах 5-7% за 10 лет [14] по данным измерений за срок 17-21 лет. За более короткий срок измерений (13 лет) на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (далее ст. Звенигород) получены высокие (по модулю) значения отрицательного тренда ОС NO2 -12% за 10 лет [15].
По данным спутниковых (UARS) измерений за 1993-1998 гг. в [16] обнаружено сильное увеличе-
ние концентрации NO2 в средней стратосфере над тропиками, скорость которого в слое высотного максимума NO2 составила более 2% в год. Однако срок в 6 лет недостаточен для получения надежных оценок трендов, тем более что в [16] не учтено изменение уровня СА.
В [17] впервые выявлена широтная структура линейных трендов и эффекта солнечной активности в ОС NO2 в стратосфере. Получено примерно антисимметричное относительно экватора широтное распределение годовых оценок линейных трендов ОС NO2 с преимущественно положительными значениями трендов в низких и средних широтах Южного полушария (ЮП) и преимущественно отрицательными значениями в низких и средних широтах Северного полушария (СП). В то же время показано, что в средних широтах обоих полушарий ОС NO2 в период минимума СА в целом больше, чем в период максимума СА. Настоящая работа служит продолжением и развитием работы [17], и ее цель состоит в анализе линейных трендов и вариаций ОС NO2 разного временного масштаба от суток до 10 лет и их широтной структуры.
2.ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ
Для анализа использованы данные измерений содержания NO2 в наклонном и вертикальном столбах атмосферы на станциях Сети по обнаружению изменений состава атмосферы (Network for the Détection of Atmospheric Composition Change -
КБЛСС). Данные можно найти по адресу ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/ndacc. Они даны для времени суток, соответствующему зенитному углу солнца 90°. Информация о станциях приведена в таблице.
Следует остановиться на методике измерений и определения ОС N02 в столбе атмосферы. Измерения выполняются по рассеянному из зенита солнечному излучению в видимой области спектра в течение утренних и вечерних сумерек (зенитный угол солнца ~90°). Таким образом, регистрируемое излучение проходит через атмосферу наклонно до линии зенита, а затем после рассеяния - вертикально вниз. Наличие наклонного участка позволяет значительно увеличить величину стратосферной воздушной массы N0^ что повышает надежность определения стратосферного содержания N0^ Приборы для измерений содержания N02 на станциях NDACC и методики определения содержания N02 в наклонном столбе атмосферы прошли международные сравнения [18, 19]. Для пересчета наклонного содержания N02 в содержание в вертикальном столбе атмосферы необходимо знать воздушную массу N02 на момент измерений, которая зависит от зенитного угла солнца и вертикального профиля N0^ Значение воздушной массы на всех станциях, за исключением ст. Звенигород, обычно задается априори на основе предположений о вертикальном распределении N02 и пренебрежения вкладом тропосферной части N0^ На большинстве станций NDACC используется фиксированное значение воздушной массы, поэтому приводимые для них данные о содержании N02 в вертикальном и наклонном столбах атмосферы эквивалентны для задач изучения изменчивости N0^ На ст. Звенигород используется другой подход. Он основан на определении вертикального распределения N02 путем решения обратной задачи и дальнейшего послойного интегрирования содержания N02 [19, 20]. Это позволяет непосредственно получать значение содержания N02 в вертикальном столбе стратосферы. Содержание N02 в нижней тропосфере может быть велико во время эпизодов загрязнения [21]. Загрязнение нижней тропосферы окислами азота может приводить к увеличению значений наклонного содержания N0^ Следует отметить, однако, что многие станции NDACC находятся вдали от промышленных центров, и вероятность загрязнения приземного слоя на них, по-видимому, невелика по сравнению со ст. Звенигород. В этом случае вклад тропосферного слоя в ОС N02 мал. Таким образом, данные об ОС N02 на станциях NDSC отражают содержание N02 в вертикальном столбе стратосферы.
Наиболее длительные ряды содержания N02 получены на станциях Иссык-Куль и Лаудер (см. таблицу). За это время на ст. Лаудер сменилось несколько спектрометров, однако расхождение между данными различных приборов менее 3% [11]. На ст. Иссык-Куль в 2001 г. произошла смена не толь-
ко прибора, но и методики определения ОС N0^ и данные измерений предыдущих лет были выправлены на основе результатов измерений на двух приборах в течение 1.5 лет их совместной работы [14].
Все результаты измерений N02 были нами подвергнуты статистической проверке. Были рассчитаны многолетние среднемесячные значения содержания N02 и среднеквадратичные отклонения для них и произведена отбраковка данных, выходящих за пределы учетверенного среднеквадратичного отклонения относительно многолетних среднемесячных значений. Эта процедура повторялась итерационно. Затем были рассчитаны текущие среднемесячные значения содержания N02 и средний годовой ход N02 - среднемесячные значения содержания N02 за весь срок измерений (исключая данные с июля 1991 г. по июнь 1993 г., когда на стратосферное содержание N02 повлияли продукты извержения вулкана Пинатубо [11, 14, 15, 20]).
3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА
На полярных станциях отсутствуют данные измерений в периоды зимнего и летнего солнцестояний. Разрывы в среднем годовом ходе N02 общей длительностью 4 мес в году и менее интерполировались с помощью модели множественной линейной регрессии. Модель содержит две независимые переменные, в качестве которых служат годовая и полугодовая гармоники (синусоиды). Система уравнений модели решалась при варьировании фаз гармоник, и характеристики гармонических компонент годового хода N02 (амплитуды и фазы) определялись по условию минимизации дисперсии остаточного ряда из набора решений при разных значениях фаз гармоник. Разрывы в среднем годовом ходе Ш2 заполнялись значениями, полученными путем линейной суперпозиции годовой и полугодовой гармоник при найденных значениях амплитуд и фаз гармоник.
Для анализа спектрального состава годового хода N02 применялся метод гармонического анализа - разложение в ряд Фурье. Для оценки степени ангармоничности годового хода использованы интервал превышения - продолжительность периода в году, когда содержание N02 превышает среднегодовое значение, и интервал роста - продолжительность периода в году, когда содержание N02 возрастает [22].
Для оценки линейных трендов N02 и эффектов СА в N02 использована модель множественной линейной регрессии:
У (Ь) = ао + ахгп + а2Г( гп) + аз С( Ь) +
+ а4 и КДЦ (гп + ^зКДЦ ) + а51ЮК (1п + ¿зЮК ) + (1)
+ абУп( гп) + а7Уэч( ^) + е( 1п), п = 1,...,^,
s
со td M О
4
5 »
4 >
я
©
5
со
S >
>
н
о
о ©
м
4
Е
5
о w
м >
>
н о
4^
(О
о о
Станции наблюдений N02 и годовые оценки линейных трендов содержания N02 в вертикальном столбе стратосферы
Станция, номер Широта, град Долгота, град Организация, ответственная за наблюдения Период наблюдений, годы Тренд, %/10 лет Тренд, 1013 мол см~2/10 лет
Утро Вечер Утро Вечер
1. Ни-Алезунд (Ny-Alesund) 78.92 N 11.93 E NILU 1991,1993-2003 -3.4 + 6.4 -3.8 + 6.1 -0.8+1.5 -1.4+1.6
2. Туле (Thüle) 76.51 N 68.76 W DMI 1990-2004
3. Скоресбизунд (Scoresbysund) 70.48 N 21.95 W SA 1996-2004 -2.1 + 6.8 -4.1+6.1 -0.7 ± 2.2 -1.5 + 2.2
4. Кируна (Kiruna) 67.84 N 20.41 E NIWA 1991-2004 -1.7 + 3.6 -2.3 ± 2.9 -0.6+1.2 -0.9 + 1.2
5. Соданкила (Sodankyla) 67.37 N 26.63 E SA 1995-2004 1.7 + 5.6 1.5 + 5.3 0.5 + 1.7 0.5 + 1.9
6. Жиганск 66.79 N 123.35 E SA 1992-2004 3.9 + 4.0 5.5 ± 4.3 1.05 + 1.1 1.9 ± 1.5
7. Харестуа
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.