ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 5, с. 663-669
УДК 551.510
СТРУКТУРА ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИИ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЕВРАЗИИ (станция мониторинга "Иссык-Куль")
© 2008 г. В. Н. Арефьев*, Ф. В. Кашин*, А. В. Красносельцев*, В. К. Семенов**, В. П. Синяков**
Научно-производственное объединение "Тайфун", 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: vnaref@typhoon.obninsk.ru **Киргизский национальный университет, 720033 Киргизстан, Бишкек, ул. Манаса, 101 E-mail@: vk-semenov@yandex.ru Поступила в редакцию 15.11.2007 г., после доработки 06.03.2008 г.
Представлены данные измерений прозрачности атмосферы на длине волны 500 нм с 1982 по 2007 г. на станции "Иссык-Куль", расположенной в горном регионе Центральной Азии. Выявлены сезонные вариации, линейный тренд и период заметного уменьшения прозрачности, связанного с извержениями вулканов. Отмечено, что в последние годы (1995-2007) линейный тренд становится отрицательным: B = -(1.50 ± 0.06) х 10-3 отн. ед. в год при P0 = (0.80 ± 0.01) отн. ед. Это может свидетельствовать об увеличении в атмосфере аэрозоля, хотя мощных извержений вулканов в этот период не было. Проведен спектральный анализ данных измерений прозрачности атмосферы при помощи Фурье- и вейвлет-преобразований. Определены основные характеристики колебаний, составляющих вариации прозрачности. Для описания временных изменений среднемесячных и среднегодовых величин прозрачности использована простая статистическая модель
ВВЕДЕНИЕ
Изменчивость прозрачности атмосферы в видимом диапазоне спектра солнечного излучения (0.4-0.8 мкм) играет важнейшую роль во многих процессах, протекающих в природной среде нашей планеты, включая биосферу. Эта изменчивость определяется в основном вариациями аэрозоля, содержание которого в атмосфере может возрастать как по естественным причинам (извержения вулканов, пыльные бури и т.п.), так и из-за производственной деятельности человека (выбросы и отходы промышленности, изменение подстилающей поверхности и т.п.). Поэтому в настоящее время мониторинг аэрозоля проводится на многих международных и национальных станциях в самых различных местах земного шара [1-6]. В горном регионе Центральной Азии на станции "Иссык-Куль" (И-К, 42.6°К, 77°Е, 1650 м над ур. моря) мониторинг спектральной прозрачности атмосферы на нескольких длинах волн осуществляется с 1982 г. [7, 8]. Ниже представлены данные измерений прозрачности на длине волны 500 нм на станции "Иссык-Куль" с 1982 по 2007 гг.
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА
Измерения прозрачности с 1982 г. до 2000 г. проводились многоканальным фильтровым фотометром с шириной полосы пропускания фильтров 10 нм [9], а затем солнечным фотометром MICROTOPS II (фирма "Solar Light CO") на пяти длинах волн, в том числе на длине волны (500 ± 1.5) нм с шириной полосы пропускания 10 нм. В январе-марте 2000 г. были проведены параллельные измерения прозрачности на длинах волн 500 и 519 нм двумя приборами. Отклонения носят случайный характер (рис. 1), поэтому можно анализировать совместно данные двух приборов в одном временшм ряду, начиная с 1982 г.
Коэффициент прозрачности принято находить из следующего соотношения:
Рат = (I/Ic)1/m, (1)
где m - атмосферная масса; I и I0 - интенсивности солнечного излучения с длиной волны 500 нм на поверхности Земли и вне атмосферы соответственно.
Величина I0 определяется долгим методом Буге-ра [10] в условиях высокой оптической стабильности атмосферы.
Прозрачность, отн. ед. 0.9 г
0.8
0.7
О- 1 • - 2
Н
9
13 27 2 Январь
6 12 14 18 22 Февраль
9 14 17 22 Март
Рис. 1. Сопоставление данных измерений прозрачности двумя приборами
(фотометр М1СЯОТОР8 II - 1, фильтровый фотометр - 2; вертикальные штрихи - средние квадратичные отклонения).
Прозрачность, отн. ед 0.9
Я
0.15
- 0
-0.15
1982 1987 1992 1997 2002 2007
Время, год
Рис. 2. Средние месячные (1) и годовые (3) величины СПА, линейный тренд (2) и скорость роста (4).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 2 приведены полученные на ИК в эпизодических измерениях летом 1982 и 1983 гг. и в регулярных измерениях с 1984 по 2007 гг. средние месячные величины прозрачности для вертикальной толщи атмосферы (Рат, отн. ед.) на длине волны солнечного спектра 500 нм и их линейный тренд. За указанный период в течение 4132 солнечных дней
было выполнено около 200 тысяч единичных реги-страций Рат (по 10-60 спектров в день). Средние месячные величины Рат определены усреднением полученных за месяц среднедневных значений, которые, в свою очередь, являются усреднением реально измеренных за день значений прозрачности. Погрешность Рат составляет менее 2%.
На рис. 2 также показаны характеризующие междугодовые изменения сглаженные (т.е. с исклю-
Прозрачность, отн. ед.
Месяц года
1984 1989 1994 1999 2004 2007
Время, год
Рис. 3. Изменения прозрачности в годовом цикле и средний за период наблюдений годовой сезонный ход.
ченными внутригодовыми вариациями) величины Рат и их скорость роста (Я отн. ед. в год, производная от сглаженных величин). Данные рис. 2 показывают наличие сезонных вариаций, положительного линейного тренда и периодов заметного уменьшения прозрачности.
Изменения спектральной прозрачности на длине волны 500 нм, на которой практически отсутствуют полосы поглощения атмосферных газов, кроме озона, определяются вариациями аэрозоля. Наблюдаемое сильное уменьшение прозрачности в 19911993 гг. связано с увеличением количества стратосферного аэрозоля из-за извержения вулкана Пина-тубо. Хотя, как видно из рис. 2, самоочищение атмосферы от вулканического аэрозоля происходит практически за ~2-3 года, но именно вследствие извержения вулкана Пинатубо, а также извержения вулкана Эль-Чичон (1982 г.) и наблюдается небольшой положительный линейный тренд за весь период наблюдений. Его характеристики (штриховая прямая 2, рис. 2) вычислены методом наименьших квадратов по средним месячным значениям:
Рат(0 = Р0 + (В/12)Г, (2)
где Р0 = (0.741 ± 0.003) отн. ед. - прозрачность в начальный момент измерений (£ = 0) в линейном приближении; I - порядковый номер месяца (I = 1 -июль 1984 г.); В = (2.88 ± 0.24) х 103 отн. ед. в год -показатель линейного тренда.
Найденный показатель линейного тренда (В = = 0.39% в год) в 1.4 раза меньше, чем показатель тренда (В = 0.55% в год), приведенный ранее в [8] для 15-летнего периода измерений, и близок к показателю (В = 0.36% в год [8]) при условии исключения периода извержения вулкана Пинатубо. Это подтверждает то, что чем больше период наблюде-
ний, тем меньше сказывается влияние на долговременные характеристики изменчивости прозрачности относительно кратковременных воздействий на атмосферу даже таких мощных, как извержения вулканов. Следует отметить, что в последние годы (1995-2007) линейный тренд становится отрицательным: В = -(1.50 ± 0.06) х 103 отн. ед. в год при Р0 = (0.80 ± 0.01) отн. ед. (прямая 5, рис. 2). Это может свидетельствовать об увеличении в атмосфере аэрозоля, хотя мощных извержений вулканов в этот период не было.
Годовые величины (сглаженные) Рат отличаются от линейного тренда (рис. 2). Скорость роста при среднем значении Я = (1.63 ± 0.11) х 10-3 отн. ед. в год принимает как положительные, так и отрицательные значения. Наибольшие изменения Я имели место в период влияния извержения вулкана Пинатубо, а в остальное время Я меняется незначительно.
На рис. 3 представлены демонстрирующие сезонные вариации средние месячные значения Рат с исключенными межгодовыми изменениями, показанными на рис. 2 (кривая 3). На рис. 3 так же показан усредненным за период наблюдений годовой сезонный ход Рат (вертикальные отрезки - диапазон его изменений для каждого месяца).
Сезонные изменения прозрачности в течение года определяются в основном тем, что летом воздушные массы в целом более теплые и более запыленные, а зимой более холодные и чистые. Поэтому максимальные значения Рат наблюдаются зимой в декабре, а минимальные - в апреле и августе. В мае-июле имеет место некоторое увеличение Рат, связанное с тем, что на это время года приходится максимум испарения воды с поверхности озера. Это приводит к росту и количества, и размеров аэрозоля. В течение года амплитуда измене-
Количество случаев 70 60 50 40 30 20 10
0
0.58 0.62 0.66
0.70 0.74 0.78 0.82 0.86 Прозрачность, отн. ед.
Спектральная плотность 0.008
0.006 0.004 0.002 0
6 9 12 22 32 48 84 150 Период, мес
Рис. 4. Функция распределения средних месячных величин прозрачности
Рис. 5. Спектр колебаний средних месячных величин прозрачности.
ний Pат (разность в абсолютных величинах между экстремумами прозрачности в годовом цикле) составляет обычно (14 ± 5)% от средней годовой величины.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Гистограмма на рис. 4 представляет функцию распределения (число появлений определенных значений), а данные табл. 1 содержат основные общие статистические характеристики средних месячных величин прозрачности атмосферы на длине волны 500 нм за период с июля 1984 г. по декабрь 2007 г. Для соблюдения условия стационарности в статистическом анализе рассмотрены величины Pат с исключенным линейным трендом.
Распределение средних месячных величин прозрачности атмосферы на длине волны 500 нм с исключенным линейным трендом одновершинное и отличается от нормального незначительно. Среднее значение Pат мало отличается от медианы, а мода несколько смещена в сторону больших значений. Это подтверждает и коэффициент асимметрии #3 (характеристика симметрии распределения), который отрицателен и мало отличается от единицы. Положительный коэффициент эксцесса #4 (формы распределения), мало отличающийся от #4 = 3, указывает на относительную островершинность распределения.
Спектральный анализ данных измерений прозрачности атмосферы на длине волны 500 нм проводился при помощи Фурье- и вейвлет-преобразова-ний. Фурье-преобразование позволило найти периоды колебаний, составляющих вариации Рат (рис. 5). Полученные значения периодов использовались в качестве первого приближения для определения значимости и параметров (амплитуд Д-, уточненных периодов П, сдвигов фазы колебаний мультире-грессионным
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.