ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 1, с. 94-103
УДК 551.510.5
СТРУКТУРА ВРЕМЕНИ ЫХ ВАРИАЦИЙ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ТОЛЩЕ АТМОСФЕРЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЕВРАЗИИ (СТАНЦИЯ МОНИТОРИНГА "ИССЫК-КУЛЬ")
© 2008 г. Ф. В. Кашин*, В. Н. Арефьев*, В. К. Семенов**, В. П. Синяков**, Л. Б. Упэнэк*
*Институт экспериментальной метеорологии ГУ НПО "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., пр. Ленина, 82 E-mail: vnaref@typhoon.obninsk.ru **Киргизский национальный университет 720033 Бишкек, ул. Манаса, 101 E-mail: vk-semenov@yandex.ru Поступила в редакцию 31.01.2007 г., после доработки 24.07.2007 г.
Представлены результаты статистического анализа данных систематических измерений в 1980— 2006 гг. объемной концентрации двуокиси углерода в толще атмосферы центральной части Евразии. Определены тренды средних месячных и годовых величин концентрации С02. За 26 лет средняя годовая концентрация выросла на ~42 млн1 со средней скоростью роста (1.56 ± 0.18) млн1 в год и достигла ~382.7 млн1. Найдены общие статистические характеристики. Функция распределения средних месячных концентраций С02 характеризуется наличием второго максимума и смещением основной моды в сторону больших значений, а средняя за время измерений месячная концентрация и медиана практически совпадают. Функция распределения средних годовых концентраций С02 близка к нормальной, а средняя за время измерений годовая концентрация, медиана и мода также совпадают. Выявлены тенденции коротко- и длиннопериодных вариаций двуокиси углерода и их возможная связь с рядом геофизических явлений. Спектральный анализ данных измерений концентрации С02 выявил колебания с периодами 4, 6, 12, 15, 21, 29, 40, 53, 84 и 183 месяца. Статистическая модель с параметрами этих колебаний описывает экспериментальные средние месячные концентрации углекислого газа со средним квадратичным отклонением 2.3 млн-1 (±0.6% от среднего за весь период значения 361.9 млн-1) и средние годовые концентрации со средним квадратичным отклонением 0.9 млн-1 (~±0.3%).
ВВЕДЕНИЕ
Углекислый газ (С02) - один из основных клима-тообразующих атмосферных газов. В последние десятки лет наблюдается постоянный рост его концентрации в атмосфере, что может оказать влияние на климат Земли. Это вызвало пристальное внимание мирового сообщества, следствием чего стала разработка и подписание многими странами, включая Россию, Киотского протокола, в котором предусматривается введение для разных стран квотирования выбросов С02 в атмосферу и проведения мониторинга С02 в различных регионах Земли.
Мониторинг С02 осуществляется на сети фоновых и региональных станций путем анализа проб воздуха [1-3]. В Киргизстане на созданной совместно российскими и киргизскими учеными станции мониторинга атмосферы "Иссык-Куль" (КК 242 N00, [2]) с 1980 г. ведутся постоянные измерения средней по высоте относительной объемной концентрации (отношения смеси) С02 методом солнечной молеку-лярно-абсорбционной спектроскопии [4], который в последние годы стал использоваться и в ряде других
регионов [5-12]. Аппаратура, методика измерений, их результаты и анализ, а также сопоставление измерений концентрации С02 в столбе атмосферы на станции "Иссык-Куль" с ее измерениями в пробах воздуха описаны в [13-18], а в продолжающих их настоящей статье представлены результаты исследования основных статистических характеристик и спектральной структуры вариаций концентрации С02 по уточненным в [18] данным измерений с мая 1980 по апрель 2006 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Данные измерений на станции "Иссык-Куль" (ИК) средней по высоте концентрации С02 подтверждают известные факты наличия сезонных вариаций и постоянного роста концентрации углекислого газа в атмосфере. На рис. 1 приведены величины средних месячных (См, млн1) и характеризующих изменения от года к году сглаженных (Сг, млн1) по методике [19] (т.е. с исключенными сезонными вариациями) концентраций С02, прямая
Рис. 1. Средние месячные (1) и сглаженные (2) концентрации СО2, линейный тренд (3), средние месячные (4) и сглаженные (5) концентрации СО2 с исключенным линейным трендом, скорость роста (6).
их линейного тренда, скорость роста СО2 (Я, млн1 в год - производная по Сг), а также величины См и Сг с исключенным линейным трендом.
Рост концентрации в первом приближении можно описать уравнением линейной регрессии, параметры которого определяются по измеренным См:
См, = Со + (В/12)Г, (1)
где Смг, млн1 - среднемесячная концентрация СО2 для месяца с порядковым номером V,
С0 = (340.9 ± 0.5) млн1 - концентрация СО2 к началу измерений (, = 1- май 1980 г.);
В = (1.61 ± 0.03) млн1 в год - показатель линейного тренда.
Величина показателя линейного тренда на ИК за период с 1980 по 2006 год по сравнению с [18], где период на год короче, уменьшилась на 0.6%. На такой же процент уменьшилась и величина средней за период скорости роста: Я = (1.56 ± 0.18) млн-1 в год. Теперь эти величины еще лучше согласуются со средней глобальной скоростью роста СО2 за период с 1979 по 2003 г., составляющей 1.6 млн-1 в год [1]. За 26 лет наблюдений средняя годовая концентрация СО2 на ИК выросла на ~42 млн-1.
Как было указано в [18], максимумы и минимумы сезонных вариаций СО2 чаще всего приходятся соответственно на апрель и август, а в отдельные годы экстремумы смещаются на один-два месяца (рис. 2). Средняя амплитуда сезонных вариаций концентрации СО2 в годовом цикле составляет (8.0 ± 1.4) млн-1 (рис. 1 и 2). Сезонное уве-
личение СО2 в среднем продолжается 8, а уменьшение - 4 месяцев, иногда изменяясь тоже на один-два месяца.
ОБЩИЕ СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Для соблюдения условия стационарности в дальнейшем анализе использованы данные с исключенным линейным трендом.
Годовое колебание, млн 1
Рис. 2. Средний за период наблюдений сезонный ход концентрации СО2 (вертикальные отрезки - диапазон изменений концентрации СО2 в течение месяца).
Количество месяцев, отн. ед.
Q__' _I_ИИЖМ»1 У- I
325 33Q 335 34Q 345 35Q 355 33Q 335 34Q 345 35Q
Концентрация углекислого газа, млн 1
Рис. 3. Функции распределения концентрации углекислого газа (а - средние месячные, б - сглаженные).
Важной статистической характеристикой вариаций временных рядов результатов измерений является функция распределения, т.е. число появлений определенных величин концентрации С02 за время наблюдений. Гистограммы с шагом 2 млн-1 представляют на рис. 3 распределения средних месячных концентраций С02 (См и Сг) за период с мая 1980 г. по апрель 2006 г. в относительных единицах (количество месяцев наблюдений нормированное на их общее число, равное 312). Таблица 1 содержит статистические характеристики См и Сг.
Функция распределения средних месячных концентраций С02 См немного отличается от нормальной (рис. 3 а) за счет второго максимума и смещения основной моды (наиболее вероятного значения) в сторону больших значений, тогда как средняя за 26 лет месячная величина и медиана практически совпадают (верхняя строчка табл. 1). На сдвиг наиболее вероятной моды относительно среднего Сср и на относительную островершинность распределения указывают также моменты высшего порядка, определяющие степень отклонения распределения от нормального: коэффициент асимметрии g3 (характеристика симметрии распределения) отрицателен, а коэффициент эксцесса g4 (характеристика формы распределения) положителен и близок к ну-
лю. Несимметричность распределения является, вероятнее всего, следствием различия времени увеличения и уменьшения сезонных изменений концентрации С02 в годовом цикле. На относительное постоянство амплитуд сезонных вариаций указывают малые значения среднего квадратического отклонения и коэффициента вариаций.
Функция распределения сглаженных величин концентрации С02 Сг близка к нормальной (рис. 36): величины Сф, M и m практически совпадают, коэффициент g3 отрицателен, а g4 положителен (нижняя строчка табл. 1). Некоторая несимметричность распределения скорее всего связана с тем, что вычитание линейного тренда не в полной мере устраняет рост концентрации С02 от года к году.
Как видно из рис. 4, где приведены функции распределения средних месячных концентраций С02 для каждого отдельного календарного года с января 1981 г. по декабрь 2005 г., распределения См во все годы заметно отличаются от нормального, их формы различны, часто полимодальны. Для большинства лет наблюдается отрицательная асимметрия, т.е. мода смещена в область больших значений См относительно медианы и среднего, значения которых часто весьма близки (рис. 5).
Коэффициент вариаций V в основном изменяется в очень небольшом интервале от 0.5 до 1.5%, указывая на относительную консервативность величин сезонных изменений концентрации С02. Коэффициенты асимметрии и эксцесса (рис. 5) для большинства лет отрицательны.
Функции распределения сглаженных величин концентрации углекислого газа Сг для отдельных лет (рис. 4) чаще всего одновершинны и подтверждают, что в течение года Сг изменяются мало в пределах 2-3 млн1, исключение составляют 1986— 1987 и годы после извержений вулканов, когда внутри года изменения Сг могут достигать 6—8 млн-1.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Спектральный анализ данных измерений концентрации С02 проводился при помощи Фурье- и вейвлет-преобразований. Для определения периодов основных колебаний, составляющих вариации концентрации С02 использовано имеющее высокое разрешение классическое Фурье-преобразова-
Таблица 1. Статистические характеристики вариаций концентрации углекислого газа*
N с M m С ^мин С ^макс О V g3 g4
См 312 340.9 ± 0.2 341.4 ± 0.2 343 ± 1 328.7 351.9 4.1 1.2 —0.42 ± 0.14 0.09 ± 0.27
сг 312 340.9 ± 0.1 340.9 ± 0.1 341 ± 1 334.6 344.8 2.1 0.6 —0.41 ± 0.14 0.36 ± 0.27
Примечание. * N - количество месяцев наблюдений; Сср, Смин и Смакс, млн 1 - средние, минимальные и максимальные концентрации углекислого газа; М, млн-1 - медиана, т, млн-1 - мода; о - среднее квадратическое отклонение; V % = 100 о/Сср -коэффициент вариации, #3 и #4 - коэффициенты асимметрии и эксцесса.
1981
1982
(а)
к
(б)
_1-:—/ | | | ]
(б)
1983
(а)
□А ■__■
А
(б)
_|_I_I_/114 _1_1
1986
_и_I
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.