ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 64-93
УДК 551.510.53;523.98
ТРЕХМЕРНАЯ ГЛОБАЛЬНАЯ ФОТОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ CHARM. УЧЕТ ВКЛАДА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
© 2015 г. А. А. Криволуцкий, Т. Ю. Вьюшкова, Л. А. Черепанова, А. А. Куколева, А. И. Репнев, М. В. Банин
Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета, г. Долгопрудный (Московская обл.)
e-mail: alexei.krivolutsky@rambler.ru Поступила в редакцию: 08.05.2014 г.
Представлено описание численной глобальной фотохимической модели CHARM (CHemical Atmospheric Researh Model) и результаты трехмерного численного моделирования климатологических распределений озона и других малых газовых составляющих атмосферы Земли в диапазоне высот 0—90 км. Представлены также результаты реализации численных сценариев воздействия, вызванного изменением потоков УФ радиации Солнца в цикле его активности, а также обусловленного разрушением озона в полярных областях частицами высоких энергий космического происхождения. Для описания пространственного переноса химически активной примеси в модели (схема Пратера) были использованы расчеты глобальных полей компонент ветра и полей температуры с помощью модели общей циркуляции ARM (Atmospheric Research Model).
DOI: 10.7868/S0016794015010071
1. ВВЕДЕНИЕ
Фотохимическое численное моделирование прошло долгий путь от простого кислородного цикла (являющегося до сих пор стержнем всех фотохимических схем), предложенного С. Чеп-меном в 1930 г. [Chapman, 1930], до современных глобальных трехмерных моделей. Ключевую роль в образовании озоносферы Земли, как известно, играет солнечная ультрафиолетовая (УФ) радиация, которая приводит к диссоциации многих газовых составляющих (таких как О2, Н2О, N2O, NO2 и др.), продукты которой, в свою очередь, участвуют в химических реакциях, определяющих в конечном итоге глобальное содержание озона. Сравнение результатов моделирования с наблюдениями показало, что для воспроизведения широтной структуры полей озона, кроме фотохимических реакций, необходимо учитывать глобальный перенос химически активных атмосферных примесей, включая озон.
Интенсивное развитие фотохимического моделирования в значительной степени обусловлено вызовами природы: глобальное уменьшение озона, "озоновая дыра" в Антарктике, возможное влияние высотной авиации на содержание озона и т.д. Следует также учитывать влияние солнечной активности на состояние озоносферы. При этом существенны вариации как УФ радиации, так и корпускулярных потоков (космические лучи, релятивистские электроны и др.). Подробное современное изложение этих вопросов можно найти как в зарубежной [Brasseur and Solomon, 2005], так и в отечественной литературе [Алексан-
дров и др., 1992; Криволуцкий и Репнев, 2009; Repnev and Krivolutsky, 2010; Ларин, 2013]. Следует отметить, что в настоящее время в мире существует порядка десяти трехмерных моделей (включая данную модель), захватывающих мезо-сферу и даже нижнюю термосферу (две модели). Список и краткое описание этих моделей можно найти в работе [Funke et al., 2011], которая посвящена результатам международного проекта НЕР-РА (High Energetic Particle Precipitation in the Atmosphere). В качестве результатов проекта в работе приводится (впервые) сравнение изменений химического состава полярной атмосферы, вызванных потоками заряженных частиц в период сильных геомагнитных возмущений октября-ноября 2003 г., полученных по различным моделям, с данными наблюдений прибором MIPAS, который был установлен на спутнике ENVISAT. Следует также отметить, что первая отечественная трехмерная фотохимическая модель стратосферы с укороченным списком химических реакций была создана в 1985 г. [Задорожный и Магарычев, 1985]. В Институте вычислительной математики РАН создана версия климатической модели с фотохимическим блоком [Галин и др., 2007].
Целью настоящей работы является более подробное описание усовершенствованной версии трехмерной глобальной транспортной фотохимической модели тропосферы и средней атмосферы CHARM (CHemical Atmospheric Research Model), разработанной в Лаборатории химии и динамики атмосферы ЦАО. Базовый вариант этой модели был создан в 2004 г. в рамках плановой тематики
НИР Росгидромета [Криволуцкий и др., 2004]. В настоящей модифицированной версии модели расширен список химических реакций, добавлен блок, позволяющий учесть воздействие корпускулярных потоков космического происхождения, а также использованы в схеме переноса новые глобальные поля компонент ветра и температуры, рассчитанные с помощью модели общей циркуляции ARM (Atmospheric Research Model) [Криволуцкий и др., 2010]. Представлены результаты, иллюстрирующие климатологию атмосферных примесей, а также отклик озоносферы на вариации УФ радиации в солнечном цикле и на солнечные корпускулярные потоки.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ CHARM
2.1. Метод решения
2.1.1. Схема переноса
В модели CHARM был использован подход, позволяющий независимо описывать процессы адвективного переноса и фотохимические процессы, т.е. "метод расщепления" (по физическим процессам). Следует отметить, что в современных уже разработанных трехмерных моделях (например, [Balkanski et al., 1993; Rash et al., 1995; Kotam-arthi et al., 1998; Rozanov et al., 2005]) используются две различные схемы адвективного переноса: полулагранжева (semi-Lagrangian, SL) [Staniforth and Cote, 1991] и схема переноса с сохранением моментов (в данном случае вторых моментов) — схема Пратера [Prather, 1986]. Обе вышеупомянутые численные схемы удовлетворяют требованиям, предъявляемым при моделировании переноса химических компонент в атмосфере. SL схема монотонна, имеет небольшую численную диффузию, пригодна для описания переноса примеси при больших пространственных градиентах и гарантирует устойчивость и точность при временных шагах интегрирования, больших, чем требует условие Куранта—Леви. В отличие от SL схемы, консервативность схемы Пратера очень высока, но для устойчивости счета требует использования временных шагов, меньших, чем требуется для выполнения критерия Куранта—Леви.
Напомним, что при использовании SL метода уравнение неразрывности для химической примеси записывается в виде уравнения адвекции:
дм + и ди
dt a cosQdX
adQ
+ V^ + W^ _ Padd
гдц _ dz
- L\i, (1)
где ц— отношение смеси какой-либо химической компоненты; X — долгота, 9 — широта; г — высота; Р — давление и Р0 = 1013 мбар; а — радиус Земли; РАЮ — фотохимические источники, записанные в адвективной форме; Ь — характеристики фотохимических стоков; и, Vи Ж— компоненты скорости в направлении X, 9, и г.
В отличие от SL схемы, для решения уравнения неразрывности по схеме Пратера (являющейся существенно схемой Эйлера) его следует записать в потоковой (дивергентной) форме:
д(|р) + д(и |р) +
дt a cos9дХ
+ д^1Рcos 9) + ^|р) = PDI - L|ip, a cos9д9 дz
(2)
где р = p0exp(—z/H) — плотность воздуха (Н — высота однородной атмосферы); р0 — плотность воздуха при давлении Р0 и Рш — фотохимические источники, записанные в дивергентной форме.
Очевидно, обе формы уравнения переноса (1) и (2) эквивалентны в случае, если справедливо уравнение неразрывности:
d(U р) + d(V р cos 9) + d(W р) = 0. (3)
a cos9dX a cos 959 dz
Для описания процессов адвективного переноса в CHARM был реализован один из наиболее точных методов — метод Пратера [Prather, 1986]. Соответствующие компоненты скорости рассчитывались, как уже говорилось, с помощью модели общей циркуляции. Идеология метода описана в Приложении.
2.1.2. Химическая кинетика
При интегрировании данной системы уравнений химической кинетики, которая относится к так называемым "жестким системам", был использован метод "химических семейств", предложенный в свое время работе [Turco and Whitten, 1974]. "Жесткость" систем уравнений химической кинетики проявляется в данном случае в большом диапазоне значений характерных "времен жизни" химических компонент (от долей секунды до сотен лет), что потребовало бы очень малых временных шагов интегрирования. Метод "семейств" позволяет в значительной степени снять "жесткость" системы и значительно увеличить временной шаг. Фотохимический блок модели описывает взаимодействие между 41-й химической составляющей, участвующей в 127-ми фотохимических реакциях. В модели рассчитывались следующие химические компоненты:
— входящие в химические "семейства" Ox = O3 + O(3P) + O(1D); NOy = N + NO + NO2 + + NO3 + 2N2O5 + HNO3 + HO2NO2 + ClNO3 + + N(2D); Cly = Cl + ClO + OClO + ClOO + HOCl + + HCl; HOX = H + OH + HO2 + 2H2O2 ; CH3, CH2O, CH3O2, CH3O2H, CH3O, CHO, CO;
— газы-источники
CH4, C02, N20, СF2Cl2, CFCl3, H2, Cl4, Cl2, СН3а, CH2Cl, О2 (профиль фиксирован), N2 (профиль
фиксирован), M = O2 + N2 (концентрация молекул воздуха), Н2О (глобальное распределение фиксировано).
Вертикальный профиль молекулярного кислорода в расчетах был зафиксирован. Также не менялось глобальное (двумерное) распределение водяного пара, основанное на наблюдениях со спутника UARS (прибор HALOE).
В настоящем варианте фотохимического блока трехмерной модели учтены 127 фотохимических реакций (таблицы 1, 2). Шаг интегрирования модели по времени варьировался от 100 до 500 с. Скорости диссоциации пересчитывались через 1 ч модельного времени, что позволило корректно описать суточный ход солнечной радиации над фиксированной точкой. Нижняя граница модели находится на уровне земли, верхняя — на высоте 88 км, шаг по высоте в модели составляет 2 км, разрешение по широте — 5°, по долготе — 10°. Начальные распределения всех МГС брались из одномерной фотохимической модели [Krivo-lutsky et al., 2005]. При описании химии тропосферы были учтены, в параметрическом виде, процессы "вымывания" в облаках для некоторых компонент (H2O2, HNO3, HCl, HNO4).
Гетерогенные реакции на поверхности аэрозольных частиц не учитывались. Глобальные поля компонент ветра и температуры брались из предварительных расчетов по модели общей циркуляции. При этом использовались соответствующие трехмерные поля, осредненные за сутки для всех дней года. В расчетах были использованы приведенные в табулированном виде в работе [Sander et al., 2011] константы химических реакци
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.