ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 5, с. 617-624
УДК 551.510.4
ВАРИАЦИИ ДВУОКИСИ АЗОТА В АТМОСФЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЕВРАЗИИ (СТАНЦИЯ МОНИТОРИНГА "ИССЫК-КУЛЬ")
© 2009 г. В. Н. Арефьев*, Ф. В. Кашин*, 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 Бишкек, ул. Манаса, 101 E-mail: vk-semenov@yandex.ru Поступила в редакцию 13.05.2008 г., после доработки 29.12.2008 г.
Представлены результаты анализа данных измерения в течение 25 лет общего содержания двуокиси азота в вертикальном столбе атмосферы сумеречным методом. Его средние месячные и годовые величины (средние арифметические утренних и вечерних) в целом выросли на ~6%, несмотря на имевшее место резкое уменьшение NO2 в 1991-1995 гг. вследствие извержения вулкана Пинатубо. Показатель линейного тренда составил 0.23% в год. Среднее годовое значение за весь период наблюдений равно (3.18 ± 0.05) х 1015 мол/см2, а амплитуда сезонных вариаций - (2.39 ± 0.04) х 1015 мол/см2. Спектральный анализ экспериментальных данных выявил составные колебания с периодами от 6 до 253 мес, величины которых не противоречат литературным данным. Большая часть этих колебаний - негармонические. Простая статистическая модель удовлетворительно описывает временны е изменения средних месячных и годовых содержаний NO2 со средними квадратичными отклонениями ~4 и 1% соответственно.
ВВЕДЕНИЕ
Двуокись азота (NO2), относящаяся к малым газовым составляющим атмосферы, играет важнейшую роль в атмосферных радиационных и химических процессах, в том числе в фотохимии озона [1]. Этим обусловлена необходимость постоянного контроля ее содержания в атмосфере. На станции мониторинга атмосферы "Иссык-Куль" (ИК), расположенной в центральной части Евразийского континента на северо-востоке Киргизии в горах Тянь-Шаня на северном берегу высокогорного озера Иссык-Куль (станция № 347 [2], 42°37'20" N, 76°59'08" E, 1650 м над ур. моря), контроль NO2 был начат в 1983 г. [3]. Общее содержание двуокиси азота в атмосфере находилось трехволновым сумеречным методом [4, 5] при помощи спектрометра со спектральным разрешением 0.6 нм. Анализ результатов измерений NO2 на ИК с 1983 до 2000 гг. приведен в [6, 7].
С 2000 г. на ИК стал использоваться модернизированный спектрометр со спектральным разрешением 1 нм, и общее содержание NO2 в вертикальном столбе атмосферы определялось по методике DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy), модернизированной в [8, 9]: анализируется весь участок спектра 435-453 нм с учетом опорных спектров, с коэффициентами поглощения NO2, измеренными при температуре 220 К, и с атмосферными массами для каждого дня, полученными линейной интерполяцией сезонных значений атмосферных
масс. Результаты этих измерений на ИК сопоставлены с данными других наземных станций и с данными наблюдений из космоса в [10, 11].
В настоящей работе представлен анализ результатов 25-летнего мониторинга К02 на ИК. Результаты, полученные до 2000 г., переобработаны по новой методике и на основе измерений, проведенных параллельно двумя приборами [12].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В период с апреля 1983 по сентябрь 2008 г. на ИК общее содержание К02 в вертикальном столбе ^ х 1015 мол/см2; в дальнейшем тексте для удобства множитель 1015, как правило, опускается) измерялось во время восхода и захода солнца: 4357 утренних и 4314 вечерних сеансов наблюдений, каждый из которых включал около 200 единичных измерений. Результаты измерений приведены на рис. 1. Они содержат и продолжают данные наблюдений, опубликованные ранее в [5-7, 13].
Средняя за период вечерних наблюдений величина Yв = 4.04 ± 0.94 на ~53% больше средней за период утренних наблюдений величины Yу = 2.64 ± 0.78 при коэффициенте корреляции 0.93. Известно, что кроме естественного отличия их количественных величин других различий не наблюдается, поэтому далее целесообразно рассматривать имеющие климатическое значение средние месячные величины общего содержания двуокиси азота в вертикальном
1983
1988
1993 1998 Время, год
2003
2008
Рис. 1. Общее содержание двуокиси азота (1 - утро, 2 - вечер).
столбе атмосферы Ум, которые являются средними арифметическими суммами средних месячных утренних и вечерних величин. Такое представление величин Ум, приведенных на рис. 2, уменьшает их погрешность, так как в усреднении используется вдвое больше единичных измерений.
На этом же рис. 2 показаны некоторые характеристики Ум: отражающий долговременные изменения Ум линейный тренд, демонстрирующие изменения от года к году сглаженные, т.е. с исключенными сезонными вариациями, величины Уг и скорость изменений сглаженных величин Уг (Ё х 1015 мол/см2 в год - первая производная от сглаженных величин Уг).
Линейный тренд вычислен методом наименьших квадратов по средним месячным данным:
Ум, = Уо + В/12,
(1)
где Умг, 1015 мол/см2 - содержание двуокиси азота в заданный момент времени; г (г - порядковый номер месяца, г = 1 - апрель 1983 г.); У0 = (3.171 ± ± 0.029) х 1015 мол/см2 - содержание двуокиси азота в начальный момент измерений г = 0; В = = (0.0072 ± 0.0021) х 1015 мол/см2 в год - показатель линейного тренда.
Показатель линейного тренда для 25-летнего периода наблюдений (0.226% в год) не противоречит тренду, вычисленному в [14] по модели множественной линейной регрессии для 22-летнего периода наблюдений, но на 15% меньше, чем приведенный в [7] для 15-летнего периода (0.26% в год). Это является следствием того, что по мере увеличения времени наблюдений все меньше сказывается влияние аномальных средних месячных Ум в 1991-1993 гг., обусловленных извержением вулкана Пинатубо [8, 15].
Изменения Уг от года к году заметно отличаются от линейного тренда. Скорость Ё принимала и положительные, и отрицательные значения, а ее средняя за весь период наблюдений величина составила (0.025 ± 0.019) х 1015 мол/см2 в год. Наибольшие изменения Ё имели место в период извержения вулкана Пинатубо. В целом за 25 лет среднее годовое содержание двуокиси азота выросло на ~6%.
Сезонные вариации двуокиси азота на ИК, обусловленные сезонными изменениями солнечной радиации [16, 17], демонстрирует рис. 3, где приведены средние месячные значения Ум с исключенными межгодовыми изменениями и усредненный за период наблюдений годовой сезонный ход.
Наблюдаемый на ИК годовой сезонный ход Ум характерен для средних широт Северного полушария [9, 18, 19]. Его максимум приходился на июнь 18, на июль - 6 и на май - 1 раз. Минимум с равной вероятностью наблюдался в декабре-январе. Амплитуды сезонных вариаций КО2 (разность в абсолютных величинах между экстремумами: от максимума до минимума и от минимума до максимума величины содержания КО2 в годовом цикле) от года к году изменяются незначительно (рис. 3). Средняя величина амплитуды за период наблюдений составила (2.39 ± 0.04), т.е. ~75% от среднегодового значения Уг = 3.18 ± 0.05.
е
к
м з
л ^
М
р
е д
¿31
1983 1988 1993 1998 2003 2008 Время, год
Рис. 2. Средние месячные содержания двуокиси азота (1), линейный тренд (2), сглаженные значения (3), скорость изменения Ё (4).
5
I4'5
«3.0 &
и 1.5
Содержание 5
50
9 12 Месяц года
1 2
3
4
' © §
а д
н
и
1983 1988
1993 1998 Время, год
-1-11 3
2003 2008 <
Рис. 3. Сезонные изменения общего содержания двуокиси азота (1 - средние месячные значения с исключенными межгодовыми изменениями, 2 - амплитуда сезонных вариаций, 3 - средняя величина амплитуды, 4 - усредненный годовой сезонный ход. Вертикальные отрезки - диапазон месячных изменений сезонных вариаций).
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Общие статистические характеристики. Для соблюдения условия стационарности далее в статистическом анализе рассматриваются величины Yм с исключенным линейным трендом. На рис. 4 приведена функция распределения, т.е. число появлений определенных величин содержания двуокиси азота за весь период наблюдений, а в табл. 1 - основные общие статистические характеристики.
Как видно из гистограммы на рис. 4 и из табл. 1, распределение Yм отличается от нормального. Оно бимодальное: первая наибольшая мода т1 смещена от среднего в сторону больших, вторая т2 в сторону меньших значений. Первая мода формируется летом в июне-августе, вторая - зимой в декабре-январе (смотри кривую 4 на рис. 3). Медиана М незначительно смещена от среднего в сторону больших значений. На многовершинность и относительную плосковершинность распределения, а также на сдвиг наиболее вероятной моды относительно среднего значения Yср указывает то, что определяющие степень отклонения распределения от нормального моменты высшего порядка - коэффициент асимметрии g3 мало отличен от нуля, а коэффициент формы распределения (эксцесса) g4 отрицателен.
Спектральные характеристики. Спектральный анализ средних месячных величин общего содержа-
п 40
е а
^30
ч
20 10
1.5 2.4 3.3 4.2
Содержание двуокиси азота
Рис. 4. Функция распределения средних месячных значений общего содержания двуокиси азота.
ния двуокиси азота в вертикальном столбе атмосферы проводился при помощи классических Фурье- и вейвлет-преобразований [20, 21]. Первое позволило найти периоды основных колебаний, составляющих вариации Yм (рис. 5), а второе - оценить изменения этих колебаний во времени (рис. 6). Затем, используя в качестве первого приближения полученные периоды, мультирегрессионным методом по модели Райса [20], представляющей собой сумму гармонических колебаний, были вычислены параметры (уточненные периоды Ц, амплитуды Л, и сдвиги фаз составных колебаний. Полученные параметры представлены в табл. 2.
Прежде всего необходимо отметить, что по сравнению с [7], где анализировались результаты наблюдений за более короткое время, количество составляющих колебаний стало больше, и значения периодов длиннопериодных колебаний изменилось. Кроме того, вейвлет-анализ показал, что некоторые колебания не являются чисто периодическими функциями со стабильными периодами и амплитудами.
Все полученные колебания по их периодам можно условно разд
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.