ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 3, с. 379-391
УДК 551.510.53:551.510.534
ВОЗДЕЙСТВИЕ 11-ЛЕТНЕГО ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОДОВОГО ХОДА ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА
© 2007 г. А. Н. Груздев*, Г. П. Брассёр**'1
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: a.n.gruzdev@mail.ru **Max-Planck-Institute fur Meteorologie 20146 Hamburg, Bundesstr. 53 E-mail: brasseur@ucar.edu Поступила в редакцию 09.02.2006 г., после доработки 15.01.2007 г.
Цель работы состоит в анализе изменений амплитудных и фазовых характеристик годового хода (ГХ) общего содержания озона (ОСО) по данным наземных и спутниковых (TOMS) измерений и в их интерпретации с помощью двумерной фотохимической модели. По данным наземных измерений ОСО отмечены два характерных типа квазидесятилетних вариаций фазы годовой гармоники (ГГ) ОСО: в фазе и в про-тивофазе с вариациями солнечной активности (СА). Противофазные с солнечной активностью изменения фазы ГГ ОСО отмечены в высоких широтах Североатлантического региона и в тропическом поясе, а софазные изменения - в средних и субтропических широтах обоих полушарий. Выявлены также вариации амплитуды ГГ ОСО (и соответственно амплитуды ГХ ОСО) и среднегодового содержания ОСО, обычно в фазе с циклом СА. По спутниковым данным показано, что 0-фаза ГХ и фаза ГГ среднезональ-ного значения ОСО в средних широтах испытывают вариации, синхронные с 11-летним циклом СА. Модельные расчеты показали, что при высоком уровне СА возрастает приток стратосферного озона в средние широты в осенне-зимний период. Этот динамичный механизм обеспечивает до 30% зимнего увеличения содержания озона в слое озонного максимума в средних широтах Южного полушария в период максимума СА по сравнению с периодом минимума СА, а в средних широтах Северного полушария он вносит основной вклад в изменения содержания озона в этом слое во второй половине зимы при вариациях СА. Изменение величины притока стратосферного озона под действием вариаций СА отражается на характеристиках ГХ озона.
1. ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о вкладе изменений солнечной активности (СА) в наблюдаемые изменения атмосферного озона и климата, привлекающий к себе неослабевающее внимание на протяжении многих лет, в настоящее время все еще находится в состоянии интенсивного обсуждения [1, 2]. Изучение реакции земной атмосферы на вариации коротковолновой солнечной радиации со средним периодом около 11 лет особенно важно ввиду достаточно большой амплитуды (см. раздел 3) и регулярности воздействия этого фактора. Имеются ряды регулярных наблюдений различных атмосферных параметров, которые можно использовать для проверки теоретических представлений и механизмов солнечного воздействия на земную атмосферу. Однако анализ затруднен определенными факторами, один из которых - вероятное существование собственной изменчивости с ква-
1 Brasseur G. известен в русской научной литературе также под именем Брасье (напр., Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987). -Примеч. ред.
зидесятилетним временны м масштабом в системе атмосфера-океан [3] и даже в атмосфере без учета ее взаимодействия с океаном [4], - в отсутствие внешнего возбуждения с этой частотой. Другой фактор, затрудняющий анализ эффектов СА в относительно коротких рядах наблюдений (например, длина озонных рядов составляет лишь несколько циклов СА) обусловлен влиянием мощных вулканических извержений в 1982 и 1991 гг. (Эль-Чичон и Пинатубо), временной интервал между которыми близок к периоду цикла СА [5, 6]. К квазидесятилетней цикличности может приводить также нелинейное взаимодействие двух компонент квазидвухлетней цикличности (КДЦ) с периодами 2 и 2.5 лет [7, 8], которые характерны как для тропических [8], так и вне-тропических широт [9].
В большой части работ, посвященных анализу и моделированию 11-летнего цикла в атмосферном озоне, оценивается амплитуда озонных вариаций, которые в целом происходят примерно в фазе с вариациями потока ультрафиолетовой (УФ) солнечной радиации [1, 2]. В целом отмечено разумное соответствие между результатами
анализа данных измерений и результатами моделирования 11-летней цикличности в общем содержании озона (ОСО) только в тропической области; в то же время существуют значительные неопределенности в определении солнечного сигнала в ОСО во внетропических широтах [2, 10].
Влияние вариаций спектральной интенсивности УФ радиации на скорость фотохимического образования озона в верхней стратосфере рассматривается в качестве основного механизма прямого воздействия СА на озон (см., напр., [11]). В то же время горизонтальная неоднородность термического отклика (главным образом за счет поглощения озоном УФ радиации) может приводить к квазидесятилетним изменениям циркуляции, которые проявляются, в частности, в модуляции активности планетарных волн [12-14]. Этот механизм обусловлен взаимодействием между вертикально и меридионально распространяющимися планетарными волнами и зональным течением, скорость которого изменяется в зависимости от меридионального градиента температуры [13, 15].
Рост содержания стратосферного озона зимой и ранней весной во внетропических широтах обусловлен активностью планетарных волн,и,следовательно, влияние СА на динамику стратосферы может изменять характеристики годового хода (ГХ) озона, что подтверждается предварительными результатами анализа данных наблюдений [16]. Оказалось, что в этих характеристиках (фазе и амплитуде) воздействие СА иногда проявляется более четко, чем в содержании озона.
Цель предлагаемой работы состоит в анализе изменений амплитудных и фазовых характеристик ГХ ОСО по данным наземных и спутниковых (TOMS) измерений и их интерпретации с помощью двумерной фотохимической модели.
2. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА
Для анализа использованы среднемесячные значения ОСО, полученные по данным наземных измерений на станциях мировой озонометрической сети, и среднемесячные, зонально-осредненные внутри 5-градусных широтных поясов, значения ОСО по данным измерений с помощью прибора TOMS со спутников Nimbus-7 (1979-1993 гг.), Ме-теор-3 (1993-1994 гг.) и Earth Probe (1996-2003 гг.). Данные наземных измерений получены с сайта Мирового центра данных об озоне и ультрафиолетовой радиации (World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Center - WOUDC) по адресу http://www. woudc.org/index_e.html и из публикаций [17]. Начало и длительность наземных измерений ОСО зависят от станции. Начало наиболее длительных измерений обычно приходится на вторую половину 1950-х гг. Для советских станций использованы только данные измерений, начиная с 1972-1973 гг. -со времени оснащения отечественной измерительной сети прибором М-124. Среднемесячные значе-
ния ОСО по спутниковым данным рассчитаны на основе среднесуточных среднезональных данных, доступных по адресу http://toms.gsfc. nasa.gov/.
Среднемесячные данные для разных наземных станций и разных широтных поясов подвергались следующему анализу. Предварительно проверялось наличие разрывов в рядах данных. При наличии разрывов пробелы заполнялись средним за 5-летний отрезок значением для соответствующего месяца. Эта процедура применялась лишь в случае, если в пределах 5-летнего интервала имелось, по крайней мере, два значения ОСО для месяца, которому соответствовал обнаруженный разрыв в данных. После заполнения разрывов временные ряды сглаживались с помощью трехточечного биномиального фильтра (с весами 0.25, 0.5, 0.25). После этого для последовательных, скользящих во времени 5-летних интервалов рассчитывался средний за 5 лет ГХ ОСО (путем осреднения по данным за январь, февраль и т.д.). Определенный таким образом средний скользящий ГХ подвергался гармоническому анализу путем разложения в ряд Фурье: определялись амплитуды и фазы годовой и более высоких гармоник ГХ. Кроме того, рассчитывались так называемая 0- и п-фазы ГХ [18, 19]. Эти фазы определяются как моменты годового цикла, когда кривая ГХ ОСО пересекает среднегодовое значение ОСО на стадиях роста и уменьшения содержания ОСО соответственно. С учетом того, что зимне-весенний рост ОСО во внетропических широтах обусловлен переносом озона из тропической стратосферы, 0-фаза может служить характеристикой интенсивности и времени активизации крупномасштабных динамических процессов, осуществляющих этот перенос. В свою очередь, п-фаза определяется процессами фотохимической релаксации озона к состоянию фотохимического равновесия в течение динамически спокойного периода.
Для анализа статистической связи полученных таким образом значений ОСО и характеристик ГХ ОСО использована модель множественной линейной регрессии:
У ((п) = «0 + «1 ^ + а21сА{ гп + Г,) +
+ «з 1сак( (п ) + «41ЭНЮК( (п ) + £( ^ ), (1)
п =1,..., N,
где у((п) - ряд озонных данных (например, ОСО, амплитуда или фаза гармоники ГХ), (п - время, N - количество членов в ряде, 1СА - индекс СА, 1САК - индекс Североатлантического колебания (САК), 1ЭНЮК - индекс Эль-Ниньо - Южного колебания (ЭНЮК), (з - временная задержка, а0, ах, а2, а3, а4 - искомые константы, имеющие смысл линейного тренда (ах) и коэффициентов регрессии (а2, а3, а4), £ - остаточный ряд, включающий неучтенные в модели зависимости, а также случайные ошибки. В качестве индекса СА использо-
ваны среднемесячные данные о спектральной плотности потока радиоизлучения Солнца на длине волны 10.7 см (F10.7), доступные по адресу ht-tp://sec.noaa.gov/fpmenu/indices/old_indices.html. Для озонных рядов, начинающихся до 1947 г., в качестве индекса СА использованы среднемесячные данные о количестве солнечных пятен (адрес тот же). Среднемесячные данные об индексах САК и ЭНЮК заимствованы по адресу http://www.cru.uea.ac.uk/cru/da-ta. Все данные сглажены для подавления высоких частот (с периодами, равными и менее года) с помощью фильтра Кайзера-Бесселя [20].
Заметим, что модель (1) не включает зависимость ОСО от фазы экваториальной КДЦ. Физически это мотивировано тем, что выбранная величина скользящего интервала 5 лет кратна периоду основной компоненты экваториальной КДЦ (~2.5 лет [8]), и эт
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.