ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 1, с. 112-121
УДК 551.510
ВОЗДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ГЕО- И ГЕЛИОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПОЛЕЙ ОЗОНА И УФ ОБЛУЧЕННОСТИ В ТРОПИКАХ
© 2008 г. Н. Ä. Крамарова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119992 Москва, ул. Лебедева, 2, Физический факультет E-mail: kramarova@yandex.ru Поступила в редакцию 23.11.2006 г., после доработки 15.01.2007 г.
В работе проводится анализ полей изменчивости общего содержания озона и УФ эритемной облученности в тропической области (30° S - 30° N). В качестве исходных данных использовались поля среднемесячных значений общего содержания озона и эритемной облученности на базе спутниковых наблюдений (TOMS 8 и SBUV 8) за период 1979-2003 гг. с предварительно удаленными линейным трендом и сезонным ходом. Применение метода естественных ортогональных функций для анализа исходных рядов позволило выделить характерные пространственные и временны е структуры в полях аномалий ОСО и УФ облученности, тесно связанные с солнечной активностью и с элементами общей циркуляции атмосферы, такими как квазидвухлетняя цикличность, явления Эль-Ниньо (Ла-Ниньо). В работе приводятся количественные оценки и анализ полей изменчивости общего содержания озона и УФ облученности. Обнаруженные пространственные, временны е и фазовые соотношения исследуемых полей изменчивости озона с некоторыми гео- и гелиофизическими факторами используются в предложенной регрессионной модели для оценки среднемесячных значений содержания озона в тропиках, основанной на ЕОФ разложении.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время большую актуальность приобрели проблемы изменения климата на планете, которые определяются как вариациями и трендами парниковых газов, так и изменениями динамики атмосферы. Озон, являясь естественным трассером динамических процессов в стратосфере, в то же время обладает мощным радиационным потенциалом в этой области и сам влияет на стратосферную динамику. В этой связи важное значение приобретают задачи, связанные с мониторингом изменений озона и обнаружением причинно-следственных связей между вариациями озона и динамикой.
В последнее время был опубликован ряд работ [1-5], в которых анализируется связь вариаций содержания озона и УФ приземной радиации с динамическими и гелиофизическими факторами, где в качестве исходных полей озона и Уф облученности используются как данные измерений с наземных озонометрических станций и спутниковых систем, так и модельные, расчетные данные. Для исследования долгопериодных вариаций общего содержания озона и УФ радиации часто используются регрессионные модели, позволяющие выделять вариации озона и УФ радиации, связанные с такими явлениями, как квазидвухлетний цикл (КДЦ), 11-ти летний солнечный цикл [2, 3]. В работах исходят из принципа зональной однородности полей озона, в результате чего долготные вариации озона, связан-
ные, например, с явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо), не могут быть изучены. При регрессионном анализе задаются некоторые априорные зависимости между изменениями озона, УФ радиации и динамическими процессами. Эта детерминированная связь может вуалировать сложные внутренние связи между исследуемыми характеристиками.
В настоящей работе в качестве методики исследования используется метод естественных ортогональных функций (ЕОФ), который в последнее десятилетие получил широкое применение в геофизике [6, 7]. Метод позволяет одновременно получать пространственное распределение вариаций и их временну ю эволюцию без предварительного выбора базиса разложения. В [7] проводится анализ межгодовой изменчивости озона в тропическом регионе с помощью ЕОФ разложения за период с конца 1978 по 2000 г. на базе спутниковых данных MOD и TOMS. В результате анализа были обнаружены пространственные и временны е структуры в полях вариаций озона, связанные с КДЦ, с интерференционным воздействием КДЦ и годового цикла и с явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо). Однако, как отмечают сами авторы, им не удалось четко выделить широтную область смены фазы КДЦ вариаций озона между экваториальной и субтропической зонами. Кроме того, не удалось однозначно выделить вариации озона, связанные с 11-ти летним солнеч-
ным циклом. По мнению авторов работы [7], солнечный цикл напрямую не влияет на вариации озона, а лишь вносит опосредованный вклад через связь между КДЦ колебаниями стратосферного ветра и солнечным циклом.
В постановке задачи и анализе результатов использован опыт большого цикла работ, проводимых на кафедре физики атмосферы физического факультета МГУ [8-12], по обнаружению и исследованию связей озона и УФ радиации с элементами общей циркуляции, метеорологическими явлениями и солнечной активностью. В частности, в [12] проведен анализ рядов озона, полученных с нескольких озонометрических станций, расположенных в тропической области, выделяется и исследуется связь вариаций озона с КДЦ и солнечной активностью, предлагается среднезональная модель распределения озона в тропиках.
В настоящей работе анализируются долговре-менны е особенности изменчивости пространственно-временны х полей общего содержания озона (ОСО) и УФ эритемной облученности за 25-летний период с 1979-2003 г. на основе двух баз спутниковых измерений TOMS (версия 8) и SBUV (версия 8) последней версии, в которой алгоритм оценки концентрации озона был дополнен и улучшен. Анализ проводится в тропической области, где пространственная и временная изменчивость ОСО и УФ облученности менее выражены, что позволяет более отчетливо выделять эффекты крупномасштабных особенностей общей циркуляции и солнечной активности. В результате анализа были получены характерные пространственные и временные структуры, тесно связанные с квазидвухлетней цикличностью, 11-ти летним солнечным циклом, интерференционным воздействием годового и квазидвухлетнего цикла и явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо).
МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Применяемый в работе метод естественных ортогональных функций (ЕОФ) основан на разложении исходных пространственно-временны х полей по ортогональным базисным векторам, которые не задаются заранее, а определяются из самих исходных полей [6]. В результате разложения мы получаем векторы, описывающие пространственное распределение особенностей, присущих изучаемым полям, и соответствующие коэффициенты разложения, характеризующие временну ю эволюцию в целом по всему исследуемому полю. Кроме того, моды ЕОФ анализа располагаются в порядке уменьшения их вклада в дисперсию исходного поля. Таким образом, первые ЕОФ моды описывают максимальную изменчивость исходного пространственно-временного поля. В работе ис-
пользовался программный комплекс ДИОГИН (доступ и обработка геофизической информации), разработанный в Институте вычислительной математики РАН для статистической обработки и анализа полей геофизических параметров.
В качестве исходных полей использовались материалы баз данных двух спутниковых систем: общее содержание озона за 25-летний период (январь 1979-декабрь 2003 гг.) по данным TOMS (версия 8) и SBUV (версия 8) и эритемная облученность за период ноябрь 1978-июль 2003 гг. по данным TOMS (версия 8). В работе исследовались пространственные поля среднемесячных значений ОСО и УФ облученности в тропической области (30° N - 30° S). В базе данных спутниковых измерений TOMS поля среднемесячных значений озона и УФ облученности представлены с пространственным разрешением 1° по широте и 1.25° по долготе. Проведенные предварительные расчеты показали, что для выявления крупномасштабных особенностей в распределении ОСО и УФ облученности в тропической области вполне достаточно пространственного разрешения 4° по широте и 40° по долготе, поскольку основная изменчивость исследуемых величин в тропиках имеет достаточно выраженную широтную зависимость. При таком выборе сетки сохраняются основные, характерные черты в пространственной структуре ЕОФ векторов.
В спутниковой базе SBUV данные представлены в виде ежедневных записей, в которых фиксируется время, координаты, концентрация озона на нескольких высотных уровнях и величина ОСО. Для использования данных SBUV в анализе долговременных вариаций ОСО была проведена предварительная обработка исходных рядов для приведения данных к регулярной сетке и расчета среднемесячных величин. В результате проведенного усреднения исходных данных SBUV по пространству и времени были получены поля среднемесячных значений ОСО на регулярной сетке с пространственным разрешением 4° по широте и 40° по долготе. В базах данных с помощью стандартных методик были удалены сезонный ход и тренд за исследуемый период. Отметим, что величина тренда на экваторе оказалась статистически незначима, однако к субтропикам его величина возрастает до значений —3 е.Д./де-сятилетие. Оцененная величина отрицательного тренда ОСО согласуется с данными работ [1, 13].
СВЯЗЬ ДОЛГОПЕРИОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ
ОСО С КДЦ, 11-ЛЕТНИМ ЦИКЛОМ И ЯВЛЕНИЯМИ ЭЛЬ-НИНЬО (ЛА-НИНЬО)
Для выделения долгопериодных особенностей в вариациях ОСО исходные базы данных, с удаленными сезонным ходом и трендом, были обработаны по вышеописанной методике ЕОФ анализа. Результаты обработки обеих баз данных (TOMS и SBUV) показали, что первые четыре ЕОФ моды
25Ы 20К
/
(а)
15К 10К 5К
вд
5Б 10Б 15Б 20Б 25Б
" --т-^-^^^^Ш-О1'5' ~~ ~~---
3 —•
\
■ -4-5- •
0
60Е 120Е 180 120W 60W
0
Временной коэффициент 3.0 | 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
-0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0
Долгота (б)
Рис. 1. Первая ЕОФ мода аномалий ОСО по данным ББиУ (описывает 36% изменчивости общего озона в тропиках). Первая мода отражает связь озона с квазидвухлетней цикличностью. а - Пространственное (долгота х широта) распределение ЕОФ-1 в величинах аномалий ОСО (е.Д.), б - временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с индексом КДЦ ветра (штриховая линия). Коэффициент корреляции между двумя кривыми равен 0.64. Величина вариаций ОСО, связанная с данной ЕОФ модой, получается путем умножения значений пространственного вектора на соответствующий временной коэффициент.
Широта
25К 20К 15К 10К 5К
вд
5Б 10Б 15Б 20Б 25Б
0
60В 120В 180 120W
Вр
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.