ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2011, том 47, № 6, с. 801-808
УДК 551.510.41
ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ СО В АТМОСФЕРЕ ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
© 2011 г. М. В. Макарова, А. В. Поберовский, С. И. Осипов
Санкт-Петербургский государственный университет 198504, Санкт-Петербург, Петергоф, Ульяновская ул., 1 E-mail: zaits@troll.phys.spbu.ru; pober@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 02.06.2010 г., после доработки 13.10.2010 г.
Анализируются данные измерений общих содержаний окиси углерода (СО) в атмосфере в районе Санкт-Петербурга (59.88° N, 29.83° E, 20 м над ур. моря) в период с 1995 по 2009 гг. Средний годовой ход за весь период измерений имеет максимум в феврале—марте и минимум в июле при амплитуде ~20%. При отсутствии мощных лесных пожаров на европейской части РФ и в Сибири, годовой минимум общего содержания СО обычно фиксируется в августе—сентябре. В 1995—2009 гг. для зимнего времени (ноябрь—январь) наблюдается уменьшение значений общего содержания СО с постепенным смещением максимума годового хода с января (1995—1999 гг.) на февраль (2000—2004 гг.) и март (2005—2009 гг.). Значения общего содержания СО, зарегистрированные в январе—феврале 2009 г., ниже средних многолетних на ~20%. Оценки линейного тренда для максимальных, минимальных и средних значений за период 1996—2009 гг., показали отсутствие статистически значимых долговременных изменений общего содержания СО. Спектральный анализ данных показал, что с достоверностью 80% выделяются спектральные компоненты с периодами 12, 14, 17, 24, 46 месяцев. Показано, что нерегулярная составляющая ряда значений общего содержания СО (рассчитанная для периода с мая по сентябрь) хорошо согласуется с данными по площадям лесных пожаров и объему сгоревшего леса, к "фоновым" годам с наименьшим количеством лесных пожаров можно отнести 1999, 2001, 2005, 2007 и 2009 гг.
Ключевые слова: спектроскопические измерения, газовый состав, атмосфера, окись углерода.
1. ВВЕДЕНИЕ
Окись углерода (СО) является одной из важнейших газовых компонент, контролирующих окислительную способность тропосферы (посредством реакции с OH). СО является показателем антропогенной загрязненности воздуха и оказывает влияние на концентрацию озона в тропосфере [1]. В связи с важной ролью, которую играет окись углерода в тропосферной химии, исследование СО продолжает оставаться актуальной задачей. Осуществляются спутниковые программы MOPITT [2], SCIAMACHY [3] и др., в которых сделан особый акцент на измерениях содержания СО в тропосфере. Продолжаются измерения CO на международных сетях наземных станций: NOAA [4] и NDACC [5]. Сеть NOAA проводит локальные газохроматографические измерения приземных концентраций различных газов, в том числе и СО. Сеть NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) с 1991 г. осуществляет измерения характеристик аэрозольного и газового состава в стратосфере и тропосфере. При этом для восстановления общего содержания и элементов вертикального распределения концентрации СО на сети станций NDACC исполь-
зуются спектры высокого разрешения, регистрируемые Фурье-спектрометрами. На территории России спектроскопические измерения общего содержания СО в атмосфере ведутся в ИФА РАН [6], НИИФ физического факультета СПбГУ [7] и ИЭМ [8]. В 2009 г. в НИИФ физического факультета СПбГУ начаты измерения газового состава атмосферы при помощи Фурье-спектрометра высокого разрешения [9]. Осуществляется программа комплексного исследования газового и аэрозольного состава атмосферы при помощи передвижной обсерватории ТРОЙКА (Транспортируемая обсерватория для исследования и контроля атмосферы) [10]. Экспериментальная информация используется для анализа пространственно-временной изменчивости СО в атмосфере, а также в той или иной мере усваивается атмосферными моделями различного пространственного масштаба и разрешения. Совместный анализ экспериментальных данных и результатов моделирования позволяет выявить наиболее значимые факторы, определяющие изменчивость окиси углерода в атмосфере, а также оценить достоверность транс-портно-фотохимических моделей и их прогнозов.
0.45
0.40
ч
§ 0.35
О
0.30
0
и
ГС
1 0.25 р
о д
о о
8 0.20 В
ю
О
0.15
0.10
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Рис. 1. Среднедневные значения общего содержания СО в районе Санкт-Петербурга (серые ромбы) и ход среднемесячных значений общего содержания СО (черная кривая).
2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИНТЕРПРЕТАЦИИ
Вблизи Санкт-Петербурга (Ст. Петергоф, 59.88° N 29.83° Е, 20 м над ур. моря) с 1995 г. проводятся измерения спектров прямого ИК солнечного излучения в полосе поглощения СО (4.7 мкм). Спектры в интервале 2140—2180 см-1 регистрируются с разрешением ~0.4-0.6 см-1 при помощи дифракционного спектрометра с фотоэлектрической системой наведения на Солнце. При определении общего содержания СО (ОС СО) в атмосфере по спектрам прямого солнечного излучения применяется метод статистической регуляризации. Подробное описание аппаратуры и методики интерпретации спектров содержится в работе [7].
3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЯДА ОС СО
Результаты измерений ОС окиси углерода включают в себя около 1000 среднедневных значений величины ОС СО. Эти данные представлены на рис. 1, там же приведен ход среднемесячных значений общего содержания СО. Особенностью спектроскопических измерений является их зависимость от погодных условий (необходимо чистое небо или достаточные для проведения наблюдений разрывы облачности) и длительности светового дня. Это приводит к существенному сокращению количества измерений в осенне-зимний
период, что видно на рис. 1. Среднедневное значение ОС СО вычислялось как средневзвешенное значений единичных измерений ОС СО в течение дня. В качестве веса отдельного измерения использовалась величина, обратно пропорциональная значению среднеквадратического рассогласования между измеренным и рассчитанным спектрами солнечного излучения. Эта величина является объективной оценкой качества решения обратной задачи по определению ОС газа. Случайная погрешность единичного измерения общего содержания окиси углерода составляет 4-6% [7]. Погрешность среднедневного значения ОС СО обычно составляет 1-3% и зависит от метеоусловий и количества зарегистрированных спектров.
В табл. 1 приведены для всего периода измерений: экстремальные (максимальное wmax и минимальное ^т1п) значения ОС СО, среднее значение (^ауг), медиана (^тей), среднеквадратическое отклонение (а), коэффициенты асимметрии ца и эксцесса це. По результатам измерений (19952009 гг.) вблизи Санкт-Петербурга минимальное среднедневное значение общего содержания СО наблюдалось в августе 1997 г., максимальное - в августе 2002 г. (лесные пожары). Если отбросить экстремальные максимальные значения, полученные при измерениях в шлейфах лесных пожаров летом 2002 г., то наибольшее значение ОС СО
Таблица 1. Статистические характеристики ряда ОС СО за период 1995—2009 гг.
1019 мол/см2 М, 1019 мол/см2 М, 1019 мол/см2 1019 мол/см2 1019 мол/см2 ца це
0.629 0.137 0.241 0.234 0.05 1. 3.4
для 1995—2009 гг., зарегистрированное в марте 2006 г., составит 0.422 х 1019 мол/см2.
Гистограмма частоты повторяемости значений ОС СО для 1995—2009 гг., приведенная на рис. 2, иллюстрирует статистические характеристики ряда (экстремальные значения ОС СО, зарегистрированные в периоды лесных пожаров, также использовались при расчетах статистических характеристик ряда). Значения величин wmed и мауг, отмеченные на рисунках вертикальными линиями, близки. На гистограмме визуально обнаруживаются проявления полимодальности, что связано с уже отмеченными особенностями спектроскопических измерений (весь ряд можно разбить на сезоны, а затем строить распределение для каждого сезона, избежав таким образом проявления полимодальности). Более частые летние измерения приводят к пику распределения в области пониженных значений, поскольку значения ОС СО в летний период достигают своего минимума. Положительный коэффициент асимметрии указывает на отклонение распределений, представленных
на рис. 2, в сторону больших значений: шлейф в области больших значений ОС СО — различного рода возмущения от источников. Положительное значение це свидетельствует о более остроконечном, чем нормальное, распределении.
4. ГОДОВОЙ ХОД ОС СО
Совокупность периодических, долговременных, а также нерегулярных вариаций определяет временную изменчивость ряда значений ОС СО. Наиболее сильно выраженный периодический двенадцатимесячный компонент в основном определяет наблюдаемый годовой ход ОС СО. Он хорошо виден на рис. 1, где сплошная кривая — среднемесячные значения ОС СО. Для более детальной характеристики сезонных изменений ОС СО вблизи Санкт-Петербурга приведен рис. 3, демонстрирующий средний годовой ход для четырех периодов: 1995-1999 гг., 2000-2004 гг., 2005-2009 гг. и 1995-2009 гг. Средний годовой ход за весь период измерений имеет максимум в феврале-марте и
и
я
а т о т с
а Ча
90 80
70 -
60 -
50
40 -
30
20 -
10 -
0
0.10 0.15 0.20 0.25
0.30 0.35 0.40 0.45 ОС СО, 1019 мол/см2
0.50
0.55 0.60 0.65
Рис. 2. Гистограмма частоты повторяемости значений ОС СО для 1995-2009 гг. ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА том 47 № 6 2011
0.35 г
0 15_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
Я Ф МАМ ИИА СО НД
Рис. 3. Средний годовой ход для трех периодов: 1995-2005 гг., 1995-2007 гг., 1995-2009 гг.
минимум в июле при амплитуде ~20%. При отсутствии мощных лесных пожаров на европейской части РФ и в Сибири, годовой минимум ОС СО смещается на август-сентябрь, что наблюдалось, например, в 2000 г. Рисунок 3 дает представление о наиболее заметных изменениях в характере годового хода, имевших место за 1995-2009 гг. Вертикальные линии на рис. 3 (СКО), характеризуют изменчивость среднемясячных значений за весь период измерений (1995-2009 гг.) и наряду с годовыми ходами за 1995-1999 гг., 2000-2004 гг. и 2005-2009 гг. показывают месяцы, когда происходили существенные изменения. Наибольшую стабильность для различных лет измерений демонстрируют среднемесячные значения ОС СО для апреля
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.