УДК 551.510.534
ЗИМНЕ-ВЕСЕННИЕ АНОМАЛИИ СТРАТОСФЕРНОГО СОДЕРЖАНИЯ NO2 ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
I
© 2015 г. В. Ю. Агеева*, А. Н. Груздев*, А. С. Елохов*, |М. В. Гришаев
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 **Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, 634021 Томск, пл. Академика Зуева, 1 E-mail: ageyevavy@tut.by E-mail: a.n.gruzdev@mail.ru Поступила в редакцию 24.06.2014 г., после доработки 11.09. 2014 г.
По результатам наземных спектрометрических измерений обнаружены значительные отрицательные аномалии стратосферного содержания N02 в зимне-весенний период 2011 г. на ряде станций Северного полушария. Они сопровождались аномалиями общего содержания озона (ОСО) и стратосферной температуры и были вызваны переносом воздуха из области арктической озонной дыры. Анализ вертикальных профилей N02 на Звенигородской научной станции показал, что определенный вклад в отрицательные аномалии N02 2011 г. внесла денитрификация полярной стратосферы в области озонной дыры. Выполнен анализ связи вариаций общего содержания N02 с вариациями ОСО и температуры в Северном и Южном полушариях в зимне-весенние периоды. Установлено, что она зависит от фазы квазидвухлетней цикличности экваториального стратосферного ветра. Корреляционная связь обычно усиливается, если рассматривать только эпизоды отрицательных аномалий, вызванных переносом стратосферного воздуха из области озонной дыры.
Ключевые слова: озонная дыра, диоксид азота (N0^, озон (03), квазидвухлетняя цикличность (КДЦ).
DOI: 10.7868/S0002351515020029
1. ВВЕДЕНИЕ
Динамическая изоляция и сильное выхолаживание арктической стратосферы вследствие аномально сильного циркумполярного вихря в зимне-весенний период 2010—2011 гг. привели к рекордному уменьшению общего содержания озона (ОСО) в арктической стратосфере, впервые за весь период наблюдений сопоставимому с уменьшением ОСО в области антарктической озонной дыры [1—5]. Важную роль в химии атмосферного озона играют окислы азота. В частности, двуокись азота (N0^ участвует в реакции обрыва цепочки каталитического разрушения озона в хлорном цикле. Разрушение озона в области озонной дыры обусловлено значительным возрастанием эффективности хлорного цикла в результате де-нитрификации полярной стратосферы. Подобные процессы и были отмечены в зимне-весенний период 2011 г. в Арктике [1, 3—7].
Согласно [4], среднее значение общего содержания (ОС) N02 во внутренней области стратосферного циркумполярного вихря по измерениям на станции Юрика в Канадской Арктике в конце марта 2011 г. было на 45% меньше, чем усреднен-
ное за предыдущие годы значение. Дополнительным свидетельством денитрификации стратосферы в области циркумполярного вихря послужило то, что низкие значения разностей вечерних и утренних значений ОС N02 там сохранились до середины марта, тогда как вне вихря их возрастание началось в начале февраля [5].
В зимне-весенний период 2011 г. рекордные отрицательные аномалии стратосферного содержания N02 наблюдались на российских станциях Звенигород, Томск и Жиганск [6, 7]. Они были вызваны переносом стратосферного воздуха из области арктической озонной дыры и сопровождались отрицательными аномалиями ОСО, температуры и высот изобарических поверхностей в стратосфере. Уменьшение ОС N02 составило 30— 40% на среднеширотных станциях Томск и Звенигород и ~60% на высокоширотной станции Жи-ганск.
Данная работа продолжает начатые в [6, 7] исследования с привлечением данных других станций. Задача состоит в анализе связей между изменениями стратосферного содержания N0^ ОСО и температуры в зимне-весенний период и их ко-
Станции и периоды наблюдений ОС NO2
Станция Широта Долгота Период наблюдений, гг.
1. Скорсбисунн (Scoresbysund) 70.48° N 21.95 ° W 1992- 2012
2. Жиганск 66.76° N 123.35° E 1992- 2012
3. Соданкюла (Sodankyla) 67.37° N 26.63 ° E 1990- 2012
4. Харестуа (Harestua) 60.22° N 10.75 ° E 1995- 2012
5. Томск 56.50° N 84.97° E 1997- 2012
6. Звенигород 55.69° N 36J7 ° E 1990- 2012
7. Юнгфрауйох (Jungfraujoch) 46.55° N 7.8 ° E 1991- 2012
8. Иссык-Куль 42.62° N 76.99° E 1984- -2012
9. Лаудер (Lauder) 45.05° S 169.69° E 1981- 2012
10. о. Кергелен (Kerguelen Isl.) 49.35° S 70.26° E 1996- 2012
11. о. Маккуори (Macquarie Isl.) 54.50° S 158.94° E 1996- 2012
12. Дюмон-Дюрвиль (Dumont d'Urville) 66.67° s 140.02° E 1988- -2012
личественной оценке в Северном полушарии (СП) в сопоставлении с аналогичными результатами для Южного полушария (ЮП).
2. ДАННЫЕ И МЕТОД АНАЛИЗА
Для анализа использовались данные наземных спектрометрических измерений ОС NO2 на станциях Северного и Южного полушарий (таблица). Все станции, кроме Томска, входят в состав Сети по обнаружению изменений состава атмосферы (Network for the Detection ofAtmospheric Composition Change - NDACC). Данные NDACC доступны по адресу: http://ndacc.org. Измерения на всех станциях выполняются во время утренних и вечерних сумерек по рассеянному из зенита солнечному излучению в видимой области спектра. Характерные особенности временной изменчивости ОС NO2 по утренним и вечерним данным практически одинаковы, и в работе приведены результаты анализа данных только вечерних измерений.
В отсутствие загрязнения пограничного слоя атмосферы окислами азота ОС NO2 практически полностью определяется его стратосферным содержанием [8]. Большинство станции NDACC удалены от промышленных центров, и тропосферное содержание NO2 там обычно незначительно. Таким образом, ОС NO2 на этих станциях отражает в основном вклад стратосферного содержания. Используемый на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ЗНС) и в Томске метод наблюдения NO2 в широком диапазоне зенитных углов позволяет восстанавливать вертикальное распределение NO2 и по нему непосредственно рассчитывать содержание NO2 в стратосферном столбе [8-10]. В дальнейшем, говоря об ОС NO2,
будем подразумевать, что оно отражает содержание NO2 в вертикальном столбе стратосферы.
Помимо данных об ОС NO2, к анализу были привлечены данные спутниковых измерений ОСО с помощью приборов TOMS (1979-2005 гг.) и OMI (2004-2012 гг.), а также данные о температуре по результатам аэрологического зондирования (http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html). Для извлечения данных об ОСО над отдельными станциями из результатов спутниковых измерений и визуализации пространственного распределения ОСО был использован интернет-сервис Giovanni (http://gdata1-ts1.sci.gsfc.nasa.gov/daac-bin/ G3/gui.cgi?instance_id=omi).
Для выявления аномалий использовался метод, предложенный в [11]. Сначала были рассчитаны многолетние среднемесячные значения ОС NO2, ОСО и температуры и по ним путем разложения в ряд Фурье вычислены амплитуды и фазы гармоник годовых циклов. Средний годовой ход для произвольного времени года определялся как суперпозиция Фурье-компонент для этого момента времени. Отклонения ОС NO2, ОСО и температуры рассчитывались как разности между исходными данными и средними годовыми циклами. Отклонения были сглажены скользящим осреднением по трем точкам. При расчете отклонений ОС NO2 данные за 1992-1994 гг. не рассматривались из-за влияния на содержание NO2 продуктов извержения вулкана Пинатубо [8, 12]. Были учтены линейные тренды NO2 в соответствии с методикой [12].
Связь между отклонениями ОС NO2, ОСО и температуры оценивалась с помощью линейного корреляционного и линейного регрессионного анализа. Определялись коэффициенты корреляции и регрессии для отрицательных аномалий ОС NO2, вызванных заносом стратосферного воздуха из области озонной дыры. Кроме того, коэффи-
О
£ <
О
о <
0
£ <
о
г,
О <
О
о
е-; <
о О
100 50 0
-50 100
30 20 10 0 -10 -20
(а)
24.03
100 50 0
-50 100 20 10 0 -10 -20
1 1-1
" 25.03 17.04 (г) 30.03 16.04
1- .1 | (д) 1 1
1 1 1
[ 1 1 ' (е) ' 1 1
2010.0
I I
2010.5
2011.0
I I
2011.5
Рис. 1. Отклонения в 2010-2011 гг. от многолетнего среднего годового хода следующих величин: а—в — ОС N02 (а), ОСО (б), температуры на изобарической поверхности 50 гПа (в) над станцией Скорсбисунн; г—е — ОС N02 (г), ОСО (д) на ЗНС, температуры на изобарической поверхности 50 гПа (е) над Москвой. Вертикальными штриховыми линиями отмечены обсуждаемые в тексте отрицательные аномалии.
циенты рассчитывались также по четырехмесячным зимне-весенним периодам с 1991 по 2012 гг., а именно за январь—апрель для станций СП и июль—октябрь или август—ноябрь (в зависимости от времени финального стратосферного потепления) для станций ЮП.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Отрицательные аномалии ОС N02 на средне-и высокоширотных станциях СП в зимне-весенние периоды отмечаются практически каждый год, но аномалии 2011 г. были рекордными за весь период наблюдений для всех станций в СП, кроме Юнгфрауйох и Иссык-Куль. Отрицательные аномалии ОС N02 в 2011 г. сопровождались уменьшением ОСО и стратосферной температуры и были вызваны переносом стратосферного воздуха из области озонной дыры, как было ранее показано на примере российских станций [6, 7].
На рис. 1 приведены отклонения ОС N0^ ОСО и температуры на изобарической поверхности
50 гПа в 2010 г. и первой половине 2011 г. на полярной станции Скорсбисунн и на ЗНС. Вертикальными штриховыми линиями отмечены обсуждаемые ниже аномалии ОС N0^ Аномалии ОС N02 24 марта 2011 г. на станции Скорсбисунн и 30 марта 2011 г. на ЗНС (рис. 1а, 1г) вызваны смещением арктической области озонного минимума к Европе в результате эволюции стратосферного циркумполярного вихря. Приблизительно в это же время и на других станциях европейского сектора были отмечены отрицательные аномалии ОС N0^ что явилось результатом общих процессов стратосферного переноса в этой области, характерных для конца марта 2011 г.
Для интерпретации аномалий ОС N02 использовались поля ОСО и обратный траектор-ный анализ. Траектории стратосферного переноса в пункты наблюдений N02 рассчитывались с помощью траекторной модели HYSPLIT (http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php). Трехсуточные траектории стратосферного переноса в
Рис. 2. а — Вертикальный профиль N02 на ЗНС, соответствующий аном
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.