CC BY
17
УДК 551.510
ИЗМЕНЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА НАД МОСКВОЙ В ПЕРИОД ВНЕЗАПНОГО СТРАТОСФЕРНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ ЗИМОЙ 2012-2013 ГОДОВ
С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, С. Б. Розанов, А. Н. Игнатьев, А. Н. Лукин
Представлены новые результаты дистанционного зондирования атмосферного озона над Московским регионом в холодное полугодие 2012-2013 гг., включая период мажорного внезапного стратосферного потепления. Дано описание методов анализа результатов наблюдений вертикального распределения, озона, пол/ученного с помощью спектральной аппаратуры, работающей на частотах вращательной линии озона с центром на 142,175 ГГц. Рассмотрены особенности высотно-временного распределения, стратосферного озона, до, во время, и после сил,иного возмущения динамики стратосферы, в январе 2013 г. Проведено сравнение с результатами наблюдений озона, в период предыдущего мажорного стратосферного потепления в 2009-2010 гг. Рассмотренные межгодовые различия, и разнообразие особенностей динамических процессов, влияющих на, вертикальное распределение озона, св идетельствуют о важности дальнейшего мониторинга атмосферного озона, что необходимо для, развития, численны, х климатических моделей, для, прогнозов эволюции озоносферы и климата.
Ключевые слова: озон, стратосфера. внезапное стратосферное потепление, спектральные измерения, дистанционное зондировние.
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected], [email protected].
Введение. Озон Защищает ЙСИЗНЬ на Земле от губительного УФ-Б излучения Солнца. Этот газ играет также ключевую роль в тепловом режиме средней атмосферы, участвует в динамических и химических процессах [1]. Прогнозирование наблюдаемых изменений в озоносфере прсдст&влябт собой сложную проблему. Для её решения большое значение имеет изучение вьтсотно-временного распределения озона и его связи с происходящими в атмосфере процессами, с развитием полярных стратосферных вихрей [1]. Внутри полярного вихря, воздух которого изолирован от внешних воздушных масс, происходит разрушение озона. Например, сильное истощение озонного слоя весной 2011 года [2]. возникшее в условиях низких температур в устойчивом полярном вихре, было зарегистрировано также и над Московским регионом [3].
Важной задачей являются наблюдения вертикального распределения озона (ВРО) в условиях нарушения циркуляции стратосферы. ярко выраженного в периоды вне~ ЗаПНЫХ стратосферных потеплений. Ниже приведены новые результаты спектральных измерений на миллиметровых волнах в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) вьтсотно-временного распределения стратосферного озона над Московским регионом в холодное полугодие 2012 2013 гг. Рассмотрены особенности вертикального распределения озона до. во время и после сильного возмущения стратосферы в период мажорного (в соответствии с классификацией [4]) внезапного стратосферного потепления в январе 2013 г.. сопровождавшегося разделением полярного вихря на две части. Проведено сравнение с результатами наблюдений озона в период предыдущего мажорного стратосферного потепления в 2009 2010 гг.
Метод наблюдений и анализа результатов. Дистанционное зондирование атмосферного озона проводится с помощью размещённого в Москве высокочувствительного спектрорадиометра [5, 6]. Регистрируется спектральная линия теплового излучения молекул озона на частотах вращательного перехода 1О1.9 — 10о.ю с центром на 142, 175 ГГц (длина волны 2.1 мм). Эта уширенная столкновениями линия содержит информацию о высотном распределении молекул озона в стратосфере и мезосфере [5, 6].
Для восстановления вертикального распределения озона из измеренной спектральной линии используется предложенный К. П. Гайковичем алгоритм [5], основанный на методах Тихонова и статистической регуляризации, сочетание которых позволяет оптимизировать решение задачи восстановления ВРО. Данные о профилях температуры и давления в атмосфере, необходимые для восстановления профилей ВРО. получены из базы данных В АБС [7].
Высотно-временное распределение озона на высотах 20-50 км над Москвой для холодного периода 2012-2013 гг. представлено на рис. 1. Изолиниями на этом рисунке показаны уровни равных значений содержания озона С0з. Значения С0з здесь и ниже даны в единицах отношения смеси ррт, или 10_6.
Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март Апрель
Дни 2012-2013 гг.
Рис. 1: Высотно-временное распределение озона над Москвой в холодное полугодие 2012— 2013 гг.
Суммарная погрешность восстановления профиля вертикального распределения озона (с учетом шума аппаратуры и других экспериментальных погрешностей) при оптимальных условиях наблюдения и времени накопления сигнала около 1 часа не превышает 5-7% на высотах от 20 до 50 км, постепенно возрастая в более низких и в более высоких слоях [5]. По основным параметрам (чувствительности, точности восстановления профилей озона) аппаратура ФИАН соответствует мировому уровню инструментов такого типа. Получено хорошее согласие результатов наблюдений в ФИАН с данными спутниковых измерений ВРО (результаты сопоставления этих данных представлены
В [5]).
Как показано ниже, наблюдаемые изменения ВРО связаны с возмущениями стратосферы. Методика, созданная для изучения этих возмущений, включает в себя анализ
карт геопотенциальных высот и температуры для ряда барических уровней стратосферы Северного полушария, карт потенциальной завихренности (potential vorticity. PV) для потенциальных температур, соответствующих исследуемым высотам стратосферы. Эти карты построены на основании данных BADC [7]. Возникшее в январе 2013 г. мажорное внезапное стратосферное потепление определялось по характерным для такого типа явлений признакам (см.. напр.. [4. 8]): по изменению знака разности среднезональ-ных температур между широтами 85° и 60° Северного полушария (ДТ85)6о) на уровне с давлением 10 мбар и по изменению на противоположное направление среднезонального
В6Тр<ЗЬ Н£Ь
60°
Поскольку зимняя стратосфера над Московским регионом испытывает влияние полярного стратосферного вихря, то рассмотрены основные характеристики этого вихря его интенсивность и размер. В качестве оценки интенсивности полярного вихря рассматривались значения геопотенциальной высоты в его центре (см.. напр.. [9]). Для оценки размера вихря выполнялся расчёт эквивалентной широты его края ^equ, в терминах которой в литературе обычно характеризуется площадь вихря (см.. напр.. [10]). Эквивалентная широта ^equ определялась в соответствии с работой [11] методом расчёта максимума градиента PV и с учётом максимума скорости ветра. Для изучения
влияния крупномасштабных волновых процессов н<вь стратосферный озон поле возму-
60°
в ряд Фурье. В полученном спектральном разложении с зональными волновыми числами n = 1, 2, 3 ... преобладающими были волны с n — 1, 2
волны с зональным волновым числом n =1 соответствует смещению полярного вихря по отношению к полюсу, а отклонение вихря от круговой формы приводит к росту
n=2
С помощью траекторной модели [12] исследовалось движение воздушных масс до их появления в стратосфере над Московским регионом.
Результаты исследований и их обсуждение. Результаты наблюдений озона на ММ волнах показаны на рис. 1 и рис. 2(a). На рис. 2(a) показано содержания озона CO3 в слое на высотном уровне 10 мбар (на высоте примерно 30 км) над Москвой за период с ноября 2012 г. по апрель 2013 г.
На рис. 1 и рис. 2(a) хорошо видны изменения содержания озона, характеризуемого низкими значениями CO3, в декабре 2012 г. и в начале января 2013 г. и значительным увеличением CO3 15-16 января 2013 г.
Рис. 2: Содержание озона на уровне 10 мбар (высота около 30 км) (а), геопотенциальная высота уровня с давлением 10 мбар (б) и потенциальная завихренность на уровне с потенциальной температурой 850 К, 1 ед. РУ = 10-6 Юм2 кг-1 с-1, (в) в стратосфере над Москвой в период с 01.11.2012 г. по 30.04.2013 г.
Изменения геопотендиальной высоты уровня с давлением 10 мбар и потенциальной завихренности на близком по высоте уровне с потенциальной температурой 850 К в стратосфере над Москвой в период с 01.11.2012 г. по 30.04.2013 г. показаны на рис. 2(6) и рис. 2(в) соответственно.
На рис. 3 показаны амплитуды планетарных волн с п = 1 (рис. 3(а)) и п = 2 (рис. 3(6)), среднезональная скорость ветра на широте 60° (рис. 3(в)), разность сред-незональных температур АТ85,60 между широтами 85° и 60° (рис. 3(г)) для периода с ноября 2012 г. по апрель 2013 г. Все данные на рис. 3 соответствуют уровню 10 мбар.
Из графика на рис. 3(а) п= 1 и п = 2
были пониженными в начале ноября 2012 г. В этот период полярный вихрь имел близкую к симметричной форму с центром, расположенным вблизи Северного полюса.
Стратосфера над Москвой в первых числах ноября находилась вне полярного стратосферного вихря, значения С0з в слое на уровне 10 мбар в стратосфере над Москвой в этот период составили около 6.3 рргп. Увеличение амплитуды планетарной волны с п =1, начавшееся во второй половине ноября 2012 г. и достигшее максимальных значений в декабре 2012 г., соответствовало возникшему в этот период смещению полярного вихря от Северного полюса. Одновременно происходила значительная деформация вих-
В период с 29 ноября по 3 декабря 2012 г. полярный вихрь приобрёл вытянутую форму с двумя центрами. Этот процесс отразился на значениях амплитуды соответствующей планетарной волны с п =2 (рис. 3(6)), которая начала существенно увеличиваться во второй половине ноября 2012 г. Эта амплитуда достигла максимального значения 1 декабря 2012 г. При этом над Москвой оказался воздух полярного вихря с пониженным содержанием озона, составившим С0з = 3.8 ррт в слое на уровне 10 мбар 29 ноября 2012 г.
Усиление волны с п — 2 в конце ноября повлекло за собой увеличение содержания озона С0з до 5.1 ррт на уровне 10 мбар 6 декабря 2012 г. Затем, к середине декабря, полярный вихрь восстановил свою первоначальную форму с одним центром, и продол-
п=2
то время как происходило упомянутое выше усиление волны с п =1, характеризующей смещение полярного вихря. В результате этого смещения вихря его воздух находился в стратосфере над Москвой во вторую и третью декады декабря 2012 г. и в начале января 2013 г. В этот период содержание озона в стратосфере над Москвой было пониженным и значения С0з составляли от 4 ррт до 4.5 ррт на 10 мбар (рис. 2(а)).
1600 —
к ^
и и
СЗ ^н
В ^
§ V
Е 11 < «
<3 Он
н «
И ^ о г
а
Он О
Й ®
о л Он В
о
и О
о" чо
1гГ
00
Н
<
800 —
900
600 —
300 —
0 --
20 —
0 —
40----Ъ
-30
01.11.12 01.12.12 01.01.13
01.02.13 Дата
1 1 1
1 (а)
J 1_
_
1
I
1 | 1 ____1___ ^ 1 \ \ 1 ! 1 ! \ 1 1 ! ! 1 ! 1 I ! ! ! (б) 1
1 1 1
1
Л-
г
!
I 1 1 1 ¥ 1 1 | « \ « « « «
--- / (в)
Ц--
V 1 1
/////л
1 1 1 1 « 1 II АН й 1 Н Н 1| й Н Н 1 Н в N
(г)
--- --- --- л --- --- ч- д —
ТУ ¡С\- -1-1.
01.03.13 01.04.13
Рис. 3: Амплитуды планетарных волн в поле геопотенциала с п = 1 (а) и п = 2 (б), среднезональная скорость ветра на широте 60° (в), разность среднезональных температур между широтами 85° и 60° Северного полушария (г) для периода с ноября по апрель 2012-2013 гг. Все данные для уровня 10 мбар. Штриховкой отмечены события с реверсом среднезонального ветра и изменением знака ДТ85 60.
Существенные изменения в озоносфере над Москвой произошли, начиная с первой половины января 2013 г.. после того, как 6 января 2013 г. полярный вихрь разделился на две части. В это время произошло соответствующее увеличение амплитуды волны с волновым числом n = 2 (рис. 5(6)). Содержание озона CO3 на уровне 10 мбар над Москвой возросло от 4.1 pprri 29 декабря 2012 г. (до разделения вихря на две части) до
значения 7.2 pprri. которое наблюдалось 16 ЯНВарЯ 2013 г. (рис. 2). В период с 6 по 27
°
на уровне 10 мбар (рис. 3(b)) и примерно в это же время наблюдалось изменение знака
85° 60°
ленной на графике рис. 3(г). Этим изменениям предшествовало уменьшение площади полярного вихря. В соответствии с критериями, приведенными в работах [4. 8, 13, 14]. в январе 2013 г. были выполнены условия мажорного стратосферного потепления. Это потепление сопровождалось ослаблением n= 1 и усилением волны с n = 2
(рис. 3), связанным с разделением вихря на две части.
Необходимо отметить, что во время разделения полярного вихря на две части 6 января 2013 г. в стратосфере над Москвой всё ещё находился воздух с пониженным содержанием озона, равным 4.3 pprri на уровне 10 мбар. Траекторньтй анализ показал, что этот воздух оыл перенесён из стратосферы над Гренландией. Там незадолго перед этим, а именно 3 января 2013 г.. был расположен центр полярного стратосферного вихря. Значения COs, зарегистрированные на указанном уровне над Москвой 6 января 2013 г. с помощью спектрорадиометра ФИАН. оказались близки к данным MLS Aura [15, 16] Гренландией 3 января 2013 г.. что также свидетельствует о перемещении этого воздуха полярного вихря к Москве за время с 3 по 6 января.
После разделения полярного вихря на две части в январе 2013 г. над Москвой оказался ооогатцённыи
озоном воздух, появившийся из области повышенного давления. Значения потенциальной завихренности 16 января 2013 г. были пониженные, что характерно для воздуха антициклона. Траекторньтй анализ показал, что воздух с возросшим содержанием озона, зарегистрированный над Москвой 16 января 2013 г.. был перенесён из области антициклона над Сибирью.
В конце января 2013 г. полярный вихрь вновь приобрёл форму с одним центром. Интенсивность вихря
ослабла. В период с февраля по март 2013 г. в Северном полушарии происходило перемешивание воздушных масс различного происхождения: из областей полярного вихря и областей антициклона. Эти процессы хорошо прослеживаются на картах барической топографии и на картах PV,
на которых видно? как воздух с вы~
сокими значениями РУ вытягивался из вихря и перемешивался с воздухом с низкими значениями РУ вне вихря. В результате этих процессов содержание озона в стратосфере над Москвой в этот период постепенно возрастало и. например, на уровне 10 мбар, в соответствии с рис. 2(а), изменялось примерно от 5 рргп в феврале до 7 рргп во второй половине марта 2013 г. В конце марта начале апреля 2013 г. зарегистрировано понижение содержания озона С0з от 7.2 ррт 28 марта до 5.5 ррт 2 апреля 2013 г. при появлении воздуха вихря над Москвой. Такое понижение содержания озона весной 2013 г.. вызванное смещением к Москве воздуха полярного вихря, нередко наблюдалось в весенние месяцы в предыдущие годы, в том числе весной 2010 г. и 2011 г. [3].
Рассмотренная выше связь содержания озона над Москвой с динамикой стратосферы. с переносом воздушных масс подтверждается также высокими (по модулю) значениями коэффициентов корреляции концентрации озона с потенциальной завихренностью, с геопотенциальной высотой и с температурой на соответствующих высотных уровнях Москвой.
Отметим, что изменения озона характеризуются антикорреляцией по отношению к изменениям РУ. Действительно, коэффициенты корреляции для связи "озон РУ; (значения С0з взяты на уровне 10 мбар, а значения РУ на близком по высоте уровне потенциальной температуры 850 К) имели отрицательные величины и. например, для периода с ноября 2012 г. по январь 2013 г. этот коэффициент был равен -0.80 ± 0.04, а для февраля-марта 2013 г. он составил -0.72 ± 0.07.
Колебания озона, температуры Т и геопотенциальной высоты на рассмотренном уровне 10 мбар характеризуются положительной корреляцией. При этом коэффициент корреляции между содержанием озона и температурой на этом уровне был равным 0.74± 0.07 для периода с ноября 2012 г. по январь 2013 г. включительно, а связь озона с геопотенциальной высотой характеризовалась коэффициентом корреляции 0.90 ± 0.03 за тот же период. Очевиден физический смысл этих связей, которые означают, что для воздуха полярного вихря характерно пониженное содержание озона при высоких значениях потенциальной завихренности и пониженных значениях температуры. Воздух из областей антициклона характеризуется более высокими значениями содержания озона и температуры и пониженными значениями потенциальной завихренности. Временные зависимости С0з, РУ и Т показаны на рис. 2.
Представляет
интерес сопоставить влияние на озоносферу динамических процессов в рассмотренный период 2012 2013 гг. с влиянием на вертикальное распределение озона над Московским регионом возмущений в предыдущее мажорное стратосферное
потепление, которое произошло в холодное полугодие 2009 2010 гг. Вьтсотно-временное распределение озона над Москвой, полученное в этот период по наблюдениям на ММ волнах в ФИАН. описано в работе [3].
Общим для холодных полугодий 2009 2010 гг. и 2012 2013 гг. является значительное понижение содержания озона над Москвой в первой половине зимы. т.к. в стратосфере над Москвой был воздух полярного вихря. Последующие относительно быстрые увеличения содержания озона над Московским регионом были связаны со стратосферными потеплениями в эти полугодия. Этим событиям предшествовало увеличение амплитуды планетарных волн^ замедление и реверс среднезональных ветров на 60 с.ш.^ изменение знака разности среднезональных температур между широтами 85° и 60° Северного полушария и уменьшение площади полярного вихря. Общим является также и уменьшение CO3 в отдельные весенние периоды^ что было вызвано появлением воздуха полярного вихря над Москвой.
Вместе с тем. имеется существенное различие в сроках возникновения и характере протекания этих двух мажорных потеплений и в сроках соответствующих откликов озоносферьт над Москвой на эти потепления. Стратосферное потепление в холодное полугодие 2009 2010 гг. было связано со смещением полярного вихря и характеризовалось усилением планетарной волны en =1 [14]. Этим оно отличается от потепления в январе 2013 г., которое характеризовалось усилением волны en = 2 (при ослаблении волны с n = 1, рис. 3) во время реверса ветра и изменения знака АТ85,во-
Реверс среднезонального ветра в 2010 г. [14] произошёл позже (по отношению к началу зимы), чем в 2013 г. Различаются также и сроки, в которые произошли изменения содержания озона над Москвой, связанные с этими стратосферными потеплениями: максимальные значения Co3 на уровне 10 мбар над Москвой наблюдались в начале февраля 2010 г. и в середине января 2013 г. соответственно.
Рассмотренные межгодовые различия и разнообразие особенностей динамических процессов, влияющих на вертикальное распределение озона, свидетельствуют о важности дальнейшего мониторинга атмосферного озона, что необходимо для развития численных климатических моделей, для прогнозов эволюции озоносферьт и климата.
Авторы выражают глубокую благодарность профессорам В. Н. Сорокину. Е. В. Суворову и В. А. Черепенину за поддержку данной работы. Авторы признательны центру British Atmospheric Data Center (BADC) за любезно предоставленные метеорологические данные. благодарны NASA за возможность доступа к данным Aura MLS, а так-^ке признательны лаборатории NOAA Air Resources Laboratory (AR.L) за возможность
пользования транспортной моделью НУЭРЫТ.
Работа поддержана Программами ОФН РАН "Современные проблемы радиофизики" и "Радиоэлектронные методы в исследовании природной среды и человека", а также грантом УНК ФИАН.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2010. World Meteorological Organization. Global Ozone Research and Monitoring Project. Report No.52. 516 pp. World Meteorological Organization. Geneva. Switzerland. 2011.
[2] G. L. Manney, M. L. Saiitee, M. Rex, et al., Nature 478, 10556, p.469 (2011), doi:10.1038/nature 10556, 2011;
URL: littp://www.nature.com/nature/journal/v478/n7370/full/naturel0556.1itrril. [3J С. В. Соломонов, E. П. Кропоткина, С. Б. Розанов и др.. Краткие сообщения по физике ФИАН 39(10), 3 (2012).
[4] A. ,J. Charlton and L. М. Polvani, J. Climate 20, 449 (2007).
[5] С. В. Соломонов, К. П. Гайкович, Е. П. Кропоткина и др.. Известия вузов. Радиофизика 54(2), 113 (2011).
[6] С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, С. Б. Розанов, Спектральные исследования атмосферного озона на миллиметровых радиоволнах, в: Коллективная монография, "Оптическая, спектроскопия, и стандарты частоты. Молекулярная, спектроскопия','{ Под ред. Л. Н. Синицы, Е. А. Виноградова (Томск, Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2004), с.52.
[7] The British Atmospheric Data Centre (BADC). URL: http://badc.nerc.ac.uk/view/badc.nerc.ac.uk_ATOM_dataent_ASSIM
[8] G. L. Manney, M. ,J. Schwartz, K. Ivruger, et al., Geophys. Res. Lett. 36, L12815 (2009), doi: 10.1029/2009GL038586.
[9] В. И. Бекорюков, И. В. Бугаева, В. Н. Глазков и др.. Известия АН. Физика атмосферы и океана 37(6), 820 (2001).
[ 10J V. L. Harvey, R.. В. Pierce, Т. D. Fairlie, and M. H. Hitchman, ,J. Geophys. R.es.
107(D20), 4442 (2002), doi:10.1029/2001JD001471. [ 11J E. R.. Nash, P. A. Newman, ,J. E. R.osenfield, and M. R.. Shoerberl, ,J. Geophys. R.es. 101(D5), 9471 (1996).
[12] R. R.. Draxler and G. D. R.olph, HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model. NOAA Air Resources Laboratory. Silver Spring. MD. NO A A ARL READY Website: http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php, 2013.
[13] M. E. Mclntyre and T. N. Palmer, Nature 305(5935), 593 (1983).
[14] ,J. Ivuttipuratli and G. A. Nikulin, Atrrios. Clierri. Pliys. 12, 8115 (2012), doi: 10.5194/acp-12-8115-2012.
[15] L. Froidevaux, N. ,J. Livesey, W. G. Read, et al., IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 44(5), 1106 (2006).
[16] Aura MLS Data Quality Documentation. URL: http://mls.jpl.nasa.gov/data/datadocs.plip
Поступила в редакцию 16 декабря 2013 г.
