Статистические свойства трехмерных полей озона и температуры по данным лимбовых спутниковых измерений

Галкина, Ирина Львовна

Автореферат диссертации по теме "Статистические свойства трехмерных полей озона и температуры по данным лимбовых спутниковых измерений"

На правах рукописи

Галкина Ирина Львовна

СТАТИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТРЕХМЕРНЫХ ПОЛЕЙ ОЗОНА И ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ДАННЫМ ЛИМБОВЫХ СПУТНИКОВЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ

Специальность: 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г. Долгопрудный - 2004

Работа выполнена в Государственном учреждении Центральная аэрологическая обсерватория

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук Крученицкий Григорий Михайлович, кандидат физико-математических наук Перов Станислав Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Бекорюков Валентин Иванович, доктор физико-математических наук Иванов-Холодный Гор Семенович

Ведущая организация: НПО «Тайфун»

Защита состоится «20» 2004 г. в 44а—Г' о в н а заседании

диссертационного совета в Государственном учреждении

Центральная аэрологическая обсерватория по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московская обл., ул. Первомайская, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного учреждения Центральная аэрологическая обсерватория

2

Автореферат разослан « 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

Н.А. Безрукова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Озон, несмотря на незначительное его содержание в атмосфере, играет существенную роль, как в происходящих в ней динамических процессах, так и в защите биосферы от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца. Функция нагрева озона в существенной степени формирует ход температуры в стратосфере, оказывая тем самым заметное влияние на формирование атмосферной циркуляции, а поглощение озоном солнечной УФ-Б радиации (излучения в диапазоне длин волн 280-315 нм) определяет радиационный климат в этой части спектра. Известно, что резкие изменения радиационного климата в УФ-Б диапазоне могут вызвать неблагоприятные последствия для целого ряда биологических и экологических систем, а также привести к заметным погодным и климатическим изменениям. В связи с этим возможность антропогенного влияния на состояние озоносферы вызвала серьёзную озабоченность не только научной, но и широкой мировой общественности и привела к заключению первых в истории человечества глобальных природоохранных международных соглашений. Несмотря на то, что в последние годы общепризнано, что в оценке наблюдавшихся долговременных тенденций эволюции озонового слоя Земли была допущена существенная недооценка естественных причин и преувеличение роли причин антропогенных, озоновая проблема продолжает привлекать серьёзное внимание научной общественности. Это обусловлено следующими обстоятельствами:

• остались до конца не выясненными причины наблюдавшихся резких изменений в состоянии озонового слоя;

• для озоносферных исследований было разработано большое количество разнообразной аппаратуры, прежде всего, спутникового базирования, с помощью которой получены огромные массивы данных, значение которых далеко выходит за пределы озоновой проблемы;

• озоновая проблема является одной из составляющих климатической проблемы, которая остаётся на сегодняшний день в центре внимания, как научной, так и широкой общественности.

Теоретические исследования в области озоносферных процессов в настоящее время ведутся в двух основных направлениях. Первое представлено разработкой циркуляционных моделей с более или менее развитыми фотохимическими блоками, а второе - статистическим моделированием с привлечением максимальных объёмов экспериментальных данных. Настоящая диссертация относится ко второму направлению и поэтому затрагивает проблемы создания информационных баз, содержащих эти данные.

Цели и задачи работы.

Целями данной работы являются разработка методов усвоения, архивации, анализа и доведения до пользователя спутниковых данных о полях температуры, озона и других малых газовых составляющих (МГС) атмосферы, а также анализ статистических свойств полученных трёхмерных полей озона и температуры. Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методы усвоения, архивации и визуализации указанной информации обеспечивающие:

• преемственность, т.е. возможность работы в едином формате, как с ранее созданными, так и с вновь создаваемыми базами данных о состоянии озонового слоя;

• усвоение информации с максимально высокимиплотноетя-м-н-етсч^тор в нрастранстве и времени;

С. Пет»] 09

ЖМ

• доступность для пользователя, не имеющего специальной программистской подготовки;

• возможности неограниченного обмена данными в форматах основных стандартных систем управления базами данных (СУБД);

• возможность привлечения для анализа стандартных пакетов аналитических программ.

2. Создать базы данных спутниковых измерений трёхмерных полей температуры, давления, озона и других МГС атмосферы.

3. Исследовать статистические свойства трёхмерных полей озона и температуры, а именно:

• Построить и исследовать осредненные по коротким промежуткам времени (порядка синоптического цикла) глобальные поля температуры и отношения смеси озона на различных высотных уровнях.

• Исследовать незональности в названных полях и их широтно-высотное распределение.

• Исследовать авто- и взаимно-корреляционне функции названных полей, как внутризональные, так и межвысотные.

Научная новизна.

1. Впервые получены для данных с высоким пространственно-временным разрешением щиротно-высотные распределения моментов полей озона и температуры с минимальным временным осреднением (~7 суток), а именно:

• построены глобальные поля температуры и отношения смеси озона на различных высотных уровнях.

• количественно оценена незональность полей озона и температуры в широтных поясах от70°с.ш. до70°ю.ш.

• построены авто- и взаимяокорреляционные функции названных полей, как внутризональные, так и межвысотные.

2. Впервые количественно определено влияние различных глобальных геофизических факторов на формирование вертикального распределения озона и температуры над Западной Сибирью.

3. Впервые получены данные по пространственной и временной локализации двухмодальных профилей отношения смеси озона в периоды непосредственно примыкающие к ВОАА.

4. Разработан алгоритм оценки среднезонального ветра по спутниковым данным о давлении

и температуре, и определены условия его применимости в зависимости от контрастности и замороженности зонального распределения давления.

Достоверность результатов. Достоверность результатов обеспечивается высокой статистической надёжностью полученных оценок, основанных на беспрецедентно большом объёме исходных данных, надёжностью и контролируемостью программной реализации применяемых аналитических методов, а также совпадением в предельных случаях полученных результатов с ранее известными.

Практическая значимость. В ходе выполнения диссертационной работы создано программное обеспечение, позволяющее осуществлять усвоение, архивацию, анализ и доведение до пользователя спутниковых данных о полях температуры, озона и других малых газовых составляющих атмосферы (МГС). Это программное обеспечение легко реализует обслуживание информационных потоков с наивысшей из существующих в современной практике плотностью отсчётов (свыше 30 000 профилей в сутки) и обеспечивает

пользовательские удобства на уровне самых массовых программных продуктов. Созданное программное обеспечение позволяет в единых форматах хранить, сравнивать, анализировать, визуализировать и доводить до пользователя все виды данных, имеющих отношение к озоносферным исследованиям: наземные, баллонные, спутниковые, лидарные и пр. Созданные базы данных представляют исследователям надёжный, просто организованный и легко доступный исходный материал для разработки и тестирования разнообразных моделей: динамических, эмпирических, статистических.

Личный вклад соискателя. Личный вклад соискателя состоит в разработке программного обеспечения, проведении расчетов и анализа экспериментальных данных, участии в обсуждении и объяснении результатов.

На защиту выносятся:

1. Статистическое описание трёхмерных полей озона и температуры с минимальным временным осреднением (~7 суток), включающее:

• пространственное распределение средних значений и стандартных отклонений;

• авто- и взаимные корреляционные функции для названных полей;

• результаты исследования пространственной зависимости параметров энергетического спектра (Фурье-образа АКФ) этих полей;

• результаты анализа аномалий в полях температуры и озона;

• количественные оценки пространственного распределения незональности этих полей

2. Оценки пространственной привязки границы области фотохимического равновесия озона и её модификации в различных условиях (периоды 4-12 ноября 1994г. (CRISTA-1) и 8-16 августа 1997г. (CRISTA-2))

3. Оценки пространственной и временной локализации двухмодальных профилей отношения смеси озона перед началом BOAA (CRISTA-2) и после ее окончания (CRISTA-1).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, были представлены на:

• Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля", Москва, Россия, 12-17 апреля 1999г.;

• XXV Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общества, Ницца, Франция, 25-29 апреля 2000г.;

• XXVI Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общества, Ницца, Франция, 25-30 марта 2001г.;

• Байкальской Молодежной Научной Школе по Фундаментальной Физике, Иркутск, Россия, 15-20 сентября 2001г. (работа удостоена III премии);

• XXVII Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общества, Ницца, Франция, 21-26 апреля 2002г.

• Международном симпозиуме "Атмосферная радиация", Санкт-Петербург, Россия, 18-21 июня 2002 г.

• Международном научно-техническом семинаре "Системы контроля окружающей среды - 2002", Севастополь, Украина, 15-18 сентября 2002г.

• XXVIII Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Общества, Ницца, Франция, 21-26 апреля 2003г.

• Международной конференции «Структуры и потоки в жидкостях», Санкт-Петербург, Россия, 23-26 июня 2003 г.

• X Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана», Томск, Россия, 24 - 28 июня 2003 г.

• Байкальской Молодежной Научной Школе по Фундаментальной Физике, Иркутск, Россия, 15-20 сентября 2003 г.

• III Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям, Кацивели, Украина, 15-23 сентября 2003 г.

• Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, Россия, 10-12 ноября 2003 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 191 странице машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав и заключения, а также списка литературы, включающего 129 наименований, и 4 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цели, приведены сведения о научной новизне и практической значимости работы, а также о личном вкладе соискателя и апробации диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и приведены сведения о структуре работы. Кроме того, во введении обосновывается выбор данных, полученных от спутникового ИК радиометра CRISTA, как основного источника данных о трёхмерных полях термодинамических параметров, а также отношения смеси озона и других МГС атмосферы. Этот выбор, обоснован тем, что прибор CRISTA обеспечивает наивысшую плотность отсчётов значений отношения смеси МГС и термодинамических параметров атмосферы (рис. 1) из всех имеющихся и планируемых к применению спутниковых измерительных средств аналогичного назначения. Следовательно, программное обеспечение, способное гарантировать усвоение, архивацию, анализ и доведение до пользователя данных, поступающих с такой плотностью отсчетов, является эффективным средством для решения современных задач озонного мониторинга. Кроме того, введение содержит краткое описание аппаратуры CRISTA и выполненных ею миссий (CRISTA-1: 4-12 ноября 1994 г., CRISTA-2: 8-16 августа 1997 г.), а также обзор основных результатов, полученных по данным измерений, выполненных этим прибором.

В Главе 1 рассмотрено современное состояние моделирования атмосферных процессов, проанализированы основные трудности, возникающие при разработке и тестировании моделей, и обоснован выбор направления исследований. Выполнен качественный анализ некоторых широко применяемых при моделировании атмосферы блоков, таких как энергобалансовый и фотохимический, и показано, что даже небольшие неточности в задании начальных условий могут привести к радикальным погрешностям в конечных результатах моделирования. В частности показано, что надёжные простые и эффективные средства усвоения, архивации, анализа, и доведения до пользователя результатов измерений параметров атмосферы являются эффективным инструментом разработки и тестирования моделей, отвечающих общепринятым в естественных науках требованиям, в первую очередь, устойчивости и повторяемости.

Количество профилей каждого компонента, измеренных "CRISTA-2"

Всего 265 385 профилей за 8 дней

Рис 1

Глава 2 посвящена описанию разработанного программного обеспечения для усвоения, архивации, анализа и доведения до пользователя данных о состоянии озоносферы и геофизических факторов, оказывающих на неё воздействие Показано, что введение такого промежуточного уровня архивации и обработки данных, как электронные таблицы Excel, существенно облегчает как сравнение результатов, так и проверку их воспроизводимости Особое внимание уделено выполнению требования преемственности, т е возможности использования ранее разработанных баз данных Это позволило

• привпечь современный пользовательский интерфейс, как для проведения оперативных работ по мониторингу текущего состояния озонового слоя и контротя работоспособности наблюдательных средств мониторинга (рис 2), так и для отслеживания текущего состояния и долговременной эволюции глобальных озоновых полей,

• создать объединенную базу данных результатов озоносферных измерений средствами различных видов пассивными наземными, баллонными, лидарными, спутниковыми различного рода (рис 3),

• автоматизировать процесс решения широкого крута исследовательских задач выявления и количественной оценки влияния глобальных геофизических факторов на изменения параметров озоносферы В качестве примера, на рисунках 4 и 5 приведены результаты регрессионного моделирования воздействия глобальных геофизических факторов на вертикальное распределение озона (ВРО) и вертикальное распределение температуры (ВРТ) над Западной Сибирью по данным лидарных измерений

Одесса & Киев во И квартале 2002 года

£25-1

250 275 300 325 350 375 400 425 4»

М-124

Рис 2 Контроль качества работы наземных озонометрических станций на основе сравнения их данных с данными спутниковых измерений

Рис 3 Глобальное распределение ОСО в октябре 1998 года(ТОМS)

Вклад глобальных процессов в формирование ВРО

Рис.5

Температура,0 С

-65 -55 -45 -35 -25 -15 -5

О -,---,-г---,-,-,------

О 100 200 300 400 500 600 700 »00 900 1000

Отношение смеси озона, млрд-1

Рис. 6 Обнаружение скрытой тропопаузы на станции Hohenpeissenberg (29 ноября 1993 г.)

• автоматизировать процесс подготовки и поиска данных для тестирования моделей и гипотез;

• автоматизировать анализ профилей температуры и МГС атмосферы (рис.6).

В Главе 3 проведено детальное исследование статистических свойств трёхмерных полей озона и температуры на основе созданной базы данных измерений аппаратуры CRISTA и разработанного программного обеспечения. В частности, для периодов CRISTA-1 и CRISTA-2 были получены следующие основные результаты:

• Изучены характерные особенности незональностей в двумерных полях распределения отношения смеси озона и температуры на различных высотах на основе данных высокого пространственного разрешения. На рисунке 7, например, видно возрастание незональности по мере удаления от экватора к полюсам, а на рисунке 8 видна пространственная локализация областей аномально высокой температуры в умеренных и приполярных широтах Южного полушария.

• Получены широтно-высотные распределения стандартных отклонений для названных полей. На рис. 9 видно, что максимальные незональности температуры сосредоточены в зимнем полушарии на существенно меньших высотах, чем в летнем, в отличие от незональности отношения смеси озона (рис. 10), которые расположены примерно на одинаковых высотах в полярных широтах обоих полушарий.

• Построены автокорреляционные функции (АКФ) полей отношения смеси озона и температуры. Обнаружено существенное доминирование второй гармоники в энергетическом спектре полей температуры и озона во внетропических широтах южного полушария накануне ВОАА (рис. 11,12).

Рис.8. Поле температуры (К) на высоте 45 км по данным миссии CRISTA -2

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Широта

Рис. 9. СКО температуры (К) во время миссии СЫ8ТА-1

-50 -43 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Широта

Рис. 10. СКО отношения смеси озона (млрд-) во время миссии СЯВТА-1

Рис 12 АКФ температуры на высоте 45 км (CRISTA-2)

Рис 13. Широтно-высотный разрез поля кросс-корреляции отношения смеси озона и температуры по данным миссии CRISTA-1

• Получен широтно-высотный разрез взаимной корреляции отношения смеси озона и температуры, что позволите визуализировать границу областей фотохимического и динамического равновесия для периодов CRISTA-1 и CRISTA-2, а также подтвердить данными прямых измерений её смещение в область больших высот в зимнем полушарии в ноябре 1994г. (рис 13).

• Рассчитаны коэффициенты взаимной корреляции в соседних широтных поясах, характеризующие интенсивность межширотного обмена на высотах ниже фотохимической области.

• получены и проанализированы широтные зависимости коэффициента внутризональной корреляции полей температуры и отношения смеси озона на различных высотных уровнях в периоды, непосредственно предшествующий весенней антарктической озоновой аномалии и непосредственно следующий за ней,

• впервые получены с высоким пространственным разрешением поля значений максимума отношения смеси озона, высоты максимума отношения смеси озона, температуры стратопаузы и высоты стратопаузы (рис 14-17) и выявлено наличие в них тонкой структуры,

Рис. 15. Высота (км) максимума отношения смеси озона

Долгота

Рис.17. Высота стратопаузы (км)

ДаффасгвВГО^ 1ЭбЛл(СПЗГА-2)

Та.те^гт^ра, К

1.Б06 2БС6 1Е-06 4Ь06 5Е-06 ЬЕ-06 7.Б06

Омойте смвси ооона

Рис. 18. Образование провала в районе максимума отношения смеси озона

• обнаружены несколько сотен профилей вертикального распределения отношения смеси озона, обладающие наличием ярко выраженного минимума (двухмодальных) На рисунке 18 представлен образец такого профиля, а на рисунке 19 распределение таких профилей (Д-профилей) по высоте во время двух миссий CR1STA (рис.19).

• установлено, что высотное распределение минимумов в таких профилях имеет двухмодальный характер, и вертикальное расположение мод соответствует (в период перед ВОАА) высотам, на которых имеются значительные отклонения температуры от климатической нормы (26-32 км и 50-55 км): отрицательные над стратопаузой и положительные под ней (рис. 20);

• по наличию и величине температурных аномалий в период накануне ВОАА (за -3-4 недели) можно сделать предположение о наличии нисходящих движений, которые могли внести существенный вклад в формирование стоков на высотах максимума концентрации озона в период ВОАА в 1997г.

18*0

Рис. 19. Распределение минимумов Д-профилей по высоте

Широта

Рис. 20. Широтно - высотный разрез аномалий температуры (К) по данным миссии CRISTA-2 по отношению к CIRA-86

Глава 4 диссертации посвящена разработке, обоснованию и применению метода определения зональной скорости ветра по данным о температуре и давлению с высоким пространственным разрешением. Суть метода состоит в привязке ежесуточных данных о давлении к фиксированным высотам в узких широтных поясах с последующим разложением зависимости давления от долготы в ряд Фурье. Полученный ряд Фурье позволяет перейти к эквидистантным отсчётам по долготе и вычислить межсуточпую функцию взаимной корреляции по долготе. Значение аргумента этой функции, которому соответствует её максимальное значение, отождествляется с суточным угловым перемещением воздушной массы, что даёт возможность вычислить зональную скорость. Достаточными условиями успешного применения метода являются:

• высокий коэффициент детерминации при разложении в ряд Фурье;

• наличие значимых контрастов в долготном распределении давления (это условие формализуется на основе понятия видности, аналогичного применяемому в оптике);

• высокое (близкое к 1) значение функции взаимной корреляции по долготе в максимуме;

• наличие значимых контрастов в долготном распределении давления.

Применение этого метода позволило построить квазиглобальное широтно - высотное распределение зональной скорости ветра и обосновать надёжность полученных данных в широтной зоне к югу от тропика Козерога в период 8-15 августа 1997 г. На рисунке 21 приведен широтно - высотный разрез зонального ветра во внетропических широтах Южного полушария, а на рисунке 22 приведены примеры межсуточных функций взаимной корреляции давления внутри указанной широтной зоны.

Широта

Рис. 21. Зональный ветер во внетропических широтах Южного полушария (м/с)

Рис.22. Межсуточные функции взаимной корреляции давления по долготе (высота 25 км, широта 65° ю.ш.)

В заключение сформулированы основные результаты работы, которые приводятся

ниже:

1. разработаны методы усвоения, архивации, анализа и доведения до пользователя спутниковых данных о полях температуры, озона и других малых газовых составляющих атмосферы. Методы усвоения, архивации и визуализации указанной информации обеспечивают:

• преемственность, т.е. возможность работы в едином формате, как с ранее созданными, так и с вновь создаваемыми базами данных о состоянии озонового слоя;

• усвоение информации с максимально высокими плотностями отсчетов в пространстве и времени;

• доступность для пользователя, не имеющего специальной подготовки в области программирования;

• возможности неограниченного обмена данными в форматах основных стандартных СУБД;

• возможность привлечения для анализа стандартных пакетов аналитических программ.

• возможности тестирования моделей, проверки гипотез, подготовки исходных данных для моделирования.

Разработанное программное обеспечение применимо не только к результатам спутникового зондирования атмосферы, но и к данным, полученным другими способами. В частности, были проанализированы данные лидарных измерений вертикального распределения озона и температуры над Западной Сибирью. На основе построенной регрессионной модели количественно определено воздействие на них глобальных геофизических факторов. Кроме того, показано, что разработанное программное

обеспечение может быть успешно использовано для контроля качества работы наземной озонометрической сети.

2. Созданы базы данных спутниковых измерений прибором CRISTA трёхмерных полей температуры, давления, озона и других МГС атмосферы, полученным в ходе проведения миссий CR1STA-1 (4-12 ноября 1994г.) и CR1STA-2 (4-12 ноября 1994г.).

3. Выполнено исследование статистических свойств трехмерных полей озона, температуры и других параметров атмосферы в периоды проведения миссий CRISTA-1 и CRISTA-2, в частности:

• получены глобальные распределения температуры и отношения смеси озона на различных высотах;

• исследованы характеристики незональности глобальных полей отношения смеси озона и температуры;

• получены широтно - высотные разрезы среднеквадратических отклонений (СКО) для полей озона и температуры;

• получены АКФ для полей температуры и отношения смеси озона на различных высотных уровнях по данным первой и второй миссий CRISTA;

• вычислены коэффициенты взаимной корреляции температуры в соседних широтных поясах, аналогичные коэффициенты получены для отношения смеси озона;

• осуществлено сравнение полученных данных о пространственном распределении озона и температуры с уже опубликованными результатами;

• проанализированы отклонения температуры по данным первой и второй миссий CRISTA от климатической нормы (CIRA-86);

• получены широтно-высотные разрезы функции взаимной корреляции температуры и отношения смеси озона по данным CRISTA. Локализована граница между областями фотохимического и динамического равновесия;

• получены карты значений и высоты локализации максимума отношения смеси озона в период проведения CRISTA-2;

• построены карты распределения температуры стратопаузы и её высоты во время второй миссии;

• изучена незональность параметров вертикального распределения температуры и отношения смеси озона во время второй миссии. Во время CRISTA-2 незональность высоты и значений максимума отношения смеси озона во внетропических широтах Южного полушария превышает 10%, а в приполярных достигает 27% для максимума отношения смеси и 60% для высоты максимума отношения смеси;

• осуществлено сравнение незональностей в полях температуры стратопаузы и высоты максимума отношения смеси озона с глобальным распределением потенциальной завихренности на высоте 30 км в период CRISTA-2. В Южном полушарии области «холодной стратопаузы» соответствуют областям низкой потенциальной завихренности, а область пониженных значений высоты максимума отношения смеси озона практически совпадает с областью максимальных значений потенциальной завихренности;

• получен коэффициент корреляции между СКО температуры и СКО высоты максимума отношения смеси озона. Для CRISTA-2 в Южном полушарии коэффициент положителен и достигает значения 88%, что свидетельствует о том, что незональности взаимообусловлены приблизительно на 80%.

4. Изучены аномалии в вертикальном распределении озона:

• Исследована степень уникальности такого явления, как появление провала в профиле отношения смеси озона (Д-профили).

• Проанализированы 31 436 профилей ВРО, измеренных в ходе миссии CRIST A-2 (~3 недель до начала ВОАА 1997 года) и 43 075 профилей ВРО измеренных в ходе первой миссии (первые дни после окончания ВОАА 1994 года) на предмет выявления Д- профилей. Обнаружено существование значительного количества двухмодальных профилей отношения озона. Всего таких профилей оказалось 1.2% во время первой миссии и 1.5% во время второй. Средствами баллонного зондирования Д-профили вне ВОАА обнаруживаются чрезвычайно редко (8 из 19 567, составляющих архив мировой сети баллонного озонозондирования).

• Изучено географическое расположение Д-профилей. Во время второй миссии подавляющее большинство профилей расположены во внетропических широтах Южного полушария. Во время первой миссии распределение профилей существенно ближе к равномерному с провалом в южной полярной области и выбросом в северной;

• Исследовано высотное распределение минимумов Д - профилей. Для обеих миссий оно является двухмодовым. Географическое распределение высоты для первой миссии является квазислучайным, для второй миссии оно сильно упорядочено в меридианальном направлении.

5. Для исследования возможности проникновения Д - профилей в зону полярной ночи за счёт межширотного обмена был разработан метод оценки среднезонального ветра по спутниковым данным о давлении и температуре. Обоснованы условия его применимости. С помощью этого метода получен широтно-высотный разрез зонального ветра для внетропической зоны Южного полушария и показано, что объяснение Д-эффекта в области полярной ночи межширотным переносом представляется маловероятным.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Галкина И.Л., Зуев В.В., Крученицкий Г.М Использование электронных таблиц Excel для изучения озоносферных процессов: архивация, анализ, моделирование.// Оптика атмосферы и океана, 2003, том 16, № 10, с.943-951

2. Галкина И.Л., Крученицкий Г.М. Исследование полей озона и температуры по данным лимбовых спутниковых измерений. //Байкальская Молодежная Научная Школа по Фундаментальной Физике (сборник), Иркутск, ЦОП БИБММ ИГУ, 2001, с. 49.

3 Галкина И.Л., Крученицкий Г.М., Перов СП. "Новые результаты исследования озоносферы аппаратурой CRISTA." //Программа и тезисы докладов Байкальской Молодежной Научной Школы по Фундаментальной Физике, Иркутск, Россия, 2003, с. 44.

4. Галкина И.Л., Крученицкий Г.М., Перов СП. Анализ статистических свойств трехмерных полей озона и температуры по данным спутникового зондирования атмосферы. //Тезисы докладов международной конференции «Структуры и потоки в жидкостях», Санкт-Петербург, Россия, 2003, с. 184-186.

5. Галкина И.Л., Крученицкий Г.М., Перов СП. Исследование полей озона и температуры по данным спутниковых измерений. //Сборник тезисов Международного симпозиума стран СНГ "Атмосферная радиация", Санкт-Петербург, НИИХ СпбГУ, 2002, с. 97.

6. Крученицкий Г.М, Галкина И.Л. Пакет прикладных программ для обработки результатов спутниковых измерений профилей МГС атмосферы и температуры. // Доклады

международного научно-технического семинара «Системы контроля окружающей среды - 2002», Севастополь, Украина, Морской Гидрофизический институт НАН Украины, ЧП «ТЕРМО-СЕНС», 2002, с. 24-25.

7. Крученицкий Г.М, Галкина И.Л., Белявский А.В., Скоробогатый Т.В. О принципиальных ограничениях в моделировании атмосферных процессов. //Труды украинского научно-исследовательского гидро-метеорологического института, Наук праш Укр НДГМ1, Киев, 2002, Выпуск 250, с. 149-161.

8. Маричев В.Н., Галкина И.Л., Крученицкий Г.М. Влияние глобальных геофизических процессов на формирование вертикального распределения озона и температуры над Западной Сибирью. // Метеорология и гидрология, 2003, №11, с. 44-53.

9. Перов С.П., Крученицкий Г.М., Галкина И.Л., Показеев К.В. Солнечная активность и глобальные изменения: новый подход. //Программа и тезисы докладов Байкальской Молодежной Научной Школы по Фундаментальной Физике, Иркутск, Россия, 2003, с.14-15.

10. Перов С.П., Крученицкий Г.М., Тимашев С.Ф., Галкина И.Л. Опыт исследования волновых процессов в озоносфере по данным спутниковых измерений.// Международная конференция "Физика атмосферного аэрозоля". Труды конференции. Москва, Диалог-МГУ, 1999,с.492-497.

11. Черников А.А., Галкина И.Л., Звягинцев A.M., Иванова Н.С., Крученицкий Г.М. Содержание озона над Россией и прилегающими территориями в 2000 г. // Метеорология и гидрология, 2001, N2, с. 115-121.

12. Galkina I., Krutchenitsky G., Perov S. Investigating ozone and temperature fields based on satellite measurement data. //European Geophisical Society, 27th General Assembly, Geophysical Research Abstracts, 2002, Volume 4 (CD-ROM), ST4.01 Contributions, E:\data\EGS02-A-03078.html

13. Galkina I., Perov S., Krutchenitsky G. An attempt of research of the wave processes in the ozonosphere based on satellite data. //European Geophisical Society, 25th General Assembly, Geophysical Research Abstracts, 2000, Volume 2 (CD-ROM), ST8.01 Atmospheric ozone: global ozone.

14. Galkina I., Perov S., Krutchenitsky G., Offerman D. Study of the small scale variations of ozon and temperature in stratosphere on the basis of Crista 1 data. //European Geophisical Society, 26th General Assembly, Geophysical Research Abstracts, 2001, Volume 3 (CD-ROM), GRA3, 6214.

15. Perov S., Subbaraya B.H., Offermann D., Kruchenitsky G.M., Ermakov V.I., Galkina I.L., Chakravarty S.C, Gupta S.P., Jayaraman A., Chakrabarty D., Rajaratnam P., Kusuma Rao, Grossmann K., Oberheide J., Preusse P., Jain A.R. Current Problems of Global Change. The holes in the ozone and greenhouse scare: the scientific evidence the sky isn't falling. // Proceedings of the International conference. Forecasting Monsoons from day to years, WMO, IMD and IMS, 2001, p.242-250.

16. Perov S., Subbaraya B.H., Offermann D., Kruchenitsky G.M., Ermakov V.I., Galkina I.L., Chakravarty S.C, Gupta S.P., Jayaraman A., Cusuma Rao, Grossmann K., Oberheide J., Preusse P., Jain A.R. Occam's Razor, Solar-Terrestrial Resonances and the Problem of Global Change. //Fluxes and Structures in Fluids. International conference, Moscow, 2001, p. 164-166.

Р-7671

Подп. к печ. 12.04.2004 Объем 1.25 п.л. Заказ № 132 Тир. 100 Типография МПГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Галкина, Ирина Львовна

Сокращения и условные обозначения.

Введение.

Актуальность работы.

Цели и задачи.

Научная новизна.

Достоверность результатов.

Практическая значимость.

Личный вклад соискателя.

На защиту выносятся.

Публикации.

Апробация работы.

Структура и объем работы.

Отбор экспериментального материала.

Описание прибора.

Описание данных.

Литературный обзор.

Глава 1. Принципы моделирования атмосферных процессов и выбор направления исследований.

Глава 2. Разработанная база данных и её возможности.

2.1. Обоснование выбора системы управления базами данных.

2.2. Описание разработанной базы данных.

Глава 3. Исследование трёхмерных полей озона и температуры.

3.1 Анализ статистических свойств трехмерных полей озона и температуры.

3.2. Исследование двухмодальных профилей вертикального распределения отношения смеси озона.

Глава 4. Исследование поля ветра по данным спутниковых измерений давления и температуры.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Статистические свойства трехмерных полей озона и температуры по данным лимбовых спутниковых измерений"

Актуальность работы. Озон, несмотря на незначительное его содержание в атмосфере, играет существенную роль, как в происходящих в ней динамических процессах, так и в защите биосферы от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца. Функция нагрева озона в существенной степени формирует ход температуры в стратосфере, оказывая тем самым заметное влияние на формирование атмосферной циркуляции, а поглощение озоном солнечной УФ-Б радиации (излучения в диапазоне длин волн 280-315 нм) определяет радиационный климат в этой части спектра. Известно, что резкие изменения радиационного климата в УФ-Б диапазоне могут вызвать неблагоприятные последствия для целого ряда биологических и экологических систем, а также привести к заметным погодным и климатическим изменениям. В связи с этим возможность антропогенного влияния на состояние озоносферы вызвала серьёзную озабоченность не только научной, но и широкой мировой общественности и привела к заключению первых в истории человечества глобальных природоохранных международных соглашений. Несмотря на то, что в последние годы общепризнано, что в оценке наблюдавшихся долговременных тенденций эволюции озонового слоя Земли была допущена существенная недооценка естественных причин и преувеличение роли причин антропогенных, озоновая проблема продолжает привлекать серьёзное внимание научной общественности. Это обусловлено следующими обстоятельствами:

• остались до конца не выясненными причины наблюдавшихся резких изменений; в состоянии озонового слоя;

• для озоносферных исследований было разработано большое количество разнообразной аппаратуры, прежде всего, спутникового базирования, с помощью которой получены огромные массивы данных, значение которых далеко выходит за пределы озоновой проблемы;

• озоновая проблема является одной из составляющих климатической проблемы, которая остаётся на сегодняшний день в центре внимания, как научной, так и широкой общественности.

Теоретические исследования в области озоносферных процессов в настоящее время ведутся в двух основных направлениях. Первое представлено разработкой циркуляционных моделей с более или менее развитыми фотохимическими блоками, а второе - статистическим моделированием с привлечением максимальных объёмов экспериментальных данных. Настоящая диссертация относится ко второму направлению и поэтому затрагивает проблемы создания информационных баз, содержащих эти данные.

Цели и задачи работы.

Целями данной работы являются разработка методов усвоения, архивации, анализа и доведения до пользователя спутниковых данных о полях температуры, озона и других малых газовых составляющих (МГС) атмосферы, а также анализ статистических свойств полученных трёхмерных полей озона и температуры. Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методы усвоения, архивации и визуализации указанной информации обеспечивающие:

• преемственность, т.е. возможность работы в едином формате, как с ранее созданными, так и с вновь создаваемыми базами данных о состоянии озонового слоя;

• усвоение информации с максимально высокими плотностями отсчётов в пространстве и времени;