Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Численное моделирование газового состава и температуры тропосферы и стратосферы с помощью среднезональной интерактивной модели

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование газового состава и температуры тропосферы и стратосферы с помощью среднезональной интерактивной модели"

,, 111 и ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЯБА РОССИЯ

О * Л. -1*' I

ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ II МОНИТОРИНГУ ОКРУЕЛЩЕИ СРЕДЫ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ.А.И.ВОЕПКОВА

На правах рукописи

ЗУБОВ Владимир Аркадьевич

ЧИСЛЕННОЕ.МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОВОГО СОСТАВА И ТЕ?ЖЕРАТУРЫ ТРОПОСФЕРЫ И СТРАТОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ СРЕДНЕЗОНАЛЪНОИ ИНТЕРАКТИВНОИ МОДЕЛИ.

04.00.22 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фазико-иатематическшс наук

Санкт - Петербург 1995 г.

Работа выполнена в Главной геофизической обсерватории ии. А.И. Воеикова.

Научний руководитель: доктор физико-математических наук

профессор Кароль И.Л. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Тимофеев Ю.М. кандидат физико-математических наук Оникул Р.И.

Ведущая организация: Институт физика атмосферы РАН

Защита диссертации состоится 1995 года в

на заседании Совета Д024.06.01 в

Главной геофизической обсерватории ии. А.И. Воейкова по адресу: 194018, г. Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7, Малый зал.

С диссертацией кожно ознакомиться в библиотека Главной

геофизической обсерватории.

Автореферат разослан "Д^"" 1995 года.

Учений секретарь диссертационного совета

доктор географических наук, профессор ^ЪС^!^ Н.В.Кобышева

Актуальность теиы. Проблема изменения химического состава атмосферы в результате развитая мировой экономики была осознана человечеством в середине 70-х годов нашего века. Последующие интенсивные исследования установили, что хозяйственная деятельность в масштабе планеты "увеличивает атмосферные концентрации углекислого газа (С02). метана (СН4), загаси азота <м2о), угврного газе (СО) и хлорфторметанов или фреонов (ХФМ). * Внимание мировой науки к указанным газам вызвано двуия основными причинами: I) Дашше □римеси являются источниковыми для атмосферной фотохкшш в участвует в сложных фотохимических процессах, которые контролируют содержание озона (03) в стратосфере и тропосфере. Уменьшение общего содержания озона (0С0) как результат росте атмосферных концентраций всточниковых газов, в первую очередь, фреонов, ведет к росту годовой дозы иу-в облучения биологических объектов, что очень опвено для живой природы. 2) Молекулы этих газов, поглощая теплоаое взлучение Земли и коротковолновую радиацию Солнца, оказывают сильное влияние на температуру атмосферы в на ее циркуляцию. Отрицательный тренд 0С0 в средних ойротах обоих полушарий, катастрофическое падание содержания 03 в весенней Антарктике, а также температурные тренды за последее столетие надежно зафиксированы данными наблюдений. Связанную с этой проблемой научную задачу можно сформулировать так: дать надежную количественную оценку прошлого, настоящего в будущего содержания в атмосфере важнейших примесей и оценить связанные с этап содержанием возможные изменения озонового слоя, атмосферной циркуляции, температуры атмосферы в подстилающей поверхности. В настоящее время основным методом теоретического решения этой задачи являзтея численное математическое моделирование динамических, радиационных и фотохимических процессов в средкезонвльной стратосфере и тропосфере. Применение одномерных моделей ограничено вх грубой параметризацией процессов перенося, а трехмерных большими вычислительными затратами. Можно ввделить три наиболее важные задачи, связанные с развитием средказоналмых моделей фотохимии, радиации в динамики атмосферы. I) Процессы, форызрущие. циркуляцию атмосферы, ее химический состав в термический режим, существенно влияют друг на друга через различные обратные связи. Поэтому при моделировании газового состава в термической структуры атмосферы

необходимо учитывать -главные из -этих обратных связей. Модели, отвечаете данному требованию, называют согласованными шш штерактавныш (от англайского 'Чп1егасг." - взаимодействовать). 2) Время реакции атмосферы на изменение содержания источников*« газов могет составлять десятка и более лет. ¡Интегрирование численной модели на столь длительные срока требует использования' достаточно точных в устойчивых численных методов во всех модельных блоках. Это позволит избегать накопления ошибок вычисления в « процессе интегрирования иодели. 3) Интарактпвность процессов также играет большую роль в тропосфере ввиду сильной радиационной связи стратосферы и тропосферных слоев. Поэтому учет' интерактивных изменений температуры низшей атмосферы такое является важной задачей развития двухмерных неделей.

5 связи с зтш целыз данной работы является:

- разработать среднезональнув, нестационарна о, глобальную модель фотохииаъеских, радиационных и динамических процессов, полностью интерактивнуи в стратосфере и частично интерактивную (относительно температуры) в тропосфере;

- проверить данную иодель путей расчета газового состава, температуры а циркуляции современной атмосферы (на 1980 г.) в сравнения подученных результатов с экспериментальный! данными;

- разработанную модель использовать для численных оценок изменений модельных переменных для сценария 1рсс по приземным концентрациям источниковых газов, озидазмым к 2100 год7 в дяя условий ледникового периода.

Научная новизна работы состоит в следующем:

I .Разработана средне зональная не стационарная модель фотохимических, радиационных в динамических процессов тропосферы и схр&тосферо с высоким уровнем интерзктнввости. Численная реализация модели включает наиболее устойчивые в точные численные алгоритмы, что позволяет, осуществлять интегрирование подели на длительные сроки Сзз искажения результата вычислительными модельными кумами.

2. Получены численные оценка тшппшя роста приземных концентраций источнихошх газов по сцаваряв 1рсс-^в- на температуру» циркуляцию в гс зешый состав трососфврм в стратосферы цяа 2100 года.

3.Дана количественная оценка котит чри антропогенного

'О

уменьшения ОСО за счет парникового с®окта. Показано, что выхолашванио стратосферы за счет роста парниковых газов в два раза уменьшает возмогяоч уменьшение ОСО в результате увеличения хлорных, азотных а водородных радикалов.

4.Рассчитаны изменения газового состава, температуры и циркуляции атмосферы к 1990 году по сравнению с ледниковым периодом. В результате этих расчетоз обоснована вакная роль процессов переноса в формирования весенних минимумов озона в полярной стратосфере киного полушария.

Теоретическая и практическая ценность работы:

Реализован на ЭШ комплекс высокоточных алгоритмов по решении задач переноса прьмесей в сфзрической, неоднородной по высоте атмосфере и решению системы уравнений среднезокалыгой динамики в сферической системе координат. Указанные алгоритмы объединены в одну численную модель с проверенны!,ш на практике современными методами расчета радиационных притоков тепла, фотодиссоциаций и фотохишческих превращений.

Разработанная модель мокет быть использована для решения широкого круга задач по фотохимии, радиации и динамики стратосферы, и тропосферы, а также задач с учетом взаимодействия указанных групп процессов. Некоторыми из этих проблей являются:

- оценка потенциальной опасности для озонового слоя новых химических веществ, содерйащих галогены, в том числе альтернативных заменителей современных фторхлорметанов, опасных для озона;

- изучение влияния на газовый состав, температуру и циркуляцию стратосферы различных циклов солнечной активности;

анализ воздействия на состояние стратосферы мощных вулканических "пзваркений.

-Основные положения, выносимые на защиту:

П Среднезональная интерактивная модель фотохишческих, радиационных и динамических процессов тропосферы и стратосферы. Ее численные алгоритмы решения уравнения переноса малых газов и уравнений среднезональной динамики.

2. Результаты сравнения расчетов по данной модели известных распределений температуры и концентраций малых газов с данными спутниковых и других натурных экспериментов.

3. Количественная оценка компенсации уменьшения ОСО в

результата роста фторхлоруглеводородов за счет радиационного воздействия парниковых газов на циркуляцию и термический решш стратосферы.

4. Результаты расчетов изменения газового состава стратосферы и тропосфзры к 1990 году, по сравнению с периодом оледенения.

Апробация работы: Основные положения и результаты дассертацзошо'й1 работы докладывались на xvix Ассамблее европейского геофизического общества в Эдинбурге (Великобритания, 1992 г.), на невдународаой тучной конференции "Электродинамика и химический состав иезосферы." ( Ншагкй Новгород, 1992 г.), на заседании vin :,:аздунгродной рабочей группы по российско-американскому сотрудашчеству в области исследования изменений окружающей среда (Сажт-Петербург, 1994 г.), на научных семинарах Института химии атмосферы Общества Макса Планка (Майнц, ОРТ, 1994 г.).

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работы.

Автор лично разработал динамический (исключая расчет температуры в тропосфере) и транспортный блоки модели, провел объединение отдельных блоков в единую модель, принимал участие в потановке задачи, провел расчеты и осуществил анализ результатов численных экспериментов.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы НО страниц машинописного текста, в том числе 39 рисунков и 6 таблиц« Список литературы содержат 42 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введеши показана актуальность темы, определены задачи работы в её цели. Приаэдены основные результаты и краткое содержание глав диссертации.

В первой главе представлены основные измерительные эксперименты и наборы экспериментальных данных, рекомендуемые для проверки современных стратосферных среднезональных моделей. В п.1.1 дано описание натурных измерительных экспериментов по определению содержания в атмосфере основных малых примесей и термической структуры тропосферы и стратосферы. Это измерения температуры и абсалютной влажности на сети аэрологических станций (Орт,1983),

аэростатные измерения профилей концентрации метана и закиси азота (Вольц и др. 1981), самолетные измерения общего содержания хлористого водорода (Макин и Коффз, 1983) а тазсш , ряд известных спутниковых экспериментов : LIMS - Limb Inf'rared Monitor of tho

Startosphere, SAMS - Stratosphfric and Mesosphoric Soundar, SAGE - Stratospherlc Aerosol and Gas Experiment, TOMS - Total Ozona Mapping Spectrometer, SCR - Selective Chopper Radiometer, РКП -Pressure Modulator Radiometer. В П. 1.2 Приведено . 0ПИСЭ1ШЗ

эмпирических моделей, созданых на основе указании впзю измерительных экспериментов. Для обеспечения начальных и граничных условий численных моделей и их проверки было отобраны наиболее надежные эмпирические модели. Данная работа продэ.тана рабочей группой по сравнению стратосферных моделей с экспзринзкталыгшли

данными ПОД ЭГИДОЙ HACA(NASA Reforenco Publication 1292, Vol.

i-iii, 1993). Следуя многолетней традиции, группа предложила следующий ряд наборов данных для сравнения с • модельнши результатами: I) шротно-высотше среднемесячное распределения средаезональной температуры в тропосфере, стратосфере и мезоофере; 2) шротно-высоткые среднемесячные распределения и профили среднезонального отношения смеси озона; '3) широтно-сезок:1ый ход общего содержания озона; 4) средкезоналыые профили стноизния смеси патана а закиси азота! 5) широтно-высотные• среднемесячные распределения отношения смеси водяного пора; 6)1 широтно-высотные среднемесячные распре до тения отношения сизси мог и ншэ; 7) широтный ход общего содержания в атмосфере hci. Чтобы протестировать модели, использующие только газофазную фотохншзю, данные выбраны за IS80 год, когда роль гетерогенная фотохимических процессов была незначительна.

Указанная выше экспериментальная база результатов измерений была использована в дальнейшем для проверка среднезонэльной интерактивной модели радиации, динамики и газофазной фотохимии тропосферы и стратосферы, предложенной в диссертация.

Во второй главе представлены основные блоки этой модели. Дано описание их взаимодействия, пространственно-временного разрешения модели, параметризаций ее физических процессов и численных методов. Дэн также краткий обзор существущях в настоящее время среднезональных моделей. Область интегрирования модельных уравнений

распространяется от южного до сэверного полюсов с иагои 10° по сироте и от 1км до 65 км с шагом 2 ка по лого-изобарической высоте. Шаг по времена составляет 2 чпсг для фотохимического блока и блока переноса примесей и сутки - для уравнения переноса тепла. В п.2.1 представлен динамический блок модели. Основные уравнения этого блока - уравнения среднезональной динамищ являются записью законов сохранения импульса, тепла и массы в лого-изобарической по вертикали и сферической по горизонтали системе координат с учетов гидростатического и квазз-геострофнческого приближений. Проблема замыкания этой системы средчезональных динамических уравнений решается с помощью концепции остаточной циркуляции(ОСЦ). Согласно этой концепции зональная циркуляция стратосферы приводится •в движение неравномерностью радиационного нагрева и притоком импульса, поступающим снизу из тропосферы в виде диссипации планетарных и внутренних гравитационных волн(ЕГВ). Воздействие ВГВ на зональный поток параметризовано с помощью коэффициента релеевского трения, а планетарных по методу Брассера и Хичмана. Скорость суммарного радиационного притока тепла в средней и нижней атмосфере рассчитывается по подробной радиационной схч представленной в п. 2.4. Указанные выше параметризации '-л рассчитаны® в радиационном блоке суммарный нагрев позволяем-замкнуть систему уравнений среднезональной динамики стратосферы относительно зонального ветра, температуры и скорости меридиональной циркуляция. Дяя решения этой задачи использован xopoLo известный в гидродинамике метод функции тока. Эволюционное уравнение для температуры решается численно с использованием схемы Празера для описанья адвективных членов и вперед направленной схемой центральных разностей для учета диффузионных членов. Скорость зонального потгаса определяется с помощью соотношения термического ветра по рассчиташгацу пола среднезональной температуры. Уравнение для функции тока меридиональной циркуляции решается методом переменных направлений (МЛН) до установления с оптимальный выбором итерационных параметров. Расчет зонального вс-гра и температуры чередуется с определенней скорости меридиональной циркуляции. Г псе тропопаузы планетарные волны существенно нестационарны и нелинейно взаимодействуют с зональный потоком, формируя сильные крупномасштабные вихревые потока. Ввиду

этого коэффициент куу принят равным 10°:Г/с, а разным 10 ://с. В этих ке условиях ОСЦ является грубом прпблггг.енпет,!, поете;'.у в торопосфере составляете скороста «эридаоналыю."; цпрху.'.яцкз вычисляются путем интерполяция от заданного годового года вертикальной скорости на урозно 15 км, который тз-гг.э .обееавхгзэст ниакее граничное условие тала Дирихле для урззнезшл фтшгцкя тонз в стратосфере. На х&здси пэге до времен:: получоакио темпзратуры во всех широтных золах коррэктлруотся с nmroqvo конвективного приспособления и для какдой короткой учпткгготся рздаащнжкэя пспраикз к тегяерстуре поворглюстк Sc-v.™:. Прл о тем считается, что поверхность Земли - это кззс::однсрод:!гЛ: слей океана, киекЕ^а ке^яулевуо теплоемкость. В п.2.2 представлен !.:одэлыг_:;: елок переноса, вкличаа^рй часлеш-юе решзизе уравненпй керззр-шюстх в лого-изобарической, сферической системе координат для всех долгогзнзугда примесей модели - о , ио^, nzo=, hocl, нкоз, н?ог,

HCL, CLOHO , СН О Н, СН О, КО NO , N О, СИ , СО, СС1 , CFCL ,

2 .32 2 2 2 2 Л 4 Г)

CF CL , CHF СХ, С Q Г , С С1 F , С C1F , 3 ТЗЗСГЭ ДЛЯ НО D

2 2 2 233 2 2 4 2 3' 2

стратосфере. Шаг по времени фотохимического п транспортного блоков составляет 2 часа. Мезомасштабныв в стратосфера и крупномасштабные в тропосфере вихреЕые потоки примесей параметризуются через коэффициенты турбулентного перемешивания. В стратосфере слабые даффузиошше процессы лишь сглапивапт распределения долгогивуцнх примесей - результат ■ адвективного упорядоченного переноса скоростями ОСЦ, рассчитаными в динамическом блоке. Для описания адвективных членов в модели используется схема Празера, которая сохраняет моменты переносимой субстанции кулевого, первого и второго порядков п является лучшей среди адвективных схем (положительная определенность, консервативность, малая численная вязкость, небольшие вычислительные затраты) . Граничные условия на полюсах - "твердая" стенка. На верхней- и нижней границе фиксировались концентрации или потоки примесей в область интегрирования модели извне. В п.2.3 представлено описание фотохимического блока модели, который включает основные газофазные реакции кислородного, азотного, водородного, хлорного и углеродного циклов. Фотодиссоцаацаи прпмзеей определяется в радиационном блоке. Скорости химических реакций рассчитываются по недельной тешературе атмосферы. Задача сводится к решег:® на каддом шаге по времени т

iO-

системы обыкновенных дифференциальных уравнений относительно концентрации примесей. Численное решение искалось в каждом боксе пространственной сетки для следующих малых газов атмосферы: од, о,

ОС'DJ, NO, NO, NO, NO, IlOCL, ОН, НО, HNO, НО, CL, CLO, HCL,

2 3 2 3 ' 1 3 2 2

CLOHO , СИ О, СИ О Н, СН О, СН О, N, НО NO , N О, СН , CFCL , 2 32 а2 3 2 2 2 2 * 3

cf2cl^, ch9cl,co, н, снэ, ело и »2о в стратосфере с шагом по времени т-2 часа. В качестве начальных условий для задачи задавались концентрации, полученные после переноса долгокивущих примесей за промежуток времени т , а для короткоживущих примесей с предыдущего шага по времени. Решение системы осуществлялось с помощью неявного одноыагозого итерационного метода Ньвтона-Рафсона, который обеспечивает устойчивость численной схемы и имеет первый порядок точности по времени. Для дневных и ночных условий критерий сходимости (1л) достигался за 2-3 итерации, а при закате и восходе солща, для получения нужной точности требовалось 5--б итераций. В п.2.4 представлено описание радиационного блока модели, в котором рассчитьгоя-ется полный радиационный приток тепла - суша скоростей радиационного нагрева (CFH) за счет поглощения солнечного излучения и скоростей радиационного выхолаживания (СРВ) за счет процессов в инфракрасной области спектра. Концентрации радиационно-активных газов и температуря, необходимые для вычисления СРН и СРВ, поступают из фотохимического и динамического блоков модели. Расчета СРН и СРВ проводится отдельно для трех диапазонов: видимого и ультрафиолетового ( длина волны от 0.2 до 0.75 мкм ); ближнего инфракрасного ( от 0.75 до 4 мкм ) и инфракрасного (более 4 мкм). В инфракрасном диапазоне учитывается селективное поглощение газами (и2<>, со^, оя, си<( n^o, cf^ci^ а cfci 5 и неселективное поглощение аэрозолем, облаками и в области континуума водяного пара. В диапазоне ближнего инфракрасного излучения учитывается селективное ( и.о. с<>?, сн , м^о > и неселектииное (облачность, азрозоль) поглощение и рассеяние света молекулами воздуха, аэрозольными и облачными частицам. В диапазоне видимого и ультрафиолетового излучения расчеты проводятся р, поглощающей (оч,<>?,№> j а рассеивающей (азрозоль. воздух, облачность) атмосфере. ■ Отражающая способность подстилающей поверхности задается в виде среднез'окэльшх значений альбедо, определяемых отдельно для каждой широтной зоны и сезона.

и

Рагрзботанная модель имеет высокзгй уровень интерактивнастн и использует наиболее точные и устойчивые численные методы, известнее в настоящее время.

В главе III представлены результата тестирования разработанной медали.'с ее помощью был рассчитан годовой ход малых газовых примесей, радиационного нагрева, температуры и составляющих скорости ОСЦ для условий 1980 года. Задавались отнокания смеси источникових газов в приземном слое, характерзше для этих условий ц рекомендованные группой из HACA по сравнению стратосферных моделей для моделей с газофазной фотохимией. Расчеты велись на 10 модельных лет с критерием сходимости по 0С0 D.I %, Для оценки качества моделыых расчетов результаты последнего модельного год:, сравзгивались с данными наблюдений, представленными в главе I. Поле модельной температуры обнаруживает холодную тропопаузу с киниыумз:-я! (195 К) з тропиках н над зимник полюсом и теплую стратопаузу с максимумом над летзшм (283 К). Его максимальные отклонения (-20 К) от поля наблюдаемой температуры из эмпирической модели Барнеттз и Корни, описанной в главе I, относятся к области верхней стратосфэри в условиях полярной ночи. Модель удовлетворительно воспроизводит шротно-ЕЦсотные распределения источкиковых газов (метана, закиси азота и водяного пара) относительно соотвестзующих эмпирических данных. Ошибка здесь не превышает 30%. Для характеристики модельного расчета активных химических радикалов представлено сравнение широтно-высотного поля отношения смаси с данными

изыерезгай. Несколько меньше модельные значения отношения охен диоксида азота относительно измеренных (на 15-20%) объясняются различным временем суток расчета■( поддень ) п наблюдения (закат) и значительным суточным ходом no^. 3 качество газов - "резервуаров" представлены широтно-высстноа распрзделеше отношения смеса азотной кислоты и широтный ход общего содержания хлористого водорода в сравнения с экспэрннезггалышш данными. Модель хорошо предстапляет широтный ход общего содержания нсл, монотонно рзстущего к цолхсац, что указывает на удовлетворительное модельное описание хлорной фотохимии и процессов переноса. Модельное распределение отношения смеси HN') качественно совпадает с данными спутниковых измерений. Однако наблюдается противоположная по отношению к эмпирически« дпига.ч! ассимметрия полушарий в условиях солнцестояния (над летним

1Z

полюсом большие значения отношения смеси азотной кислоты, над зимним «¿лыке, а по даюшы наблюдений наоборот). Это различие характерно д.'Ш чисто газофазных моделей, неучитывагадх значительный вклад гетерогенных проциссоз в нсточняк шоа в условиях полярной ночи. Модельное распределение озока представлено высотными пропилят отношения снеси, осредаеннымп по широтной зоне I5°s -15°н и по широтной зоне 45°м - 65°и в сравнении с данными спутникового эксперимента sage, описанными в глазе I. Модельные расчеты качественно верно отражают изыенсию озона с высотой для различных широтных поясов - уменьшение ц "утолщение" максимума отоиоасшя сиося с пркблпвенпзи к полюсу. Но иодель несколько занш:зс.г содор^зняа оз выше 35 зал. Для рассчитанного поля широтно-сезонного распределения общего содергшшя озона в тропиках получается довольно стабильная область с покикешшм 0С0, что связано с восходацям двнЕзкием воздуха на этих широтах в течение всего года. В высоких шротах модель показывает максимум 0С0 в конце зимы - начале весны и кшкмум в конце лета - начале осени. Расчеты 0с0 по данной модели отличаются от данных измерений toms за 1979-1980 не более чей на 15-20 %.

Эти сравнения модельных результатов (по темпертурз, источюг'.овым и розервуарныы газам, активным радикалам и озону) с данный, эксперимента позволяют заключить, что разработанная модель правши о отракает основные особенности газового состава и термической структуры стратосферы и тропосферы и монет быть испольг. зана для численных оценок в пределах поставленной во введена.i задачи.

В четвертой главе представлены результаты численных экспериментов с разработанной моделью по оценке изменении газового состава и температуры атмосферы в результате окидаешх вариаций приземных концентраций источниковых газов в будущем по сценарию ipcc-"B" и в прошлом в условиях ледникового периода. В п. 4.1 дано описание сценария ipcc--b" роста приземных концентраций источниковых газов. Этот сценарий наряду с другими возможными сценариями был разработан межправительственной группой экспертов по изменениям климата. Расчеты велись в течение 10 модельных лет до установления стационарного состояния по ОСО (критерий 0.1%). Далее для сравнения с невозмущенным состоянием атмосферы 1980 года

использован 10-й год модельн ¡х расчетов. По сценарию ipcc-"bm отдается особенно сильный .иэст к 2100 году со,, (на 100% относительно 1980 года), f-u (на 256/%) и f-12(iw 412%). Изменения концентраций сн4(ла 5SS) и ы2о(на 25%) к 2100 году невелики Рост концентраций парниковых газов, преззде всего, со,,, в атмосфере приводит к увеличению температуры тропосферы примерно на 3 К и выхолакиванию верхней стратосферы на 6-9К. В результате паргшковего эффекта изменятся и меридиональная циркуляция. Сравнение широтно-высотных полей вертикальной составляющей скорости показывает усиление меридиональной циркуляция в условиях равноденствия - величина скорости в восходящих токах в тропиках и шеходяшх токах в полярных районах увеличилась. Для условий солнцестоянияв летнем полушарии наблюдается обратная картина -меридиональная циркуляция ослабевает. В обоих случаях относительные изменения вертикальной скорости составляют 2-5%. Модель показывает рост содержания источниковых газов во всей атмосфере с максимумом в тропиках (область с восходящими дашжшлщ), -что привода? к увеличении концентраций активных хлорных и азотных радикалов в стратосфере. При этом концентрация озона , уменьшается шшз тропопаузы на 10-20". В тропосфере цикл окисления метана является источником нечетного кислорода. Поэтому с ростом сн^ содергзкие озона в тропосфере увеличивается на 5-10%. Взаимная компенсация указанных изменений концентрации оэ приводят к небольшим изменениям 0С0. По модельным оценкам наибольшее ослабление озонового слоя отдается в полярашх широтах в условиях полярной ночи для каждого из полюсов и достигнет 3-4% на южном полюсе и 255 на северном. Такое, усиленное в полярных широтах, падение содержания озона связано с максимальным ростом в этой области хлорных компонент. Наименьшее падение суммарного содержания озона получается в средних широтах Северного полушария в летний период, что связано с усилением в условиях хорошего солнечного освещения роста тропосферного озона при увеличении концентрации метанг. В п.4.2 представлены модельные оцешеи влияния парникового эффекта на изменение озона в результате роста атмосферных концентраций фреонов. Как уае отмечалось выше рост атмосферных концентраций парниковых газов по сценарию ipcc-"b", в первую очередь со^, приводят к выхолаживанию стратосферы на 6-9 К. Это значительно

ззкадллчт скорость разруизния озона в кислородном и каталитических цикла::. Для количественной одезжи указанного эффекта с помощью разработанной модели был поставляй слодукщий эксперт,:ент: полностью повторялся расчет по сценарию ipcc-"b", но в ходе вычислений содергоппе углоглслого газа оставалось на уровне 1980 года, что сул.э;твг;;нс уменьшало парниковый зффек-r в стратосфере. Модельный расчет показывает, что кеучет парникового эффекта приводит к двухкратному увеличению отрицательного воздействия на 0С0 роста ?ттос£ерного содержания Фреонов. Так максимальное уменьшение 0С0 а северном полушарии составило 4% вместо 2% в эксперименте с учетом паршкового ní/J эктэ, к в шнон 7% вместо, соответсвекно, 4%. Качественно не шротно-се зонная структура изменений общего содэр:кэ1'.вя озона остается неизменной. Показано также, что усиление жрпдион&лпюй циркуляции обеспечивает около половины • этого компенсирующего хлорное разрушения озона влияния парникового sJ.i'OKTa. В п. 4.3 представлены результаты расчета годового хода кощ&ш-рацйи малых газов, температуры и скоростей меридиональной щгот-гуллда! в условиях Слизких к условиям ледникового периода (15 -20 тыс. лет назад). Данный эксперимент интересен тем, что позволяет проанализировать состояние атмосферы свободной от фреонов ентропомелкого прсисхогдешя и со значительно менызим содержанием других источчикоеых газов. Призешше отношения снеси для этих гагов, полученные на основе анализа ледниковых кернов, были взяты из известной работы Крутцена и Брюля. Численный эксперимент был, opraiEiroESH аналогично предыдущим. Расчеты велись в течение 10 лет до устаксзледач и анализировались данные 10-го модельного года. Однако з данном случае за невогмущенное состояние принимались резулмьты рзсчетоз в условиях оледенения, а современное состояние атмосферы (приземные концентрации, принятые для .этого расчета, взлты из упомянутой выше работы Крутцена и Брюля и характерны для I9S0 года) оценизалось относительно этого невозиущенного состояния. При этом такие принимались во вникание изменение альбедо земной поверхности и температура в тропосфере не вычислялась, а задавалась (на 5К меньше относительно современного состяния для всех широт и сезонов). Модельный расчет показывает увеличение концентраций сн4 п НрО по отношение к условиям оледенения во всей толще атмосферы на 200-400% и 70-150% соотвественно. В нижней стратосфере увеличение

концентраций газов сн^, ы^о происходит более знзчителыгэ в спорном полушарш, что соответствует увеличения приземных ?\01:цэшр.'>цгЛ по заданному сценарию из работы Крутцеш и Бр'оля. Особенно велик рост метана (до 400 %), что приводит, в свого очередь, л рос.'у тропосферного озона в результате процесса окислешгк он^. Зтот рост (до 80 %) хорошо виден в северно!! полушарии на шропгс-внсотком распределении изменения отношения смеси озона д,-ш длкпс'пл. г. стратосфере содержание озона падает на 10-20% з результате роста концентраций окислов азота и хлорных радикалов, обусловленного увеличением содержания м2о и наличием фреодоа в согреман/.ай атмосфере. В северном полушарии обращает ка себя внсмагас увеличение ОСО (до 6% в максимуме) в летний период, связанное с сильным ростом тропосферного од через цикл окисления метана, который активизируется в условиях повышенной солнечной кисслтет. 5 южном полушарии хорошо видно локальное уменьшение 0С0 (до 1С«) в сентябре - октябре в районе полюса. В зтот период обмен воздугл-лгл! массами этой области со средкиш шроташ ограничен (эта ситуация моделировалась заданием сшгаенных коэффициентов диффузии в полярной области). Несмотря на то, что в модели отсутству зт гетерогеннал химия, модель воспроизводит подобие озоной "дары" в полярных районах южного полушария в сентябре-октябре. Этот эффект создается газофазным разрушением озона хлорными радикалами, которые появляются в заметных количествах с ростом фреонов в современной атмосфере и изолированостыо полярной области. Фотохимический фактор образования "дыры" ослаблен отсутствием в модели гетерогенных процессов. Поэтому наличие существенного локального минимума в районе южного полюса в сентябре-октябре подтверждает важность динамического фактора в формировании катастрофического уменьшения 0С0 в антарктической полярной атмосфере весной южного полушария.

В заключении кратко сформулированы основные выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I.Разработана среднезональная нестационарная модель фотохимических, радиационных и динамических процессов тропосферы п стратосферы с высоким уровнем шггерактивности. При этом учтены все

основный обратное связи мевду различными грушами физических и фотохи;.яческих процессов, формирующих газовый состав, циркуляцию и термическую структуру атмосферы до высоты 65 километров. Численная реализация модели в:-лзочаат наиболее устойчивые и точные численные алгоритмы. Это позволяет осуществлять интегрирование модели на длительные сроки без искажения результата вычислительными иоделышш шумами.

2.Представленная модель была тщательно проверена на обширном экспериментальном материале. Проверка показала удовлетворительное согласование модельных расчетов температуры и концентраций ключевых малых газов с данными наблюдений для модели с газофазной фотопгяаей.

3.Получены численные оценки влияния роста приземных концентраций источниковых газов по сценарию хрсс7"В" на температуру, циркуляцию и газовый состав тропосферы и стратосферы для 2100 года.

4.Дана количественная оценка компенсации антропогенного уменьшения 0С0 за счет парникового эффекта. Показано, что выхолаживание стратосферы за счет роста парниковых газов в два раза уменьшает ьозмохное уменьшение ОСО в результате увеличения хлоронгх, азотных и водородных радикалов. При этом усиление меридаопальной циркуляции как следствие парникового эффекта обесп№1вает около 50 % указанной компенсации.

Ь' Рассчитаны изменения газового состава п температуры и циркуляции атмосферы к 1930 году по сравнению с ледниковым периодои. В результате этих расчетов обоснована вазшая роль процессов переноса в формировании весенних минимумов озона в полярной стратосфере южного полушария..

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Юдин В.А., Зубов В.А. Вихревой перенос консервативных примесей планетарными вонами. // Межвузовский сборник: Атмосферный озон, Ленинград, 1988, с. 26-35.

2. Karol I.L. ,Ozolin Vu. Е., Rozanov E.V. Zubov, V. A. "Assessment of the aviation effect on stratospheric ozone by two-dimensional residual circulation modil". // J. Annales Geoph.