Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы"

9 15-1/149

На правах рукописи

Антохин Павел Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Белан Борис Денисович

доктор физико-математических наук Звягинцев Анатолий Михаилович Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный, заведующий лабораторией системного анализа отдела озонного мониторинга

кандидат физико-математических наук Смирнов Сергей Васильевич Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, лаборатория физики климатических систем, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова Российской академии наук, 119017, г. Москва, Пыжевский пер., 3.

Защита диссертации состоится «25» сентября 2015 в 14 ч. 30 мин на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, http://iao.ru/files/iao/theses/thesis73/text.pdf

Автореферат разослан О 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Веретенников В.В.

; Российская ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОЗЗД уд йрот 33 И H I

Актуальность работы : -¡б ."ИОТРКЭ

Исследование тропосферного озона в настоящее время представляет значительный интерес с точки зрения его влияния не только на климат, но и на биосферу в целом. До 90% озона находится в стратосфере, где он играет положительную роль, защищая биосферу от жесткого ультрафиолетового излучения. Остальные 10% озона находятся в тропосфере, где он является четвертым по значимости парниковым газом. Озон играет ключевую роль в фотохимических реакциях, протекающих в тропосфере, особенно в нижней её части - пограничном слое, здесь он является вторичным загрязнителем воздуха, образуясь из газов-предшественников. Также в силу своей высокой реакционной способности озон определяет окислительный потенциал тропосферы. Кроме того, являясь сильно токсичным газом, озон оказывает отрицательное воздействие на биосферу, опасным свойством является его радиомиметический эффект, действующий на кровь подобно ионизирующему излучению. Все эти отрицательные свойства озона в тропосфере требуют детального исследования его пространственно-временной изменчивости и понимания механизмов его генерации и стоков в пограничном слое атмосферы.

Благодаря многочисленным теоретическим и экспериментальным результатам, полученным к настоящему времени, отдельные представления о закономерностях горизонтального и вертикального распределения, химической и фотохимической активности озона в атмосфере уже сформулированы в работах G.M.B. Dobson, A.W. Brewer, A.X. Хргиана, S. Chapman, J. Fishman, W. Seiler, P.J. Crutzen, Н.Ф. Еланского, Г.П. Гущина, A.M. Звягинцева, И.К. Ларина и многих других отечественных и зарубежных исследователей.

Несмотря на значительное число исследований, направленных на изучение вертикального распределения озона в тропосфере, особенно в пограничном слое, у исследователей нет единой точки зрения о причинах, формирующих его изменчивость на разных временных масштабах. Результаты существующих исследований указывают на два основных источника озона в пограничном слое. Первый - это вертикальный перенос из стратосферы, где сосредоточено его основное количество. Второй - это фотохимическое образование озона непосредственно в пограничном слое атмосферы из газов-предшественников, поступающих с подстилающей поверхности. Задача определения баланса этих источников на различных временных периодах в пограничном слое является весьма актуальной.

Целью данной работы является изучение механизмов формирования вертикального распределения концентрации озона в пограничном слое атмосферы, определяющих его пространственно-временную изменчивость, а также разработка прогноза его концентрации для различных временных масштабов.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- разработать комплекс измерительного оборудования для определения вертикального распределения озона;

- провести самолетное зондирование суточной изменчивости вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы и свободной тропосфере;

- оценить скорость переноса озона из свободной тропосферы в пограничный слой атмосферы;

- рассчитать турбулентные потоки озона внутри пограничного слоя по данным самолетного зондирования;

- сопоставить количество озона, поступившего из стратосферы и образовавшегося в тропосфере;

- исследовать долговременные и короткопериодные изменения приземной концентрации озона с целью разработки методов прогноза его концентрации.

Основные положения, выносимые на защиту:

Вариации приземной концентрации озона с периодом от 3 до 6 лет обусловлены колебаниями интенсивности фотохимических процессов, находящихся в противофазе с приходящей УФ-радиацией. С периодами от 15 до 70 дней - создаются циркуляционными процессами, определяющими его поступление из стратосферы как первоисточника для фотохимической генерации.

В пограничном слое атмосферы в общем балансе озона его количество, образующееся в результате фотохимических процессов, превышает поступление из вышележащих слоев атмосферы (стратосферы) в среднем в 5 раз и может изменяться в диапазоне от 3 до 10 раз.

Разработанные статистические модели прогноза приземной концентрации озона позволяющие прогнозировать долгопериодные (межгодовые) изменения с 78% оправдываемостью, среднесуточные колебания - с 95%.

Научная новизна работы. В диссертационной работе:

Впервые проведено исследование суточной изменчивости вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы фонового района Западной Сибири при помощи специально разработанного измерительного комплекса на базе самолета Ан-2.

Впервые показано, что дневной максимум концентрации озона в фоновом районе Западной Сибири определяется процессами фотохимической генерации в пограничном слое атмосферы, а не его поступлением из свободной тропосферы.

Выполнен подробный статистический, спектральный и кросс-спектральный анализ приземной концентрации озона с общим содержанием озона и высотой тропопаузы (озонопаузы), что позволило определить основные параметры временной изменчивости приземной концентрации озона.

На основании статистической обработки данных разработаны методики прогноза приземной концентрации озона для многолетней и среднесуточной величины концентрации.

Указанные результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение актуальной научной задачи - выявление закономерностей динамики приземной концентрации озона и его вертикального распределения в пограничном слое атмосферы.

Научная и практическая значимость работы

Разработан комплекс оборудования, который может использоваться для проведения подобных исследований.

Разработаны статистические модели прогноза приземной концентрации озона для разных временных масштабов: для сверхдолгосрочных прогнозов среднегодовых значений на основании прогноза солнечной активности; для прогноза его среднесуточных значений с заблаговременностью до 2 суток.

Результаты диссертации были использованы при выполнении:

- программы Президиума РАН № 4;

- программы ОИЗ РАН № 5;

- междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН № 35, № 70 и № 131;

- фантов РФФИ № 11-05-00470, № 14-05-00526, № 14-05-00590, № 1405-93108;

- госконтрактов Минобрнауки № 14.604.21.0100, идентификационный номер RFMTFIBBB210290, № 14.613.21.0013, идентификационный номер RFMEFI61314X0013.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается методической проработкой регистрации и обработки экспериментальных данных; корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок; статистической обеспеченностью экспериментальных данных, их повторяемостью и соответствием аналогичным результатам, полученным другими исследователями.

Апробация и публикации результатов работы

Результаты работы были апробированы в виде докладов на следующих научных конференциях: XVIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2011 г.), XVIII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2012 г.), Десятое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2013 г.), Третье международное совещание-семинар, (Москва, ГМЦ, 2013 г.), XX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2014 г.), XXI Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2014 г.), Международная молодежная школа и конференция по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде "CITES-2015" (Томск, 2015), European Research Course on Atmospheres (Grenoble, 2011),

Workshop "Tropospheric Ozone Changes" (Toulouse, 2011), European Aerosol Conference (Granada, 2012), EGU Generat Assembly (Vienna, 2013).

Результаты исследований изложены в 8 статьях и 11 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. В ней содержится 124 страницы текста (без приложений), 36 рисунков, 24 таблицы, 150 ссылок на литературные источники.

Личный вклад автора

Результаты, представленные в работе, получены самостоятельно или при непосредственном участии автора. Автором разработан измерительный комплекс на базе самолета Ан-2, проведены натурные самолетные эксперименты с применение созданного комплекса. Разработана и сформирована база данных по результатам проведенных натурных измерений вертикального распределения концентрации озона в пограничном слое атмосферы; Проведены статистические расчеты и спектральный анализ данных инструментальных наблюдений, полученных на TOR-станции за период с 1993 по 2014 г., что позволило разработать статистические модели прогноза приземной концентрации озона для различных временных масштабов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы основные цели и задачи. Указана их научная новизна и практическая значимость. Аргументируется достоверность и обоснованность полученных результатов, а также дается краткая характеристика диссертации.

Первая глава посвящена обзору основных механизмов, отвечающих за формирование вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы. Представлены оценки фотохимической генерации, переноса из стратосферы и горизонтального переноса озона. Показано, что механизмы фотохимической генерации озона в фоновых и антропогенно загрязненных районах различны. Основным механизмом генерации озона в пограничном слое атмосферы в фоновых районах является фотолиз имеющегося здесь озона с образованием гидроксила, который начинает окислять газы-предшественники. В антропогенно загрязненных районах увеличение концентрации озона наблюдается вследствие высокого выхода озона при окислении легколетучих органических соединений и углеводородов, которые являются продуктами неполного сгорания ископаемого топлива. Постоянно действующим источником озона, который обеспечивает его фоновые концентрации в районах, неотягощенных антропогенным загрязнением, является вертикальный перенос озона в пограничный слой атмосферы из стратосферы.

Основными механизмами стока озона в пограничном слое атмосферы являются следующие: фотодиссоциация, озонолиз (взаимодействие с дру-

гими газами), сухое осаждение на подстилающую поверхность и взаимодействие аэрозольными частицами (особенно в сильно запыленных районах).

Исходя из приведенного обзора, можно сделать вывод, что основные неоднородности распределения концентрации озона в пограничном слое для разных регионов будут определяться степенью антропогенной нагрузки, а также характером подстилающей поверхности.

Вторая глава посвящена методам и подходам, используемым при исследовании вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы.

Основная сложность при изучении вертикального распределения озона в пограничном слое заключается в получении вертикального профиля концентрации озона и основных метеорологических параметров с высоким разрешением по высоте. Для решения поставленной задачи автором работы совместно с коллегами был разработан измерительный комплекс на базе самолета Ан-2.

В табл. 1 приведены технические характеристики приборов, установленных на борту самолета Ан-2. Основными достоинствами разработанной схемы являются применение химически нейтральных каналов подачи пробы анализируемого воздуха, возможность установки дополнительных газоанализаторов и иных датчиков. Дополнительно организована система отбора проб в колбы.

Таблица 1

Технические характеристики приборов, установленных на борту самолета Ан-2

Прибор или датчик Диапазон измерений Погрешность Постоянная времени приборов

О, (TEI Model 49) 0-200 млрд"1 1 млрд"1 5 с

О, (ОПТЭК 3.02П) 1-500 мкг/м3 13% 1 с

С02 (Licor L1-800) 0-2000 млн"1 1 млн"1 1 с

Датчик температуры (Vaisala) -60...+80 °С 0,2 "С 15с

Датчик температуры термопара (медь-коистантан) -270... +400 °С 0,015 |Т| 1 с

Датчик относительной влажности (Vaisala) 0-100% 1,7% 15с

Датчик давления МРХ4115АР (Motorola) 15-115кПа 1,5% 0,001 с

Датчик перегрузок МП-95 -2... +5 2% 0,1 с

Дифференциальный датчик давления MPX50I0DP (Motorola) 0... 10 кПа 5% 0,001 с

Программное обеспечение измерительного комплекса позволяет формировать базу данных, содержащую результаты измерений, получаемые в ходе полета, а также получать вертикальные профили выбранных величин для контроля проводимых измерений в режиме реального времени.

Вертикальное зондирование проводилось над фоновой территорией Томской области в квадрате, ограниченном координатами 56,1-56,4° с.ш. и 84,2-84,8° в.д. над постом мониторинга парниковых газов, который расположен в районе д. Березоречка. Зондирование на самолёте Ан-2 проводилось по двум программам. Первая программа включала в себя проведение вылетов один раз в месяц с целью исследования сезонных особенностей вертикального распределения концентрации озона. Подобные зондирования выполнялись около полудня, когда внутренний слой перемешивания отсутствует и пограничный слой хорошо перемешан во всей толще. Вторая программа была направлена на исследование суточного хода вертикального распределения концентрации озона. Для исследования суточного цикла использовался следующий план вылетов: первый - сразу же после восхода солнца; второй - в полдень, когда наблюдается максимум концентрации озона в приземном слое воздуха; третий - через 2-3 ч после полудня, когда максимум турбулентности должен наблюдаться вблизи верхней границы пограничного слоя атмосферы; четвертый - вечером, перед заходом солнца. Всего по данной схеме зондирования было выполнено 10 циклов измерений.

Параллельно с вылетами самолета проводились наземные измерения в районе приведения зондирования, а также осуществлялись запуски радиозондов для верификации измеряемых метеорологических параметров. Сопоставление измерений, проведенных на самолете и радиозондом, приведено на рис. 1, видно, что кривые на графике хорошо согласуются друг с другом.

3000

2500

* 2000

«

о 1500

и

1000 500

д .......,■,■,■,■.-,.,.",.,

2 4 6 8 101214161820222426 Т, °С

Рис. I. Температурные профили, полученные с борта самолета Ап-2 и при помощи

радиозонда

После проведения эксперимента полученные данные подвергались процедурам фильтрации и усреднения с целью исключения случайных или ошибочных измерений. Пример обработки данных приведен на рис. 2.

— ° — Темпреатура Ан-2

— • — Температура зонд

30001

2500

5 2000 се

g 1500

со юоо

500

о

60 70 80 90 з 100 110 Оз, мкг/м

Рис. 2. Сглаживание данных измерений концентрации озона (03)

Кроме самолетных экспериментов, в работе было проведено исследование на основе данных многолетнего мониторинга концентрации озона, полученных на TOR-станции (Troposphere ozone research), расположенной на территории томского Академгородка, которая начала свою работу в 1993 г. по программе EUROTRAC и работает по настоящее время [1]. Для статистической обработки экспериментальных данных в работе использовались методы корреляционного анализа, спектрального анализа Фурье и Вейвлет-преобразование кроме этого проводился кросс-корреляционный и кросс-спектральный анализ.

Третья глава посвящена исследованию вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы и факторов, влияющих на его динамику. В первой части главы проведена оценка скорости вертикального переноса озона из стратосферы, оказывающей влияние на внутригодовую динамику концентрации озона в пограничном слое атмосферы.

На основе данных многолетнего мониторинга общего содержания и приземной концентрации озона, полученных на TOR-станции, была сделана оценка скорости его поступления из стратосферы. Спектральный анализ Фурье показал присутствие колебаний с периодом 1 г. в обоих рядах, также он выявил, что начальные фазы этих колебаний не совпадают. Величина запаздывания приземной концентрации озона по отношению к ходу общего содержания озона составляет 1,9 мес. Спектральный вейвлет-анализ также подтвердил как наличие совместных колебаний с периодом 1 г., так и присутствие временного сдвига рядов относительно друг друга. Однако он показал, что величина временного сдвига не постоянна во времени, а варьируется в пределах от 0,6 до 2,4 мес (рис. 3).

1987 1991 1995 1999 2003 2007 2011 Годы

Рис. 3. Изменение фазы кросе-иейзлет спектра (т) для колебаний с периодом 1 г.

Поскольку колебания концентрации общего содержания и приземной концентрации озона связаны между собой, то, зная величину временного сдвига между ними и высоту тропопаузы (которая хорошо совпадает с высотой озонопаузы) над регионом, можно оценить скорость поступления озона из стратосферы. Следовательно, если средняя высота озонопаузы составляет 10-11 км., то средняя скорость переноса озона стратосферного происхождения в приземный слой атмосферы будет изменяться от 0,64-0,71 до 0,16-0,18 см/с. Полученная оценка скорости переноса чуть шире, чем получил в своей работе Р. Fabian - 0,1-0,4 см/с [2].

Во второй части главы исследованы факторы, формирующие внутрису-точную динамику концентрации озона в пограничном слое. С этой целью были проведены самолетные измерения в соответствие со вторым планом вылетов, подробно описанным во второй главе. На основании проведенных самолетных измерений было обнаружено наличие суточного хода вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы. Следующей задачей было установление причин его появления. Для исследования генерации озона в пограничном слое были рассчитаны разности профилей концентрации, полученные в ходе суточного цикла измерений. Вычисленные разности представлены на рис. 4.

Приведенный график (рис. 4) показывает, что в период с утра до полудня концентрация озона возрастает во всем пограничном слое. Наибольшее увеличение (почти в два раза) зафиксировано в приземном слое, что свидетельствует в пользу поступления сюда озонообразующих соединений с подстилающей поверхности и последующей фотохимической генерации озона. В послеполуденное время максимум скорости генерации озона наблюдался уже у верхней границы пограничного слоя, куда при помощи турбулентного обмена также начали поступать газы-предшественники. В свою очередь разность профилей, полученных между послеполуденными и ве-

черними вылетами, показывает, что в дальнейшем за счет турбулентного обмена концентрация озона выравнивается во всей толще пограничного слоя. Разница между полуденным и вечерним профилями максимальна в нижних слоях, что явно указывает на преобладающий здесь в это время механизм стока озона на подстилающую поверхность. Второй важный вывод касается переноса озона из вышележащих слоев. Приведенные разности профилей не показали значимой суточной динамики в слое выше пограничного, это свидетельствует в пользу того, что перенос озона из вышележащих слоев не оказывает значимого влияния на его суточный ход в пограничном слое.

2000

1500

ё 1000 и

-0 СО

500

А ■

\"7

<

о / V О А у

V

Л о, \7

Л XV, Д о V

а .0 v ■ Л о V

ш о' \ V

ал V

■. v

■ v

■ v

■ V ■ v

Дата: 30.03.2011 —■— 1

-о-2

-А-З

-у-4

А

Л.

0 4 8 12 16 20 24з28 32 36 ДОз, мкг/м

Рис. 4. Разности профилей в течение суток: 1 - между полуденным и утренним; 2 -после полуденным и утренним, 3 - полуденным и вечерним и 4 - послеполуденным

и вечерним полетами

Далее на основе вертикальных профилей, полученных в результате всех самолетных измерений, направленных на исследование суточной хода, были оценены величины скорости поступления озона из вышележащих слоев атмосферы и его генерации в пограничном слое по следующей методике. Сначала рассчитывалась разность между профилями озона, полученными во время дневного и утреннего вылетов, разность делилась на время между вылетами, полученная скорость показала величину фотохимической генерации озона. Та же процедура была проделана с дневным и вечерним профилями, полученная на этом этапе скорость отразила величину стока озона. Для получения величины скорости генерации в течение дня полученные профили складывались. Затем проводилась процедура интегрирования отдельно для пограничного слоя и свободной тропосферы, полученные величины делились на значение толщины слоя интегрирования для получения значений в столбе толщиной 1 м. Скорости генерации озона, полученные по самолетным данным, сравнивались со скоростями, рассчитанными по данным ТОЯ-станции для дней проведения полетов, расчет проводился анало-

ично методу, описанному выше, за исключением процедуры интегрирова-1ия и нормировки на толщину слоя. Результаты расчетов обобщены I табл. 2.

Таблица 2

Скорости образования озона

- - - <ч гч го ГО го ГО

Дата о ГО о <4 * о <ч о Г-1 гч о гч го о сч ОО о «ч <ч о <ч ■Ч" о <ч ОО о 14 О

о го О го о< <ч гч го о го о 00 о о

Средняя скорость образо-ания в пограничном слое, (кг/См^ч) 5,1 3,5 6,4 5,5 5,4 2,8 4,2 3,3 9,9 4,7

Средняя скорость образо-ания в приземном слое по ;анным ТСЖ-станции, 1КГ/(м3ч) 2,2 6,0 6,8 1,1 4,5 4,4 4,1 5,6 5,5 3,9

Средняя скорость поступ-ения из свободной тропо-феры, мкг/(м3ч) 2,1 0,5 1,6 0,7 1,5 0,6 0,9 0,7 0,9 1,6

'азница между скоростью бразования озона в по-раничпом слое и поступ-ения из свободной тропо-фсры, мкг/(м3ч) 2,9 3 4,8 4,8 3,9 2,2 3,3 2,6 9 3,1

)тношение скорости по-тупления озона из сво-одной тропосферы к ско-ости образования в по-раничпом слое, % 41 14 25 12 27 20 20 21 10 34

На основе приведенных данных можно сделать вывод, что скорость по-тупления озона из вышележащих слоев в 3-10 раз ниже скорости генера-,ии озона в пограничном слое. Средняя скорость поступления озона из сво-одной атмосферы составляет 1 мкг/м3/ч, а скорость генерации в погранич-ом слое прядка 5 мкг/м3/ч. Таким образом, в результате мы получили есомые аргументы в пользу того, что основная часть озона в пограничном лое образуется посредством фотохимических реакций из газов предшест-енников и только 20% его содержания связано с поступлением из свободой атмосферы. Рассчитанные скорости генерации озона по самолетным анным в пограничном слое атмосферы хорошо согласуются со скоростями, ассчитанными по данным ТСЖ-станции для приземного слоя воздуха. I пограничном слое интенсивность фотохимического образования озона южет быть больше, чем в приземном. Этот вывод хорошо согласуется результатами работы [3,4] указывающими, что максимум генерации озона ивисит от высоты поступления газов-предшественников.

Приведенные разности вертикальных профилей озона показали, что высота максимума скорости генерации озона имеет внутрисуточную динамику, для определения которой необходимо провести расчет вертикальных потоков озона, позволяющих оценить не только изменения самой высоты, но и скорости генерации озона. С-.этой целью в работе на основе данных, накопленных в течение всех циклов суточного самолетного зондирования, были рассчитаны вертикальные профили потоков озона. Расчеты проведены с применением теории подобия Обухова-Монина и параметризации вертикального профиля коэффициента турбулентной диффузии, которую предложили I. Troen and L. Mahrt [5]. Результаты вычислений приведены на рис. 5.

Высота, м

2000

1500

1000

500

Дата:03.02.2013 —■— 09:00 —°—13:10 --»—16:45

0

-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2

J, мкг /(м2с)

3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Высота, м б)

Дата:03.04.2013 —■— 08:20 —о— 12:30 —а— 18:25

Л, мкг /(м с)

Рис. 5. Вертикальное распределение потоков озона (./) полученные в 03.02.2013 г. (а) и 03.04.2013 г. (б). Положительная величина потоков указывает, что поток направлен вверх

Вертикальные профили потоков озона показали, что максимальная величина потока в пограничном слое расположена на высоте 200-600 м. Эти данные подтверждают полученный выше вывод о том, что за формирование суточного максимума озона отвечают фотохимические процессы, протекающие внутри пограничного слоя. Высота максимума потока зависит от периода года: зимой она ниже порядка 200-300 м, максимум достигается летом 500-600 м. Величина максимума потока озона так же зависит от сезона года и меняется от 1 в зимний период до 4,2 мкг/(м2с) в весенний период.

Четвертая глава посвящена разработке статистических моделей прогноза приземной концентрации озона для различных временных масштабов. В первой части главы исследуется механизм воздействия солнечной активности на динамику приземной концентрации озона в диапазоне порядка 3-6 лет. Наиболее вероятный механизм подобного воздействия был предложен академиком К.Я. Кондратьевым [6] с сотрудниками, основная суть которого заключается во влиянии меняющегося в одиннадцатилетних циклах солнечной активности потока ультрафиолетового излучения на фотохимическое образование озона из газов-предшественников, в особенности из углеводо-

родов естественного происхождения (в фоновых районах источником эмиссии углеводородов является преимущественно растительность).

В представленной работе в результате обработки данных приземной концентрации озона, полученных в ходе многолетнего мониторинга на ТОЯ-станции и показателей солнечной активности (радиоизлучения Солнца на длине волны 10,7 см [ftp://ftp.swpc.noaa.gov/pub/indices/]), обнаружена тесная связь (коэффициент корреляции 0,6) среднегодовых значений приземной концентрации озона и солнечной активности (рис. 6), причем отклик на изменение притока УФ-радиации в динамике озона наступает с запазды-

Годы

Рис. 6. Многолетний ход солнечной радиации (Яю,7) и приземной концентрации озона (03) полученный на TOR-станции

Временной сдвиг непосредственно связан с особенностями механизма взаимодействия. Поскольку влияние ультрафиолетовой радиации приводит к угнетению растительности (появлению некрозов на листьях, общему уменьшению их площади), то эмиссия ею углеводородов уменьшается. Адаптация растений к изменению ультрафиолетовой радиации происходит в течение 2-3 лет, после чего начинается восстановление растительного покрова и усиление эмиссии углеводородов, что в свою очередь приводит к увеличению концентрации озона.

На основе корреляционной связи среднегодового значения приземной концентрации озона (ПКО) и радиоизлучения Солнца на длине волны 10,7 см (R10.7) было получено уравнение регрессии, уровень значимости которого составил 0.95, (/-время, годы).

ПКО(/) = -83,13 + 53,641g(R10 7 (t - 2))

На основе прогноза солнечной активности для 24-го одиннадцатилетнего цикла, представленного в работах Е. Echers [7] и J. Uwamahoro [8] был сделан сверхдолгосрочный прогноз приземной концентрации озона. Резуль-

таты приведены на рис. 7, для удобства сохранены фамилии авторов прогноза солнечной активности.

-о— Измерения

60-. 50- -»- Прогноз на 23 цикл й —Л— Прогноз на 24 (Е. Echer) J \ -V- Прогноз на 24 (J. l'wamahoro) \\ \

*» 40-к * 30-о /W- /°\А° JL / \\\ / vyw"^

/Г д /

w 20-

10-

2000 2004 2008 2012 2016 2020

Годы

Рис. 7. Прогноз среднегодовой концентрации озона (03)

Видно, что прогнозы концентрации озона имеют схожий вид, но минимум солнечной активности в 23 цикле сдвинут на 2 г. Согласно прогнозу озона по Е. Echer, минимум должен был наступить в 2007, что и было зафиксировано измерениями, проводимыми на TOR-станции. По прогнозу J. Uwamahoro минимум должен наступить в 2009 г. Это также оправдалось, так как в многолетнем ходе концентрации озона в 2009 г. был зафиксирован вторичный минимум. Максимум концентрации озона ожидался по обоим прогнозам в 2014 г.

Таким образом, результаты проведенного исследования свидетельствуют в пользу реальности рассматриваемого механизма воздействия солнечной активности на приземную концентрацию озона. Кроме подтверждения самого механизма, на основании проведенного анализа получен сверхдолгосрочный прогноз среднегодовой приземной концентрации озона на основе прогноза солнечной активности. Среднеквадратическая ошибка прогноза среднегодовой концентрации озона, сделанного для прошлого 23-го цикла солнечной активности, составила 12,3 мкг/м1.

Вторая часть главы посвящена созданию статистических моделей прогноза среднесуточной и внутрисуточной динамики приземной концентрации озона. Используя методы авторегрессии, множественной линейной регрессии и нейросетевой подход, автор настоящего исследования разработал модели прогноза среднего значения и среднеквадратического отклонения среднесуточной концентрации озона. Результаты моделирования среднесуточных значений использовались для прогнозирования среднечасовых значений с применением тех же подходов.

В качестве предикторов использовались следующие параметры: приземная температура воздуха, атмосферное давление, относительная влажность воздуха, суммарная солнечная радиация, среднесуточная концентрация диоксида азота, среднемноголетнее значение приземной концентрации

озона для месяца прогнозирования и среднесуточное значение приземной концентрации озона за прошедшие сутки. Для оценки качества прогнозов использовался ряд наиболее широко применяемых критериев, основные из которых представлены в табл. 3.

Таблица 3

Оправдываемость разработанных прогнозов

Прогноз Среднеквадратическая ошибка, мкг/м3 Коэффициент корреляции FAC2+, % Индекс согласия

Среднесуточный:

Авторегрессионный 10,4 0,6 80 0,8

Множественная регрессия 13,5 0,8 83,8 0,9

Нейросетевой подход 10,6 0,8 95,2 0,9

Среднечасовой:

Множественная регрессия 20,0 0,7 68,9 0,8

Нейросетевой подход 17,4 0,7 11,в 0,8

♦Процент значений отношения (Изм. знач./Прог. знач.) попавших в интервал [0,5; 2].

Также в работе сделаны оценки оправдываемости и предупрежденно-сти полученных прогнозов при прогнозировании с их помощью предельно допустимых концентраций (ПДК). В качестве критериев оправдываемости превышения ПДК озона использовались критерии, предложенные в работе A.M. Звягинцева [9], в которой в качестве оправдываемости рассматриваются отношение числа наступивших событий (опасных концентраций) к числу этих прогнозов, а под предупрежденностью понимается отношение числа прогнозов, при которых прогнозируемая концентрация озона составляет величину не менее 80% от ПДК при условии, что для них действительно фиксировалось превышение ПДК, к общему числу случаев превышения ПДК. Прогноз считается успешным, если прогнозировалось не менее ПДК, а реально наблюдалось не менее 80% от ПДК. В табл. 4 приведены результаты расчетов.

Таблица 4

Оправдываемость и предупрежденность прогноза опасных концентраций озона

Среднесуточные ПДК Превышение ПДК МЛР* НС* МЛР, % НС, %

Оправдываемость 30 4506 4279/5357 3384/3621 80 93

Предупрежденность 30 4506 3523/4506 3365/4506 78 75

♦МЛР - Множественная линейная регрессия, НС - Нейросетевой подход (общее число случаев оправдавшегося прогноза/общее число случаев прогнозирования).

Приведенные результаты показывают, что разработанные модели прогноза среднесуточных значений приземной концентрации озона справляют-

ся с задачей прогноза превышения ПДК. Оправдываемость прогноза превышения среднесуточного ПДК составляет от 80 до 93% в зависимости от метода прогнозирования. Показатели предупрежденное™ свидетельствуют о том, что модели способны предупредить от 75% от общего числа случаев превышения ПДК. Таким образом, можно сделать вывод, что разработанные модели могут использоваться для целей прогноза превышения среднесуточных ПДК.

В заключении изложены основные научные и практические результаты диссертационной работы и намечены возможные направления дальнейшего исследования.

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные научные результаты.

Разработан измерительный комплекс на базе самолета Ан-2, с помощью которого впервые было проведено исследование суточной динамики вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы фонового района Западной Сибири.

На основе комплексных исследований многолетних измерений приземной концентрации и общего содержания озона показано, что стратосферный озон осуществляет временную модуляцию концентрации озона в тропосфере в долгосрочном периоде 3-6 лет через регулирование поступления УФ-радиации, и в среднесрочном 0,4-2,4 месяца через прямой перенос в тропосферу. Амплитуда изменения концентрации озона в пограничном слое определяется поступлением сюда газов-предшественников.

На основе экспериментальных данных были рассчитаны потоки озона в пограничном слое атмосферы. Показано, что максимальная величина потока озона в пограничном слое наблюдается на высоте 200-600 м. Высота максимума потока зависит от периода года, зимой она ниже - 200-300 м, а летом достигает наибольших значений - 500-600 м. Величина максимума потока озона так же зависит от сезона года и меняется от 1 мкг/(м2с) в зимний период до 4,2 мкг/(м2с) в весенний период. Полученные экспериментальные данные позволили рассчитать, что скорость поступления озона из свободной атмосферы составляет 1 мкг/(м3ч), а скорость генерации в пограничном слое - порядка 5 мкг/(мэч).

Разработана модель сверхдолгосрочного прогноза приземной концентрации озона на основе прогноза солнечной активности на 24-й одиннадцатилетний цикл солнечной активности. Оправдывемость прогноза, сделанного для 23 цикла солнечной активности, составила 77%, что подтверждает адекватность выбранной методики.

Разработана модель прогноза среднесуточной приземной концентрации озона на основе множественной линейной регрессии и нейронной сети. Показано, что применение нейросетевого подхода позволяет получить прогноз с оправдываемостью до 95% и величиной среднеквадратического отклоне-

ния Юмкг/м3. Прогноз среднеквадратического отклонения среднесуточной концентрации озона на основе нейросетевого подхода имеет оправдывае-мость до 95%, и величину среднеквадратической ошибки 1,7 мкг/м3. Прогнозы, выполненные на основе множественной линейной регрессии, имеют меньшую величину оправдываемости.

Показано, что при статистическом моделировании суточной динамики приземной концентрации озона наилучший результат с оправдываемостью 88% и среднеквадратической ошибкой 13,2 мкг/м3 даёт метод множественной линейной регрессии.

Список литературы

1. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., ИвлевГ.А., Козлов A.B., Козлов A.C., Малышкин С.Б., СимоненковД.В., Антохин П.Н. Нуклеационные всплески в атмосфере бореальной зоны Западной Сибири. Часть 1. Классификация и повторяемость // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 9. С. 766-774.

2. Fabian P., Pruchnilwicz P.G., Zand А. Transport and Austauschvorgange in der Atmosphäre//Naturwissen. 1971. V. 58. N. 11. P. 541-546.

3. Bloomer B.J., Vinnikov K.Y., Dickerson R.R. Changes in seasonal and diurnal cycles of ozone and temperature in the eastern U.S. // Atmos. Environ. 2010. V. 44. N. 21-22. P. 2543-2551.

4. Henne S., Klausen J., Junkermann IV., KariukJ.M., AseyoJ.O., Buchmann B. Representativeness and climatology of carbon monoxide and ozone at the global GAW station Mt. Kenya in equatorial Africa II Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8. N. 12. P. 3119-3139.

5. Troenl., Mahrt L. A simple model of the atmospheric boundary layer; sensitivity to surface evaporation // Boundary-Layer Meteorol. 1986. V. 37. P. 129-148.

6. Кондратьев К.Я., Никольский Г.А. Солнечная активности и климат. 1. Данные наблюдений. Конденсационная и озонная гипотизы. 1995. № 5. С. 3-17.

7. Echers Е„ RigozoN.R., Nordemann D.J.R., Viera L.E.A. Prediction of solar activity on the basis of spectral characteristics of sunspot number // Ann. Geophys. 2004. V. 22. N. 6. P. 2239-2243.

8. Uwamahoro J., Mc Kinnell L.A., Cilliers P.J. Forecasting solar cycle 24 using networks // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2009. V. 71. N. 5. P. 569-574.

9. Звягинцев A.M., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Какаджанова Г., Кузнецова И.Н., Тарасова O.A., Шалыгина И.Ю. Статистическое моделирование максимальных суточных концентраций приземного озона // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. №2. С. 127-135.

Основные публикации автора по теме диссертации:

Статьи в журналах из перечня ВАК 1. Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Белан БД., Белан С.Б., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н. Многолетняя изменчивость озона и аэрозоля в районе Томска и оправды-ваемость прогноза их среднегодовых концентраций в 23 цикле солнечной активности II Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23. № 11. С. 852-856.

2. Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., БеланС.Б.,ДавыдовД.К., Козлов A.B., Краснов O.A., Пестунов Д. А., Праслова О.В., Фофонов A.B. и др. Применение самолета Ан-2 для исследования состава воздуха в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25. № 8. С. 714-720.

3. Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Белан БД., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н. Прогноз изменения концентрации озона и аэрозоля на основании предсказанного в 24-м цикле уровня солнечной активности И Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25. № 9. С. 778-783.

4. Антохин П. Н„ Белан БД. Регулирование динамики тропосферного озона через стратосферу // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25. № 10. С. 890-895.

5. Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Козлов A.B., Краснов O.A., Праслова О.В., Рассказчикова Т.М. и др. Суточная динамика вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы в районе Томска // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26. № 8. С. 665-672.

6. Антохин П.Н., Белан БД., Савкин Д.Е., Толмачев Г.Н. Сравнение различных методов статистического прогнозирования суточной динамики приземной концентрации озона // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26. № 12. С. 1082-1089.

7. Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов A.B., НедэлэкФ., Paris J.-D.., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., СимоненковД.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов A.B. Крупномасштабные исследования газового и аэрозольного состава воздуха над Сибирским регионом // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27. № 3. С. 232-239.

8. Банах В.А., Смалихо И.Н., ФалицА.В., Белан Б.Д., Аршинов М.Ю., Антохин П.Н. Совместные радиозондовые и доплеровские лидарные измерения ветра в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27. № 10. С. 911-916.

Материалы конференций

1. Belan B.D., Antokhin P.N., Tolmachev G.N., Belan S.B., Sklyadneva Т.К.. Arshi-nov M. Yu. Long-term variability of surface ozone concentration near Tomsk and its prediction for the solar activity cycle 24 // Workhop "Tropospheric Ozone Changes", Toulouse, France, 11-13 April 2011.

2. Belan В., Antokhin P., Arshinov M., Belan S., SlyadnevaT., and Tolmachev G. Simulation of Long-term Changes in the Surface Ozone and Aerosol Concentrations Based on the Solar Activity Data // European Research Course on Atmospheres -ERCA-2011 10 January to 11 February 2011, Grenoble, France.

3. Антохин П.H., Белан Б.Д. Стратосферное управление временной динамикой тропосферного озона // Материалы XVIII Международного симп. "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы". 2012. С. Dl 13-D116.

4. Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов ДК, Козлов A.B., Краснов O.A., Пестунов Д. А., Праслова О.В., Фофонов A.B. Исследование суточной динамики концентрации озона в пограничном слое атмосферы // II Совещание-семинар «Проблемы мониторинга приземного (тропосферного) озона и нейтрализации его влияния». Калужская обл., г. Таруса, 6-8 июня 2012 г.

5. Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н. Многолетняя изменчивость концентрации озона и аэрозоля в приземном слое атмосферы и прогноз ее изменения на основании предсказанного в 24 цикле уровня солнечной активности // Всероссийская конф. «Солнечная активность и природа гло-

бальных и региональных климатических изменений». 19-22 июня 2012 г., Иркутск. Тезисы. С. 8-9.

6. Антохин П.Н., Аршинов М.Ю., Белан БД., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Козлов A.B., Краснов O.A., Пестунов ДА., ПрасловаО.В, Фофонов A.B., Inoue G., Machida Т., Максютов Ш., Shimoyama К., Sutoh Н. Применение самолета Ан-2 для исследования состава воздуха в пограничном слое атмосферы // XVIII Международный симп. "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", 2-7 июля 2012 г. Иркутск. Тезисы докл. С. 92.

7. Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Козлов A.B., Краснов O.A., ПрасловаО.В, Рассказчикова Т.М., Сав-кинДЕ., Толмачев Г.Н., Фофонов A.B. Исследование суточной динамики вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы // Труды Третьего международного совещания-семинара. Москва: ГМЦ. 2013. Юс. http://cao-rhms.ru/oom/rneeling.htrnl.

8. Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Козлов A.B., Краснов O.A., ПрасловаО.В, Рассказчикова Т. М., Сав-кинД.Е., Толмачев Г.Н., Фофонов A.B. Динамика вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы фонового района Томской области // Десятое сибирское совещание по климатоокологическому мониторингу. Тез. рос. конф. / Под ред. М.В. Кабанова. Томск. Изд-во Аграф-Пресс. 2013. С. 8-9.

9. Antokhin P.N., Antokhina O.Yu., BelanS.B., BelanB.D., KozlovA.V., et al. Ozone vertical flux within the lower troposphere over background areas of west Siberia // Proc. SPIE 9292, 20th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 92925J (November 25, 2014). doi:10.1117/12.2074519

10.Антохин П.Н., Антохина О.Ю., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Коб-зев A.A., Краснов O.A., Тельминов А.Е., Фофонов A.B. Определение высоты пограничного слоя атмосферы над урбанизированным и фоновым районом Томской области // XXI Рабочая группа "Аэрозоли Сибири" 25-28 ноября 2014 г., Томск. Тезисы докл. С. 51.

\ \ .Антохин П. Н., Антохина О.Ю., Белан БД. Оценка скорости образования озона в пограничном слое атмосферы // Международная молодежная школа и конференция по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде: "CITES-20I5", 20-30 июня 2015 г., Томск. Тезисы докл. С. 21-24.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 63.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. 49-10-93.

\ \4

\ -

\

О 4

2015675297

2015675297