Крупномасштабные пространственно-временные вариации озона и УФ радиации

Крамарова, Наталья Алексеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Крупномасштабные пространственно-временные вариации озона и УФ радиации
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Крупномасштабные пространственно-временные вариации озона и УФ радиации"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КРАМАРОВА НАТАЛЬЯ АЛЕКСЕЕВНА

УДК 551 510

Крупномасштабные пространственно-временные вариации озона и УФ радиации

25 00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

003176452

Работа выполнена на кафедре физики атмосферы физического факультета Московского Государственного университета им МВ Ломоносова

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент

Г И Кузнецов

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор

И К Ларин

Кандидат физико-математических наук, с н с

A M Звягинцев

Ведущая организация:

Институт физики атмосферы им А М Обухова Российской Академии Наук

Защита состоится «13» декабря 2007 г в « » часов на заседании диссертационного совета по геофизике Д 501.001 63 в Московском Государственном университете по адресу 119992, Москва, Ленинские горы, ГСП -2, физический факультет, аудитория « ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан « > ноября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501 001 63 кандидат физико-математических наук

В Б Смирнов

Общая характеристика работы

В последнее время большую актуальность приобрели проблемы изменения климата на планете, которые определяются как вариациями и трендами парниковых газов, так и изменениями динамики атмосферы Озон, являясь естественным трассером динамических процессов в стратосфере, в то же время обладает мощным радиационным потенциалом в этой области и сам влияет на стратосферную динамику В этой связи, важное значение приобретают задачи, связанные с мониторингом изменении озона и обнаружением причинно-следственных связей между вариациями озона и динамикой

Озон является малой примесью атмосферы, средняя толщина озонного слоя приведенною к нормальным условиям составляет порядка 0,3 см, Но, несмотря на это, он играет важную роль в динамических, радиационных и химических процессах в атмосфере Земли

Озоновый слой является биологическим щитом, защищающим землю от негативного влияния жесткого УФ излучения Практически вся УФ радиация с длиной волны меньше 280 нм (УФ-С область спектра) поглощается озоновым слоем атмосферы и не достигает поверхности земли Общее содержание озона, структура его вертикального распределения и их изменчивость являются важными факторами, определяющими режим приземной биологически активной УФ-Б радиации (280-315 нм)

Озон обладает мощным радиационным потенциалом, как в УФ области спектра, так и в ИК (полоса 9 6 мкм) и, таким образом, является парниковым газом Кроме того, озон является ключевым газом во многих химических реакциях, протекающих в различных слоях земной атмосферы Наблюдаемое в последние десятилетия уменьшение озона в средних и высоких широтах обоих полушарий в весенний период, привлекает пристальное внимание многих исследователей Для осредненного по всему земному шару общего содержания озона отрицательный тренд по оценкам различных авторов составляет 2 5% - 3% в десятилетие [Randel et all, Sei Rev 1999, Wang et all, J Geophys Res 2002, Fioletov et all, J Geophys Res, 2002, Tung, Yang, J Atmos Sei, 1994a] Наконец, следует отметить широко известную проблему истощения озонового слоя над Антарктикой [WMO ReportN47, 2002]

Уменьшение общего содержания озона приводит к росту уровня приземной биологически активной УФ радиации По данным работы [Ztemke et all, J Geophys Res, 2000] отмечается 3-7% положительный тренд в десятилетие в зональных значениях УФ облученности, возрастающий от средних широт к высоким

Для надежной оценки трендов озона и для понимания механизмов управляющих режимом озона, важно оценить вклад естественных

факторов в его крупномасштабную пространственно-временную изменчивость Основными естественными факторами, вносящими вклад в межгодовую крупномасштабную изменчивость озона, являются солнечная активность (прежде всего 11 -ти летний солнечный цикл), процессы глобальной циркуляции (квазидвухлетняя цикличность, явления Эль-Ниньо (Ла-Ниньо)), крупные вулканические извержения, например Пинатубо 1991, Эль-Чичон 1982

К вопросам изменения климата и, как следствие, изменению условий жизни приковано пристальное внимание общества В последнее время обсуждаются возможности активного воздействия на геосферу с целью компенсации негативных последствий потепления [Crutzen PJ, Climate Change, 2006] Для надежного прогноза дальнейших сценариев развития климата и для оценки последствий любого рода активных антропогенных воздействий на геосферу, выходящих за рамки годовой и сезонной изменчивости, необходимо детально изучить механизмы естественной изменчивости крупномасштабных, долговременных геофизических факторов, проанализировать сложные обратные связи между ними

Актуальность проблемы исследования. В рамках вышеуказанных проблем исследование крупномасштабной изменчивости озона, чутко реагирующего на изменения радиационного и термобарического полей атмосферы, безусловно, актуально и имеет не только самостоятельное значение, но может быть использовано и в задачах анализа и прогноза крупномасштабных атмосферных процессов

Целью диссертационной работы является комплексное экспериментальное исследование крупномасштабных пространственно-временных вариаций полей озона и УФ радиации в различных регионах земли, оценка вклада воздействий ряда естественных факторов динамического и гелиофизического характера в долговременную изменчивость исследуемых величин

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи

1 Проведен сбор и предварительная адаптация данных спутниковых наблюдений TOMS и SBUV последней 8-ой версии Созданы адаптированные к целям работы базы данных озона и УФ облученности различного временного и пространственного разрешений

2 Проведено исследование долготно-широтных особенностей сезонной изменчивости ОСО и УФ эритемной облученности в средних широтах Северного полушария (30 с ш -60 с ш)

3 Изучена межгодовая изменчивость полей ОСО и УФ облученности в высоких широтах Южного полушария (50 ю ш -80 ю ш) в ноябре -месяце, когда еще наблюдается т н «озоновая дыры»

4 На основе созданной адаптированной базы данных вертикальных профилей парциального давления озона впервые исследованы крупномасштабные вариации трехмерного распределения озона в тропической области (30 юш - 30 сш) и обнаружена связь вариаций озона с воздействием ряда естественных факторов (квазидвухлетний цикл, 11-ти летний солнечный цикл, явления Эль-Ниньо (JIa-Ниньо)

5 Проведено детальное исследование взаимосвязей вертикальной структуры КДЦ колебаний озона с вертикальной структурой зонального ветра в области озонного максимума (10-50 гПа) на экваторе за 15 летний период Проведена оценка влияния квазидвухлетних вариаций озона на вертикальное распределение УФ радиации в нижней стратосфере

6 Предложена и апробирована регрессионная модель для расчета долготно-широтных полей среднемесячных значений общего содержания озона в тропиках, основанная на использовании векторов разложения по Естественным Ортогональным Функциям (ЕОФ анализа)

7 Исследованы крупномасштабные вариации долготно-широтных полей приземной УФ эритемной облученности в тропической области (30 ю ш -30 с ш) Обнаружена связь вариаций УФ облученности с воздействием квазидвухлетнего и 11 -ти летнего солнечного циклов

Основные методы и средства решения;

1 Для решения поставленных задач на базе спутниковых измерений TOMS и SBUV созданы адаптированные базы данных озона и УФ облученности для трех регионов

а) область средних широт Северного полушария (30 с ш -60 с ш ), отличающаяся большой сезонной изменчивостью озона и УФ радиации На основе данных TOMS за 2000 год была создана база данных ежедневных долготно-широтных (2° ш х 10° д) полей ОСО и УФ эритемной облученности для исследования пространственно-временных закономерностей сезонных вариаций озона и УФ радиации Предварительно ряды данных были нормированы на среднегодовые значения

б) область южных широт, включая область Антарктиды, (50 ю ш -80 ю ш), где в последние десятилетия в весенний период наблюдаются аномальные изменения озона и УФ радиации (т н «озоновая дыра») Для исследования крупномасштабных закономерностей межгодовых вариаций озона и УФ радиации была создана база долготно-широтных (2° ш х 5° д ) полей среднемесячных значений ОСО и УФ эритемной облученности для ноября за 25 лет (1978 - 2002 гг) Средние многолетние для ноября значения ОСО и УФ облученности за 25 лет быта удалены из исходных полей

в) область экваториальных и тропических широт (30 ю ш -30 с ш) - основной источник атмосферного озона, в которой сезонная и

пространственная изменчивость озона и УФ облученности, а также влияние мелкомасштабной циркуляционной активности менее выражены, что позволяет более точно выделять вклады воздействий крупномасштабных явлений циркуляции атмосферы и солнечной активности Отклики крупномасштабных атмосферных процессов, протекающих в тропическом регионе, обнаруживаются и в вариациях озона в высоких широтах Поэтому в настоящей работе большое место отведено исследованию крупномасштабных вариаций озона и УФ радиации в тропиках Для этих исследований создано несколько специализированных баз данных, в числе которых

■ две базы данных долготно-широтных полей (2°ш х 40°д) среднемесячных значений общего содержания озона за 25 летний период (январь 1979 - декабрь 2003 г г ) по данным TOMS и SBUV,

■ база данных среднемесячных долготно-широтных полей (2° ш х 40° д) эритемной облученности за период ноябрь 1978-июль 2003 гт по данным TOMS

" адаптированная база среднемесячных значений парциального давления озона на 15 высотных уровнях на регулярной долготно-щиротной сетке (2° ш х 40° д) за 25 летний период (1979-2003 гг) по данным спутниковых измерений SBUV Предварительно из исходных рядов данных в тропиках был удален средний многолетний сезонный ход и линейный тренд

2 Для анализа пространственно-временных особенностей полей озона и УФ облученности в работе применяется один из современных методов статистической обработки полей геофизических параметров - метод разложения по Естественным Ортогональным Функциям (ЕОФ), широко используемый в последнее время в различных геофизических задачах IЦианский, ФАО, 1998, Campetal J Geophys Res, 2003]

3. Для расчета потоков УФ радиации в экваториальной области использовался модифицированный автором радиационный комплекс для расчета потоковых и яркостных характеристик УФ радиации В состав комплекса входит несколько радиационных моделей, рассчитывающих радиационные характеристики различными методами, что дает возможность внутренней верификации расчетов Проведена апробация расчетного комплекса по экспериментальным данным спектральных потоков УФ радиации на Кисловодской Высокогорной Научной Станции (КВНС) Радиационный комплекс использован для уточнения входных параметров радиационного блока модели среднесрочного прогноза погоды Гидрометцентра России Научная новизна

■ Впервые, на основе указанного выше комплекса методик и созданных адаптированных баз данных, исследована пространственно-временная структура изменчивости озона в ключевых поясах озоносферы средние

широты Северного полушария, высокие широты Южного полушария (период «антарктической озоновой дыры») и в тропической области

■ Адаптированная база среднемесячных значений парциального давления озона на 15 высотных уровнях на регулярной долготно-широтной сетке за 25 летний период (1979-2003 гг) по данным спутниковых измерений SBUV была создана впервые На ее основе впервые проведено исследование трехмерных полей озона в тропиках с помощью ЕОФ метода

■ Впервые выявлены характерные пространственные и временные структуры в полях аномалий трехмерного распределения озона, тесно связанные с естественными факторами, такими как 11-ти летний солнечный цикл, квазидвухлетняя цикличность, явления Эль-Ниньо (JIa-Ниньо) Впервые выполнено детальное исследование вертикальной структуры распределения озона над экватором в слое озонного максимума и проанализированы пространственные, фазовые и временные соотношения между вариациями озона и зонального ветра в соответствующих квазидвухлетних циклах

■ Обнаруженные оригинальные пространственные, временные и фазовые соотношения исследуемых полей изменчивости озона с некоторыми reo- и гелиофизическими факторами использованы в разработанной регрессионной модели для оценки полей среднемесячных значений содержания озона в тропиках, основанной на векторах ЕОФ разложении и проведена оценка точности прогнозов

■ Впервые проведен анализ крупномасштабны) вариаций долготно-широтных полей УФ облученности с помощью ЕОФ метода

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается их сравнением с результатами экспериментов и данными работ других авторов, в том числе с работами, проведенными ранее на кафедре физики атмосферы физического факультета МГУ

Научная и практическая значимость

Созданная на основе спутниковых измерений SBUV адаптированная трехмерная база данных среднемесячных значений парциального давления озона в тропиках за 25-ти летний период может быть использована в качестве справочного материала по вертикальным профилям озона в тропиках

Полученные пространственные, временные и фазовые соотношения между крупномасштабными вариациями трехмерных полей озона и рядом reo- и гелиофизических факторов в тропиках и разработанная на этой основе регрессионная модель могут использоваться в прогностических схемах для оценки и уточнения межгодовых вариаций и долговременных трендов озона

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Результаты исследования долготно-широтной структуры сезонной изменчивости ОСО и УФ эритемной облученности в средних широтах Северного полушария

2 Результаты исследования долготно-широтной структуры межгодовой изменчивости полей ОСО и УФ облученности (1978-2002 гг) в ноябре (в период «озоновой дыры») в области высоких широт Южного полушария, в том числе обнаруженные пространственные и временные особешюсти в вариациях ОСО и УФ облученности, тесно связанные с динамическими процессами атмосферы (циркумполярный вихрь и его разрушение, квазидвухлетняя цикличность)

3 Пространственные, временные и фазовые закономерности крупномасштабных вариаций трехмерного распределения озона в тропической области (30 юш - 30 сш) и их связь с квазидвухлетним циклом, 11 -ти летний циклом солнечной активности и явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо).

4 Разработка и верификация регрессионной модели для оценки долготно-широтных полей среднемесячных значений общего содержания озона в тропиках, основанная на векторах ЕОФ метода

5 Пространственные, временные и фазовые закономерности крупномасштабных вариаций долготно-широтных полей УФ эритемной облученности в тропической области (30 ю ш - 30 с ш), связанные с воздействием квазидвухлетнего и 11-ти летнего солнечного циклов

6 Результаты исследования вертикальной структуры квазидвухлетних колебаний озона в сравнении с вертикальной структурой зонального ветра в области озонного максимума (10-50 гПа) на экваторе за 15 летний период Обнаруженное постоянство фазы квазидвухлетних колебаний озона по высоте в области озонного максимума (10-50 гПа) и сдвиг ее относительно квазидвухлетних вариаций зонального ветра Оценка влияния квазидвухлетних вариаций озона на величину УФ радиации в экваториальной области

Личный вклад

Все представленные в работе результаты получены при непосредственном участии автора Апробация работы

Результаты представленные в диссертации докладывались на ряде Международных и Всероссийских конференций Международном Симпозиуме стран СНГ по Атмосферной Радиации (Санкт-Петербург 2004, Санкт-Петербург 2006), Всероссийской школе - конференции молодых ученых "Состав атмосферы Атмосферное электричество Климатические эффекты" (Москва, 2004, Борок, 2005, Москва, 2006, Нижний Новгород 2007), Научной конференции «Ломоносовские чтения

(секция физики)» (Москва 2005, Москва, 2007), Етоопемс» ой школе-конфергнцяк для моаддых ученых European Research Course on Atmospheres ERCA (Гренобль, Франция, 2006), Ежегодной Ассамблее Американского геофизического общества AGTJ (Ьаг'тимор США, 2006), Второй конференции молодых ученых национальных гидромегслужб государств участников СНГ (Москза, 2006), Четвертой открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2006), Международном симпозиуме «Физика атмосферы наука и образование», (С Петербург, Петродворец, 2007); Всероссийской конференции "Развитие системы мониторинга состава атмосферы" (Москва, 2007)

По теме диссертации опубликовано 3 статьи, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК), 20 работ в сборниках трудов и тезисов Всероссийских и Международных конференций

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии Объем диссертации составляет 125 страниц, включая 36 рисунков и список литературы на 132 наименований

Во введении обсуждается актуальность исследований, сформулированы цели и задачи, обоснована научная новизна и практическая ценность работы, кратко излагается содержание диссертации по главам, приводятся основные положения, выносимые на защиту

Первая глава посвящена обзору современных представлений о крупномасштабных вариациях озона и УФ радиации Приведены современные оценки долговременных хрендов озона и УФ радиации Кратко изложены общие сведения об особенностях сезонных вариаций озона и его вертикального распределения Проводится обзор работ по исследованию связи озона с процессами солнечной активности различного временного масштаба Анализируются работы, посвященные исследованию связи между вариациями озона и динамическими процессами (циклонами, квазидвухлетней цикличностью, Южным колебанием, Североатлантическим колебанием) Дано определение понятия эритемпой УФ облученности и приведена методика ее расчета Приведены литературные данные о воздействие мощных вулканических извержений на режим озона и УФ радиации Проводится обзор современных методов статистического анализа полей озона, и УФ радиации, позволяющих выделять и исследовать Kpj тломасштабкыс вариации озона и УФ радиации

Во второй главе представлено описание баз данных и методов исследования В первом разделе главы 2 приводится описание используемых в работе баз данных TOMS и SBUV по озону и УФ эритемной облученности Проведена большая работа по сбору и

предвари 1ельной наработке дэршых спутниковых наблюдений ЮМЗ, БВЬ'У В соответствий" с постав пенной ¿»лью диссертационной работы -исследование крупномасштабных пространственно-временных вариаций полей озона и УФ радиации в различных регионах земли - созданы адаптированные к целям работы базы данных общего содержания озона и УФ облученности различного временного и пространственного разрешения для регионов средних широт Северного полушария (30 с ш -60 с ш), района высоких широт Южного полушария (50 ю ш -80 ю ш) и тропической зоны (30 юш -30 сш) Впервые для исследования пространственного распределения озона создана адаптированная трехмерная база данных среднемесячных значений парциального давления озона на 15 высотных уровнях в тропической области за 25 летний период (1979-2003 гг) на равномерной долготно-широтной сетке (2° ш х 40° д) на основе данных наблюдений вВЦУ

Во втором разделе главы 2 приведено математическое описание метода разложения по Естественным Ортогональным Функциям (ЕОФ) Щианский, ФЛО, 1998] Метод основан на разложении исходных пространственно-временных полей по ортогональным базисным векторам, которые не задаются заранее, а определяются из самих исходных полей Этот подход является важным преимуществом, отличающим метод ЕОФ разложения от других методик, в которых используется некая априорная информация об исследуемых полях В результате ЕОФ разложения мы получаем векгора, описывающие пространственное распределение особенностей, присущих изучаемым полям, и соответствующие коэффициенты разложения, характеризующие временную эволюцию в целом по всему исследуемому полю Моды ЕОФ анализа располагаются в порядке уменьшения их вклада в дисперсию исходного поля Таким образом, первые ЕОФ моды описывают максимальную изменчивость исходного пространственно-временного поля В работе использовался программный комплекс ДИОГИН (Доступ И Обработка Геофизической Информации), разработанный в Институте Вычислительной Математики РАН Дианским Н А , включающий в себя ЕОФ метод

Третий раздел главы 2 посвящен описанию модифицированного радиационного комплекса для расчета потоковых и яркостных характеристик атмосферы В состав комплекса вошли следующие модели1 яркостная радиационная модель, основанная на численном методе последовательных порядков рассеяния, потоковая модель, основанная на приближении Эддингтона, модифицированная потоковая модель, основанная на сочетании дельта аппроксимации и приближения Эддингтона, модель расчета радиационных характеристик атмосферного аэрозоля и облачности, основанная на теории Ми Комплекс рассчитывает псоковые и яркостные характеристики УФ радиации в атмосфере несколькими независимыми методами, что дает возможность взаимной

верификации и оценки одних характеристик поля радиации по измеренным значениям других Приводятся результаты верификации радиационного комплекса для случая однородной среды по стандартной методике [Ленобль, 1990] Также представлены результаты сравнения рассчитанных с помощью численного комплекса спектральных потоков УФ радиации (290-325 нм) с измеренными величинами на КВНС

В четвертом разделе главы 2 приведены оценки радиационного нагрева верхней стратосферы за счет поглощения озоном солнечной радиации Распределение поступающей солнечной энергии, как высотное, так и широтное, играет основополагающую роль в формировании климатических условий на земле и зависит от ряда факторов, в котором одну из важнейших ролей играет высотно-широтное распределение поглощающих газов, в том числе и озона В настоящем разделе проводится оценка радиационной энергетики озона в солнечном диапазоне спектра 180-780 нм, изучается широтно-сезонная изменчивость радиационных потоков и притоков тепла, обусловленных влиянием озона на различных высотах Для этих целей была сформирована база данных средне климатических профилей парциального давления озона (в нбар) для 81 высотного уровня (от 1013 мбар до 0 10 мбар) для 35 широтных зон (85° юш-85° сш с шагом 5°) для 12 месяцев на основе климатических профилей озона, используемых в системе спутникового мониторинга БВиУ

Расчеты показали, что области максимального нагрева атмосферы за счет поглощения озоном солнечного излучения располагаются вблизи верхней границы модели среднесрочного прогноза погоды Гидрометцентра России Радиационное нагревание стратосферы неоднородно по широте и зависит от сезона Широтно-сезонное распределение скорости нагревания озоносферы определяется тремя факторами высотой солнца, продолжительностью светового дня и вертикальным профилем озона Максимальные значения скорости нагревания за сутки (до 16 К/сут), согласно расчетам без учета эффектов охлаждения другими газами, наблюдаются в полярных широтах летнего полушария на уровне 47 км в январе - в Антарктической области, в июле - в Арктической По результатам этих работ даны рекомендации для уточнения входных данных по озону для спектральной модели среднесрочного прогноза погоды Гидрометцентра России.

Третья глава посвящена исследованию сезонной, межгодовой и крупномасштабной изменчивости долготно-широтных полей ОСО и УФ эритемной облученности

В первом разделе главы 3 исследуются долготно-широтные особенности сезонной изменчивости ОСО и УФ эритемной облученности в средних широтах Северного полушария на примере ЕОФ анализа ежедневных полей за 2000 год Предварительно исходные ряды данных

были нормированы на среднегодовые значения Показано, что режимом сезонных вариаций ОСО управляют преимущественно динамические факторы (порядка 50% сезонной изменчивости озона), вклад солнечной инсоляции составляет порядка 11-15% Обнаружены долгошые структуры в пространственном распределении сезонных вариаций озона, тесно связанные с барическими гребнями и ложбинами на уровне 100 мбар Главным фактором, определяющим режим сезонных вариаций УФ радиации (ЕОФ-1, описывает порядка 80% изменчивости), является сезонная изменчивость величины солнечной инсоляции В пространственном распределении четко выделяются области орографических аномалий над Северной Америкой и Евразией

Во втором разделе главы 3 изучается межгодовая изменчивость полей среднемесячных значений ОСО и УФ облученности в ноябре в Антарктической области Ноябрь - последний весенний месяц, в течение которого все еще наблюдаются аномально низкие значения ОСО над Антарктикой Предварительно из исходных данных были удалены средние за 25 лет значения для ноября Анализ полей среднемесячных значений ОСО и УФ эритемной облученности в Антарктике для ноября за 25-ти летний период (1978 - 2002 гг) обнаружил тесную связь вариаций исследуемых величин с характерными для этого периода динамическими процессами: циркумполярный вихрь и его разрушение, а также с экваториальным КДЦ ветра Кроме того, наблюдается тесная связь между вариациями ОСО и изменениями УФ облученности, что видно при анализе как пространственных ЕОФ векторов, так и соответствующих временных коэффициентов Этот факт показывает, что основным фактором, влияющим на формирование потоков УФ радиации над Антарктикой в этот период, является ОСО

Третий раздел главы 3 посвящен исследованию крупномасштабных вариаций полей ОСО и УФ облученности в тропиках с помощью ЕОФ метода В качестве исходных данных использовались долготно-широтные поля среднемесячных значений общего содержания озона за 25 летний период (январь 1979 - декабрь 2003 гг ) по данным TOMS и SBUV и УФ эритемной облученности за период ноябрь 1978 -июль 2003 гг. по данным TOMS в тропической области (30 ю ш - 30 с ш ) с пространственным разрешением 4° по широте и 40° по долготе В исходных базах данных с помощью стандартных методик были удалены сезонный ход и тренд за исследуемый период. Отметим, что величина тренда на экваторе оказалась статистически незначима, однако к субтропикам его величина возрастает до значений ~ -3 е Д /за десятилетие, что согласуется с данными работ [Rondel et all, Sei Rev, 1999, Bojkov, Fioletov, J Geoph Res, 1995, Wang et all, J Geoph Res, 2002]

Выделены характерные пространственные, временные и фазовые структуры в полях аномалий ОСО, тесно связанные с солнечной активностью и с элементами общей циркуляции атмосферы, такими как 11-ти летний солнечный цикл (ЕОФ 1), квазидвухлетние колебания (ЕОФ 2), колебаниями с периодом ~ 20 месяцев (ЕОФ 3), представляющих собой интерференционное взаимодействие годового и квазидвухлетнего циклов (КДГЦ), и явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо) (ЕОФ 4) На рис 1-4 представлены первые четыре ЕОФ моды

Показано, что примерно 31-36% вариаций аномалий ОСО в тропической области (30° ю ш -30° с ш) связаны с квазидвухлетней цикличностью в стратосфере В западной фазе КДЦ нисходящие движения воздушных масс в экваториальной стратосфере приводят к нарастанию концентрации ОСО над экватором, а происходящие в то же время восходящие движения в субтропиках - к уменьшению ОСО Обратная ситуация характерна для восточной фазы КДЦ За индекс КДЦ принято считать зональный ветер на уровне 30 мбар в Сингапуре, положительные значения которого соответствуют западной фазе КДЦ, а отрицательные -восточной Амплитуда вариаций ОСО, связанных с КДЦ, составляет порядка 6 5-8 е Д на экваторе и 8-11 е Д в субтропиках Смена фазы КДЦ колебаний ОСО происходит ~ на 10° широты в обоих полушариях Следует отметить обнаруженное опережение КДЦ сигнала в ОСО на 3 месяца по сравнению с индексом КДЦ (рис 1,6)

Повышение солнечной активности в 11 -ти летнем цикле приводит к увеличению генерации озона и повышению ОСО 25% низкочастотных вариаций аномалий О СО в тропиках связано с 11-ти летним солнечным циклом с максимальными амплитудами на экваторе (порядка 9-12 е Д) и существенно меньшими в субтропиках (порядка 1 5-3 е Д)

Выделены колебания ОСО с периодом около 20,4 месяца, представляющие собой интерференцию годового и квазидвухлетнего цикла (КДГЦ) (15% остаточной изменчивости) КДГЦ колебания ОСО происходят в противофазе в южном и северном полушариях с несколько смещенной в южное полушарие (5° ю ш) границей Максимальные величины амплитуд наблюдаются в субтропиках (порядка 4 5-8 е Д )

Порядка 4% остаточной изменчивости ОСО связано с явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо) В поле ОСО четко выделяется дипольная структура в регионе Тихого океана В период Эль-Ниньо наблюдается понижение озона в восточной области Тихого океана вдоль берегов Америки и повышение озона в западной области Тихого океана над Индонезией Обратная ситуация характерна для фазы Ла-Ниньо Амплитуда вариаций ОСО, связанных с явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо), может достигать 3-6 е Д

120Е 180 12№

Долгота 1. а

1992 Годы

1,6

1996 2000

Рисунок 1. Первая ЕОФ мода аномалий ОСО по данным вВиУ (описывает 36% остаточной изменчивости ОСО в тропиках). Первая мода отражает связь ОСО с КДЦ. На рисунке а) представлено пространственное (долгота х широта) распределение ЕОФ-1 в величинах аномалий ОСО (е.Д.), а на рисунке б) соответствующий временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с индексом КДЦ (пунктирная линия). Коэффициент корреляции между двумя кривыми равен 0,64. Величина вариаций ОСО, связанная с данной ЕОФ модой, получается путем умножения значений пространственного вектора на соответствующий временной коэффициент.

60Е 120Е 180 120»/ 6СМ

Долгота 2, а

1984 1988 1992 1996 2000 Годы

2,6

Рисунок 2. То же что и на рис.1 только для второй ЕОФ моды аномалий ОСО (25% изменчивости), связанной с 11-ти летним Солнечным циклом. На рисунке а) пространственное (долгота х широта) распределение ЕОФ-2 (е.Д,); на рисунке б) соответствующий временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с солнечным потокам на 10,7 см (пунктирная линия), коэффициент корреляции 0,6.

3, а 3, б

Рисунок 3. То же что и на рис.1 только для третьей ЕОФ моды аномалий ОСО (описывает 15% изменчивости). Третья мода отражает связь общего озона с КДГЦ. На рисунке а) пространственное (долгота х широта) распределение ЕОФ-3 (е.Д.); на рисунке б) соответствующий временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с гармонической функцией с периодом 20,4 месяца (пунктирная линия), коэффициент корреляции 0,6.

1980 1984 1988 1992 1996 2000 Годы

Рисунок 4. То же что и на рис.1 только для четвертой ЕОФ моды аномалий ОСО (описывает 4% изменчивости), связанной с явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо). На рисунке а) пространственное (долгота х широта) распределение ЕОФ-4 (е.Д.); на рисунке б) соответствующий временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с индексом Южной осцилляции (пунктирная линия), коэффициент корреляции 0,6.

БОС 120Е 180 12ОТ/ 6ОТ»

Долгота

Первые четыре ЕОФ моды аномалий ОСО в тропиках описывают более 75% низкочастотной изменчивости озона в регионе Этот факт дает возможность разработать регрессионную модель для расчета долготно-широтных полей среднемесячных значений ОСО в тропиках, основанную на ЕОФ разложении Проведено сравнение рассчитанных по модели полей ОСО с результатами измерений TOMS для периода январь 2004 г. - март 2005 г Относительное отклонение между модельными оценками и данными измерений лежит в пределах 2-6%, и лишь в субтропиках может достигать 10%

Анализ полей аномалий УФ эритемной облученности показал, что 12% низкочастотных колебаний УФ облученности в тропиках связано с квазидвухлетним циклом В экваториальной зоне в течение западной фазы КДЦ УФ эритемная облученность уменьшается, а в субтропиках возрастает. Противоположная ситуация наблюдается в течение восточной фазы Однако амплитуда этих колебаний УФ облученности на экваторе (порядка 10-15 Дж м~2 сут"1) существенно больше, чем в субтропиках (4-8 Дж м"2 сут"') Также была выделена связь УФ эритемной облученности в тропиках с 11-ти летним солнечным циклом (9 5% изменчивости) В годы максимума солнечной активности уровень приземной УФ облученности снижается Амплитуда может достигать 7-15 Дж м"2 сут'1 в экваториальной зоне и порядка 4 Дж м"г сут'1 в субтропиках

Четвертая глава посвящена исследованию крупномасштабных вариаций трехмерных полей парциального давления озона и УФ радиации в тропическом регионе Средняя стратосфера тропических широт является источником озона на планете [Хргиан, 1973], который из этой области уходит и распространяется в высокие широты, главным образом зимнего полушария, меридиональными движениями воздуха Вертикальное распределение озона (ВРО) носит отпечаток ряда процессов, образующих и перераспределяющих озон в атмосфере Равно оно отражает многие, иногда глобальные, иногда очень тонкие особенности строения самой атмосферы [Хргиан, Кузнецов, 1981] Изучение особенностей ВРО имеет важное значение для понимания всего баланса озона в земной атмосфере

Для поставленной задачи была создана адаптированная трехмерная база среднемесячных значений концентрации озона (в нбар) на регулярной сетке с разрешением 2° по широте и 40° по долготе для 15 высотных уровней в тропической области (30 ю ш - 30 с ш) за 25-ти летний период на основе спутниковых наблюдений SBUV Сезонный ход и линейный тренд за исследуемый период были удалены В рассматриваемый период с 1979- 2003 гг в тропической области произошло два крупных извержений Эль-Чичон и Пинатубо, оказавших влияние на содержание озона Поскольку целью исследования является изучение крупномасштабных вариаций озона, то в широтных областях, где проявлялись аномалии озона, связанные с извержениями, было проведено сглаживание рядов озона в

течение 12 месяцев после извержения вулканов, полагая, что за год происходит основная час i ь процесса восстановления озона после извержения

В первом разделе главы 4 проведен как ЕОФ анализ долготно-широтных полей парциального давления озона на заданном высотном уровне, так и ЕОФ анализ высотно-широтных полей зональных значений парциального давления озона ЕОФ анализ показал, что порядка 75-80% остаточной изменчивости озона в тропической области объясняется естественными факторами, такими как 11-ти летний Солнечный цикл, КДЦ и КДГЦ Наблюдается высотная зависимость вкладов различных факторов в изменчивость озона На рис 5-7 представлены три первых моды ЕОФ анализа высотно-широтных полей среднемесячных зональных значений парциального давления озона в высотной области озонного максимума (10-50 гПа), где проявляется вклад всех вышеуказанных процессов

Первая ЕОФ мода остаточной изменчивости парциального давления озона связана с 11 -ти летним солнечным циклом Вклад 11-ти летнего цикла в изменчивость озона уменьшается с уменьшением высоты На высотных уровнях 0,5 и 1 гПа с солнечным циклом связано 75% остаточной изменчивости парциального давления озона, а на высоте 50 гПа - лишь 37% Однако максимум вариаций озона в абсолютных величинах (до 12 нбар), обусловленных 11-ти летним солнечным циклом, располагается на уровне 26 км (30 гПа) - в слое максимума ВРО (рис 5, а) В целом, увеличение солнечной активности приводит к повышению фотохимической генерации озона и росту его концентрации по всей высотной области 50 гПа - 0,5 гПа

Вторая ЕОФ мода остаточной изменчивости среднемесячных значений парциального давления озона связана с КДЦ и четко проявляется в слое 50- 7 гПа Ее вклад в остаточную изменчивость озона составляет порядка 19-24% В широтно-высотном распределении второго ЕОФ вектора (рис 6, а) четко разделяются экваториальная и субтропическая зоны КДЦ вариаций озона, колебания в которых происходят в противофазах Граница раздела проходит в области 10-15° в обоих полушариях и зависит от высоты Следует отметить несимметричность КДЦ колебаний озона в северных и южных субтропиках в северных субтропиках по сравнению с южными КДЦ вариации озона простираются существенно выше, вплоть до 7-5 гПа и имеют большую амплитуду Высотный максимум КДЦ вариаций располагается на уровне 30 гПа с амплитудой 6-7 нбар Следует отметить опережение КДЦ сигнала в озоне по сравнению с индексом КДЦ Корреляционный анализ показал, что опережение в среднем составляет 3 месяца (рис 6, б)

1980 1984 1988 1992 1996 2000

Широта

5, а

Годы

5,6.

Рисунок 5. Первая ЕОФ мода аномалий среднемесячных зональных значений парциального давления озона по данным ЗЕШУ (35% долгопериодной изменчивости озона в тропиках). Первая мода отражает связь озона с 11-ти летним Солнечным циклом. На рисунке а) представлено пространственное (широта х высота) распределение ЕОФ-1 в величинах аномалий парциального давления озона (нбар.), а на рисунке б) временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с индексом 11-ти летнего солнечного цикла (пунктирная линия). Коэффициент корреляции между ними равен 0,5. Отрицательные значения широты соответствуют Южному полушарию, а положительные - Северному.

Широта 6, а

1988 1992

Годы б, б.

Рисунок 6. То же что и на рис.5 только для второй ЕОФ моды аномалий среднемесячных зональных значений парциального давления озона (описывает 24% изменчивости), связанной с квазидвухлетним циклом, а) пространственное (широта х высота) распределение ЕОФ-2 (нбар), б) соответствующий временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с индексом КДЦ (пунктирная линия), коэффициент корреляции 0,8.

-10 О 10

Широта

1992

Годы

7, а

7,6.

Рисунок 7. То же что и на рис.5 только для третьей ЕОФ моды аномалий среднемесячных зональных значений парциального давления озона (описывает 16% изменчивости), связанной с КДГЦ. а) пространственное (широта х высота) распределение ЕОФ-3 (нбар), б) соответствующий временной коэффициент (сплошная линия) в сравнении с гармонической функцией с периодом 20,4 месяца (пунктирная линия), коэффициент корреляции 0,6.

Влияние КДГЦ проявляется так же, как и КДЦ на высотах 7-50 гПа и описывает 10-17% изменчивости парциального давления озона. На рисунке 7 представлена третья ЕОФ мода изменчивости среднемесячных зональных значений парциального давления озона в слое 50-10 гПа, связанная с КДГЦ. Колебания озона в Южном и Северном полушариях происходят в противофазе (рис. 7, а). Широтная граница смены фазы зависит от высоты. Высотный максимум КДГЦ вариаций расположен на уровне 10-15 гПа в Южном полушарии с амплитудой порядка 4-5 нбар. В Северном полушарии область максимальных аномалий расположена значительно ниже, на уровне порядка 40 гПа с амплитудой 3-4 нбар.

Второй раздел главы 4 посвящен исследованию механизмов КДЦ колебаний озона на экваторе. Проведен анализ вертикальных профилей среднемесячных значений парциального давления озона и зонального ветра на экваторе за 15 лет (январь 1987-декабрь 2001) в высотном интервале 50 гПа - 10 гПа. Среднемесячные значения зонального ветра в Сингапуре были взяты по данным Метеорологического института Открытого Университета Берлина (Ъйр :Иа\хъ\2 7 .тег. й1.-

ЬегПп.ёе/рп^и^в/сдгогш^а'дЬо/"). Сезонный ход и линейный тренд из обоих рядов данных были удалены.

29 1

Ы 28 '

п ¿ > С 26 О 25 24 Т 23 22

21 Н

у-ГГТПТ"ТТП "'51 ■■ ■ " Ри'гПЧ*

; ! V' \\ ,

|и! I . :1 ш *

с П 1 I -Ъ 1

Ш! I й

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Месяпы

8, а

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Месяцы

8, б

Рисунок 8. На верхнем рисунке а) представлена высотно-временная зависимость аномалий среднемесячных значений зонального ветра на экваторе в слое между 50-10 гПа. На нижнем б) - высотно-временная зависимость аномалий среднемесячных значений парциального давления озона на экваторе в слое между 50-10 гПа. Начало временной шкалы соответствует январю 1987 г.

На рисунке 8 представлены высотно-времевные зависимости среднемесячных значений аномалий зонального ветра (рис. 8, а) и парциального давления озона (рис. 8, б) на экваторе в высотной области 50-10 гНа за 15 лет. Видно, что во время западной фазы КДЦ, когда происходят нисходящие движения воздушных масс в экваториальной стратосфере, наблюдается увеличение концентрации озона. Значения аномалий концентрации озона могут достигать 8-12 нбар с максимумом в

высотном слое 24-26 км Во время восточной фазы КДЦ происходит уменьшение концентрации озона Кроме того, из рисунков видно, что изолинии зонального ветра имеют наклон относительно шкалы времени, т е определенная фаза зонального ветра постепенно опускается вниз со средней скоростью 1 км/месяц [Baldwin et all, 2003] Изолинии аномалий озона располагаются вдоль вертикали Таким образом, в фиксированный момент времени наблюдаются одинаковые значения аномалий концентрации озона во всем высотном слое 20-30 км Отметим, что этот слой характеризуется максимумом ВРО над экватором (25-26 км) со слабыми, противоположного знака градиентами концентрации озона выше и ниже максимума

На рисунке 9 представлена высотная зависимость временных сдвигов максимальных значений коэффициента корреляции между временными рядами среднемесячных значений парциального давления озона и зонального ветра на фиксированном высотном уровне Корреляционный анализ показал, что на уровне 32 км колебания озона отстают от колебаний зонального ветра на той же высоте на 6-7 месяцев, на высоте 26 км временного сдвига не наблюдается, а на 20 км вариации

озона опережают ветер на 4 месяца

Проведенный взаимно корреляционный анализ

между временными рядами озона на различных уровнях в слое озонного максимума (1050 rila) показал, что наблюдается значимая

положительная корреляция между вариациями озона на всех высотных уровнях Исключение составляет лишь уровень 10 мбар, вариации озона на котором коррелируют лишь с близлежащим высотным уровнем 15 мбар Из полученных результатов можно сделать вывод, что фаза квазидвухлетних вариаций парциального давления озона по высоте в слое 10-50 гПа не меняется

В третьем разделе главы 4 проведена оценка откликов вертикального распределения УФ радиации над экватором на квазидвухлетние вариации озона Были рассчитаны значения потоков на длине волны 310 нм в период с июля 1994 по декабрь 1996 (один КДЦ

- 32

3 «Г У- 30

о о . 3 28/"'

1*26

Л • 24

i 22

20 » 1 • 1 • 1 > 1

-2

0 2 Месяцы

Рисунок 9 Временной сдвиг максимальных значений коэффициента корреляции между аномалиями среднемесячных значений парциального давления озона и зонального ветра на заданном высотном уровне

цикл) для условий экваториальной области Длина волны 310 нм выбрана, поскольку именно на эту длину волны приходится максимум в спектре УФ эритемной облученности Расчеты проводились с помощью радиационного комплекса, представленного в главе 2, для полуденных значении солнечного зенитного угла (облачность и аэрозольное ослабление не учитывались) Необходимые для расчетов вертикальные профили давления и температуры экваториальной атмосферы в исследуемый период, были взяты по данным реанализа NCEP/NCAR

Расчеты показали, что увеличение концентрации озона в западной фазе квазидвухлетних колебаний приводит к уменьшению УФ радиации в слое максимальных концентраций озона (10-50 гПа) с амплитудой для эффективного потока до 5 мВт м'г нм"1, а уменьшение озона в восточной фазе ведет к росту УФ радиации

В заключении представлены основные выводы диссертационной работы

1 Проведен анализ дол готно- широтной структуры сезонной изменчивости общего содержания озона (ОСО) и УФ эритемной облученности в средних широтах Северного полушария Обнаружены долготные структуры в сезонном распределении ОСО, связанные с барическими гребнями и ложбинами Проведена оценка вкладов солнечной инсоляции и динамических факторов в сезонную изменчивость исследуемых величин

2 Исследования долготно-широтной структуры межгодовой изменчивости полей ОСО и УФ облученности в ноябре в высоких широтах Южного полушария за 25-ти летний период показали тесную связь вариаций исследуемых величин с динамическими процессами (циркумполярный вихрь и его разделение, квазидвухлетняя цикличность)

3 Обнаружены и исследованы пространственные, временные и фазовые закономерности крупномасштабных вариаций озона в тропической области (30 ю ш - 30 с ш) Показано, что порядка 70-80% крупномасштабной изменчивости озона в тропиках связано с естественными факторами, такими, как 11-ти летний цикл солнечной активности, квазидвухлятняя цикличность, явления Эль-Ниньо (Ла-Ниньо) Вклад перечисленных факторов в изменчивость озона зависит от высоты, широты и долготы

4 Разработана регрессионная модель для расчета долготно-широтных полей среднемесячных значений ОСО в тропиках, основанная на векторах ЕОФ метода Проведено сравнение модельных полей с результатами измерений TOMS для периода январь 2004 - март 2005 гг, относительное отклонение лежит в пределах 2-6% и лишь в субтропиках может достигать 10%

5 Проведено исследование пространственных, временных и фазовых закономерностей крупномасштабных вариаций долготно-широтных полей УФ эритемной облученности в тропиках ЕОФ анализ показал, что 12% крупномасштабной изменчивости УФ облученности в тропиках связано с квазидвухлетним циклом, а 9,5% изменчивости - с 11-ти летним циклом солнечной активности

6 Исследование вертикальной структуры квазидвухлетних колебаний озона в сравнении с вертикальной структурой зонального ветра в области озонного максимума (10-50 гПа) на экваторе за 15 летний период обнаружило постоянство фазы квазидвухлетних колебаний озона по высоте в области озонного максимума (10-50 гПа) и сдвиг ее относительно квазидвухлетних вариаций зонального ветра Проведена оценка влияния квазидвухлетних вариаций озона на величину УФ радиации в экваториальной области

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1 Крамарова Н А , Кузнецов Г И, Исследование связи долговременных вариаций общего содержания озона и УФ-облученности с общей циркуляцией в тропической области, Вестник Московского Университета, серия «Физика и Астрономия», вып 3,2006, стр 68-74

2 Крамарова Н А, Воздействие некоторых reo и гелиофизических факторов на изменчивость полей озона и УФ облученности в тропиках, Известия РАН, серия «Физика атмосферы и океана», том 44, № 1, 2008, (в печати)

3 Крамарова Н А, Кузнецов Г И , Манойло А В , Семутникова Е Г , Тарасова О А, Влияние полетов стратосферной авиации на режим солнечного ультрафиолетового излучения и образование аномалий в озонном слое Земли // труды конференции молодых ученых «Малые примеси в атмосфере», Москва, апрель 1998 г, препринт Института Физики Атмосферы, №4, 1998, стр 7-25

4 Крамарова Н А, Кузнецов Г И, Тарасова О А , Савиных В В , Использование модельного комплекса для оценки радиационных характеристик УФ радиации и режима приземного озона в районе КВНС, Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2004), СПбГУ, 22-25 июня, Санкт-Петербург 2004, стр 67-68

5 Крамарова Н А, Кузнецов Г И, Анализ пространственно-временных полей ОСО, УФ эритемной облученности и атмосферного альбедо по данным спутниковых наблюдений TOMS 8 с помощью SVD и EOF методов, сборник тезисов докладов научной конференции «Ломоносовские чтения (секция физики)», Москва, физический факультет МГУ, 2005, стр 119-122

6 Крамарова H А, Кузнецов Г И, Использование спутниковых измерений TOMS и SBUV для анализа связи озона с особенностями общей циркуляции и солнечной активностью в тропиках, Сборник тезисов Четвертой всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 1317 ноября 2006 г, № 119

7 Kramarova N А , Kuznetsov GI, On Relations Between the Ozonosphere and the General Atmospheric Circulation in Tropics, Eos Trans AGU, 87(36), May-June 2006, Jt Assem Suppl, Abstract A23A-04, A23A-04

8 Крамарова H A, Кузнецов Г И, Исследование долгопериодных вариаций высотного распределения озона в тропиках и связь с элементами глобальной циркуляции и солнечной активностью, сборник тезисов докладов научной конференции «Ломоносовские чтения (секция физики)», Москва, физический факультет МГУ, 2007г, стр 155-157

9 Крамарова H А, Кузнецов Г И, Исследование пространственно-временных особенностей распределения озона и УФ облученности по данным спутниковых наблюдений TOMS 8 и SBUV 8, Статья в сборнике «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» № 14, 2007, Москва, «Макс-пресс», стр 163-176

10 Крамарова НА, Кузнецов Г И, О связи долгопериодных вариаций высотного распределения озона в тропиках с элементами глобальной циркуляции и солнечной активностью, В сборнике тезисов международного симпозиума "Физика атмосферы наука и образование" (11-13 сентября 2007), Санкт-Петербург - Петродворец, стр 249-253

Подписано к печати 42.Н.С 7 Тираж 4СВ Заказ 4Я6.

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Крамарова, Наталья Алексеевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Современные представления о крупномасштабных вариациях озона и УФ радиации.

1.1. Общие характеристики распределения озона.

1.1.1. Типы вертикального распределения озона.

1.1.2. Особенности сезонного распределения озона.

1.2. Об оценках долговременных трендов озона.

1.3. Воздействие солнечной активности на режим озона.

1.4. Связь вариаций озона с динамическими процессами в атмосфере.

1.4.1.Квазидвухлетние вариации параметров стратосферы и содержания озона.

1.4.2. Вариации озона, вызванные интерференционным воздействием годового и квазидвухлетнего циклов.

1.4.3. Воздействие явлений Эль-Ниньо (Ла Ниньо) на режим озона.

1.5. О режиме приземной УФ биологически активной радиации.

1.6. Влияние вулканических извержений на режим озона и УФ радиации.

1.7. Обзор методов, используемых для анализа низкочастотных вариаций озона и УФ радиации.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Крупномасштабные пространственно-временные вариации озона и УФ радиации"

В последнее время большую актуальность приобрели проблемы изменения климата на планете, которые определяются как вариациями и трендами парниковых газов, так и изменениями динамики атмосферы. Озон, являясь естественным трассером динамических процессов в стратосфере, в то же время обладает мощным радиационным потенциалом в этой области и сам влияет на стратосферную динамику. В этой связи, важное значение приобретают задачи, связанные с мониторингом изменений озона и обнаружением причинно-следственных связей между вариациями озона и динамикой.

Озон является малой примесью атмосферы, средняя толщина озонного слоя приведенного к нормальным условиям составляет порядка 0,3 см, Но, несмотря на это, он играет важную роль в динамических, радиационных и химических процессах в атмосфере Земли.

Озоновый слой является биологическим щитом, защищающим землю от негативного влияния жесткого УФ излучения. Практически вся УФ радиация с длиной волны меньше 280 нм (УФ-С область спектра) поглощается озоновым слоем атмосферы и не достигает поверхности земли. Общее содержание озона, структура его вертикального распределения и их изменчивость являются важными факторами, определяющими режим приземной биологически активной УФ-Б радиации (280-315 нм).

Озон обладает мощным радиационным потенциалом, как в УФ области спектра, так и в ИК (полоса 9.6 мкм) и, таким образом, является парниковым газом. Кроме того, озон является ключевым газом во многих химических реакциях, протекающих в различных слоях земной атмосферы.

Наблюдаемое в последние десятилетия уменьшение озона в средних и высоких широтах обоих полушарий в весенний период, привлекает пристальное внимание многих исследователей. Для осредненного по всему земному шару общего содержания озона отрицательный тренд по оценкам различных авторов составляет 2.5% - 3% в десятилетие [Randel et all., 1999; Wang et all, 2002; Fioletov et all, 2002; Tung, Yang, 1994а]. Наконец, следует отметить широко известную проблему истощения озонового слоя над Антарктикой [WMO, 2002].

Уменьшение общего содержания озона приводит к росту уровня приземной биологически активной УФ радиации. По данным работы [Ziemke et all, 2000] отмечается 3-7% положительный тренд в десятилетие в зональных значениях УФ облученности, возрастающий от средних широт к высоким.

Для надежной оценки трендов озона и для понимания механизмов управляющих режимом озона, важно оценить вклад естественных факторов в его крупномасштабную пространственно-временную изменчивость. Основными естественными факторами, вносящими вклад в межгодовую крупномасштабную изменчивость озона, являются солнечная активность (прежде всего 11-ти летний солнечный цикл), процессы глобальной циркуляции (квазидвухлетняя цикличность, явления Эль-Ниньо (Jla-Ниньо)), крупные вулканические извержения, например Пинатубо 1991, Эль-Чичон 1982.

К вопросам изменения климата и, как следствие, изменению условий жизни приковано пристальное внимание общества. В последнее время обсуждаются возможности активного воздействия на геосферу с целью компенсации негативных последствий потепления [Crutzen P.J., 2006]. Для надежного прогноза дальнейших сценариев развития климата и для оценки последствий любого рода активных антропогенных воздействий на геосферу, выходящих за рамки годовой и сезонной изменчивости, необходимо детально изучить механизмы естественной изменчивости крупномасштабных, долговременных геофизических факторов, проанализировать сложные обратные связи между ними.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

1. Проведен сбор и предварительная адаптация данных спутниковых наблюдений TOMS и SBUV последней 8-ой версии. Созданы адаптированные к целям работы базы данных озона и УФ облученности различного временного и пространственного разрешений.

2. Проведено исследование долготно-широтных особенностей сезонной изменчивости ОСО и УФ эритемной облученности в средних широтах Северного полушария (30 с.ш. -60 с.ш.).

3. Изучена межгодовая изменчивость полей ОСО и УФ облученности в высоких широтах Южного полушария (50 ю.ш. -80 ю.ш.) в ноябре - месяце, когда еще наблюдается т. н. «озоновая дыры».

4. На основе созданной адаптированной базы данных вертикальных профилей парциального давления озона впервые исследованы крупномасштабные вариации трехмерного распределения озона в тропической области (30 ю.ш. - 30 с.ш.) и обнаружена связь вариаций озона с воздействием ряда естественных факторов (квазидвухлетний цикл, 11-ти летний солнечный цикл, явления Эль-Ниньо (Jla-Ниньо).

5. Проведено детальное исследование взаимосвязей вертикальной структуры КДЦ колебаний озона с вертикальной структурой зонального ветра в области озонного максимума (10-50 гПа) на экваторе за 15 летний период. Проведена оценка влияния квазидвухлетних вариаций озона на вертикальное распределение УФ радиации в нижней стратосфере.

6. Предложена и апробирована регрессионная модель для расчета долготно-широтных полей среднемесячных значений общего содержания озона в тропиках, основанная на использовании векторов разложения по Естественным Ортогональным Функциям (ЕОФ анализа).

7. Исследованы крупномасштабные вариации долготно-широтных полей приземной УФ эритемной облученности в тропической области (30 ю.ш. - 30 с.ш.). Обнаружена связь вариаций УФ облученности с воздействием квазидвухлетнего и 11-ти летнего солнечного циклов.

Основные методы и средства решения: 1. Для решения поставленных задач на базе спутниковых измерений TOMS и SBUV созданы адаптированные базы данных озона и УФ облученности для трех регионов: а) область средних широт Северного полушария (30 с.ш. -60 с.ш.), отличающаяся большой сезонной изменчивостью озона и УФ радиации. На основе данных TOMS за 2000 год была создана база данных ежедневных долготно-широтных (2° ш. х 10° д.) полей ОСО и УФ эритемной облученности для исследования пространственно-временных закономерностей сезонных вариаций озона и УФ радиации. Предварительно ряды данных были нормированы на среднегодовые значения. б) область южных широт, включая область Антарктиды, (50 ю.ш. -80 ю.ш.), где в последние десятилетия в весенний период наблюдаются аномальные изменения озона и УФ радиации (т.н. «озоновая дыра»). Для исследования крупномасштабных закономерностей межгодовых вариаций озона и УФ радиации была создана база долготно-широтных (2° ш. х 5° д.) полей среднемесячных значений ОСО и УФ эритемной облученности для ноября за 25 лет (1978 - 2002 гг.). Средние многолетние для ноября значения ОСО и УФ облученности за 25 лет были удалены из исходных полей. в) область экваториальных и тропических широт (30 ю.ш. -30 с.ш.) - основной источник атмосферного озона, в которой сезонная и пространственная изменчивость озона и УФ облученности, а также влияние мелкомасштабной циркуляционной активности менее выражены, что позволяет более точно выделять вклады воздействий крупномасштабных явлений циркуляции атмосферы и солнечной активности. Отклики крупномасштабных атмосферных процессов, протекающих в тропическом регионе, обнаруживаются и в вариациях озона в высоких широтах. Поэтому в настоящей работе большое место отведено исследованию крупномасштабных вариаций озона и УФ радиации в тропиках. Для этих исследований создано несколько специализированных баз данных, в числе которых:

1 две базы данных долготно-широтных полей (2°ш. х 40°д.) среднемесячных значений общего содержания озона за 25 летний период (январь 1979 - декабрь 2003 г.г.) по данным TOMS и SBUV; база данных среднемесячных долготно-широтных полей (2° ш. х 40° д.) эритемной облученности за период ноябрь 1978-июль 2003 гг. по данным TOMS. адаптированная база среднемесячных значений парциального давления озона на 15 высотных уровнях на регулярной долготно-широтной сетке (2° ш. х 40° д.) за 25 летний период (1979-2003 гг.) по данным спутниковых измерений SBUV.

Предварительно из исходных рядов данных в тропиках был удален средний многолетний сезонный ход и линейный тренд.

2. Для анализа пространственно-временных особенностей полей озона и УФ облученности в работе применяется один из современных методов статистической обработки полей геофизических параметров - метод разложения по Естественным Ортогональным Функциям (ЕОФ), широко используемый в последнее время в различных геофизических задачах Щианский, 1998; Camp et al, 2003].

3. Для расчета потоков УФ радиации в экваториальной области использовался модифицированный автором радиационный комплекс для расчета потоковых и яркостных характеристик УФ радиации. В состав комплекса входит несколько радиационных моделей, рассчитывающих радиационные характеристики различными методами, что дает возможность внутренней верификации расчетов. Проведена апробация расчетного комплекса по экспериментальным данным спектральных потоков УФ радиации на Кисловодской Высокогорной Научной Станции (КВНС). Радиационный комплекс использован для уточнения входных параметров радиационного блока модели среднесрочного прогноза погоды Гидрометцентра России.

Научная новизна

Впервые, на основе указанного выше комплекса методик и созданных адаптированных баз данных, исследована пространственно-временная структура изменчивости озона в ключевых поясах озоносферы: средние широты Северного полушария, высокие широты Южного полушария (период «антарктической озоновой дыры») и в тропической области.

Адаптированная база среднемесячных значений парциального давления озона на 15 высотных уровнях на регулярной долготно-широтной сетке за 25 летний период (1979-2003 гг.) по данным спутниковых измерений SBUV была создана впервые. На ее основе впервые проведено исследование трехмерных полей озона в тропиках с помощью ЕОФ метода.

Впервые выявлены характерные пространственные и временные структуры в полях аномалий трехмерного распределения озона, тесно связанные с естественными факторами, такими как 11-ти летний солнечный цикл, квазидвухлетняя цикличность, явления Эль-Ниньо (Jla-Ниньо). Впервые выполнено детальное исследование вертикальной структуры распределения озона над экватором в слое озонного максимума и проанализированы пространственные, фазовые и временные соотношения между вариациями озона и зонального ветра в соответствующих квазидвухлетних циклах.

Обнаруженные оригинальные пространственные, временные и фазовые соотношения исследуемых полей изменчивости озона с некоторыми гео- и гелиофизическими факторами использованы в разработанной регрессионной модели для оценки полей среднемесячных значений содержания озона в тропиках, основанной на векторах ЕОФ разложении и проведена оценка точности прогнозов.

Впервые проведен анализ крупномасштабных вариаций долготно-широтных полей УФ облученности с помощью ЕОФ метода.

Научная и практическая значимость

Полученные пространственные, временные и фазовые соотношения между крупномасштабными вариациями трехмерных полей озона и рядом гео- и гелиофизических факторов в тропиках и разработанная на этой основе регрессионная модель могут использоваться в прогностических схемах для оценки и уточнения межгодовых вариаций и долговременных трендов озона.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования долготно-широтной структуры сезонной изменчивости ОСО и УФ эритемной облученности в средних широтах Северного полушария.

2. Результаты исследования долготно-широтной структуры межгодовой изменчивости полей ОСО и УФ облученности (1978-2002 гг.) в ноябре (в период «озоновой дыры») в области высоких широт Южного полушария, в том числе обнаруженные пространственные и временные особенности в вариациях ОСО и УФ облученности, тесно связанные с динамическими процессами атмосферы (циркумполярный вихрь и его разрушение, квазидвухлетняя цикличность).

3. Пространственные, временные и фазовые закономерности крупномасштабных вариаций трехмерного распределения озона в тропической области (30 ю.ш. - 30 с.ш.) и их связь с квазидвухлетним циклом, 11-ти летний циклом солнечной активности и явлениями Эль-Ниньо (Ла-Ниньо).

4. Разработка и верификация регрессионной модели для оценки долготно-широтных полей среднемесячных значений общего содержания озона в тропиках, основанная на векторах ЕОФ метода.

5. Пространственные, временные и фазовые закономерности крупномасштабных вариаций долготно-широтных полей УФ эритемной облученности в тропической области (30 ю.ш. - 30 с.ш.), связанные с воздействием квазидвухлетнего и 11-ти летнего солнечного циклов.

6. Результаты исследования вертикальной структуры квазидвухлетних колебаний озона в сравнении с вертикальной структурой зонального ветра в области озонного максимума (10-50 гПа) на экваторе за 15 летний период. Обнаруженное постоянство фазы квазидвухлетних колебаний озона по высоте в области озонного максимума (1050 гПа) и сдвиг ее относительно квазидвухлетних вариаций зонального ветра. Оценка влияния квазидвухлетних вариаций озона на величину УФ радиации в экваториальной области.

Личный вклад. Все представленные в работе результаты получены при непосредственном участии автора.

Апробация работы Результаты представленные в диссертации докладывались на ряде Международных и Всероссийских конференций: Международном Симпозиуме стран СНГ по Атмосферной Радиации (Санкт-Петербург 2004; Санкт-Петербург 2006); Всероссийской школе - конференции молодых ученых "Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты" (Москва, 2004; Борок, 2005; Москва, 2006; Нижний Новгород 2007); Научной конференции «Ломоносовские чтения (секция физики)» (Москва 2005; Москва, 2007); Европейской школе-конференции для молодых ученых European Research Course on Atmospheres ERCA (Гренобль, Франция, 2006); Ежегодной Ассамблее Американского геофизического общества AGU (Балтимор, США, 2006); Второй конференции молодых ученых национальных гидрометслужб государств участников СНГ (Москва, 2006); Четвертой открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2006); Международном симпозиуме «Физика атмосферы: наука и образование», (С.Петербург, Петродворец, 2007); Всероссийской конференции "Развитие системы мониторинга состава атмосферы" (Москва, 2007).

По теме диссертации опубликовано: 3 статьи, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК); 20 работ в сборниках трудов и тезисов Всероссийских и Международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Объем диссертации составляет 125 страниц, включая 36 рисунков и список литературы на 132 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Крамарова, Наталья Алексеевна

Основные выводы диссертационной работы:

1. Проведен анализ долготно-широтной структуры сезонной изменчивости общего содержания озона (ОСО) и УФ эритемной облученности в средних широтах Северного полушария. Обнаружены долготные структуры в сезонном распределении ОСО, связанные с барическими гребнями и ложбинами. Проведена оценка вкладов солнечной инсоляции и динамических факторов в сезонную изменчивость исследуемых величин.

2. Исследования долготно-широтной структуры межгодовой изменчивости полей ОСО и УФ облученности в ноябре в высоких широтах Южного полушария за 25-ти летний период показали тесную связь вариаций исследуемых величин с динамическими процессами (циркумполярный вихрь и его разделение, квазидвухлетняя цикличность).

3. С помощью ЕОФ анализа на основе сформированных в работе баз данных обнаружены и исследованы пространственные, временные и фазовые закономерности крупномасштабных вариаций озона в тропической области (30 ю.ш. - 30 с.ш.). Показано, что порядка 70-80% крупномасштабной изменчивости озона в тропиках связано с естественными факторами, (11-ти летний цикл солнечной активности, квазидвухлятняя цикличность, колебания с периодом порядка 20.4 месяцев, явления Эль-Ниньо (JIa-Ниньо)). Вклад перечисленных факторов в изменчивость озона зависит от высоты, широты и долготы. ЕОФ анализ аномалий ОСО в тропиках показал, что 3136% долговременной изменчивости ОСО связано с КДЦ, 25% - с 11-ти летним солнечным циклом, 15 % - с КДГЦ, 4% - с явлениями Эль-Ниньо (JIa-Ниньо). Вариации озона, связанные с КДЦ, происходят в противофазе в субтропической и экваториальной зонах с границей смены фазы на 10° широты в обоих полушариях. Максимальные амплитуды вариаций озона, связанных с 11-ти летним солнечным циклом, наблюдаются на экваторе и уменьшаются к субтропикам. Колебания озона с периодом около 20,4 месяца, представляющие собой интерференцию годового и квазидвухлетнего цикла, происходят в противофазе в северном и южном полушариях. В поле аномалий ОСО, связанных с явлениями Эль-Ниньо (JIa-Ниньо), четко выделяется дипольная структура в области Тихого океана.

4. Разработана регрессионная модель для оценки среднемесячных значений ОСО в тропиках, основанная на ЕОФ разложении. На ее основе проведены прогностические расчеты полей среднемесячных значений ОСО для периода январь 2004 - март 2005 гг., сравнение их с результатами измерений TOMS показало хорошее соответствие, относительное отклонение модельных оценок от измеренных величин лежит в пределах 2-6% и лишь в субтропиках может достигать 10%.

5. Проведено исследование пространственных, временных и фазовых закономерностей крупномасштабных вариаций долготно-широтных полей УФ эритемной облученности в тропиках. ЕОФ анализ показал, что 12% крупномасштабной изменчивости УФ облученности в тропиках связано с квазидвухлетним циклом, а 9,5% изменчивости - с 11-ти летним циклом солнечной активности.

6. Исследование вертикальной структуры квазидвухлетних колебаний озона в сравнении с вертикальной структурой зонального ветра в области озонного максимума (10-50 гПа) на экваторе за 15 летний период обнаружило постоянство фазы квазидвухлетних колебаний озона по высоте в области озонного максимума (10-50 гПа) и сдвиг ее относительно квазидвухлетних вариаций зонального ветра. Взаимно корреляционный анализ профилей озона и зонального ветра обнаружил линейную зависимость временного сдвига между вариациями озона и зонального ветра от высоты. Так на уровне 32 км колебания озона отстают от колебаний зонального ветра на 6-7 месяцев, на высоте 26 км временного сдвига не наблюдается, а на 20 км вариации озона опережают ветер на 4 месяца. Проведена оценка влияния квазидвухлетних вариаций озона на величину потоков УФ радиации в экваториальной области.

Заключение.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Крамарова, Наталья Алексеевна, Москва

1. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.Л., Хргиан А.Х., Озонный щит Земли и его изменения, С-Птб. Гидрометеоиздат, 1992, стр. 287.

2. Аллен К.У., 1977: Астрофизические величины. //М: Мир.

3. Атмосфера. Справочник, (справочные данные, модели) //Л. Гидрометеоиздат. Под редакцией Седунова Е.С., Петрова Н.Н., Борисенкова Е.Н., 508 стр., 1991.

4. Бекорюков В.И., Бугаева И.В., Захаров Г.Р., Кошельков Ю.П., Криволуцкий А.А., Тарасенко Д.А., Исследование параметров Азорского антициклона, влияющих на вариации озона в Западной Европе \\ Известия РАН, ФАО, т.31, №1, стр. 41-45, 1995.

5. Бекорюков В.И., Захаров Г.Р., Куколева А.А., Фиолетов В.Э., О связи областей аномально низкого содержания озона с барической ситуацией\\ Метеорология и гидрология, 1990, № 12, с. 103-105.

6. Борисов Ю.А., Хаттатов В.У., Юшков В.А., Аномалии в общем содержании и высотном распределении атмосферного озона в 1991-1993 гг., т. 31, №1, стр. 26-33, 1995.

7. Ван де Хюлст Г., 1961: Рассеяние света малыми частицами. //М. Издательство иностранной литературы.

8. Вишератин К.Н., Межгодовая изменчивость и тренды в рядах зональных значений общего озона, температуры и зонального ветра, Изв. АН, серия «Физика атмосферы и океана», 2007, т. 43, №4, с.502-520.

9. Волкова Е.В., Чубарова Н.Е., Влияние различных атмосферных параметров на ультрафиолетовую и биологически активную радиацию, Изв. АН, серия Физика атмосферы и океана, 1995, т. 31, №4, с.531-539.

10. Гермогенова Т.А., О решение уравнения радиационного переноса с сильно анизотропным рассеянием, Доклады АН СССР, 1957, т. 113, с. 297-300.

11. Гордов Е.П., Родимова О.Б., Фазлиев А.З., Атмосферно-оптические процессы: простые нелинейные модели, Томск, издательство ИОА СО РАН, 2002, стр.251.

12. Груздев А.Н., Безверхний В. А., Квазидвухлетние вариации озона и метеопараметров над Западной Европой по данным озонного зондирования// Известия РАН, ФАО, т.42, №2, стр. 234-236, 2006.

13. Груздев А.Н., Безверхний В.А., Квазидвухлетняя цикличность в атмосфере над Северной Америкой по данным озонозондов // Известия РАН, ФАО, т.41, №1, стр. 3650,2005.

14. Груздев А.Н., Ситнов С.А. Характеристики внутригодовой изменчивости вертикального распределения озона по данным озонозондов\\ Известия РАН, ФАО, т.31, №1, стр. 69-76,1995.

15. Данилин М.Ю., Кузнецов Г.И., О влиянии кратковременных вариаций солнечной радиации на атмосферный озон// Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1987, т.23, № 8, стр. 830-838.

16. Дейрменджан Д., Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами, Москва, Мир, 1971.

17. Дианский Н.А., Временные связи и пространственные формы совместных мод аномалий высоты изобарической поверхности 500мб и температуры поверхности океана зимой в Северной Атлантике// Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 1998, т. 34, №2, стр. 197—213.

18. Еланский Н.Ф., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П., Воздействие вулканических извержений на стратосферный аэрозольный слой // Докл. АН СССР, т. 294, №5, с. 1077-1081,1987.

19. Еланский Н.Ф., Кожевников В.Н., Кузнецов Г.И., Волков Б.И.: О влиянии орографических возмущений на перераспределение озона на примере обтекания Антарктического полуострова, Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 2003, т. 39, № 1,стр. 105-120.

20. Зумана Бамба, Нгуен-Ван Тханг, Кузнецов Г.И., О режиме квазидвухлетней цикличности в содержании атмосферного озона, МГУ физический факультет депонент ВИНИТИ, 18.12.1987, № 1589-В88, стр. 1-22.

21. Крамарова Н.А., Воздействие некоторых гео и гелиофизических факторов на изменчивость полей озона и УФ облученности в тропиках // Известия РАН, серия «Физика атмосферы и океана», т.44, № 1,2008, (в печ.).

22. Крамарова Н.А., Кузнецов Г.И.: Исследование связи долговременных вариаций общего содержания озона и УФ-облученности с общей циркуляцией в тропической области, Вестник Московского Университета, серия «Физика и Астрономия», № 3, 2006,стр.71-77.

23. Криволуцкий А.А., Кидияров В.Г., Иванова И.Н., Глазков В.Н., Фомина Н.Н., Проявление процессов солнечной активности в озоносфере земли// Известия РАН, ФАО, т.31, №1, стр. 53-56, 1995.

24. Кузнецов Г.И. Исследование связи атмосферного озона с некоторыми гео- и гелиофизическими факторами, Труды VI Всес. симп., Атмосферный озон. 1987. Ленинград. Гидрометеоиздат. стр. 209-217.

25. Кузнецов Г.И., Атмосферный озон над тропическим поясом Атлантического океана, Доклады АН СССР, 1966, т. 171, №3, стр.587-589.

26. Кузнецов Г.И., Курбанов И.О., Влияние вулканических извержений на спектральное УФ альбедо земной атмосферы// Известия РАН, ФАО, т. 31, № 1, с. 133137,1995.

27. Кузнецов Г.И., О некоторых связях между общей циркуляцией и озоном атмосферы. Известия АН СССР, серия Геофизическая, 1961, № 3, стр. 467-477.

28. Кузнецов Г.И., Хргиан А.Х., Общие черты распределения озона в атмосфере от МГГ до МГСС, Метеорология и гидрология, 1968, №3, стр. 24-38.

29. Ларин И.К., Химия озонового слоя и жизнь на Земле// Химия и жизнь, 2000, №7, стр. 10-15.

30. Ленобль Ж., Под. ред. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих средах, Л. Гидрометеоиздат, 1990, 264с.

31. Мазин И.П., Хргиан А.Х., Облака и облачная атмосфера. Справочник. //Л.: Гидрометеоиздат. 1989:

32. Марчук Г.И. (ред), Михайлов Г.А., Назарлиев М.А., Каргин Б.А., Елепов Б.С., Метод Монте-Карло в атмосферной оптике, Наука, Новосибирск, 1976,215 стр.

33. Мицель А.А., Фирсов К.М., Фомин Б.А., 2001: Перенос оптического излучения в молекулярной атмосфере. //Томск. Российская Академия Наук. Сибирское отделение. Институт оптического мониторинга.

34. Нерушев А.Ф., Воздействие тропических циклонов на озоносферу\\ Известия РАН, ФАО, т.31, №1, стр. 46-52,1995.

35. Николайшвили С.С., Поливанский В.П., Вопросы физики раектора, Атомиздат, 1972, №5, с. 64.

36. Никулин Г.Н., Репинская Р.П., Модуляция Арктическим колебанием аномалий общего содержания озона в средних широтах Северного полушария// Известия РАН, ФАО, т. 37, № 5, стр. 681-691,2001.

37. Перов С.П., Хргиан А.Х., Современные проблемы атмосферного озона, JI. Гидрометеоиздат, 1980,288с.

38. Погосян Х.П. Сезонные и внутрисезонные изменения температуры, геопотенциала и атмосферной циркуляции в стратосфере. М., «Наука», 1965.

39. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет, ГИТТЛб Москва 1956,292 с.

40. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет, Наука, Москва, 1972, 336 стр.

41. Стржижовский А.Д., Дьяконов А.С., Белоусов В.В., Медико-биологические эффекты естественного УФ-излучения: глобальные эффекты разрушения озонового слоя, Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1991, т. 25, №4, с.4-10.

42. Фейгельсон, Е.М., Под ред. Радиация в облачной атмосфере, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1981,280 с.

43. Хргиан А. X., Кузнецов Г. И. Меридиональная циркуляция атмосферы и планетарный перенос атмосферного озона.— «Геофиз. бюлл. МГК», 1962, № 11, стр. 3—11.

44. Хргиан А. X., Кузнецов Г. И., Кондратьева А. В. Исследования атмосферного озона.— В кн.: Метеорологические исследования. М., «Наука», 1965.

45. Хргиан А. X., Нгуэн Тхи-Киен. Некоторые особенности атмосферного озона в тропической зоне.— «Вестн. Моск. ун-та, сер. Физика», 1975, № 4,452—459.

46. Хргиан А.Х., Кузнецов Г.И. Атмосферный озон, его вариации и геофизические связи, в кн. «Взаимодействие в системе литосфера-гидросфера-атмосфера». Москва, «Недра», 1996, стр. 241-267.

47. Хргиан А.Х., Кузнецов Г.И., Проблемы наблюдений и исследований атмосферного озона, М. Издательство Московского университета, 1981, 216 стр. (монография).

48. Хргиан А.Х., Физика атмосферного озона, Л. Гидрометеоиздат, 1973,216с.

49. Хргиан А.Х., Физика атмосферы, М. Гос. изд, технико-теоретической литературы, 1953,456с.

50. Шаламянский А. М., Ромашкина К. И. Распределение и трансформация общего содержания озона в различных воздушных массах. Известия АН, серия «Физ. атмосф. и океана», 1980, т. 16, № 12,1258—1267.

51. Armerding, Comes, Schulke, "O('D) quantum yields of ozone photolysis in the UV from 300 nm to its threshold and at 355 nm", J. Phys. Chem., v.99,1995, p. 3137-3143.

52. Arola A., S. Kazadzis, N. Krotkov, A. Bais, J. Grobner, J. R. Herman // Assessment of TOMS UV bias due to absorbing aerosols // J. Geoph, Res. v. 110, D23211, doi: 10.1029/2005JD005913, 2005.

53. Baldwin M.P., Gray L.J., Dunkerton T.J. at all ,The quasi-biennial oscillation, Rev. of Geophys., 2001, v. 39, N 2. P. 179-229.

54. Bass, A.M., and R.J.Paur, The Ultraviolet Cross Sections of Ozone. I. Measurements, in Atmospheric Ozone, Proceedings of the Quadrennial Ozone Symposium in Halkidiki, Greece, 1985, p.606-616.

55. Bhartia P.K., McPeters R.D., Mateer C.L., Flynn L.E., Wellemeyer C., Algorithm for estimation of vertical ozone profiles from the backscattered ultraviolet techniqueW J. Geoph. Res. v. 101, D13, p. 18,793-18,806, 1996.

56. Bojkov R.D., Fioletov V.E., Estimating the global ozone characteristics during the last 30 years, J. Geophys. Res., 100,16537-16552,1995.

57. Bojkov R.D., Zerefos C., Balis D., Zioman I., Bais A., Record low total ozone during northern winters of 1992 and 1993// Geophys. Res. Let. V. 20, p. 1351-1354, 1993.

58. Camp C.D., Roulston M.S., Yang Y.L., Temporal and spatial patterns of the interannual variability of total ozone in the tropics// J. Geophys. Res. 2003. v. 108, N D20.

59. Cess R.D., Zhang M.H., Zhou Y., Jing X., Dvortsov V.; Absorption of solar radiation by clouds: interpretation of satellite, surface, and aircraft measurements, Geophysical research, vol. 101, no. D18, p. 23,299-23,309, October 27,1996.

60. Coakley, Cess, Yurevich, "The effect of tropospheric aerosols on the Earth's radiation budget: a parameterization for climate models", J. Atm. Sci ,v.40, 1983, p. 116-138.

61. Crutzen P.J., Albedo enhancement by stratospheric sulfur injection: a contribution to resolve a policy dilema// An editorial essay, Climate Change, doi: 10.1007/sl0584-006-9101-y, 2006

62. Danilin M.Y., Kouznetsov G.I. Internal gravity waves' influence on the terrestrial stratosphere, Annales Geophysicae. 1991. v. 9. P. 387-392.

63. Dave J.E., Halpern P., "Effect of changes in ozone amount on the ultraviolet radiation received at sea level of a model stratosphere", Atmos. Envirop., v. 10, N7, pp. 547-555,1976.

64. Erie F., Pfeilsticker K., Piatt U. On the influence of tropospheric clouds on zenith-scattered-light measurements of stratospheric species, Geophysical Research letters, vol.22, no 20, p.2725-2728, October 15,1995.

65. Fioletov V.E., Shepherd T.G., Seasonal persistence of midlatitude total ozone anomaliesW Geoph. Res. Lett., v. 30, N7,doi 10.1029/2002GL016739,2003.

66. Frederick J.E., Xufeng N., Hilsenrath E., An approach to the detection of long-term trends in upper stratospheric ozone from space, Journal of atmospheric and oceanic technology, vol. 7, no. 5, October 1990.

67. Geleyn J.F., Hollingsworth A.W An economical analytical method for the computation of the interaction between scattering and line absorption radiationW Contribution in Atmospheric Physics v.52,1979, p. 1-16.

68. Gray L.J., Dunkerton T.J., The role of the annual cycle in the quasi-biennial oscillation of ozone, J. Atmosp. Sci., v. 47, pp. 2429-2451,1990.

69. Gruzdev A.N. Possible changes in the dose of biologically active ultraviolet radiation received by the biosphere in the summertime Arctic due to total ozone interannual variability // The Science of the Total Environment 1995. V. 160/161. P. 669-675.

70. Gruzdev A.N., Bezverkhny V.A., Two regimes of quasi-biennial oscillation in the equatorial stratospheric wind// J. Geoph. Res. v. 105, N0 D24, p. 29,435-29,443,2000.

71. Herman J. R., N. Krotkov, E. Celarier, D. Larko, G. Labow //Distribution of UV radiation at the Earth's surface from TOMS-measured UV-backscattered radiances// J. Geoph. Res., v. 104, NO. D10,pp. 12,059-12,076,1999.

72. Herman J.R., Piacentini R.D., Ziemke J, Celarier E., Larko D. Interannual variability of ozone and UV-B ultraviolet exposure, J. Geoph. Res., 2000, vol. 105, N D23, p. 29,18929,193.

73. Hoffman D.J., Solomon S., Ozone destruction through heterogeneous chemistry following the eruption of the El Chicon// J. Geophys. Res. V. 94, p. 5029-5041,1989.

74. Hsu C. N., McPeters R.D., Seftor C. J., Thompson A.M.W Effect of an improved cloud climatology on the total ozone mapping spectrometer total ozone retrievalW Journal of Geophysical Research, v. 102, N D4,1997, pp 4247-4255.

75. Jiang X., Jones D., Shia R., Waliser D., Yang Y. Spatial patterns and mechanisms of the quasi-biennial oscillation-annual beat of ozone, J. Geoph. Res., V. 110, N D23, p. D23308.l-D23308.15,2005.

76. Joseph J.H., Wiscombe W.J., Weinman J.A.//The delta-Eddington approximation for radiative flux transfer//J. Atmosph. Sci. v. 33, p. 2452-2459,1976.

77. Karp A.H., Greendstadt J., Fillmore J.A., Radiative transfer through an Arbitrarily thick, Scattering Atmosphere, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer v.26, 1980, pp 391-406.

78. Karp A.H., Petrack S., On the Spherical Harmonics and Discrete Ordinates Methods for Azimuth Dependent Intensity Calculations, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer v.30, 1983, pp351-356.

79. Kawa S.R., Anderson D.E., Assessing of impact of aircraft emissions on the stratosphere, SPARC, newsletter nl3, p.21-26, July 1999.

80. Keckhut P, Chanin M.L., Middle atmosphere response to the 27 day solar rotation as observed by lidar// Geoph. Res. Lett., v. 19, N 8, p. 809-812,1992.

81. Kerr J.B., Wardle D.I., Tarasik D.W., Record low ozone values over Canada in early 1993// Geoph. Res. Lett. V. 20, p. 1979-1982,1993.

82. Kylling A., Bais A.F., Blumthaler M., Schreder J., Zerefos C.S., Kosmidis E., Effect of aerosols on solar UV irradiances during the Photochemical Activity and Solar Ultraviolet Radiation campaign, J. Geoph. Res., v. 103, p. 26051-26060,1998.

83. Lean J., Solar ultraviolet irradiation variations \\ J. Geoph. Res., 1987, v.92, p. 839868.

84. Lenoble J, Brogniez C.W A comparative review of radiation aerosols modelsW Beitr. Phys. Atmosph., v. 57, N 1,1984, pp. 1-20.

85. McCormack J.P., Hood L.L., Apparent solar cycle variations of upper stratospheric ozone and temperature: latitude and seasonal dependence // J. Geoph. Res., v. 101, N D15, p. 20,933-20,944,1996.

86. McKenzie, R.L., W.A. Matthews and P.V. Johnston, The relationship between erythemal UV and ozone, derived from spectral irradiance measurements, Geophys. Res. Lett., 1991, vol. 18, No 12, p. 2269-2272.

87. Nash E.R., Newman P.A., Rosenfield J.E., Schoeberl M.R., An objective determination of the polar vortex using Ertel's potential vorticity, J. Geoph. Res, 101, 94719478,1996.

88. Newman P.A., Gleason J.F., McPeters R.D., Stolarski R.S., Anomalously low ozone over the Antarctic, Geophys. Res. Letter, 24,2689-2692,1997.

89. Nishii K., Nakamura H. Tropospheric Influence on the diminished Antarctic ozone hole in September 2002// Geophys. Res. Let. 2004.31. L16103. (doi.T0.1029/2004 GLO 19532,2004).

90. Pollack J.B., Toon O.B., Summers A., Van Camp W., Baldwin B.W Estimates of the global impact of aerosols produced by space shuttles, SST's and other high flying aircraftW Journal of Applied Meteorology, v.15,1976, pp. 247-258.

91. Poon P.T.Y., Ueno S.W Algebraic recurrence relations for the finite-order scattering and transmission functionsW J. Quant. Radiat. Transfer., v. 14,1974, pp 85-92.

92. Ramanathan K.R., Bi-annual variation of atmospheric ozone over the tropic, Q. J. R. Meteorol. Soc., v.89,p. 540-542,1963.

93. Randel W.J., Stolarski R.S., Cunnold D.M., Logan J.A., Newchurch M.J., Zawodny J.M., Trends in the vertical distribution of ozone, Science review, v. 285,1999, p. 1689-1692.

94. Reinseil G.C., Tiao G.C., DeLuisi J.J., Basu S., Carriere K.W Trend analysts of aerosol-corrected Umkehr ozone profile data through 1987W Journal of Geophysical Research, v. 94, N D13,1989, pp 16373-16386.

95. Sabburg J., Wong J., The effect of clouds on enhancing UVB irradiance in the Earth's surface, Geoph. Res. Let., v. 27, pp 3337-3340,2000.

96. Sabziparvar A.A., Piers M. de F. Forster, Shine K.P., Changes in ultraviolet radiation due to stratospheric and tropospheric ozone changes since preindustrial times, Geophysical Research, vol. 103, no. D20, p. 26,107-26,113, October 27, 1998.

97. Schaller "A delta-two-stream approximation in radiative flux calculations", Contr. Atm. Phys., v.52, N 1,1979, p. 17-26.

98. Slingo A., Scherecker H.M.: On the shortwave radiative properties of stratiform water clouds. //Quatr.J.Roy.Meteor.Soc., v.l 13, pp. 407-426.1982

99. Slingo A.,: A GSM parametrisation for the shortwave radiative properties of water clouds. //J.Atmos.Sci., v. 46, N10, pp. 1419-1427. 1989.

100. Soukharev B.E., Hood L.L., Solar cycle variation of stratospheric ozone: Multiple regression analysis of long-term satellite data sets and comparison with model, J. Geoph. Res., v. Ill,pp. D20314-D20332, doi 10.1029/2006JD007107,2006.

101. Toon O.B., Pollack J.B.// A global average model of atmospheric Aerosols for radiative transfer calculationsW Journal of Applied Meteorology, v. 15,1976, pp. 225-246.

102. Toon, Mckay, Ackerman, Santhanam, "Rapid calculation of radiative heating rates and photodissociation rates in inhomogeneous multiple scattering atmospheres", JGR, v. 94, 1989, ND13, p. 16287-16301.

103. Tung K., Yang H., Global QBO in circulation and ozone part I, reexamination of observational evidence, J. Atmos. Sci., 51,2699-2707,1994a.

104. Tung K., Yang H., Global QBO in circulation and ozone part II, A simple mechanictic model, J. Atmos. Sci., 51,2708-2721,1994b.

105. Wang H.J., Cunnold L.W., Thomason J.M., Zawodny J. M., Bodeker G. E. Assessment of SAGE version 6.1 ozone data quality // J. Geophys. Res. 2002. v. 107, N D23 P.4691-4709.

106. Waugh D.W., Randel W.J., Pawson S., Newman P.A., Nash E.R., Persistance of the lower stratospheric polar vortices, J. Geophys. Res., 104,27191-27201,1999.

107. Weinman, HarshvardhanW Solar reflection from a regular array of horizontally finite cloudsW Applied Optics, v. 21N 16,1982,2940-2944.

108. Wen G., Frederic J.E., Ozone within the El Chichon aerosols cloud inferred from solar backscatter ultraviolet continuous scan measurements// J. Geophys. Res. V. 99, N Dl, p. 1263-1271,1994.

109. Whitney C., Efficient stream distributions in radiative transfer theory, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Tranfer., vol.14, p.591-611,1974.

110. Wiscombe J., Weinman, "The Delta-Eddington approximation for radiative flux transfer", J. Atm. Sci., v. 33,1976, p. 2452-2459.

111. WMO, Global ozone Research and Monitoring Project, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002, report N 47.

112. Yang H. Tung K. On the phase propagation of extratropical ozone quasi-biennial oscillation in observational data//J. Geophys. Res. 1995. v. 100, N D5. P. 9091-9100.

113. Yung Y.L., Jiang Y., Liao H., Gerstell M.F., Enhanced UV penetration due to ozone cross-section changes induced by C02 doubling, Geophysical Research letters, vol.24, no24, p.3229-3231, December 15,1997.

114. Zdunkowski W.G., Panhans W.G., Welch R. M., Korb G. J.W A radiation scheme for circulation and climate models // Beitr. Phys. Atmosph., v. 55, N 3,1982, pp. 215-238.

115. Zdunkowski W.G., Welch R. M., Korb G.W An investigation of the structure of typical two stream-methods for the calculation of solar fluxes and heating rate in cloudW Contribution in Atmospheric Physics v.53, 1980, p. 147-166.

116. Zhou S.T., Gelman M.E., Miller A .J., McCormack J.P., An inter-hemisphere comparison of the persistence stratospheric polar vortex, Geoph. Res. Letter, 27,1123-1126, 2000.

117. Ziemke J. R., Chandra S., Herman J., Varotsos C., Erythemally weighted UV trends over northern latitudes derived from Nimbus 7 TOMS measurments// J. Geophys. Res. V. 105, ND6, p. 7373-7382,2000.

118. Ziemke J. R., Chandra S., La Nina and El Nino induced variabilities of ozone in the tropical lower atmosphere during 1970 2001, Geoph. Res. Let. 2003. vol. 30, N 3, p. 11421145.

119. В заключении хочу выразить глубокую признательность своему научному руководителю доценту Кузнецову Геннадию Ивановичу.

Информация о работе

Крамарова, Наталья Алексеевна
кандидата физико-математических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.29

Диссертация

Крупномасштабные пространственно-временные вариации озона и УФ радиации - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы