Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Модельное исследование влияния незональных неоднородностей концентрации озона на газовый состав и тепловой режим атмосферы

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Модельное исследование влияния незональных неоднородностей концентрации озона на газовый состав и тепловой режим атмосферы"

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет»

004613446 УДК 551.510.534

Моцаков Максим Анатольевич

МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕЗОНАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА НА ГАЗОВЫЙ СОСТАВ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРЫ

25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2010

1 8 НОЯ 2010

004613446

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет».

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор

Смышляев Сергей Павлович. Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор

Егоров Александр Дмитриевич Кандидат физико-математических наук

Кузьмина Светлана Игоревна Ведущая организация:

Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского.

Защита диссертации состоится « 9 » декабря 2010 года в 15 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д.212.197.01 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, дом 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан « ^ » ноября 2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.197.01 доктор географических наук, профессор

А.И.Угрюмов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Состав и структуру атмосферы Земли определяет ряд астрономических, геофизических, метеорологических и антропогенных факторов. Механизм воздействия этих факторов имеет крайне неоднородную пространственно временную структуру. Наибольшие неоднородности в атмосфере Земли прослеживаются при рассмотрении вертикальных профилей метеорологических параметров, что в значительной степени, определено логарифмическим характером кривой изменения плотности воздуха с высотой. А также малой толщиной слоя атмосферы по отношению к ее горизонтальной протяженности, следствием чего является факт наличия вертикальных градиентов метеорологических параметров несравнимых по величине с горизонтальными.

Широтные (вдоль меридиана) неоднородности атмосферы намного менее выражены в сравнении с вертикальными но, тем не менее, они также играют одну из определяющих ролей в формировании состава и структуры атмосферы. Так как, именно через них проявляет себя такой важнейший фактор как неравномерное распределение энергии солнца с широтой.

Природа возникновения незональных возмущений в атмосфере носит в основном волновой характер, где отклонение от среднезоналыюго значения возникает как следствие проявления глобальной волны в поле рассматриваемого параметра. Но кроме волновой природы имеют место также такие механизмы как, основные моды циркуляции, влияние неоднородной подстилающей поверхности, антропогенные воздействия, местные особенности климата. Долготные (вдоль круга широты) неоднородности атмосферы наименее выражены в атмосфере, следствием чего, зачастую, является пренебрежение ими в вопросах решения ряда задач, ставящих целью описание процессов формирования состава и структуры атмосферы. Что

>л

обусловлено в основном экономическими, методологическими, и иными причинами не позволяющими использовать трехмерные пространственно-временные модели некоторых параметров атмосферы.

Атмосферный озон играет одну из главных ролей в процессах энергообмена между различными частями атмосферы. При поглощении озоном УФ радиации Солнца в стратосфере происходит выделение тепла, неравномерное распределение которого является одним из главных источников циркуляции атмосферы. Кроме этого, озон, являясь парниковым газом, поглощает часть длинноволновой радиации, отраженной от поверхности Земли. Ввиду высокой химической активности озона, его роль в фотохимических процессах атмосферы чрезвычайно велика.

При рассмотрении всего вышесказанного, возникает естественный вопрос - какова роль незональных возмущений озона в формировании глобальной структуры и состава атмосферы? Велика ли их роль в формировании характера внутригодовой и межгодовой изменчивости газового состава и структуры атмосферы? Ответы на эти вопросы лежат в одной плоскости с такими важными на сегодняшний день проблемами, как глобальное изменение климата и роль антропогенного фактора в этом процессе.

Возможность модельного описания незональных возмущений озона может быть крайне важна для ряда задач климатологии и атмосферной химии, в связи, с чем важно исследовать их роль в процессах формирования структуры и состава атмосферы. Для упрощенного представления незональных возмущений озона и описания их в моделях ориентированных на изучение динамики атмосферы необходимо разрабатывать и применять алгоритмы параметризации. До недавнего времени было невозможно провести детальные оценки роли долготных неоднородностей в атмосфере. Но с появлением крупномасштабных трехмерных интерактивных моделей газового состава и динамики атмосферы появилась возможность исследования влияния незональных вариаций озона на атмосферные процессы.

Цель работы

Основной целью настоящей работы является исследование влияния долготных вариаций концентрации озона на изменения состава и структуры нижней и средней атмосферы в глобальном масштабе.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику модельного исследования влияния долготных вариаций концентрации озона на изменения состава и структуры средней атмосферы;

2. Выяснить относительную роль долготных вариаций концентрации озона в изменениях состава и структуры нижней и средней атмосферы;

3. Определить физические и химические процессы, влияющие на формирование долготных вариаций состава и структуры атмосферы;

4. Разработать и реализовать алгоритм учета влияния долготных вариаций концентрации озона на глобальные изменения состава и структуры атмосферы;

5. Исследовать влияние обратных связей между долготными вариациями содержания озона и изменением газового состава, теплового режима и циркуляции атмосферы.

Научная новизна

Получены новые оценки влияния незональных возмущений глобального поля озона на процессы формирования состава и структуры атмосферы.

Разработан новый параметризационный алгоритм для описания фотохимии озона, позволяющий корректно описывать процессы генерации мезомасштабных возмущений содержания озона, что чрезвычайно важно для моделирования воздействия озона на циркуляцию верхней и средней атмосферы.

На основе параметризационного алгоритма разработана глобальная трехмерная модель долготных вариаций озона. Проведены эксперименты с моделью.

Научная и практическая значимость

Полученные оценки роли незональных возмущений глобального поля концентрации озона, а также разработанная методика описания незональных возмущений озона могут использоваться при построении глобальных климатических моделей для теоретических исследований изменчивости газового состава и термодинамической структуры атмосферы. Применение данной методики позволяет более точно воспроизвести картину глобального состояния стратосферного озонового слоя и его эволюции.

Основные положения, выносимые на защиту

• методика исследования влияния вариаций характеристик атмосферы на изменения состава и структуры нижней и средней атмосферы в глобальном масштабе

• модельные оценки роли незональных возмущений глобального поля концентрации озона в процессах формирования термодинамического режима атмосферы.

• модельные оценки роли незональных возмущений глобального поля концентрации озона в процессах формирования газового состава атмосферы.

• алгоритм параметризации незональных возмущений глобального поля озона.

• глобальная модель долготных вариаций концентрации озона.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит участие в постановке задач, их решении, математической обработке и анализе исходных данных и результатов моделирования. Автором самостоятельно, в ходе экспериментов с совместной моделью МГС РГГМУ - ИВМ РАН, получены новые оценки влияния незональных возмущений глобального поля озона на процессы формирования состава и структуры атмосферы. Разработан и реализован параметризациониый алгоритм для описания фотохимии озона. На основе параметризационного алгоритма самостоятельно разработана и реализована глобальная трехмерная модель долготных вариаций озона на основе "off-line" динамического ядра. Проведены эксперименты с моделью.

Апробация работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры метеорологических прогнозов Российского государственного гидрометеорологического университета, на Итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (С-Петербург, 2009 г.), на Итоговой сессии ученого совета РГГМУ (С-Петербург, 2010 г.), на Генеральной ассамблеи европейского геофизического общества EGU (Вена, Австрия, 2010 г.)

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах, материалы использованы в научно-исследовательских отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы объемом 103 наименования. Рукопись содержит 95 страниц, 15 рисунков, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность работы, рассматривается современное состояние исследуемой проблемы, формулируются цели и задачи диссертационной работы, перечисляются положения, выносимые на защиту, определяется теоретическая и практическая значимость работы, ее новизна, а также кратко излагается содержание диссертации.

В Главе 1 приводятся основные сведения о фотохимических и динамических процессах, оказывающих влияние на пространственное распределение и временную эволюцию поля озона. Раскрывается природа возникновения и научная значимость пространственных вариаций поля озона.

Газовые составляющие атмосферы, содержание которых в воздухе мало, принято называть малыми газовыми составляющими (МТС) или малыми газовыми примесями. Содержание МТС в атмосфере подчиняется системе уравнений переноса примесей, которые, по сути, есть уравнения неразрывности (уравнения сохранения массы), записанные с учетом источников и стоков примесей (1).

дс

+ У ■(Ус1) = Р1-Цс„ / = 1...ЛГ (1)

Где с„ - отношение смеси ¡-й примеси, / - время, V - вектор скорости, ^ -дифференциальный оператор «набла», Р, - скорость фотохимического образования, - скорость фотохимического разрушения ¡-й примеси, N -число взаимодействующих примесей. Скорости фотохимического образования и разрушения примеси пропорциональны концентрациям взаимодействующих примесей, а коэффициентами пропорциональность служат коэффициенты скоростей реакций. Коэффициенты скоростей химических реакций могут зависеть от температуры и давления, коэффициенты скоростей реакций фотодиссоциации определяются сечением поглощения фотодиссоциирующей примеси и спектральной интенсивностью излучения в точке, где рассматривается реакция. Озон непосредственно участвует в нескольких десятках реакций. Число же фотохимических реакций, представляющих интерес для моделирования фотохимического баланса атмосферного озона, доходит до сотни и включает десятки МГС атмосферы. Ввиду высокой химической активности озона его роль в фотохимических процессах атмосферы чрезвычайно велика.

Незональные вариаиии озона

| \

Вариаиии 1-г/ Вариации

нагрева ^ у переноса

атмосферы ' 1 \,—1 массы

Рисунок 1 - Взаимодействие между химическими, радиационными и динамическими процессами в средней атмосфере

Перенос - ключевой фактор, влияющий на изменчивость многих примесей, в том числе, озона. Влияние атмосферного переноса на содержание примесей может быть непосредственным и опосредованным - через изменение температурного режима атмосферы, влияющего на скорости фотохимических процессов. Поскольку некоторые из атмосферных примесей являются радиационно-активными, то изменение их содержания может отражаться на термическом режиме атмосферы и, следовательно, влиять на динамические процессы, приводя, таким образом, к обратным связям между изменением химического состава и динамикой атмосферы (рисунок 1).

Ввиду сильной широтно-высотной зависимости фотохимически -равновесного содержания и характерного времени фотохимической релаксации озона, крупномасштабный перенос в меридиональной плоскости оказывает огромное влияние на пространственное распределение и временную изменчивость озона в стратосфере. Крупномасштабный стратосферный перенос примесей может быть представлен как совместный результат адвекции за счет меридиональной циркуляции и эффектов вихревого переноса.

Крупномасштабные долготные неоднородности атмосферных параметров

обычно аппроксимируют суммой зональных гармоник, причем на высотах

средней атмосферы (15 - 110 км) существенный вклад в долготные вариации

вносят только гармоники с малыми зональными волновыми числами, так

называемые планетарные волны. Атмосферные волны глобального масштаба

могут быть классифицированы по различным признакам: источники

возбуждения (вынужденные и свободные колебания атмосферы);

возвращающие силы, отвечающие за возникновение колебаний (инерционные и

гравитационные волны); горизонтальные (зональные) фазовые скорости

(стационарные и бегущие на восток или запад волны); условия распространения

(вертикально распространяющиеся внутренние и затухающие внешние волны);

широтная структура (симметричные и антисимметричные относительно

экватора моды, экваториально захваченные и внетропические волны) и т. д.

Актуальность изучения динамических процессов, в том числе волновых

10

возмущений, обусловлена также тем, что пространственные неоднородности различных масштабов, наблюдаемые в нейтральной атмосфере Земли, играют важную роль в функционировании современных технологических систем. Например, атмосферные волны оказывают существенное влияние на траектории спутников, чувствительных к вариациям плотности атмосферы и нейтрального ветра, а также космических аппаратов типа Space Shuttle при их возвращении на Землю. Точность определения местоположения объектов с помощью спутниковых навигационных систем зависит от знания состояния ионосферы, которое в значительной степени определяется системой нейтральных ветров на ионосферных высотах.

Кроме совокупности факторов химической природы, на процессы накопления и разрушения незонального озона, оказывают влияние динамические факторы. В свою очередь поле озона через процессы молекулярного и лучистого теплообмена воздействует на процессы переноса в атмосфере. Изучение взаимодействия динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы Земли с озоносферой, является одной из важнейших фундаментальных задач физики околоземного космического пространства. Уменьшения содержания стратосферного озона ведет к охлаждению стратосферы и в результате может приводить к сопутствующим изменениям скорости зонального стратосферного ветра и динамики планетарных волн. Уменьшение содержания стратосферного озона в Антарктиде воздействует на Южную кольцевидную моду. Ключевым является вопрос о возможных обратных связях между изменениями стратосферного климата (температуры, ветра) и активностью планетарных волн (как за счет влияния на источники волн в тропосфере, так и за счет изменения условий распространения волн в стратосферу и внутри нее). Однако в настоящее время этот вопрос слабо исследован и далек от понимания.

Глава 2 Для исследования роли долготных вариаций концентрации озона в формировании состава и структуры атмосферы в работе используется метод теоретического моделирования.

Механизмы влияния незональных возмущений поля концентрации озона на состав и структуру атмосферы, а также непрямые обратные связи, присутствующие в процессе рассматриваемого взаимодействия сложно, а зачастую невозможно оценить теоретически в силу их неочевидности. Следствием чего является применение методов математического моделирования, которые, на сегодняшний день, позволяют наиболее корректно описать и дать количественные оценки роли долготных вариаций концентрации озона в формировании временной и пространственной изменчивости состава и структуры атмосферы. Для решения данной задачи целесообразно использовать совместные химико-климатические модели ХКМ. Данные математические инструменты представляют собой объединенные, интерактивно взаимодействующие между собой модели общей циркуляции атмосферы МОЦА и модели газового состава атмосферы МТС. Совместные ХКМ позволяют наиболее полно описать процессы формирования прямых и обратных связей между динамическими и химическими процессами, определяющими состояние атмосферы и его внутригодовую и межгодовую изменчивость

Географическое и временное распределение малых газовых составляющих зависит не только от химических реакций, которые вносят вклад в их образование и разрушение, но также и от температуры, которая определяет скорости многих химических процессов. А также от атмосферной динамики, которая обуславливает перенос химических компонент. Соответственно температура стратосферы и мезосферы определяется количеством оптически активных компонент, распределение которых может зависеть от химических и фотохимических процессов. Наконец, атмосферная циркуляция управляется неоднородностью нагрева атмосферы; т.к. направление и сила средних ветров определяются температурными градиентами.

Рисунок 2 - Взаимодействие между химическими, радиационными и динамическими процессами в средней атмосфере.

На рисунке 2 схематически показаны возможные взаимодействия между химическими, радиационными и динамическими процессами. Изучение атмосферной реакции на любое внешнее возмущение (вариации солнечного потока, вариации метеорологических параметров, извержения вулканов или антропогенные воздействия и т. д.) должно учитывать эти механизмы взаимодействия. Связь между температурой и озоном, например, представляет собой важный пример такого взаимодействия. Хорошо известно, что первичным источником тепла в стратосфере и мезосфере является поглощение ультрафиолетовой радиации озоном. Изменение концентраций этого газа в результате каких-то возмущений приводит к соответствующему изменению температуры.

Во второй главе приводится описание глобальной трехмерной модели химии и климата, состоящей из разработанной в РГГМУ трехмерной фотохимической модели, интерактивно соединенной с моделью общей циркуляции нижней и средней атмосферы института вычислительной математики РАН. Особенность используемой модели состоит в интерактивном обмене расчетных данных между моделью общей циркуляции атмосферы

МОЦА и газового состава МГС, что позволяет учитывать взаимодействия фотохимических и динамических процессов в атмосфере на каждом модельном шаге по времени. Разрешение в атмосферном блоке составляет 5° по долготе, 4° по широте и 39 гг-уровней по вертикали от поверхности земли до высоты 90 км. В модель общей циркуляции атмосферы включены все основные физические процессы, связанные с переносом влаги и с изменениями температуры в атмосфере, в пограничном слое и в почве, с воздействием гравитационных волн, с орографическими эффектами, влиянием облаков и радиации. Уравнения гидротермодинамики решаются на сетке "С" по классификации Аракавы конечно-разностным методом. В радиационном блоке в коротковолновой части спектра рассматривается 18 спектральных интервалов, а в длинноволновой части - 10 спектральных интервалов. Прогностическими переменными являются вертикальные и горизонтальные компоненты скорости ветра, температура, влажность и приземное давление, которые используются в качестве входных параметров для модели газового состава атмосферы.

Глава 3 посвящена изучению влияния незональных вариаций концентрации озона на структуру и газовый состав атмосферы. Для оценки влияния незональных вариаций концентрации озона на структуру и газовый состав атмосферы автором была разработана методика модельного исследования, которая была отработана в ходе ряда экспериментов.

Эксперимент первый - «Исследование влияния незональных вариаций

озона на термодинамический режим атмосферы». Эксперимент поставлен

следующим образом - сначала был произведен «опорный» запуск глобальной

модели газового состава атмосферы для формирования глобальной трехмерной

модели распределения озона. Далее, произведен запуск динамической модели,

на тот же период что и предыдущий, с использованием данных о распределении

концентрации озона по результатам «опорного» запуска. Третьим шагом

эксперимента был запуск динамической модели атмосферы с использованием

данных о распределении концентрации озона по результатам «опорного»

14

запуска, но с зонально-фильтрованным полем концентрации озона. По результатам модельных расчетов вычислены разности полей среднезонального среднемесячного ветра и температуры, полученных при запусках модели с зонально-возмущенным полем озона и зонально-фильтрованным полем. На рисунке 3 приведено распределение вышеописанных разностей по температуре для 6 и 12 месяца. По вертикальной оси отображена высота в километрах, а по горизонтальной оси - широта в градусах. Отрицательные значения широты соответствуют южному полушарию.

Рисунок 3 - Вклад долготных вариаций в поле температуры. Июнь.

Эксперимент второй - «Исследование влияния незональных вариаций озона на внутригодовую изменчивость газового состава атмосферы». В рамках данного эксперимента удалось оценить вклад долготных вариаций в процессы формирования газового состава и их внутригодовую изменчивость. Эксперимент поставлен следующим образом — сначала был произведен «опорный» запуск совместной химико-климатической модели атмосферы для формирования глобальной модели распределения озона и других малых

15

газовых составляющих на период равный году. Далее был разработан и внедрен в совместную ХКМ механизм пошаговой фильтрации долготных вариаций концентрации озона. После чего произведен запуск ХКМ, на тот же период что и предыдущий, но с использованием механизма фильтрации.

По результатам двух вариантов модельных расчетов вычислены разности полей малых газовых составляющих атмосферы, полученных при запусках модели с зонально-возмущенным полем озона и зонально-фильтрованным полем. На рисунке 4 отражен вклад незональных вариаций озона в формирование внутригодовой изменчивости малых газовых составляющих атмосферы, таких как СН4, N^0, СО, N03.

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 N20 В СО □ N03 месяц

1 2 СН4

30

25

20

ф X 15

<и

о 5 10

о 5

0

Рисунок 4 - Влияние незональных вариаций озона на внутригодовую изменчивость компонент газового состава.

Анализируя и обобщая полученные в ходе экспериментов результаты можно сразу отметить следующие особенности в характере влияния незонально возмущенного озона на компоненты газового состава, ветер и температуру:

1) Минимальный отклик всех перечисленных параметров совпадает во времени и наблюдается в январе и сентябре.

2) Для всех параметров характерна структура внутригодовой изменчивости отклика с хорошо выраженными двумя максимумами и минимумами. Что, предположительно, есть отражение характера годовой изменчивости количества, а как следствие и активности атмосферного озона.

3) Незональный озон проявляет себя наиболее всего в период с марта по июль, а также в ноябре-декабре.

4) Незональный озон вызывает понижение температуры стратосферы в полярных широтах зимнего полушария.

5) Незональный озон вызывает повышение температуры атмосферы на высотах от 60 до 80 километров над экватором в июне.

6) Незональный озон вызывает усиление переноса вдоль круга широты в экваториальной зоне на высотах 60-40 км.

7) Незональный озон вызывает ослабление переноса вдоль круга широты в тропической зоне зимнего полушария на высотах 40-50 километров.

8) Незональный озон вызывает усиление переноса вдоль круга широты в полярных и умеренных широтах зимнего полушария. В северном полушарии на высоте 45 км, в южном на высоте 65 км.

В Главе 4 рассмотрены принципы построения и описаны особенности практической реализации алгоритма параметризации фотохимии озона, предназначенного для использования в моделях общей циркуляции средней атмосферы.

Современные совместные «циркуляция атмосферы - газовый состав» модели атмосферы отличаются громоздкостью и высокой требовательностью к вычислительным ресурсам, что значительно ограничивает или делает невозможным их применение при решении задач ансамблевого моделирования

17

климата. Возникает необходимость построения простых параметризационных алгоритмов для описания процессов накопления и разрушения наиболее активных газовых компонент атмосферы.

Обоснование - учет климатических долготных вариаций озона в модели средней и верхней атмосферы МСВА приводит к существенному усилению амплитуд стационарных планетарных волн (СПВ) и к генерации немигрирующих приливов. В свою очередь, долготные вариации озона обусловлены вариациями температуры и ветра в поле СПВ. Для самосогласованного учета долготных вариаций озона в моделях общей циркуляции необходимо их рассчитывать на каждом временном шаге. В простейшем виде это можно сделать при помощи параметризационного алгоритма для учета фотохимии озона. Такой подход успешно применялся в глобальных моделях циркуляции. В данной работе описаны принципы построения и результаты реализации параметризации фотохимии озопа, которую планируется использовать в МСВА. Алгоритм позволяет корректно описывать процессы образования глобальных возмущений в поле озона и их проявление в интегральном содержании озона, что чрезвычайно важно для моделирования воздействия озона на циркуляцию средней атмосферы. В рассматриваемом алгоритме было использовано положение о линеаризации фотохимических источников и стоков озона, т.к. продукция и разрушение озона квазилинейны относительно наблюдаемых вариаций озона. Параметризация выполнена на основе модели газового состава SUNY-SPB.

Глава 5 Для оценки относительной роли процессов ответственных за формирование глобального поля долготных вариаций концентрации озона, а также исследования предполагаемых механизмов обратных связей, автором была создана глобальная модель, описывающая пространственно-временную динамику распределения долготных вариаций озона на основе трехмерного «Offline» - динамического ядра. Модель имеет следующие характеристики: 20

уровней по вертикали (0-60 км), 64 узла по долготе, 36 узлов по широте.

18

Интегрирование уравнений модели производится конечно-разностным методом в сферических координатах, с использованием схемы Мацуно, шагом по времени - 30 минут.

В ходе проведения экспериментов с моделью, был насчитан ансамбль прогнозов для января месяца, включающий 10 реализаций, различающихся данными о ветре и температуре подаваемыми в динамическое ядро модели.

О 5 Ю 15 20 25 30 35 40 45 50 55 высота,км

Рисунок 5 - Распределение по высотам среднего по ансамблю вклада слагаемых, описывающих фотохимию озона, в формирование его долготных вариаций в северном полушарии. Изменение с высотой корреляции поля долготных вариаций озона в северном полушарии, по данным GOME и результатам моделирования.

Рисунок 5 отражает: среднее по ансамблю распределение вклада динамических и химических факторов в формирование поля долготных вариаций концентрации озона, выраженное в процентах. Как видно из рисунка, вклад фотохимии озона, в сравнении с вкладом адвекции, растет с высотой, достигая максимума на высоте от 40 до 50 км. Это связано, прежде всего, с

ростом влияния вариаций температуры воздуха с высотой. Второй максимум наблюдается в нижней тропосфере, и обуславливается спецификой тропосферной химии озона, ее чувствительностью к изменениям локальной и интегральной концентрации озона, - согласно проведенному анализу.

Заключение

При выполнении настоящей диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана и использована в исследованиях оригинальная методика учета влияния незональных вариаций концентрации озона на изменения газового состава и общей циркуляции атмосферы.

2. Получены оценки относительной роли долготных вариаций озона в формировании состава и структуры атмосферы.

3. В результате проведенных экспериментов установлено следующее:

- Незональный озон проявляет себя наиболее всего в период с марта

по июль, а также в ноябре-декабре.

- Незональный озон проявляет себя наименее всего в январе и сентябре.

- Незональный озон вызывает понижение температуры стратосферы в

полярных широтах зимнего полушария.

- Незональный озон вызывает повышение температуры атмосферы на

высотах от 60 до 80 километров над экватором.

- Незональный озон вызывает усиление зонального ветра в районе экватора на высотах 60-40 км.

- Незональный озон вызывает ослабление зонального ветра в тропической зоне зимнего полушария на высотах 40-50 километров.

- Незональный озон вызывает усиление зонального ветра в полярных

и умеренных широтах зимнего полушария. В северном полушарии

на высоте 45 км, в южном на высоте 65 км.

20

4. По результатам экспериментов, выполненных с использованием трехмерной глобальной модели долготных вариаций озона, определено наиболее вероятное распределение вклада термодинамических и химических процессов в формирование поля долготных вариаций концентрации озона. А также показано, что вклад фотохимии озона, в сравнении с вкладом процессов адвективного переноса в формирование поля долготных вариаций концентрации озона, растет с высотой, достигая максимума на высотах от 40 до 50 км. Это связано, вероятнее всего, с ростом влияния долготных вариаций температуры воздуха с высотой. Второй максимум наблюдается в нижней тропосфере, что обуславливается спецификой тропосферной химии озона. Одна из особенностей которой заключается в ее чувствительности к изменениям локальной концентрации озона.

1. Смышляев С.П., Галин В.Я., Моцаков М.А., Шаарибу Г. Моделирование изменчивости газовых и аэрозольных составляющих стратосферы полярных регионов. - Физика атмосферы и океана. №3 ст. 265-280, июнь 2010.

2. Моцаков М.А. Смышляев С.П., Параметризация фотохимии озона для использования в моделях общей циркуляции атмосферы. - Ученые Записки РГГМУ №9 ст. 80-85, 2009.

3. Моцаков М.А., О проблеме постановки граничных условий на вложенных сетках. - Ученые Записки РГГМУ №4 ст. 25-31, 2007.

Основные публикации по теме диссертации.

Моцаков М.А.

Подписано в печать 02.11.2010. Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 496

Отпечатано в типографии ООО «Адмирал»

199048, Санкт-Петербург, В. О., 6-я линия, д. 59 корп. 1, оф. 40Н

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Модельное исследование влияния незональных неоднородностей концентрации озона на газовый состав и тепловой режим атмосферы"

Общие положения:.4

Цели и задачи работы:.7

1. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ПОЛЯ ОЗОНА - ПРИРОДА ВОЗНИКНОВЕНИЯ И НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.13

1.1 Химические процессы и механизмы, определяющие пространственное распределение и баланс озона в атмосфере.14

Уравнение переноса примеси.15

Фотохимический баланс озона.16

Время жизни примеси в атмосфере.18

Релаксация содержания примеси к состоянию фотохимического равновесия.19

1.2 ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МЕХАНИЗМЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ пространственное распределение и баланс озона в атмосфере.21

Крупномасштабный перенос в стратосфере.22

Основные моды циркуляции.23

Планетарные волны.25

1.3 Прямые и обратные связи озона и атмосферной динамики.27

Роль озонного нагревания в усилении и ослаблении планетарных волн. 28 Озон в процессах взаимодействия стратосферы и верхней атмосферы. 30 Роль озона в процессах взаимодействия циркуляционных процессов тропосферы и стратосферы.32

Учет долготных неоднородноетей озона при моделировании средней атмосферы.34

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.37

2.1 Модель общей циркуляции атмосферы.40

История создания.40

Описание модели.41

2.2 Модель газового состава атмосферы.44

Газы учитываемые в модели.44

Химические реакции модели.48

2.3 Совместная химико—климатическая модель атмосферы.59

3. ВЛИЯНИЕ НЕЗОНАЛЬНЫХ ВАРИАЦИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА НА СТРУКТУРУ И ГАЗОВЫЙ СОСТАВ АТМОСФЕРЫ.63

3.1 Эксперимент первый: исследование влияния незональных вариаций озона на термодинамический режим атмосферы.63

3.2 Эксперимент второй: исследование влияния незональных вариаций озона на в11утригодовую изменчивость газового состава и динамики атмосферы.67

3.3 Анализ результатов.71

4. АЛГОРИТМ ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ОЗОНА.73

Теоретическое обоснование.73

Особенности практической реализации.76

5. МОДЕЛЬ ДОЛГОТНЫХ ВАРИАЦИЙ ОЗОНА.79

Принципы построения.79

Эксперимент с моделью.79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.84

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.86

Введение

Общие положения:

Атмосфера Земли является естественной средой обитания человечества и всей биосферы Земли. По этой причине стабильность ее состава и структуры представляет собой необходимое условие выживания и качества жизни человечества [1]. Кроме этого, состояние атмосферы влияет на радиационный баланс всей планеты и ее поверхности, на уровень и спектральный состав ультрафиолетового облучения, на климат и погоду[2].

Состав и структуру атмосферы Земли определяет ряд астрономических геофизических метеорологических и антропогенных факторов. Механизм воздействия этих факторов имеет крайне неоднородную пространственно временную структуру[3].

Наибольшие неоднородности в атмосфере Земли прослеживаются при рассмотрении вертикальных профилей метеорологических параметров. Что в значительной степени определено логарифмическим характером кривой изменения плотности воздуха с высотой. А также малой толщиной слоя атмосферы по отношению к ее горизонтальной протяженности. Следствием чего является факт наличия вертикальных градиентов метеорологических параметров несравнимых по величине с горизонтальными.

Широтные (вдоль меридиана) неоднородности атмосферы намного менее выражены в сравнении с вертикальными, но тем не менее, они также играют одну из определяющих ролей в формировании состава и структуры атмосферы. По тому что, именно через них проявляет себя такой важнейший фактор как неравномерное распределение энергии солнца с широтой.

Природа возникновения незональных возмущений в атмосфере носит в основном волновой характер. Где отклонение от среднезонального значения возникает как следствие проявления глобальной волны в поле рассматриваемого параметра. Но кроме волновой природы имеют место также такие механизмы как основные моды циркуляции, влияние неоднородной подстилающей поверхности, антропогенные воздействия, местные особенности климата. Долготные (вдоль круга, широты) неоднородности атмосферы наименее выражены в атмосфере, следствием чего, зачастую, является пренебрежение ими в вопросах решения ряда задач, ставящих целью описание процессов формирования состава и структуры атмосферы. Что обусловлено в основном экономическими, методологическими, и иными причинами не позволяющими использовать трехмерные пространственно-временные модели некоторых параметров атмосферы.

Атмосферный озон играет одну из главных ролей в процессах энергообмена между различными частями атмосферы [4]. При поглощении озоном УФ радиации Солнца в стратосфере происходит выделение тепла, неравномерное распределение которого является одним из главных источников циркуляции атмосферы. Кроме этого, озон, являясь парниковым газом, поглощает часть длинноволновой радиации, отраженной от поверхности Земли[5,6]. Ввиду высокой химической активности озона, его роль в фотохимических процессах атмосферы чрезвычайно велика [7].

При рассмотрении всего вышесказанного, возникает естественный вопрос - какова роль незональных возмущений поля концентрации озона в формировании глобальной структуры и состава атмосферы? Велика ли их роль в формировании характера внутригодовой и межгодовой изменчивости газового состава и структуры атмосферы? Ответы на эти вопросы лежат в одной плоскости с такими важными на сегодняшний день проблемами, как глобальное изменение климата и роль антропогенного фактора в этом процессе.

Результаты наблюдений последнего времени обнаружили тревожные тенденции долгопериодной изменчивости газового состава и температурного режима атмосферы, такие как истощение толщины озонного слоя в стратосфере, увеличение его содержания в тропосфере, глобальное потепление в тропосфере и выхолаживание стратосферы [8]. Эти изменения происходят одновременно и могут быть связаны, т.к. увеличение или уменьшение температуры воздуха может привести к вариациям скоростей химических реакций с результирующим изменением содержания атмосферных газов [9]. В свою очередь, изменение концентраций радиационно-активных газов в атмосфере, таких как озон, метан, фреоны или водяной пар, оказывает заметное влияние на радиационный нагрев и выхолаживание в атмосфере с соответствующими вариациями ее циркуляции и температурного режима. Механизмы, ответственные за эти особенности, должны изучаться с привлечением численных моделей.

Для теоретического исследования влияния естественных и антропогенных факторов на содержание газов и температурный режим атмосферы используются численные математические модели газового состава (МГС) и общей циркуляции атмосферы (МОЦА). При этом, при использовании МГС для изучения проблемы изменения содержания атмосферных газов для вычисления пространственно-временного распределения всех влияющих на озон газовых составляющих часто используются поля ветра и температуры из моделей общей циркуляции атмосферы [10]. С другой стороны, при применении МОЦА для изучения проблемы глобального потепления задаются фиксированные поля концентрации озона и других радиационно-активных газов атмосферы, необходимые для расчета нагрева атмосферы, который управляет атмосферной циркуляцией. Взаимосвязь моделей общей циркуляции атмосферы и газового состава до недавнего времени не рассматривалась, хотя и является важной. В последнее время актуальным стало исследование изменений климата с учетом обратных связей между изменением газового состава, теплового режима и циркуляции атмосферы с использованием этических моделей ГШ. Несмотоя на то. что молельному ашокчшшии атмосшеоы и газового состава уделяется повышенное внимание, природа их возникновения и соль в процессах изменения глобального климата, изучены еше недостаточно.

Возможность модельного описания незональных возмущений озона может быть коайне важна для ояда задач климатологии и атмосферной химии, в связи, с чем важно исследовать их роль в процессах формирования структуры и состава атмосферы. Для упрощенного представления незональных возмущений озона и описания их в моделях ориентированных на изучение динамики атмосферы необходимо разрабатывать и применять алгоритмы параметризации. До недавнего времени было невозможно провести детальные оценки роли долготных неоднородностей в атмосфере. Но с появлением крупномасштабных трехмерных интерактивных моделей газового состава и динамики атмосферы появилась возможность исследования влияния незональных вариаций озона на атмосферные процессы.

Цели и задачи работы:

Основной целью настоящей работы является исследование влияния долготных вариаций концентрации озона на изменения состава и структуры нижней и средней атмосферы в глобальном масштабе.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику модельного исследования влияния долготных вариаций концентрации озона на изменения состава и структуры средней атмосферы;

2. Выяснить относительную роль долготных вариаций концентрации озона в изменениях состава и структуры нижней и средней атмосферы;

3. Определить физические и химические процессы, влияющие на формирование долготных вариаций состава и структуры атмосферы;

4. Разработать и реализовать алгоритм учета влияния долготных вариаций концентрации озона на глобальные изменения состава и структуры атмосферы;

5. Исследовать влияние обратных связей между долготными вариациями содержания озона и изменением газового состава, теплового режима и циркуляции атмосферы.

Научная новизна

Получены новые оценки влияния незональных возмущений глобального поля озона на процессы формирования состава и структуры атмосферы.

Разработан новый параметризационный алгоритм для описания фотохимии озона, позволяющий корректно описывать процессы генерации мезомасштабных возмущений содержания озона, что чрезвычайно важно для моделирования воздействия озона на циркуляцию верхней и средней атмосферы.

На основе параметризационного алгоритма разработана глобальная трехмерная модель долготных вариаций озона. Проведены эксперименты с моделью.

Научная и практическая значимость

Полученные оценки роли незональных возмущений глобального поля концентрации озона, а также разработанная методика описания незональных возмущений озона могут использоваться при построении глобальных климатических моделей для теоретических исследований изменчивости газового состава и термодинамической структуры атмосферы. Применение данной методики позволяет более точно воспроизвести картину глобального состояния стратосферного озонового слоя и его эволюции.

Основные положения, выносимые на защиту

• методика исследования влияния вариаций характеристик атмосферы на изменения состава и структуры нижней и средней атмосферы в глобальном масштабе

• модельные оценки роли незональных возмущений глобального поля концентрации озона в процессах формирования термодинамического режима атмосферы.

• модельные оценки роли незональных возмущений глобального поля концентрации озона в процессах формирования газового состава атмосферы.

• алгоритм параметризации незональных возмущений глобального поля озона.

• глобальная модель долготных вариаций концентрации озона.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит участие в постановке задач, их решении, математической обработке и анализе исходных данных и результатов моделирования. Автором самостоятельно, в ходе экспериментов с совместной моделью МГС РГГМУ - ИВМ РАН, получены новые оценки влияния незональных возмущений глобального поля озона на процессы формирования состава и структуры атмосферы. Разработан и реализован параметризационный алгоритм для описания фотохимии озона. На основе параметризационного алгоритма самостоятельно разработана и реализована глобальная трехмерная модель долготных вариаций озона на основе "off-line" динамического ядра. Проведены эксперименты с моделью.

Апробация работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры метеорологических прогнозов Российского государственного гидрометеорологического университета, на Итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (С-Петербург, 2009 г.), на Итоговой сессии ученого совета РГГМУ (С-Петербург, 2010 г.), на Генеральной ассамблее европейского геофизического общества EGU (Вена, Австрия, 2010 г.)

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах, материалы использованы в научно-исследовательских отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы объемом 107 наименований. Рукопись содержит 98 страниц, 16 рисунков, 7 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Моцаков, Максим Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении настоящей диссертационной работы автором получены следующие новые результаты:

1. Разработана и использована в исследованиях оригинальная методика учета влияния незональных вариаций концентрации озона на изменения газового состава и общей циркуляции атмосферы.

2. С помощью разработанной методики исследована чувствительность внутригодовой изменчивости состава и структуры атмосферы путем проведения численных экспериментов с использованием совместной химико-климатической модели.

3. В результате проведенных экспериментов установлено следующее:

- Незональный озон проявляет себя наиболее всего в период с марта по июль, а также в ноябре-декабре (рисунок 3.5-3.7).

- Незональный озон проявляет себя наименее всего в январе и сентябре (рисунок 3.5-3.7).

- Незональный озон вызывает понижение температуры стратосферы в полярных широтах зимнего полушария (рисунок 3.1-3.2).

- Незональный озон вызывает повышение температуры атмосферы на высотах от 60 до 80 километров над экватором в июне (рисунок 3.1-3.2).

- Незональный озон вызывает усиление переноса вдоль круга широты в районе экватора на высотах 60-40 км (рисунок 3.3-3.4).

- Незональный озон вызывает ослабление переноса вдоль круга широты в тропической зоне зимнего полушария на высотах 40-50 километров(рисунок 3.3-3.4).

- Незональный озон вызывает усиление переноса вдоль круга широты в полярных и умеренных широтах зимнего полушария. В северном полушарии на высоте 45 км, в южном на высоте 65 км(рисунок 3.3-3.4).

4. По результатам экспериментов, выполненных с использованием трехмерной глобальной модели долготных вариаций озона, определено наиболее вероятное распределение вклада термодинамических и химических процессов в формирование поля долготных вариаций концентрации озона. А также показано, что вклад фотохимии озона, в сравнении с вкладом процессов адвективного переноса в формирование поля долготных вариаций концентрации озона, растет с высотой, достигая максимума на высотах от 40 до 50 км. Это связано, вероятнее всего, с ростом влияния долготных вариаций температуры воздуха с высотой. Второй максимум наблюдается в нижней тропосфере, что обуславливается спецификой тропосферной химии озона. Одна из особенностей которой заключается в ее чувствительности к изменениям локальной концентрации озона.

Проведенное исследование показало важную роль долготных вариаций концентрации озона, которые благодаря наличию обратных связей между динамическими и химическими процессами, могут приводить к существенным изменениям временной изменчивости содержания малых газовых составляющих и термодинамических характеристик атмосферы. Данные изменения могут стать причиной генерации стационарных планетарных волн и немигрирующих приливов, влияющих на общее содержание озона. Учет этого эффекта чрезвычайно важен для моделирования воздействия озона на циркуляцию верхней и средней атмосферы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Моцаков, Максим Анатольевич, Санкт-Петербург

1. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И. Л., Хргиан А.Х. Озонный щит Земли и его изменения. СПб, Гидрометеоиздат, 1992,288 с.

2. Гилл А. Динамика атмосферы и океана / Москва: Мир. Т. 1,397 с. 1986.

3. Кароль И. Л., Киселев А.А. Фотохимические модели атмосферы и их использование в исследованиях озоносферы и климата // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 42. № 1.С. 3-34. 2006.

4. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы / Л.: Гидрометеоиздат. 413 с. 1987.

5. Brasseur, G.P., Schultz, М.М., Granier, С., Saunois, М., Diehl, Т., Botzet, М. & Roeckner Е. Impact of climate change on the future chemical composition of the global troposphere. J. Clim. 25 19,3932-3951 (2006).

6. World Meteorological Organization, 2006: Scientific assessment of ozone depletion: World Meteorological Organization: Global ozone research and monitoring project Report 47, Geneva, Switzerland. 2007.498pp.

7. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002. WMO, Global Ozone Research and Monitoring Project. Report No. 47, Geneva, Switzerland, 2003.

8. Thomason, L. W., L. R. Poole, Deshler T. A global climatology of stratospheric aerosol surface area density deduced from Stratospheric Aerosol and Gas Experiment II measurements: 1984-1994 // J. Geophys.

9. Алексеев В. А., Володин E. M., Галин В. Я., Дымников В. П., Лыкосов В. Н. Моделирование современного климата с помощью атмосферной модели ИВМ РАН.-Препринт ИВМ РАН, No. 2086-В98, 1998,180 с.

10. П.Смышляев С. П. , Галин В. Я. , Шаарийбуу Г., Моцаков М. А. Моделирование изменчивости газовых и аэрозольных составляющих в стратосфере полярных районов, // Изв.РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 3. С. 291-306.

11. Sander S.P. et al. Chemical Kinetics and Photochemical Data for Use in Atmospheric Studies. Evaluation Number 14 / JPL Publication 02-25.2003.

12. Brasseur UP., Orlando J.J., Tyndall G.S. (eds) Atmospheric Chemistry and Global Change. // New York: Oxford University Press. 654 p. 1999.

13. Перов С. П., Хргиан А. X. Современные проблемы атмосферного озона. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.288 с.

14. Graedel Т.Е., Crutzen P.J. Atmospheric Change: an Earth System Prespective. // New York: W.H. Freeman and Company. 446 p. 1992.

15. Груздев A.H. Механизмы вариаций общего содержания примесей под действием внутренних гравитационных волн II Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. Т. 25. № 5. С. 485-492.1989.

16. Груздев А.Н., Еланский Н.Ф. Оценка воздействия горных подветренных волн на содержание малых газовых примесей в тропосфере. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. Т. 20. № 7. С. 558-565. 1984.

17. Хргиан А.Х., Кузнецов Г.И. Проблема наблюдений и исследований атмосферного озона Москва: Издательство Московского университета. 216 с. 1981.

18. Andrews D.G., Holton J.R., Leovy С.В. Middle Atmospheric Dynamics. // Orlando: Academic Press. 489 p. 1987.

19. Brewer A.M. Evidence for a world circulation provided by the measurements of helium and water vapor distribution in the stratosphere // Quart. J. Roy. Meteorol. Soc. V. 75. P. 351-363. 1949.

20. Randel W.J., Wu F., Stolarsky R. Changes in column ozone correlated with the stratospheric EP flux. // J. Meteorol Soc. Jap. V. 80. № 4B. P. 849-862.2002.

21. Хргиан A.X. Физика атмосферного озона / Ленинград: Гидрометеоиздат. 291с. 1973.

22. Roscoe Н.К., Jones А.Е., Lee А.М. Midwinter start to Antarctic ozone depletion: Evidence from observations and models. // Science. V. 278. № 5335. P. 93-96.1997.

23. Dickinson R. Е. Vertical propagation of planetary waves through an atmosphere with Newtonian cooling. J. Geophys. Res., 1969, v. 74, № 4, p. 929-938.

24. Гряник В. M. Радиационная релаксация температурных, возмущений в конечной неоднородной атмосфере. Изв. АН СССР. ФАО, 1982, т. 18, № 1, с. 19-29.

25. Gay С., Thomas G. Е. Radiative temperature dissipationl in a finite atmosphere. The homogeneous case. J. Quant. Spectrosc. Rad. Transfer, 1981, v. 25, №4, p. 351

26. Груздев A.H. Исследование связи распределения озона и других газовых примесей с волновыми процессами в атмосфере. // Кандидатская диссертация. Москва. 1985.

27. Груздев А.Н. О возможности влияния озона на динамику планетарных волн. И В кн.: Атмосферный озон. Труды Y1 Всесоюзного симпозиума. Ленинград: Гидрометеоиздат. С. 266-270. 1987.

28. Nathan T.R., Li L. Linear stability of free planetaiy waves in the presence of radiative-photochemical feedbacks II J. Atmos. Sci. V. 48. P. 1837-1855.1991.

29. Nathan T.R. On the role of ozone in the stability of Rossby normal modes. // J. Atmos. Sci. V. 46. P. 2094-2100.1989.

30. Алншаев Ц. M. О динамике двумерной бароклинной атмосферы.- Изв. АН СССР. ФАО, 1980, т. 16, № 2, с. 99-107.

31. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г.Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. // Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 270 с.

32. Ракипова Л.Р., Ефимова Л.К. Динамика верхних слоев атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1975. 255 с.

33. Вергасова Г.В., Казимировский Э.С. Взаимосвязь атмосферного озона, зональных ветров и приливов в среднеширотной нижней термосфере. // Солнечно-земная физика Вып.1 (2002) 67-73.

34. Казимировский Э.С., Вергасова Г.В. Ветер в нижней термосфере и атмосферный озон над Центральной Европой. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Наука, 1998. Вып. 108. С. 230-244.

35. Baldwin М.Р., Dunkerton Т J. Stratospheric harbingers of anomalous weather regimes. // Science, 2001, V. 294,581-584.

36. Baldwin M.P., Thompson D.W.J., Shuckburgh E.F., Norton W.A., Gillett N.P. Weather from the stratosphere. // Science, 2003a, V. 301,317-319.

37. Baldwin M.P., Stephenson D.B., Thompson D.W.J., Dunkerton T.J., Charlton A.J., O'Neill A. Stratospheric memory and skill of extended-range weather forecasts. // Science, 2003b, V. 301,636-640.

38. Kushner P.J., et al. 2007: The SPARC DynVar Project: A SPARC Project on the Dynamics and Variability of the Coupled Stratosphere-Troposphere System. // SPARC Newsletter.- 2007.- № 29.- P. 9-14.

39. Бакулина E.A., Угрюмов А.И. Весенние перестройки циркуляции в стратосфере в 1958-2003 годах. // Ученые записки РГГМУ.- 2007,- № 6.- С. 38-44.

40. Бакулина Е. А., Дунаева Е. А., Угрюмов А. И. Связь весенних перестроек циркуляции в стратосфере с характером процессов в тропосфере в марте июне. //Метеорология и гидрология—2009.-N 2.-С.29- 37.

41. Дзердзеевский Д.Л. Общая циркуляция атмосферы и климат. Избранные труды.- М.: Наука, 1975.285 с.

42. Кузнецов Г.И. Исследование статистических характеристик режима атмосферного озона. // Рабочее совещ. по исслед. атмосф. озона. Тбилиси, 23-27 ноября 1981: Материалы докл. 1982. С. 204-208.

43. Груздев А. Н. Влияние озонного нагревания на динамику планетарных волн. // Известия АН СССР Физика атмосферы и океана Том 21 •№ 11 1985.

44. Gabriel A., D. Peters, I. Kichner, and H.-F. Graf. Effect of zonally asymmetric ozone on stratospheric temperature and planetary wave propagation // Geophys. Res. Lett., V. 34, L06807, doi: 10.1029/2006GL028998,2007.f

45. Nathan T.R and E.C. Codero. An ozone-modified refractive index for vertically propagating planetary waves. // J. Geophys. Res., V. 112, D02105, doi:10.1029/2006JD007357,2007.

46. Погорельцев А. И. Генерация нормальных атмосферных мод стратосферными васциляциями. // Известия РАН, Физика атмосферы и океана 2007, Т. 43, № 4, С. 463-475.

47. А.И. Погорельцев, Е.В. Суворова, И.Н. Федулина, Э. Ханна. Трехмерная климатическая модель распределения озона в средней атмосфере. // Ученые записки РГГМУ.- 2009.- № 10.- С. 43-52.

48. Гаврилов Н. М., Погорельцев А. И., Якоби К. Численное моделирование влияния широтно-неоднородных гравитационных волн на циркуляцию средней атмосферы. // Известия РАН, ФАО.- 2005.- Т. 41.- № 1.- С. 12-21.

49. К. Fröhlich, Ch. Jacobi, A.I. Pogoreltsev Planetary wave transience effects on the zonal mean flow: simulations with the COMMA-LIM model. // Advances in Space Research Volume 35, Issue 11,2005, Pages 1900-1904.

50. Uppala S.M., et al. The ERA-40 re-analysis. // Q. J. R. Meteorol. Soc.- V. 131. P. 2961-3012, doi: 10.1256/qj.04.176, 2005.

51. Global Ozone Monitoring Experiment GOME. Users Manual. // ESA Publications Division. European Space Research and Technology Centre. Netherlands. 1995.

52. Fortuin J.P.F., Langematz U. An update on the global ozone climatology and on concurrent ozone and temperature trends. // Atmospheric Sensing and Modelling, Proc. SPIE 2311. 1995.- P. 207-216.

53. Forbes, J. M.: Tidal and Planetary Waves, in: The upper Mesosphere and Lower Thermosphere: A Review of Experiment and Theory, Geophysical Monograph 87, edited by: Johnson, R, M. and Killeen, T. L., AGU, 1995.

54. Wang W.C., Liang X.Z., Dudek M.P., Pollard D., Thompson S.L. Atmospheric ozone as a climate gaz. Atmos. Res. 1995. V.37. P.247-256.K

55. Ракипова JI.P. Влияние солнечной активности на циркуляцию и температуру стратосферы. — В кн.: Эффекты солнечной активности в нижней атмосфере. — Л., Гидрометеоиздат, 1977, с. 3-9.

56. Логинов В.Ф., Ракипова Л.Р., Сухомазова Г.И. Эффекты солнечной активности в нижней атмосфере. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. — 80с.

57. Галин В .Я. Параметризация радиационных процессов в атмосферной модели ИВМ. Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1998, Т.34, N3, с.380-389.

58. Галин В.Я., Володин Е.М., Смышляев С.П. Модель общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН с динамикой озона. Метеорология и Гидрология, 2003, No. 5, с. 13-23.

59. Алексеев, В.А. Моделирование современного климата с помощью атмосферной модели ИВМ РАН// В.А. Алексеев, Е.М. Володин, В.Я. Галин, В.П. Дымников, В.Н. Лыкосов.- Препринт.-М.: Изд. ИВМ РАН-1998.-№ 2086-В98-180 с.

60. Галин, В.Я. Модель общей циркуляции атмосферы ИВМ РАН с динамикой озона. // Метеорология и гидрология.-2003-N 5.-С.13 -23

61. Алексеев В.А., Володин Е.М., Галин В.Я., Дымников В.П., Лыкосов В.Н. Моделирование современного климата с помощью атмосферной модели ИВМ РАН.- М., Препринт ИВМ РАН №> 2086-В98,1998,180 с.

62. Володин Е.М., Дианский Н.А. Воспроизведение изменений климата в 1922 столетиях с помощью модели общей циркуляции атмосферы и океана. Изв. РАН, Физика Атмосферы и Океана, 2006, №3, с. 291-306.

63. Галин, В.Я. Совместная химико-климатическая модель атмосферы / В.Я. Галин, СЛ. Смышляев Е.М. Володин. // Известия РАН. Сер. ФАО.-2007.-Т.43, № 4.-С.437—452.

64. Смышляев, С.П. Модельное исследование межгодовой изменчивости содержания атмосферного озона в средних широтах. // Известия РАН. Сер. ФАО — 2004.-Т.40, № 2.- С.211 222.

65. Yudin V. A., Smyshlyaev S. P., Geller M. A., Dvortsov V.L. Transport diagnostics of GCMs and implications for 2-D chemistry-transport model of troposphere and stratopshere. J. Atmos. Sei., 2000, vol. 57, pp.673-699.

66. Смыпшяев С.П. Теоретическое исследование естественных и антропогенных воздействий на долгопериодную изменчивость атмосферного озона.— Диссертация на соискание ученой степени д.ф.-м.н. СПб, 2003, 257 с.

67. Смышляев С.П. Оптимизация алгоритма численного решения уравнений двухмерной среднезональной фотохимической модели.— В кн.: Атмосферный озон., Л., изд. ЛГМИ, вып.111, сД 7-23.

68. Петропавловских И. В., Репнев А. И., Филюшкин В. В. Базовый вариант одномерной фотохимической модели атмосферы. Численное моделирование состава и динамики атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1991, с. 82-129.

69. Кароль И.Л. Радиацонно-фотохимические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.192 с.

70. Park J.H., Ко M.K.W., Models and measurements intercomparison П. NASA/TM—1999—209554,1999.

71. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998. WMO, Global Ozone Research and Monitoring Project. Report No. 44, Geneva, Switzerland, 1999.

72. Dessler, A.E. 2000. The Chemistry and Physics of Stratospheric Ozone. Academic Press.

73. Смышляев, С.П. Модельная диагностика и прогноз изменчивости общего содержания озона в конце XX начале XXI веков. // Метеорология и гидрология, 1999, № 10, с. 5-14.

74. Smyshlyaev, S. P. Analysis of SAGE П observations using data assimilation by the SUNY-SPB two dimensional model and comparison to TOMS data// J. Geophys. Res., 2001, vol. 106, pp.32327-32336.

75. Dvortsov, V.L. On the use of Isaksen-Luther method of computing photodissociation rates in photochemical models, // J. Geophys. Res., 1992, vol. 97, pp.7593-7601.

76. Смышляев, С.П. Моделирование влияния изменений спектральных потоков солнечной радиации, вызванных солнечной активностью, на содержание атмосферного озона. // J. Geophys. Res., 105,14,653-14,665.

77. Cariolle, D., and M. Deque. Southern hemisphere medium-scale waves and total ozone disturbances in a spectral general circulation model// J. Geophys. Res.- 1986.-V. 91.-P. 10825-10846.

78. Douglass, A. R., R. B. Rood, and R. S. Stolarski, 1985: Interpretation of ozone temperature correlations, analysis of SBUV data, J. Geophys, Res., 90, 10,69310,708.

79. Dethof, A. and E.V. Holm, 2004. Ozone assimilation in the ERA-40 re-analysis project. Q.J.R. Meteorol.Soc., 130, pp.2851-2872, doi: 10.1256/qj.03.196

80. Turco, R. P., P. Hamill, Supercooled sulfuric acid droplets: Perturbed stratospheric chemistry in early winter Ges. Phys. Chem., 1992, 96, p. 323

81. Turco R.P., Toon O.B., Hamill P. J. Heterogeneous physicochemistry of the polar ozone hole J. Geophys. Res., 1989, № 94, p. 1649.

82. Farman J.C., Gardiner B.G., Shankin J.D. Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOX/NTOX interaction. // Nature. 1985. V.315. P.207-210

83. World Meteorological Organization, 2006: Scientific assessment of ozone depletion: World Meteorological Organization: Global ozone research and monitoring project Report 47, Geneva, Switzerland. 2007.498p.

84. McElroy M.B., Salawitch R.J., Wofsy S.C. Antarctic ОЗ : Chemical mechanisms for the spring decrease. // Geophys.Res.Lett. 1986. V.13. P.1296-1299.

85. Смышляев С.П. Численное моделирование гетерогенного разрушения озона на полярных стратосферных облаках. // Метеорология и гидрология. 1994. №12. С.44-52.

86. Моцаков М.А. Смышляев С.П., Параметризация фотохимии озона для использования в моделях общей циркуляции атмосферы. Ученые Записки РГГМУ №9 ст. 80-85,2009.

87. Douglass, A. R., R. В. Rood, and R. S. Stolarski, 1985: Interpretation of ozone temperature correlations, analysis of SBUV data, J. Geophys, Res., 90, 10,693-10,708.

88. McLinden, C. A., S. C. Olsen, B. Hannegan, O. Wild, M. J. Prather, and J, Sundet, 2000: Stratospheric ozone in 3-D models: a simple chemistry and the crosstropopause flux, J. Geophys. Res., 105, 14, 653-14,665.

89. McCormack, J. P., and D. E. Siskind, 2002: Simulations of the quasi-biennial oscillation and its effect on stratospheric H20, CH4, and age of air with an interactive two dimensional model, J. Geophys. Res., 107 (D22), 4625, doi: 10.1029/2002JD002141.

90. Белов Н.П., Борисенков Е.П., Панин Б.Д. Численные методы прогноза погоды. // Л., Гидрометеоиздат. 1989, С 375.

91. Global Ozone Monitoring Experiment GOME. Users Manual. // ESA Publications Division. European Space Research and Technology Centre. Netherlands. 1995, см. http://wdc.dlr.de/sensors/gome.