Влияние квазистационарных и распространяющихся планетарных волн на распределение озона

Варгин, Павел Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Влияние квазистационарных и распространяющихся планетарных волн на распределение озона
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Влияние квазистационарных и распространяющихся планетарных волн на распределение озона"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНАЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

физический факультет

На правах рукописи

ВАРГИН ПАВЕЛ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 551.510

ВЛИЯНИЕ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ И РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ ПЛАНЕТАРНЫХ ВОЛН НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА

25.00.29. - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2005

Работа выполнена в ГУ Центральная Аэрологическая Обсерватория

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Жадин Евгений Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Володин Евгений Михайлович

кандидат физико-математических наук Кузнецов Геннадий Иванович

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации - Мировой центр данных

Защита состоится <&> < Л/уРс'.бЛ- >2005 года в < //> часов на заседании диссертационного совета по геофизике Д.501.001.63 в Московском Государственном Университете, физический факультет по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, ГСП-2, аудитория < > XI / /5?

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан

лг< ><(РЗ

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.63 Кандидат физико-математических наук

В.Б.Смирнов

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность работы.

Атмосферный озон является чрезвычайно важным элементом химического состава атмосферы Земли. Наибольшая часть озона находится в стратосфере, где озон поглощает большую часть коротковолновой радиации Солнца, способной негативно влиять на биосферу Земли. При поглощении озоном ультрафиолетовой радиации Солнца в стратосфере происходит выделение тепла, неравномерное распределение которого является одним из главных источников циркуляции средней атмосферы. Одновременно, озон вносит второй по значимости вклад (после двуокиси углерода) в выхолаживание верхней и средней стратосферы при излучении инфракрасной радиации. В пижней стратосфере озон, наравне с другими парниковыми газами, поглощает часть длинноволновой радиации, отраженной от поверхности Земли.

Меньшая часть озона находится в тропосфере, где озон, будучи химически активным элементом, является важным фактором загрязнения воздуха При больших концентрациях озон способен оказывать вредоносное влияние на растительный мир, здоровье человека, а также на различные материалы.

Изменение озонового слоя Земли тесно связано с наблюдаемыми в последние десятилетия изменениями климата, вызванные накоплением в нижней атмосфере парниковых газов. При этом изменения озонового слоя и климата могут взаимно влиять друг на друга: увеличение содержания озона в тропосфере, также как и других парниковых газов, приводит к повышению её температуры, а уменьшение содержания озона в стратосфере ведет к уменьшению температуры стратосферы. Изменение температурного режима атмосферы приводит к изменению циркуляции, что в свою очередь оказывает влияние на озонный слой, также как и на распределение других малых газовых составляющих атмосферы. Кроме этого, скорости химических реакций, в ходе которых происходит образование и разрушение озона, также зависят от температуры.

Наблюдаемое в последние десятилетия интенсивное разрушение озонового слоя в полярных регионах Северного и Южного полушарий в течение зимних и весенних сезонов как полагают главным образом вызвано выбросами в атмосферу Земли вследствие хозяйственной деятельности человека фреонов (газообразных хлорофторуглеводородных соединений), в состав которых входят соединения хлора, брома.

Хотя озон образуется и разрушается в ходе химических реакций, его глобальное распределение в атмосфере и межгодовые вариации контролируются динамическими

процессами, к числу которых относятся планетарные квазистационарные и распространяющиеся волны, наблюдающиеся преимущественно в средних и высоких широтах обоих полушарий в зимние и весенние сезоны. Долгое время изучение процессов переноса озона было oi-раничено отсутствием регулярных баз данных озона и метеорологических параметров, особенно для Южного полушария, где находилось гораздо меньше станций наземного наблюдения. С развитием спутниковых наблюдений в последние два десятилетия ситуация резко изменилась, но вследствие технических трудностей, особенностей работы различной измерительной техники и ограничения времени её эксплуатации, до недавнего времени не существовало долговременных регулярных глобальных данных вертикального распределения озона.

Только в последние годы происходит создание и развитие баз данных, аккумулирующих всю поступающую спутниковую информацию и рассчитывающих недостающие параметры атмосферной циркуляции, на основе глобальных моделей общей циркуляции. В результате, в настоящее время становятся доступными регулярные глобальные базы данных, охватывающие большую часть тропосферы и стратосферы с высоким пространственным и временным разрешением, такие как, например, данные Центра Исследований Климата США (NCEP реанализ), Европейского центра прогнозов (ECMWF), Метеорологического департамента Великобритании (UKMO).

Хотя процессы переноса озона планетарными волнами давно привлекают внимание исследователей, полной картины переноса пока нет, также как и нет исследований тех или иных эпизодов переноса. Если появившиеся в последнее время архивы данных позволяют получить регулярные глобальные данные общего содержания озона, горизонтальных скоростей (зонального и меридионального ветра) и других метеорологических параметров во всем диапазоне высот верхней тропосферы и стратосферы с высоким пространственным и временным разрешением, то данные вертикального распределения озона, учитывающие особенности его долготного распределения, доступны лишь для отдельных интервалов времени, имеют ограничения по пространству, и часто не регулярны.

Большую проблему представляет информация о вертикальном переносе, вследствие ошибок вычислений вертикальных скоростей, из-за неточностей параметризации радиационных источников и стоков тепла.

Дальнейшее изучение процессов переноса озона, связанных с распространением планетарных волн, необходимо для более точного понимания естественных изменений распределения озона, их межсезонной и межгодовой изменчивости, включая интенсивное

разрушение озонного слоя, наблюдаемое в полярных регионах Северного и Южного полушарий. Особую актуальность эта проблема приобрела после неожиданного практически полного закрытия так называемой озонной "дыры" в Антарктике весной 2002 г.

Цель работы.

Целью настоящей работы является исследование пространственной структуры, интенсивности, эволюции доминирующих в средней атмосфере средних и высоких широт Южного полушария квазистационарных и распространяющихся планетарных волн и влияния динамических процессов, связанных с их распространением, на распределение озона, в частности, в связи с неожиданно высоким за последние 20 лет содержанием озона весной 2002 г. в Антарктике.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование пространственной структуры, интенсивности, межгодовой и межсезонной изменчивости крупномасштабных долготных неоднородпостей общего содержания озона в обоих полушариях.

2. Исследование пространственных возмущений нагрева средней атмосферы озоном, вызванные долготными пеоднородностями его распределения. Создание методики усвоения глобальных ассимилированных данных вертикального распределения озона для использования в модельных вычислениях. Оценка динамического отклика средней атмосферы с учетом долготных возмущений распределения озона в расчетах с использованием трехмерной модели средней атмосферы.

3. Исследование пространственной структуры, интенсивности, эволюции стационарных и распространяющихся планетарных волн, доминирующих в Антарктике в зимне-весенние сезоны, и характеристик меридионального вихревого переноса озона, связанного с распространением планетарных волн.

4. Анализ изменений в циркуляции стратосферы, активности планетарных стационарных и распространяющихся волн, развития впервые зарегистрированного сильного стратосферного потепления в Антарктике, оценка роли динамических факторов, связанных с распространением планетарных волн в значительном увеличении озона над Антарктикой весной 2002 г.

Научная новизна.

1. Исследована межгодовая изменчивость пространственной структуры и интенсивности крупномасштабных долготных неоднородностей распределения общего содержания озона в обоих полушариях с 1979 по 1994 г. и с 1996 г. по 2002 гг., вызванных воздействием квазистационарных планетарных волн. Впервые установлено, что интенсивность крупномасштабных долготных неоднородностей озона, осредненная за исследуемый период, в весенний сезон в Южном полушарии примерно в два раза больше, чем в Северном полушарии.

2. С использованием трехмерной модели средней атмосферы показано, что наблюдаемое уменьшение концентраций озона за 10 лет с середины 1980-х до середины 1990-х гг. приводит к наибольшему охлаждению в декабре-феврале верхней стратосферы высоких и средних широт Южного полушария и составляет около -1.4°К. Увеличение в модельном эксперименте содержания двуокиси углерода от 355 до 370 ppmv (в соответствии с известным трендом -1.5 ppmv в год) привело к глобальному уменьшению температуры на -0.2°К в нижней и -0.9-1°К в верхней стратосфере.

3. Используя ежедневные глобальные ассимилированные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра, а также вертикального распределения озона, исследована пространственная структура, интенсивность, временная изменчивость бегущей на восток волны с зональным числом к=2 в Антарктике. Установлено, что динамические процессы, связанные с данной волной, могут вызывать отклик в распределении общего содержания озона с тем же зональным числом, периодом и амплитудой в десятки единиц Добсона.

4. Впервые проанализирована структура и интенсивность меридионального вихревого переноса озона, связанного с распространением планетарных волн, в зимне-весенний сезон в Южном полушарии в 1998 г. и 2002 г. Показано, что интенсивный меридиональный вихревой перенос озона из средних в высокие широты имел важное значение в увеличении озонного слоя в Антарктике весной 2002 года.

Практическая значимость.

1. Полученные результаты исследования квазистационарных и бегущих планетарных волн в данных общего содержания озона могут служить справочной информацией о структуре, эволюции и интенсивности планетарных волн в зимне-весенние сезоны в Северном и Южном полушариях.

2. Разработана методика использования глобальных трехмерных ассимилированных данных вертикального распределения озона, осредненных за сезон, месяц или сутки в

вычислениях на трехмерной модели средней атмосферы. Методика позволяет проводить модельные расчеты, как с трехмерными, так и со среднезональными данными озона.

3. Результаты численных экспериментов могут быть использованы для уточнения реакции температуры стратосферы в моделях общей циркуляции атмосферы к изменениям озонного слоя.

4. Полученные результаты о структуре, интенсивности меридионального потока озона позволяют оценить роль динамических факторов (связанных с распространением планетарных волн) в увеличении озона в Антарктике в 2002 г.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа пространственной структуры, интенсивности, межсезонной и межгодовой изменчивости крупномасштабных долготных неоднородностей озона в Южном и Северном полушариях.

2. Обнаружение и исследование отклика, являющейся особенностью циркуляции стратосферы Южного полушария бегущей на восток планетарной волны с зональным числом k=2 в данных общего содержания озона.

3. Результаты анализа особенностей циркуляции стратосферы Южного полушария, в частности, меридионального вихревого переноса озона, свидетельствующие о важной роли динамических процессов в межгодовой изменчивости антарктической озонной аномалии.

Достоверность результатов обеспечивается:

• хорошим совпадением результатов анализа распространяющихся планетарных волн, и проведенных модельных расчетов с расчетами авторов других исследований

• согласованностью параметров выявленных планетарных волн в различных данных параметров циркуляции, вертикального распределения и общего содержания озона

• использованием трехмерной модели средней атмосферы, созданной в университете Г.Кёльн (Германия) и многократно применявшейся в различных исследованиях

• надежностью использованных данных:

— глобальных среднесуточных спутниковых данных общего содержания озона, измеряемых прибором TOMS

— глобальных среднесуточных данных температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра, подготовленных в метеорологическом департаменте Великобритании (UKMO) на основе данных спутника UARS

— глобальных среднемесячных и среднесуточных данных температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра (NCEP реанализ), подготовленных в Центре Исследований Климата США

— глобальных среднесуточных данных вертикального распределения и общего содержания озона (GEOS), подготовленных в отделе ассимиляции космического агентства США

Личный вклад автора Вес представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит участие в постановке задач, их решении, математической обработке и анализе исходных данных и результатов.

Апробация работы.

Работа выполнялась во время учебы в аспирантуре физическою факультета МГУ им. М.В.Ломоносова с 1996 г. по 1998 г. и работы в Центральной Аэрологической Обсерватории с 1999 г. по 2004 г. Тема диссертации была включена в план работ кафедры физики атмосферы МГУ. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по озону (Салоники, Греция, 1994 г.), XXXI Международной научной ассамблее COSPAR (Эдинбург, Великобритания, 1996 г.), II Международном совещании по воздействию солнечной активности на среднюю атмосферу (Прага, Чехия, 1997 г.), Международной конференции европейского геофизического общества, (Гаага, Нидерланды, 1996 г., Вена, Австрия, 1997 г., Ницца, Франция, 1998 г.), Международной летней школе по атмосферной физике и химии, (Крит, Греция, 1999 г.), Международном радиационном симпозиуме (Санкт-Петербург, Россия, 2000 г.), XVII, XVIII и XIX Международных симпозиумах по озону (Ля'Акуила, Италия, 1996 1., Саппоро, Япония, 2000 г., Кос, Греция, 2004 г.), IV всероссийской научной конференции Физические проблемы экологии, (Москва, 2004 г.), VIII конференции молодых ученых "Состав агмосферы и электрические процессы" (Москва, 2004 г.).

Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах в Центральной Аэрологической Обсерватории и Московском Государственном Университете.

В ходе выполнения работы была подготовлена задача "Моделирование распространения стационарных планетарных волн из тропосферы в стратосферу в зимний и летний сезоны" для проведения занятий в практикуме кафедры физики атмосферы физического факультета МГУ.

По теме диссертации опубликовано 17 основных работ в отечественных и зарубежных журналах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 186 наименований. Рукопись содержит 170 страниц, 136 рисунка, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, описываются современное состояние исследования озонного слоя и наблюдаемого значительного уменьшения содержания озона в зимне-весенние сезоны в Арктике и Антарктике, приводятся основные механизмы химического разрушения озонного слоя.

_Описывается антарктическая

озонная аномалия 2002 г., когда впервые за последние более чем 20 лет, при преобладающем отрицательном тренде начиная с конца 1970-х - начала 1980-х, наблюдалось значительное увеличение общего содержания озона - ОСО в Антарктике (Рис.1), а также влияние динамических процессов на межгодовые вариации озонной дыры,

формулируются основные цели исследования, излагается структура работы.

В первой главе содержится обзор современного состояния исследования влияния планетарных волн на распределение озона и динамику средней атмосферы, особенностей циркуляции стратосферы Антарктики, а также являющейся исключительной особенностью циркуляции средних и высоких широт Южного полушария распространяющейся на восток планетарной волны с зональным числом к=2, сравнимой по интенсивности с квазистационарной планетарной волной с зональным числом к=1.

Во второй главе описываются пространственное и временное разрешение, охватываемый период, особенности технологии измерений используемых глобальных регулярных среднесуточных и среднемесячных ассимилированных данных температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра иАЯ8-иКМО, МСЕР реанализ,

но I..........................

1978198019621984 19861В8В10901992199419061998 2000 2002 2004 ГОДЫ

Рисунок 1. Межгодовая изменчивость среднемесячных зонально-осредненных значений общего содержания озона (единицы Добсона) на 75° ю ш. в сентябре с 1979 по 2004 г. Отсутствующее значение за сентябрь 1995 г. заменено средним климатическим.

спутниковых данных общего содержания озона TOMS, а также ассимилированных данных вертикального распределения и общего содержания озона GEOS.

В третьей главе, используя данные TOMS, проведено исследование особенностей пространственного распределения общего содержания озона, вычислена интенсивность крупномасштабных долготных неоднородностей озона, вызванных квазистационарными планетарными волнами, возникающими из-за неоднородностей орографии и температурного режима поверхности суши и океанов. Анализируется межсезонная и межгодовая изменчивость крупномасштабных возмущений долготного распределения озона в Северном и Южном полушариях с 1979 г. по 1994 г. и с 1996 г. по 2002 г.

Показано, что наибольшие долготные возмущения распределения ОСО регулярно наблюдаемые в зимне-весенние сезоны в средних и высоких южных широтах с максимумом в области 60° ю.ш., являются Фурье компонентой с зональным числом к=1, и их амплитуда может достигать более 100 е.Д. [15].

Установлено, что максимальная

интенсивность крупномасштабных долготных возмущений озона преимущественно наблюдается в годы восточной фазы квазидвухлетнего цикла колебаний зонального ветра на экваторе, (который имеет периоды около 2-х и 2.5 лет [Gruzdev A., Bezverkhny V., Two regims ofthe quasi-biennial oscillation in the equatorial stratospheric wind, J. Geophys. Res, vol. 105, D24, p.29435-29443,2000], а минимальная интенсивность - в годы западной фазы (Рис.2) [16].

Показано, что значение среднемесячной амплитуды доминирующей квазистационарной волны с зональным числом к=\ в ОСО, осредненное с 1979 г. по 2002 г., в сентябре и октябре в Антарктике превышает примерно в два раза значение амплитуды квазистационарных планетарных волн с зональными числами it=l-2 в зимние и весенние месяцы в Арктике.

Приводится подробное описание разработанной методики использования глобальных ассимилированных данных вертикального распределения озона в трехмерной модели средней атмосферы, а также проведенной модификации блоков модели,

годы

Рисунок 2. Амплитуда первой гармоники к=\ в общем содержании озона (е.Д.) в области 65-55° ю.ш. в сентябре с 1979 г. по 2002 г. Отсутствующее значение ОСО за сентябрь 1995 г. заменено средним климатическим.

отвечающих за расчет нагрева при поглощении озоном ультрафиолетовой радиации Солнца и выхолаживания при испускании длинноволновой радиации.

Проведен анализ пространственной структуры глобальных ассимилированных данных вертикального распределения озона 0Е08 для периодов декабрь-февраль 19911992 г. и январь-сентябрь 1998 г. Исследована структура и интенсивность возмущений озонного нагрева, вызванных крупномасштабными долготными неоднородностями распределения озона. Установлено, что наибольшие неоднородности озона в Северном полушарии в 1998 г. достигали ~50 е.Д., имели зональное число к=\ и наблюдались в высоких широтах с января по март (Рис.3). Показано, что наибольшее возмущение озонного нагрева в исследуемые периоды наблюдались в марте, соответствовали зональному числу 4=1 и достигали наибольших значений до 1°К в сутки на высотах максимального озонного нагрева -50 км (Рис.4).

ОД«Ш№Р/ТР№ЙИШИСЛАеГСВ4

Рисунок 3. Амплитуда первых трех гармоник к=1,2, Рисунок 4. Амплитуда гармоник А=1,2,3 озонного 3 в общем содержании озона (е.Д.) с января по нагрева (°К/сутки) на высоте 53 км в марте 1998 г. сентябрь 1998 г.

С использованием трехмерной модели средней атмосферы СОММА, разработанной в университете г. Кёльн /Германия/, не содержащей блока расчета химических составляющих атмосферы [Berger, U, Dameris M. Cooling of the upper atmosphere to cot increase: a model study, Ann. Geophysicae, 11, p. 809-819, 1993], проведены вычисления с использованием трехмерного и осредненного по долготе распределения озона для периода декабрь-март 1991-1992 гг. и январь-апрель 1998 г. Исследована пространственная структура и интенсивность эффекта воздействия стационарных возмущений озонного нагрева (вызванного долготными особенностями распределения озона) на динамику средней атмосферы. Показано, что наибольшее изменение температуры стратосферы при учете возмущений долготного распределения озона

наблюдается на высотах максимального нагрева стратосферы озоном в высоких широтах и составляет ~0.5°К [9].

Используя трехмерную модель средней атмосферы, проведено исследование изменения температуры стратосферы вследствие наблюдаемого увеличения содержания двуокиси углерода (СО) и уменьшения озона за период примерно в 10 лет с середины 1980-х до середины 1990-х гг. Изменения температуры изучалось, сравнивая результаты контрольного модельного расчета и расчетов с уменьшенным содержанием озона в соответствии с данными приборов спутника SAGE II [WMO, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998], увеличенным содержанием двуокиси углерода от 355 до 370 ppmv, а также расчета, учитывающего одновременно уменьшение содержания озона и увеличение двуокиси углерода. Полученные результаты показали, что в декабре-феврале наибольшее охлаждение стратосферы из-за уменьшения озонового слоя наблюдается на высотах 40-50 км в высоких и средних широтах Южного полушария и составляет более 1.2°К. Увеличение содержания двуокиси углерода привело к глобальному уменьшению температуры от -0.2 °К в нижней до -0.9- 1°К в верхней стратосфере.

Таким образом, наблюдаемое с середины 1980-х до середины 1990-х гг. уменьшение содержания озона оказывает влияние на уменьшение температуры стратосферы сравнимое с влиянием увеличения содержания двуокиси углерода. Полученные оценки изменения температуры стратосферы находятся в соответствии, с известными результатами численных вычислений с использованием модели общей циркуляции [Shindell D., et al., Increased polar stratospheric ozone losses and delayed eventual recovery due to greenhouse gas concentration, Nature, vol.392, p.569-582,1998].

В четвертой главе исследуются пространственная структура, интенсивность и сезонная изменчивость доминирующих квазистационарных и распространяющихся планетарных волн с зональными числами к= 1-2-3, выявленных в глобальных среднесуточных ассимилированных данных вертикального распределения озона GEOS, температуры, геопотенциала, меридионального и зонального ветра UARS-UKMO в июле-октябре 1998 г.

Основное внимание уделено имеющей высокую интенсивность и являющейся особенностью циркуляции стратосферы средних и высоких широт Южного полушария в течение зимне-весенних сезонов бегущей на восток планетарной волне с зональным числом £=2 (далее для краткости волна к=2). Наибольшая интенсивность волны к=2 наблюдается в сентябре-октябре [Randel W., A study of planetary waves in the southern winter troposphere and stratosphere. Wave structure and vertical propagation. J. Atmos. ScL,

vol.44, p.917-935, 1987], [Manney G., et al., The behavior of wave 2 in the Southern Hemisphere stratosphere during late winter and early spring, J. Atmos. ScL, vol.48, p.976-998, 1991] и может превосходить интенсивность квазистационарной волны к=\. Период волны к=2 изменяется от 5 до 40 суток. Возникновение волны А=2 может быть связано с вертикальным распространением из тропосферы [Randel W., A study of planetary waves in the southern winter troposphere and stratosphere. Wave structure and vertical propagation. J. Atmos. ScL, vol.44, p.917-935, 1987], процессами неустойчивости [Mechoso С, Hartmann D., An Observational Study of traveling Planetary Waves in the Southern Hemisphere; J. Atmos. ScL, vol.39, №9, p.1921-1935,1982], [Manney, G., et al., Planetary scale waves in the Southern Hemisphere winter and early spring stratosphere: Stability analysis, J. Atmos. ScL, vol.48, p.2509-2523,1991], а также с внутренними нелинейными взаимодействиями [Lahoz, W., et al., Vortex dynamics and the evolution of water vapor in the stratosphere of the Southern Hemisphere. Q. J. Roy. Meteor. Soc, vol.122, p. 423-450,1996].

Установлено, что в сентябре-октябре 1998 г. период изменчивости волны к=2 составлял ~10 суток, максимальная интенсивность волны в геопотенциале наблюдалась на высоте ~30 км в области 60° ю.ш. в конце октября и значительно превосходила максимальную интенсивность волны А=3 [4]. Приводится сравнение полученных результатов с ранее опубликованными исследованиями волны к=2 для других периодов [Riese M, et al., Stratospheric transport by planetary wave mixing as observed during CRISTA-2; J. Geophys. Res., vol. 107, D23, p.8179-8190, 2002], [Manney G., et al., The behavior of wave 2 in the Southern Hemisphere stratosphere during late winter and early spring, J. Atmos. ScL, vol. 48, p.976-998,1991].

Проведено исследование пространственной структуры, и интенсивности меридионального вихревого переноса озона из средних широт в полярные южные широты, связанного с высокой активностью квазистационарной планетарной волны к=\ и бегущей на восток волны к=2.

Установлено, что бегущая на восток волны к=2 может быть выявлена в данных общего содержания озона, при этом, её амплитуда в отдельные периоды может составлять десятки е.Д. и превосходить максимальные значения квазистационарной волпы к=1, например, в сентябре-октябре 1998 г., когда амплитуда волны к=2 достигла более 100 е.Д. (Рис.5), а период изменчивости составлял ~10 суток (Рис.6) [5]. Показано, что наблюдаемое значение амплитуды волны h=2 в данных вертикального распределения и общего содержания озона соответствует вычисленным значениям с использованием линеаризованной адвективно-фотохимической модели [Hartmann D., Garcia R., A

mechanistic Model of ozone transport by Planetary Waves in the Stratosphere, J. Atmos. Sci., vol. 36, № 2, p.350-364,1979], учитывающей соответствующие возмущения температуры и меридионального ветра.

Исследование межгодовой изменчивости бегущей на восток планетарной волны к=2 с 1979 по 1994 и с 1996 по 2002 г. в данных общего содержания озона показало, что высокая интенсивность волны к=2 с амплитудой более 70 е.Д. наблюдалась во второй половине октября 1983 г., в первой половине октября 1990 г. и 1991 г., во второй половине октября 1996 г., во второй половине сентября 1997 г., во второй половине октября 1998 г., а также в сентябре и начале октября 2000 г. и в августе-сентябре 2002 г.

В пятой главе исследуется изменения циркуляции стратосферы, активности планетарных квазистационарных и распространяющихся волн, а также впервые зарегистрированное сильное стратосферное потепление (ССП), наблюдавшееся 22-26 сентября 2002 г. в Антарктике, которое привело к резкому увеличению температуры, разделению на две части полярного вихря и озонной дыры (Рис.7), возникновению аномалий восточного зонального ветра и значительному увеличению содержания озона.

Показано, что потепление, произошедшее в Антарктике в конце сентября 2002 г. полностью удовлетворяет принятым Всемирной Метеорологической службой критериям сильного стратосферного потепления: произошло разрушите полярного вихря, изменение направления зонального ветра с западного на восточное, а также изменился градиент температуры в области широт от Южного полюса до 60° ю.ш.

a) b)

Рисунок 7. Стереографические карты (а) геопотенциала (гам-100) на 30 гПа и (Ь) общего содержания озона (е.Д.) в Южном полушарии 25 сентября 2002 г

Установлено, что наибольшее в ходе ССП увеличение температуры наблюдалось над Южным полюсом в нижней стратосфере (20-25 км) и составляло ~50°К. Такого интенсивного стратосферного потепления в Антарктике не наблюдалось за всё время проведения наблюдений. Распространение сигнала ССП происходило из верхней стратосферы в нижние слои и из области ~70-50° ю.ш по направлению к Южному полюсу. До ССП в Антарктике наблюдалось три менее интенсивных увеличения температуры стратосферы с интервалом -10 суток: 20-25 августа, 1-5 и 10-15 сентября 2002 г.

Установлено, что произошедшее в ходе ССП разделение полярного вихря на две части наблюдалось в средней и нижней стратосфере. После разделения одна из отделившихся частей полярного вихря (также как и озонной дыры) сократилась и полностью исчезла к началу октября, вторая часть вихря усиливается до примерно середины октября, затем медленно ослабевает, и исчезает к концу октября - началу ноября, что является наиболее ранним завершением сезона антарктической озонной аномалии за последние более чем два десятилетия.

Проведено сравнение изменения циркуляции атмосферы, активности планетарных волн, связанного с их распространением меридионального вихревого переноса озона, а также характера истощения озонового слоя в Антарктике в 2002 г. и 1998 г. [ 1-2], когда в Антарктике наблюдалось одно из самых больших озонных аномалий [Uchino О., et al., Essential characteristics of the Antarctic-spring ozone decline: Update to 1998; Geophys. Res. Lett., vol. 26, p.1377-1380,1999].

Показано, что в августе и в течение первой половины сентября 2002 г. среднезональное значение общего содержания озона, осредненное по области 80-60° ю.ш., составляло 230-250 е.Д. (Рис.8).

В конце сентября в результате ССП

произошло резкое увеличение ОСО на ~ 100-110

е.Д. достигнув, таким образом, -340-350 е.Д. В

первой половине октября наблюдалось

уменьшение ОСО до 290-300 е.Д., после чего

ОСО вновь стало увеличиваться, достигнув к

концу октября 2002 г. -330 е.Д.

Принципиально иная картина истощения

озонового слоя наблюдалась в 1998 г.: в августе Рисунок 8. Изменение среднезонального ОСО

ОСО уменьшилось от -270 до 220 еД.

(е Д), осредненного по области 80-60° ю ш с 1

августа по 31 октября 2002 г. и 1998 г. (п°р°гового значения °зонн°й дыры), в течёте

сентября и первой половине октября ОСО

составляло от -190 до 220 е.Д.

Вычислив интегральное содержание озона, осредненное по области 80-60° ю.ш., в диапазонах высот от -16 до 20 км, где на частицах полярных стратосферных облаков в присутствии солнечного света происходит интенсивное разрушение озона, и от -21 до 56 км в августе-октябре 2002 г., установлено, что наибольший вклад в увеличение ОСО в Антарктике в конце сентября 2002 г. внесло увеличение озона в средней и верхней стратосфере: на высотах -21-56 км интегральное содержание озона увеличилось на ~70-80 е.Д., в то время как на высотах -16-20 км - только на -30 е.Д.

Проведен анализ пространственной структуры, эволюции планетарных волн к=1 и к=2 в данных геопотенциала, температуры, меридионального ветра, вертикального распределения и общего содержания озона. Показано, что в августе-сентябре 2002 г. в стратосфере Антарктики доминировали квазистационарная волна к=1 и распространяющаяся на восток волна к=2, максимумы которых в геопогенциале располагались на высоте 30-35 км в области 70-60° ю.ш., при этом период обеих волн составлял около 10 суток. В период предшествующий ССП волна к=\ распространялась в восточном направлении и достигла максимума 23-25 сентября 2002 г. Сразу после этого (одновременно с разделением полярного вихря), происходит резкое ослабление волны к=\ и усиление волны к=2.

Показано, что интенсивность планетарных волн к= 1-2-3 в Антарктике зимой-весной 2002 г. была значительно выше, чем в 1998 г., а зональная циркуляция в течение практически всего зимне-весеннего сезона 2002 г. была значительно менее интенсивной

по сравнению с 1998 г. и средними климатологическими значениями. Так, в сентябре-октябре 2002 г. среднемесячные значения зонального ветра в средних и высоких широтах в диапазоне рассматриваемых высот (от ~11 до 32 км) были меньше средних значений с 1979 по 2002 г. от 5-10 м/с в нижней стратосфере до 35-40 м/с в верхней.

Высокая активность планетарных волн в зимне-весенний сезон 2002 г. привела к ослаблению западных зональных ветров, являющихся динамическим барьером для обмена воздушными массами между полярными и средними широтами, а также к деформации полярного вихря, обычно располагающегося над Антарктическим континентом и имеющим круговую форму, и смещению его центра от Южного полюса.

В результате ослабления западных зональных ветров и деформации (вытягивания) полярного вихря периодически возникали меридиональные вторжения (забросы), имеющие тонкую "языковую" структуру, богатых озоном воздушных масс из средних в высокие широты. Наиболее интенсивные меридиональные забросы озона наблюдались во время сильного стратосферного потепления в конце сентября 2002 г.

Используя ассимилированные данные вертикально распределения озона 0Е08 и меридионального ветра МСЕР реанализ, был исследован меридиональный вихревой перенос озона, связанный с распространением планетарных волн. Положительное значение меридионального потока соответствует направлению на Южный полюс. На Рис.9.а),Ь) представлено распределение отношения смеси озона на 10 гПа и

меридиональный поток озона - нормированный на среднезональное значение

озона, осредненный по области широт 80-40° ю.ш. для 25 сентября 2002 г., где р' и V1 - отклонения от среднезонального значения отношения смеси озона и меридионального ветра, а - среднезональное значение отношения смеси озона. Наиболее интенсивные меридиональные вторжения богатых озоном воздушных масс из средних широт в полярные широты в виде тонких языковых структур наблюдались в областях долгот с центром ~50° и ~250° в. д. в период сильного стратосферного потепления 22-26 сентября 2002 г., вблизи 10 гПа, там же, где располагались максимумы в геопотенциале планетарных волн к=\ и к=2.

Для оценки результирующего переноса озона был вычислен среднезональный меридиональный вихревой поток озона. Интенсивность меридионального потока озона из средних широт в полярные в зимне-весенний сезон 2002 г. была значительно выше, чем в 1998 г. На Рис.10, представлен среднезональный меридиональный поток озона - на 10 гПа, где интенсивность потока максимальна, в области 80-20° ю.ш. в августе-октябре 1998 г. и 2002 г.

ДОЛГОТА

Рисунок 9. Долготная диаграмма отношения смеси озона (рршу) на 10 гПа (изолинии 2, 3 4, 5 (вьщелена пунктиром), 6, 7, 8, 9, 10, 11, область значений больше 7 заштрихована) (а) и нормированного меридионального потока озона _ ¡¡'ч'Гр (м/сек) осредненного по области 80-40° ю ш на 10,30,50 и 100 гПа (Ь) для 25 сентября 2002 г.

Перенос озона по направлению к Южному полюсу в августе - сентябре 2002 г. составлял от ~8 до 20 рршу-м/сек и достиг максимума - более 28 рршу-м/сек во время сильного стратосферного потепления в конце сентября. В августе - сентябре 1998 г. вихревой перенос озона к Южному полюсу составлял не более 8-10 рршу м/сек и только в конце октября достиг 14 рршу-м/сек.

Рисунок 10. Широтно-временная диаграмма среднезонального меридионального потока озона - ^V (рршу м/сек) на 10 гПа в августе-октябре 1998 г (а) и 2002 г. (Ь) Интервал. 2 и 4 соответственно, после 8 затемняется.

Для того чтобы изучить - как вихревой меридиональный перенос озона повлиял на изменения вертикального распределения озона в Антарктике в августе-октябре 1998 г. и 2002 г., используя ассимилированные данные озона 0Е08, были рассчитаны несколько эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) среднезонального отношения смеси озона в стратосфере после удаления сезонного тренда. Главные ЭОФ моды (вектора)

описывают наиболее важные черты исследуемого поля, которые дают наибольший вклад в общую изменчивость. На Рис.1 1.а,Ь) представлены первые ЭОФ вектора среднезонального отношения смеси озона, которые для 1998 г., отвечают за -56% вклада в общую изменчивость и ~54% для 2002 г., а также временной ход их коэффициентов с 1 августа по 31 октября (Рис.11.с). Картину изменчивости исследуемого распределения

а)ЕОФ1(56%) ав1усг-оыябрь 1998 г. озона можно получить, умножив значение

соответствующего коэффициента ЭОФ на значение вектора ЭОФ в каждой точке.

В течение сентября и в начале октября 1998 г. происходило уменьшение озона в нижней стратосфере Антарктики (вероятно, имеющее химическое происхождение) и увеличение озона (по сравнению со средним в августе-октябре) в верхней стратосфере средних широт (РисЛ 1 .а).

Значительные различия в поведении коэффициентов первых ЭОФ в 1998 и 2002 гг. свидетельствуют о большей волновой возмущенности стратосферы уже в августе 2002 г., когда наблюдались 10-суточные колебания, как в озоне, так и в циркуляции стратосферы.

В августе-сентябре 2002 г. наблюдался значительный, вихревой обмен озоном между озонной дырой и верхней стратосферой в области ~60-40° юж. Направленный к Южному полюсу сильный меридиональный поток озона достиг максимума во время сильного Рисунок 11. Высотно-широтная диаграмма первой стратосферного потепления в конце

эмпирической ортогональной функиии ЭОФ1 т

сентября 2002 г. и привел к уменьшению

среднезонального отношения смеси озона в области

озона в области ~60-40° юж.

80-20° ю.ш. в августе-октябре 1998 г. (а), 2002 г. (Ь) и их коэффициенты (с). Используются значительному увеличению озона в Федней произвольные единицы. и нижней стратосфере (Рис. 11 .Ь) [2].

Полученные результаты показывают, что циркуляция и вихревой перенос озона зимой-весной 2002 г. резко отличались от динамической ситуации 1998 г. - типичного года с большой озонной дырой в Антарктике. Сильный меридиональный вихревой перенос озона из средних широт, связанный с высокой интенсивностью планетарных волн, играл важную роль в наблюдаемом значительном увеличении содержания озона в Антарктике в сентябре 2002 г.

В сентябре-октябре 2004 г. в Антарктике наблюдалось близкое к 2002 г. истощение озона, значительное меньшее, чем, например, в 2000, 2001 и 2003 гг. Таким образом, значительные межгодовые вариации озонной дыры в последние годы, свидетельствуют о доминирующей роли изменений динамики атмосферы Южного полушария.

Основные результаты работы можно сформулировать в виде следующих положений:

1. Получены обширные данные о пространственной структуре, интенсивности, межгодовой и межсезонной изменчивости крупномасштабных возмущений долготного распределения общего содержания озона в Южном и Северном полушариях с 1979 г. по 2002 г. Впервые установлено, что значение среднемесячной амплитуды квазистационарной волны с зональным числом к=\ в общем содержании озона в сентябре и октябре в высоких южных широтах, осредненное с 1979 по 2002 г., превышает примерно в два раза значения среднемесячной амплитуды соответствующей волны в зимние и весенние месяцы в Северном полушарии.

2. С использование разработанной методики адаптации глобальных данных вертикального распределения озона в вычислениях на трехмерной модели средней атмосферы, проведено исследование термического отклика стратосферы при учете крупномасштабных долготных неоднородностей озона. Получены оценки изменения температурного режима стратосферы при наблюдаемом уменьшении содержания озона и увеличении содержания двуокиси углерода с середины 1980-х до середины 1990-х годов.

3. В результате исследования являющейся особенностью циркуляции стратосферы южного полушария бегущей на восток планетарной волны с зональным числом к=2 впервые установлено, что динамические процессы, связанные с данной волной могут вызывать отклик в общем содержании озона с тем же периодом, зональным числом и амплитудой в десятки единиц Добсона.

4. Исследование наиболее слабого за последние 20 лет истощения озона в Антарктике весной 2002 г. показало, что рекордно высокая интенсивность планетарных волн привела

к замедлению циркуляции и интенсивному меридиональному переносу озона из средних широт в высокие с максимумом в средней атмосфере в период впервые зарегистрированного в Антарктике сильного стратосферного потепления. 5. Антарктическая озонная дыра испытывает значительные межгодовые вариации вследствие изменений динамики атмосферы Южного полушария.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Варгин П.Н., Жадин Е.А., Влияние стратосферного потепления на антарктическую озоновую дыру 2002 года; Метеорология и Гидрология, № 8, стр.36-45,2004.

2. Жадин Е.А., Варгин П.Н. Антарктическая озоновая дыра 2002 г. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.40, № 5, стр 696-705,2004.

3. Варгин П.Н. Исследование меридионального переноса озона, связанного с атмосферными планетарными волнами в Антарктике в августе-октябре 1998 и 2002 гг. Четвертая всероссийская научная конференция Физические проблемы экологии, Москва, стр.6-8,2004.

4. Варгин П.Н. Анализ распространяющейся на восток волны с зональным волновым числом 2 по данным температуры, вертикального распределения и общего содержания озона. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.39, № 3, стр.327-334,2003.

5. Vargin P., A comparison of ozone wave structure and meridional ozone transport of the southern hemispheric GEOS data between August-October 1998 and 2002. Proceedings of the XX Quadrennial Ozone Symposium, Kos, Greece, p. 450-451,2004.

6. Jadin, E., Vargin P., Antarctic Ozone Hole in 2002 and SST anomalies in the South Oceans, Proceedings of the XX Quadrennial Ozone Symposium, Kos, Greece, p. 1033-1034,2004.

7. Krivolutsky A., B. Kirushov, P. Vargin; Generation of wave motions in the middle atmosphere induced by variations ofthe ultraviolet radiation flux (based on the UARS satellite data); Inter. Journal of Geomagnetism and Aeronomy, vol. 3, № 3, p.267-279,2003.

8. Krivolutsky A., Kirushov В., Vargin P., Dynamical response of the middle atmosphere caused by non-zonal structure of ozone heating. IRS 2000: Current Problems in Atmospheric Radiation. A Deepak Publishing, Hampton, Virginia, p.706-710,2001.

9. Vargin P., Numerical study of possible influence of longitudinal ozone inhomogeneities on dynamics of the middle atmosphere, NATO-ASI volume; Kluwer Academic Publishers; Chemistry and Radiation Changes in the Ozone Layer; Science Series C: Mathematical and Physical Sciences, vol. 557; p.373-382,2000.

10. Vargin P., Investigation of temporal variability and spatial inhomogeneities of the net ozone heating in the stratosphere during winter 1991-1992, Proceedings of the XIX Quadrennial Ozone Symposium, Sapporo, Japan, p.697-698,2000.

11. Krivolutsky A., Kirushov B., Viushkova T., Vargin P., Pancheva D., Transient planetary waves structure in the middle atmosphere during 1991-1992: UARS data analysis and numerical model runs; Annales Geophysicae, 1998, Part m, vol. 16, C 661,1998.

12. Krivolutsky A., Vargin P., QBO variability oftotal ozone for Antarctic springs and its relation to planetary waves intensity, Annales Geophysicae, Part m, vol. 16, C 751,1998.

13. Vargin P., Nonzonal heating rates in the stratosphere caused by large-scale total ozone ingomogenities, Annales Geophysicae, Abstract ofXXn EGS General Assembly, OA 27, ST 14,1997.

14. Krivolutsky. A., Koshelkov Yu., Kirushov B, Vargin. P, Chanin.M-L., Hauchecorae. A., Ph. Keckhut; Vertical structure oftemperature periodic components between 30-90 km and its comparison to 2-D numerical modeling; Annales Geophysicae, Vol.15, Part III, p. 144,1997.

15. Vargin P., Climatological structure of non-zonal heating rates in the stratosphere caused by large-scale ingomogenitiety of total ozone, Proceedings of XVIII Quadrennial Ozone Symposium, L' Aquila, Italy, p.817-820,1996.

16. Vargin P., The intensity of large-scale non-zonalities of total ozone in different phases of QBO and ozone decreation. Abstracts of International Ozone Conference, Greece, p.71,1995.

17. Vargin P., Nonzonal sources of heating in the middle atmosphere caused by ozone and the possible contribution to its temporal variation; Annales Geophysicae., Abstract of XIXI EGS General Assembly; Grenoble; Supplement 3 to vol.12, Part 3, p.557,1994.

ООП Физ.ф-та МГУ. Заказ 153-100-04

25,00

11 l'Issu

/f> 1273

u T;

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Варгин, Павел Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования состояния озонного слоя Земли.

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ПЛАНЕТАРНЫХ ВОЛН НА

ГЛОБАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА.

§1.1. Обзор исследований отклика в озоне, связанного с воздействием стационарных и распространяющихся планетарных волн.

§1.2 Перенос озона вследствие распространения планетарных волн.

§1.3 Влияние планетарных волн на динамику средней атмосферы.

§1.4. Особенности циркуляции атмосферы в южном полушарии.

§1.5. Известные черты распространяющейся на восток волны к=2.

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ.

§2.1. Пространственное и временное разрешение используемых данных.

§2.2. Технология измерений и ассимиляции используемых данных.

2.2.1. Данные стратосферного озона GEOS.

2.2.2. Данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра UARS-UKMO.

2.2.3. Данные общего содержания озона, измеренные прибором TOMS.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ДОЛГОТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА И ДИНАМИЧЕСКОГО ОТКЛИКА СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ ПРИ ИХ УЧЕТЕ В ВЫЧИСЛЕНИЯХ НА ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ЦИРКУЛЯЦИИ.

§3.1. Введение.

§3.2. Анализ данных общего содержания озона с 1979 г. по 2002 г.

3.2.1. Исследование долготных неоднородностей распределения ОСО.

3.2.2 Связь межгодовых колебаний интенсивности долготных возмущений ОСО и экваториального квазидвухлетнего цикла.

§3.3. Модельные расчеты циркуляции, учитывающие незональное распределение озона

3.3.1. Описание модели средней атмосферы.

3.3.2. Схема использования данных озона GEOS модельных вычислений.

3.3.3. Расчеты для периода декабрь - апрель 1991-1992 гг.

3.3.4. Расчеты для периода январь-май 1998 г.

§3.4 Исследование изменения температурного режима стратосферы при наблюдаемом увеличении содержания двуокиси углерода и уменьшении озонового слоя.

3.4.1. Проведение модельных вычислений.

3.4.2. Обсуждение результатов модельных вычислений.

3.4.3. Сравнение с результатами других модельных вычислений и наблюдений

§3.5. Основные выводы Главы 3.

ГЛАВА 4. ИСЛЕДОВАНИЕ БЕГУЩЕЙ НА ВОСТОК ПЛАНЕТАРНОЙ ВОЛНЫ С

ЗОНАЛЬНЫМ ВОЛНОВЫМ ЧИСЛОМ 2.

§4.1 Метод исследования бегущих планетарных волн

4.1.1. Задача выделения планетарных волн из рядов метеорологических данных.

4.1.2 Применяемый метод выделения планетарных волн.

§4.2 Результаты исследования волны к=2 в июле-октябре 1998 г

4.2.1 Характеристики волны к=2 в озоне, температуре, геопотенциале.

4.2.2. Вычисление отклика в озоне на наблюдаемые возмущения температуры и меридионального ветра, связанные с волной к=2.

4.2.3. Связь эволюции волны к=2 с сезонным изменением зонального ветра.

4.2.4. Взаимосвязь распространяющейся на восток волны к= 2 и квази -стационарной волны к= 1.

4.2.5. Связь интенсивности волны к=2 и резкого увеличения температуры в верхней стратосфере в сентябре 1998 г.

4.2.6. Исследование "языковых" забросов воздушных масс из тропиков в высокие южные широты в июле-октябре 1998 г.

§4.3. Исследование возможного механизма генерации бегущей на восток волны к= 2.

§4 4. Исследование бегущей на восток волны к=2 в общем содержании озона

4.4.1 Выявление сигнала волны к=2 в ОСО в сентябре-октябре 1998 г.

4.4.2. Сравнение амплитуды квази-стационарной волны к=2 и распространяющейся волны к=2 в ОСО.

4.4.3. Исследование планетарной волны к=3 в зимне-весенний сезон 1998 г.

4.4.4. Вычисление амплитуды волны к=2 в ОСО.

4.4.5. Исследование межгодовой изменчивости волны к=2 в ОСО.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние квазистационарных и распространяющихся планетарных волн на распределение озона"

Актуальность работы.

Атмосферный озон является чрезвычайно важным элементом химического состава атмосферы Земли. Наибольшая часть озона находится в стратосфере, где озон поглощает большую часть коротковолновой радиации Солнца, способной негативно влиять на биосферу Земли. При поглощении озоном УФ радиации Солнца в стратосфере происходит выделение тепла, неравномерное распределение которого является главным источником циркуляции средней атмосферы. Кроме этого, озон, являясь парниковым газом, поглощает часть длинноволновой радиации, отраженной от поверхности Земли.

Меньшая часть озона находится в тропосфере, где озон, являясь химически активным элементом, является важным фактором загрязнения воздуха. При больших концентрациях озон способен оказывать вредоносное влияние на растительный мир, здоровье человека, а также на различные материалы.

Изменение озонового слоя Земли тесно связано с наблюдаемым в последние десятилетия изменения климата, вызванные накоплением в нижней атмосфере парниковых газов. При этом изменения озонового слоя и климата могут взаимно влиять друг на друга: увеличение содержания озона в тропосфере, также как и других парниковых газов, приводит к повышению её температуры, а уменьшение содержания озона в стратосфере ведет к уменьшению температуры стратосферы. Изменение температурного режима атмосферы приводит к изменению циркуляции, что в свою очередь также оказывает влияние на озонный слой, также как на распределение других малых газовых составляющих атмосферы. Кроме этого, скорости химических реакций, в ходе которых происходит образование и разрушение озона также зависят от температуры.

Интенсивное разрушение озонового слоя в полярных регионах обоих полушарий в течение зимних и весенних сезонов главным образом вызвано выбросами в атмосферу Земли газов, содержащих хлор, бром, такие как хлоровтороуглеводы, вследствие хозяйственной деятельности человека.

Хотя, озон образуется и разрушается вследствие химических реакций, его глобальное распределение в атмосфере и межгодовые вариации контролируется главным образом динамическими процессами, к числу которых относятся планетарные стационарные и распространяющиеся волны, наблюдаемые преимущественно в средних и высоких широтах обоих полушарий в зимние и весенние сезоны. Долгое время изучение процессов переноса озона было ограничено отсутствием регулярных данных озона и метеорологических параметров, особенно для Южного полушария, где находилось гораздо меньшее количество станций наземного наблюдения. С развитием спутниковых наблюдений в последние два десятилетия ситуация резко изменилась, но вследствие технических трудностей, особенностей работы различной измерительной техники и ограничению времени её эксплуатации до настоящего времени не существует долговременных регулярных глобальных данных вертикального распределения озона

В последние годы происходит создание и развитие баз данных, аккумулирующих всю доступную спутниковую информацию и рассчитывающих недостающие параметры атмосферной циркуляции, используя глобальные модели общей циркуляции. В результате, для научных исследований становятся доступными регулярные глобальные данные, охватывающие большую часть тропосферы и стратосферы с высоким пространственным и временным разрешением, например, данные реанализа NCEP, ECMWF, UKMO.

Хотя процессы переноса озона планетарными волнами давно привлекают внимание исследователей, полной картины переноса пока нет, также как и возможности исследовать те или иные эпизоды. Появившиеся в последнее время архивы данных позволяют получить регулярные глобальные данные горизонтальных скоростей (зонального и меридионального ветра) и других метеорологических параметров во всем диапазоне высот верхней тропосферы и стратосферы с высоким пространственным и временным разрешением и с задержкой не более месяца. Однако, данные вертикального распределения озона, учитывающие особенности его долготного распределения, доступны лишь для отдельных интервалов времени, имеют ограничения по пространству, и часто не регулярны.

Большую проблему представляет вычисление вертикального переноса, из-за ошибок вычислений вертикальных скоростей, вследствие неточностей параметризации радиационных источников и стоков тепла.

Дальнейшее изучение процессов переноса озона связанных с распространением планетарных волн необходимо для более точного понимания естественных изменений распределения озона и их межсезонной и межгодовой изменчивости, включая интенсивное разрушение озонного слоя, наблюдаемое в полярных регионах обоих полушарий. Особую актуальность эта проблема приобрела после неожиданного аномально низкого разрушения озонового слоя в Антарктике в 2002 г.

Цель работы.

Целью настоящей работы является исследование пространственной структуры, интенсивности, эволюции доминирующих в средней атмосфере средних и высоких широт Южного полушария квазистационарных и распространяющихся планетарных волн, а также влияния динамических процессов связанных с их распространением на распределение озона в Антарктике, в частности, в связи с неожиданно высоким (за последние 20 лет) содержанием озона в 2002 г.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать пространственную структуру, интенсивность, межгодовую и межсезонную изменчивость крупномасштабных долготных неоднородностей общего содержания озона в обоих полушариях.

2. Исследовать пространственные возмущения нагрева средней атмосферы озоном, вызванные долготными неоднородностями в его распределении. Разработать методику усвоения глобальных ассимилированных данных вертикального распределения озона для использования в модельных вычислениях. Оценить динамический отклик средней атмосферы при учете долготных возмущений распределения озона при проведении вычислений на трехмерной модели средней атмосферы.

3. Исследовать пространственную структуру, интенсивность, эволюцию стационарных и распространяющихся планетарных волн, доминирующих в Антарктике в зимне-весенние сезоны. Изучить структуру меридионального вихревого переноса озона, связанного с распространением планетарных волн.

4. Исследовать изменения циркуляции стратосферы, активность планетарных стационарных и распространяющихся волн, развитие впервые зарегистрированного в Антарктике сильного стратосферного потепления, приведшего к необычайно низкой озонной аномалии. Оценить роль динамических факторов связанных с распространением планетарных волн в увеличении озона над Антарктикой в 2002 г.

Научная новизна.

2. С использованием трехмерной модели средней атмосферы показано, что наблюдаемое уменьшение концентраций озона за 10 лет с середины 1980-х до середины

1990-х гг. приводит к наибольшему охлаждению в декабре-феврале в верхней стратосферы в высоких и средних широтах Южного полушария и составляет около -1.4°К. Увеличение двуокиси углерода от 355 до 370 ppmv привело к глобальному уменьшению температуры от -0.2°К в нижней до -0.9-1°К в верхней стратосфере.

3. Используя ежедневные глобальные ассимилированные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра, а также вертикального распределения озона, исследована пространственная структура, интенсивность, временная изменчивость бегущей на восток волны с зональным волновым числом к= 2 в Антарктике. Установлено, что волновые процессы, связанные с волной к= 2, могут вызывать волновое возмущение распределения общего содержания озона с тем же волновым числом и периодом и амплитудой в десятки единиц Добсона.

Практическая значимость.

2. Разработана методика использования глобальных трехмерных ассимилированных данных вертикального распределения озона, осредненных за сезон, месяц или сутки в вычислениях на трехмерной модели средней атмосферы. Методика позволяет проводить модельные вычисления с трехмерными, либо среднезональными данными озона.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа пространственной структуры, интенсивности, межсезонной и междугодовой изменчивости крупномасштабных долготных неоднородностей озона в Южном и Северном полушариях.

2. Обнаружение и исследование отклика, являющейся особенностью циркуляции стратосферы Южного полушария бегущей на восток планетарной волны с зональным числом к=2 в данных общего содержания озона.

Достоверность результатов определяется согласованностью параметров планетарных волн в различных данных параметров циркуляции, вертикального распределения и общего содержания озона, а также:

• использованием трехмерной модели средней атмосферы, созданной в университете г. Кёльн (Германия) и многократно применявшейся в различных исследованиях

• надежностью использованных данных: глобальные ежедневные спутниковые данные общего содержания озона, измеряемого прибором TOMS глобальные ежедневные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра, подготовленные в метеорологическом департаменте Великобритании (UKMO) на основе данных спутника UARS глобальные среднемесячные и среднесуточные ежедневные данные температуры, геопотенциала, зонального и меридионального ветра (NCEP реанализ), подготовленные в Центре Исследований Климата США глобальные ежедневные данными вертикального распределения озона (GEOS), подготовленных в отделе ассимиляции данных космического агентства США

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежит участие в постановке задач, их решении, математической обработке и анализе исходных данных и результатов.

Апробация работы.

Работа выполнялась на физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова с 1996 г. по 1998 г. и в Центральной Аэрологической Обсерватории с 1999 г. по 2004 г. Тема диссертации включена в план работ кафедры физики атмосферы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по озону (Салонники, Греция, 1994), XVII Международном симпозиуме по озону (Ля-Акуила, Италия, 1996 г.), XXXI Международной научной ассамблее COSPAR (Единбург, Великобритания, 1996 т.), Международной конференции европейского геофизического общества (Гаага, Нидерланды, 1996 г., Вена, Австрия, 1997 г., Ница, Франция, 1998 г.), Международной летней школе по атмосферной физике и химии, (Крит, Греция, 1999 г.), Международном радиационном симпозиуме, (Санкт-Петербург, Россия, 2000 г.), XVIII и XIX Международном симпозиуме по озону (Саппоро, Япония, 2000 г., Кос, Греция, 2004 г.), IV всероссийской научной конференции Физические проблемы экологии, (Москва, 2004 г.), VIII конференции молодых ученых "Состав атмосферы и электрические процессы" (Москва, 2004 г.).

В России результаты докладывались на семинарах в Центральной Аэрологической Обсерватории, Московском Государственном Университете.

По теме диссертации опубликовано 17 основных работ в отечественных и зарубежных журналах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 186 наименований. Рукопись содержит 170 страниц, 136 рисунка, 3 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Варгин, Павел Николаевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Используя среднемесячные спутниковые данные общего содержания озона с 1979 г. по 2002 г. исследована пространственная структура, интенсивность, межсезонная и межгодовая изменчивость крупномасштабных возмущений долготного распределения общего содержания озона в обоих полушариях, связанных с воздействием квазистационарных планетарных волн. Показано, что наибольшие долготные неоднородности распределения озона наблюдаются в высоких широтах Южного полушария в весенний сезон (сентябрь-октябрь) и являются Фурье компонентой с зональным волновым числом к= 1.

Впервые установлено, что значение среднемесячной амплитуды квазистационарной волны к= 1 в общем содержании озона в сентябре и октябре в высоких широтах Южного полушария, осредненное за период с 1979 по 2002 г., превышает значения соответствующей среднемесячной амплитуды квазистационарной волны к= 1 в зимние и весенние месяцы (январь-март) в высоких широтах Северного полушария.

2. Проведено исследование пространственной структуры возмущений нагрева стратосферы озоном, вызванных крупномасштабными долготными неоднородностями распределения озона. Показано, что наибольшие значение возмущений нагрева составляет ~1 °К в сутки на высотах максимального озонного нагрева 40-50 км.

Для исследования влияния долготных неоднородностей озона на динамику средней атмосферы было выполнено сравнение результатов численных вычислений на трехмерной модели средней атмосферы, используя незональные и зонально-осредненные данные глобального вертикального распределения озона для зимнего сезона в Северном полушарии. Показано, что наибольший термический отклик динамики стратосферы на долготные возмущения распределения озона наблюдается на высотах максимального нагрева стратосферы озоном в высоких широтах и составляет в температуре ~0.5-1 °К.

3. Используя трехмерную модель средней атмосферы, проведено исследование изменения температуры стратосферы вследствие увеличения содержания двуокиси углерода (С02) и уменьшения озонового слоя, которое наблюдалось с середины 1980-х до середины 1990-х гг. Полученные результаты показали, что в зимний сезон в Северном полушарии наибольшее уменьшение температуры стратосферы из-за уменьшения озонового слоя наблюдается на высотах 40-50 км в высоких и средних широтах Южного полушария и составляет более 1.2 °К. Увеличение двуокиси углерода от 355 до 370 ppmv привело к уменьшению температуры от -0.2 °К в нижней до -0.9-1 °К в верхней стратосфере.

Таким образом, наблюдаемое с середины 1980-х до середины 1990-х гг. увеличение содержания С02 оказывает в глобальном рассмотрении большее влияние на уменьшение температуры стратосферы обоих полушария, чем уменьшение озонового слоя. Полученные оценки изменения температуры стратосферы находятся в соответствии с известными результатами наблюдений и модельных вычислений.

4. Проведено исследование бегущей на восток планетарной волны с волновым числом к=2, которая регулярно наблюдается в высоких широтах в зимне-весенние сезоны и является исключительной особенностью циркуляции Южного полушария. Анализ пространственной структуры, интенсивности и эволюции бегущей на восток волны к=2 впервые проведен в данных вертикального распределения и общего содержания озона.

Впервые проведено исследование межгодовой и межсезонной изменчивости бегущей на восток волны к=2 в общем содержании озона с 1979 г. по 2002 г. Показано, что волна к=2 регулярно наблюдается в общем содержании озона с максимумом вблизи 60° ю.ш. в течение сентября-октября и её амплитуда может достигать до 100 е.Д. (например, октябрь 1998 г.) и превосходить амплитуду квазистационарной волны к= 1. Установлено, что высокая интенсивность волны к=2 в общем содержании озона с амплитудой больше 70 е.Д. наблюдалась во второй половине октября 1983 г., в первой половине октября 1990 г. и 1991 г., во второй половине октября 1996 г., во второй половине сентября 1997 г., во второй половине октября 1998 г., а также в сентябре и начале октября 2000 г. и в августе-сентябре 2002 г.

5. Исследование влияния сильного стратосферного потепления, произошедшее в Антарктике в конце сентября 2002 г., на озоновую дыру показало, что потепление привело к сильному меридиональному переносу озона из средних в высокие широты с наибольшей интенсивностью в средней стратосфере в период сильного стратосферного потепления.

Анализ планетарных волн показал, что в августе-сентябре 2002 г. в стратосфере Антарктики доминировали квазистационарная волна к= 1 и распространяющаяся на восток волна к= 2, с максимумом в области 70-60° ю.ш. и с периодом ~10 суток. Интенсивность планетарных волн А=1 и к= 2 в зимне-весенний сезон 2002 г. была значительно выше, чем в 1998 и 2001 гг., когда наблюдалось значительное истощение озона в Антарктике.

На основе анализа изменения вертикальной структуры содержания озона, меридионального вихревого переноса озона, а также пространственно-временных связей общего озона и динамики стратосферы делается вывод о важной роли процессов переноса из средних широт в высокие в значительном увеличении озона в Антарктике в сентябре 2002 г.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Варгин, Павел Николаевич, Москва

1. Бекорюков В.И. Сезонные изменения функции нагрева стратосферы., Труды Центральной Аэрологической, выпуск 76, стр. 19-26, 1967.

2. Бекорюков В.И. О теории переноса атмосферного озона при наличии длинных волн. Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, том 1, № 9, стр. 897-905, 1965.

3. Брасье Г., Соломон С., Аэрономия средней атмосферы, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987.

4. Божков Р., Вычисление вертикального распределения озона в атмосфере по данным о его общем содержании, Метеорология и гидрология, № 1, 100, стр. 100-108,1969.

5. Варгин П.Н., Анализ распространяющейся на восток волны с зональным волновым числом 2 по данным температуры, вертикального распределения и общего содержания озона. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, том.39, № 3, стр.327-334,2003.

6. Варгин П.Н., Жадин Е.А., Влияние стратосферного потепления на антарктическую озоновую дыру 2002 года, Метеорология и гидрология, (в печати) № 8,2004.

7. Жадин Е.А., Петушков Н.Д. Диагностика аномалий озона в северном полушарии, Метеорология и гидрология, № 6, стр.57-61,1993.

8. Жадин Е. А., Б. М. Кирюшов. Резонанс планетарных волн и внезапные стратосферные потепления,-Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, т.24, стр.34-41, 1988.

9. Жадин Е.А., Долгопериодные вариации озона и циркуляция стратосферы, Метеорология и гидрология, № 2, стр.68-80,1999.

10. Жадин Е.А. Арктическое колебание и межгодовые вариации температуры поверхности Атлантического и Тихого океанов. Метеорология и гидрология. 2001, т.8, с.28-40.

11. И. Кокин Г. А., Особенности временных изменений общего содержания озона над обсерваторией Молодежная (Антарктика), Метеорология и гидрология, № 7, стр.49-57, 1996.

12. Кошельков Ю.П., Циркуляция и строение стратосферы и мезосферы южного полушария. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1980.

13. Кузнецов Г.И., Озон и атмосферная циркуляция, Атмосферный озон, Издательство МГУ, стр.82-102, 1961.

14. Кузнецов Г.И., Взаимодействие атмосферы, гидросферы, литосферы. Москва, 1999.

15. Матвеев Л.Т., Физика Атмосферы, Гидрометеоиздат, стр. 346,2000.

16. Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона. Гидрометеоиздат, 1973.

17. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Гидрометеоиздат, 1978.

18. Хргиан А.Х. Кузнецов Г.И., Проблемы наблюдения и исследования атмосферного озона. Издательство МГУ, Москва, 1981.

19. Allen D., Stanford J. Elson L., Fishbein E., Froidevaux L., Waters J.; The 4-day Wave as Observed from the Upper Atmosphere Research Satellite Microwave Limb Sounder; J. Atmos. Sci., vol. 54, № 3, p.420-434, 1997.

20. Al-Ajmi, D.N. R.S. Harwood, and T. Miles, A sudden wanning in the middle atmosphere of the southern hemisphere; Q. J. R. Metorol. Soc., vol. Ill, p.359-389, 1985.

21. Andrews, D.G., M.E. Mclntyre, Generalized Eliassen-Palm and Charney-Drazin Theorems for Waves on Axisymmetric Mean Flows in Compressible Atmospheres, J. Atmos. Set., vol. 33, p.2031-2048,1978.

22. Angell, J.K., J. Korshover, Qusi-biennial variations in temperature, total ozone and tropopause height, J. Atmos. Sci, vol. 21, p.479-492,1964.

23. Aoki H., Shiotani M., Hirota I. Interannaul variability of the tropospheric circulation and its relation to the stratosphere in the southern hemisphere. J. Meteor. Soc. Japan, vol. 74, p.509-523, 1996.

24. Aoki H., Hirota I. Quasi-stationary planetary waves in the southern hemisphere troposphere. J. Meteor. Soc. Japan, vol. 76, p.581-596,1998.

25. Austin J., Butchart N., A three-dimensional modelling study of influence of planetary wave dynamics on polar ozone photochemistry; J. Geophys. Res., vol. 97, p.10165-10186,1992.

26. Azeem S., Palo S., Wu D., Froidevaux L., Observations of the 2-Day Wave in UARS MLS Temperature and Ozone Measurements Geophys. Res. Lett., vol. 28, № 16, p.3147-3150,2001.

27. Baldwin M., Hirooka Т., O'Neil A., Yoden S. Major Stratospheric Warming in the SH in 2002: Dynamical Aspects of the Ozone Hole Split. SPARC Newsletter, 20, p.24-26, 2003.

28. Barnet J. J. Large sudden warming in the southern hemisphere, Nature, 255, p.387-389, 1974.

29. Barnett. J., Corney M. Middle atmosphere reference model described from satellite data. Middle Atmosphere Program, Handbook for MAP, vol. 16, University of Illinois, Urbana, 1985.

30. Berger U., Numerische Simulation klimatologischer Prozesse und thermischer gezeiten in der mittleren Atmosphaere; Heft 91; Universitaet zu Koeln; /на немецком яз./, p.79-85, 1994.

31. Berger, U, Dameris M. Cooling of the upper atmosphere to C02 increase: a model study, Ann. Geophysicae, 11, p. 809-819,1993.

32. Berggren R., Labitzke K. The distribution of ozone on pressure surfaces; Tellus, № 20, p.88-97, 1968.

33. Bodeker G., Scourfield M., Planetary waves in total ozone and their relation to Antarctic ozone depletion; Geophys. Res. Lett., vol.22, № 21, p.2949-2952, 1995.

34. Bojkov R. Planetary Features of total and vertical Ozone Distribution during 1QSY, IDOJARAS, 1968.

35. Bojkov R. Planetary study of the ozone heating of the stratosphere; WMO assignment to M1RT; Cairo, 1970.

36. Bojkov R. The 1978-1985 ozone decline in the Antarctic as reflected in ground based observations; Geophys. Res. Lett., vol. 13, p.1236-1239, 1986.

37. Bretherton C.S. Smith C., Wallace J.M. 1992: An intercomparision of methods for finding coupled patterns in climate data. J. Climate, 5,541-560.

38. Canzani P., Holton J. Kelwin waves and the quasi-biennial oscillation: An observation analysis; J. Geophys. Res. vol.103, p.31509-31521, 1998.

39. Chatfield C., The analysis of time series, Chapman & Hall, New York, Chapter 7, 1980.

40. Charney J., Stern M., On the stability of internal baroclinic jet in a rotating atmosphere, J. Atmos. Sci., vol. 19, p. 159-172, 1962.

41. Charney J., Drazin P. Propagation of planetary-scale disturbances from the lower into the upper atmosphere; J. Geophys. Res. vol. 66. p.83-109, 1961.

42. Cheng X., Dunkerton T.J. Orthogonal rotation of spatial patters derived from singular value decomposition. J. Climate. 8, p.2631-2643,1995.

43. Chubachi, S., A special ozone observation at Syowa Station, Antarctica, from February 1982 to January 1983, in Atmospheric Ozone Proc. Ozone Symposium, p.285-289,1985.

44. Chubachi, S., Annual variation of total ozone at Syowa Station, Antarctica, J. Geophys. Res., vol. 102, p. 13491354,1997.

45. CIRA, COSPAR International Reference Atmosphere, 1986, 1985.

46. Cogley S., Borucki.W., Exponential approximation for daily averaged solar heating of photolysis, J. Atmos. Sci., vol. 33, № 7, p. 1347-1356,1976.

47. Craig R., The observation and photochemestry of atmospheric ozone and their meteorological significance, Boston, Meteorol. Monogr. №.2, p 50,1950.

48. Dameris M., Berger U., Guenter G., Ebel A., The ozone hole: dynamical consequences as simulated with a three-dimensional model of the middle atmosphere; Лил. Geophysicae, № 9, p.661-668,1991.

49. DAO, Algoritm Theoretical Baseline Document Version 1.01 Data Assimilation Office; NASA Goddard Space Flight Center, 1996.

50. Deland R., A note on the analysis of quasi-stationary and traveling waves, J. Meteor. Soc. Japan, vol.50, p.483-486,1972.

51. Deland R., Analysis of Nimbus 3 SIRS radiance data: Traveling planetary-scale waves in the temperature field; Mon. Wea. Rev., vol.101, p.132-146, 1973.

52. Dobson, G.M., Harison D.N., Lawrence J., Measurement of the Amount of Ozone in the Earth Atmosphere and its Relation to Other Geophysical Conditions. Proc. Roy. Soc. London, A122,456-486, A.110, 660-693, 1926.

53. Douglass A., Weaver C., Rood R., Coy R., A three-dimensional simulation of the ozone annual cycle using winds from a data assimilation system; J. Geophys. Res., vol.101, p.1463,1996.

54. Dunkerton, Т., C-P.F.Hsu, M.E.McIntyre, Some Eulerian and Lagrangian diagnostics for a model stratospheric warming. J. Atm. Sci., vol.38, p.819-843,1981.

55. Dutsch H. Atmospheric ozone and ultraviolet radiation, in World Survey of Climatology. V.4. Elsevier. New York, 1969.

56. Elson L., Manney G., Froidevaux L., Waters J., Large-Scale Variations in Ozone from the First Two Years of UARS MLS Data; J. Atmos. Sci., vol.51, № 20, p.2867-2876,1994.

57. Farman, J., Gardiner В., Shanklin J., Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal CIO x /NO x interaction; Nature, 315, p.207-210, 1985.

58. Fleig A., Silberstein D., Weellemeyer C., Cebula R., Bhartia P., An assessment of the long-term drift in TOMS total ozone data Based on comparison with the Dobson network; Geophys. Res. Lett., vol.15, p.l 133, 1988.

59. Fomichev V., Kutepov A., Akmaev R., Schved G. Parameterization of the 15 CO 2 band cooling in the middle atmosphere (15-115 km); J. Atmosp. Terr. Phys., vol.55, p.7-18, 1993.

60. Fortuin J., Kelder H. An ozone climatology based on ozonesonde and satellite measurements, J. Geophys. Res., vol. 103, №D24,p.31.709-31.734, 1998.

61. Fraedrich, K., Bottger, H., A wavenumber frecuency analysis of the 500 mb geopotential at 50°N. J. Atmos. Sci., vol.35, p.745-750, 1978.

62. Frankignoul C., Sea surface temperature anomalies, planetary waves, and air-sea feedback in middle latitudes. Rev. Geophys. vol. 8, p.233-246. 1985.

63. Frederick, J., Huang F,, Douglass A., Reber C. The distribution and annual cycle of ozone in the upper stratosphere; J. Geophys. Res., vol. 88, p. 3819-3828, 1983.

64. Froidevaux L., Allen M., Berman S., Daughton The mean ozone profile and its temperature sensivity in the upper stratosphere and lower mesosphere: An analysis of LIMS observation; J. Geophys. Res., vol. 94, p.6389-6417, 1989.

65. Garcia R., Solomon S., A numerical model of the zonally averaged dynamics and chemical structure of the middle atmosphere; J. Geophys. Res., vol. 88, p.1379-1400,1983.

66. Garcia R., Solomon S., A possible relationship between interannual variability in Antarctic ozone and the quasi-biennia oscillation, Geophys. Res. Lett., vol. 14, p.848-851, 1987.

67. Geller M., Wu M., Nash E., Satellite data Analysis of Ozone Differences in the Northern and Southern Hemispheries, Pageoph, 130, p.265-275, 1989.

68. Gruzdev A.N., Bezverhny V.A., Two regimes of the quasi-biennial oscillation in the equatorial stratospheric wind, J. Geophys. Res., vol.105, № D 24, p.29435-29443,2000.

69. Hartmann D., The structure of the stratosphere in the Southern Hemisphere during late winter 1973 as observed by satellite; J. Atmos. Sci., vol. 33, p.l 141-1154, 1976.

70. Hartmann D., Garcia R., A mechanistic Model of ozone transport by Planetary Waves in the Stratosphere, J. Atmos. Sci., vol. 36, № 2, p.350-364,1979.

71. Harwood R., The temperature structure of the southern hemisphere stratosphere Aug-Oct. 1971, Q. J. R. Meteorol. Soc., vol. 101,p.75-91, 1975.

72. Haurwitz, В., Atmospheric ozone as a constituent of the atmosphere, Bull. Amer. Meteo. Soc., 19, p. 417-424, 1938.

73. Haynes P., Marks C., Mclntyre M., Shepard Т., Shine Т.; On the "downward control" of extratropical diabatic circulation and eddy-induced mean zonal forces; J. Atmos. Sci., vol. 48, p.651-678,1991.

74. Hayashi, Y., A generalized method of resolving disturbances into progressive and retrogressive wave by space Fourier and time cross-spectral analyses. J. Meteor. Soc. Japan, vol. 49, p.125-128, 1971.

75. Hayashi Y, A generalized Method of Resolving Transient Disturbances into Standing and Traveling Waves by Space-Time Spectral Analysis; J. Atmos. Sci, vol. 36, № 6, p.1017-1029, 1979.

76. Hayashi Y., Space-time spectral analysis and its application to atmospheric waves. J. Meteor. Soc. Japan, vol. 60, p.156-171, 1982.

77. Hio Y., Hirota I. Interannual Variations of Planetary Waves in the Southern Hemisphere Stratosphere; J. Meteor. Soc. Japan, vol. 80, p.1013-1027,2002.

78. Hirota I., Hirooka Т., Shiotani M. Upper stratospheric circulations in the two hemispheres observed by satellites. Q. J. Roy. Meteor. Soc., vol. 109, p.443-454,1983.

79. Hirota I., Kuroi K., Shiotani M., Midwinter warmings in the southern hemisphere stratosphere in 1988; Q. J. Roy. Meteor. Soc., vol. 116, p.929-941,1990.

80. Holton J. An Introduction to Dynamic Meteorology. Academic. San Diego. Calif. 1972.

81. Holton J., R. Lindzen, An updated theory for the quasi-biennial cycle of the tropical stratosphere, J. Atmos. Sci., vol. 29, p.1076-1080,1972.

82. Holton J., Choi W., Transport circulation deducted from SAMS trace species data; J. Atmos. Sci; vol.45, p. 19291939. 1988.

83. Holton J., H. Tan, The quasi-biennial oscillation in the Northern Hemisphere lower stratosphere, J. Meteorol. Soc. Jap.\ol. 60,p.l40-148,1982.

84. Holton J., Influence of the annual cycle in meridional transport on the quasi-biennial oscillation in total ozone, J. Atmos. Sci., vol.46, p. 1434-1439, 1989.

85. Hood L., Zaff D. Lower stratospheric stationary waves and the longitude dependence of ozone trends in the winter/ J. Geophys. Res., vol. 100, № D12, p. 25.791-25.800,1995.

86. Hoppell, K. R.Bevilacqua, D.Allen, G.Nedoluha, POAM III observation of the anomalous 2002 Antarctic ozone hole, Geophys. Res. Lett., 2003, vol.30, № 7, p.47-51.

87. Jadin, E.A., Interannual variability of total ozone and stratospheric angular momentum. Inter. J. of Geomag. & Aeronomy, № 2,p.l69-178,1999.

88. Jakobs, H., M. Bischof, A.Ebel, P.Speth, Simulation of gravity wave effect under solstice conditions using 3-d circulation model of the middle atmosphere, J. Atmos. Terr. Phys., 48, 1203-1223, 1986.

89. James P., Peters D., The Lagrangian structure of ozone mini-holes and potential vorsity anomalies in the Northern Hemisphere; Annates Geophysicae, 20, p.835-846, 2002.

90. Juckes M., Mclntyre M. A high resolution one-layer model of breaking planetary waves in the stratosphere; Nature-, № 328, p.590-596,1987.

91. Julian P.R. Midwinter stratospheric warmings in the southern hemisphere: general remarks and a case study, J. Apl. Met, 6, p.557-563,1967.

92. Kalnay, E., and co-authors, The NCEP/NCAR Reanalysis Project. Bull. Amer. Meteor. Soc., 1996, 77, p.437-471.

93. Kanzawa H., Kawaguchi S., Large stratospheric warming in antarctic winter and shallow ozone hole in 1988; Geophys. Res. Lett., 17, p.77-80, 1990.

94. Kayano M., Principal modes of the total ozone on the Southern Oscillation timescale and related temperature variations; J. Geophys. Res., vol. 102, № D22, p.25797-25806, 1997.

95. Keating G.M. et al., Ozone Reference Model; vol. 12, p.337, 1978.

96. Krueger K., Documentation of the eastward-traveling planetary wavenumber 2 in the Northern stratosphere: 1972-1997; Лил. Geophysicae, vol. 16, Part III, p. С 833, 1998.

97. Kurzeja R., Spatial variability of total ozone at high latitudes in winter; J. Atmos. Sci., vol. 41, № 4, p.695-697, 1984.

98. Labitzke K., van Loon, A note on stratospheric midwinter warming in the southern hemisphere; J. Apl. Met., vol. 4, p.292-295,1965.

99. Lahoz, W., and Coauthors, Vortex dynamics and the evolution of water vapor in the stratosphere of the Southern Hemisphere. Q. J. Roy. Meteor. Soc., vol. 122, p.423-450,1996.

100. Lait L., Shoeberl M., Newman P. Quasi-biennial modulation of the Antarctic ozone depletion, J. Geopys. Res. vol.94, p.l 1559-11571,1989.

101. Leovy C., Webster P., Stratospheric long waves: Comparison of thermal structure in the Northern and Southern Hemisphere; J. Atmos. Sci., vol. 33, p.1624-1638, 1976.

102. Lin S., Rood. R., Multidimentional flux-form semi-Lagrangian transport schemes; Mon. Wea. Rev., vol. 124, p.2046,1996.

103. Lorenc A., Bell. R. The Meteorological office Analysis Correction data assimilation scheme; Q. J. R. Meteorol. Soc. vol. 117, p.59-89,1991.

104. Lorenz, E., Empirical orthogonal functions and statistical weather prediction. Sci. Rep. N 1, Statistical Forecasting Project, Department of Meteorology, Institute of Technology, 1956.

105. Mahlman J., Hartmann D., Matsuno Т., Murgatroyd J., Noxon J., Transport of trace constituents in the stratosphere, Dynamics of the Middle Atmosphere, Tokyo, p.387-416, 1984.

106. Manney, G., Farrara J., Mechoso C. The behavior of wave 2 in the Southern Hemisphere stratosphere during late winter and early spring, J. Atmos. Sci., vol. 48, p.976-998, 1991 a.

107. Manney, G., Mechoso C., Elson L., Farrara J. Planetary scale waves in the Southern Hemisphere winter and early spring stratosphere: Stability analysis, J. Atmos. Sci., vol. 48, p.2509-2523, 1991b.

108. Madden, R., Julian P. Detection of a 40-50 Day Oscillation in the Zonal Wind in the Tropical Pacific; J. Atmos. Sci, vol. 28, № 5, p.702-708,1970.

109. Matsuno, Т., Vertical propagation of stationary planetary waves in the Northern Hemisphere. J. Atmos. Sci., vol. 27, p.871-883, 1970.

110. Matsuno, T. A dynamical model of the stratospheric sudden warming, J. Atmos. Sci, vol. 28, p.1479-1494, 1971.

111. Mclntyre, M.E., How well do we understand the dynamics of stratospheric warmings? J. Met. Soc. Jap., vol. 60, № 1, p.37-56, 1982.

112. Mclntyre, M., Palmer Т., Breaking planetary waves in the stratosphere; Nature, № 305, p.593-600, 1983.

113. Mclntyre, M., How well do we understand the dynamics of stratospheric warmings? J. Met. Soc. Japan, vol. 60, № 1, p.37-56,1982.

114. McPeters, R. Labow G.J., An assessment of the accuracy of 14.5 years of Nimbus 7 TOMS Version 7 ozone data by comparison with the Dobson Network, Geophys. Res. Lett., vol. 23, p.3695-3698, 1996.

115. Mechoso, C., Hartmann D., An Observational Study of traveling Planetary Waves in the Southern Hemisphere; J. Atmos. Sci., vol.39, № 9, p.1921-1935, 1982.

116. Mechoso, C., Farrara J. Climatology and inter-annual variability of wave, mean-flow interaction in the southern hemisphere; J. Atmos. Sci., vol.42, p.2189-2206, 1985.

117. Mote, P., Holton J., Wallace J. Variability in total ozone associated with baroclinic waves; J. Atmos. Sci., vol. 48, p. 1900-1903, 1991.

118. Newchurch, M., Sun D., Kim J. Zonal wave-1 structure in TOMS tropical stratospheric ozone. Geophys. Res. Lett., vol. 28, № 16, p.3151-3154,2001.

119. Newmann, P., Randel W. Coherent ozone-dynamical changes during the southern hemisphere spring, 1979-1986. J. Geophys. Res., vol. 93. p.12585-12606,1988.

120. Newman, M., Sardeshmukh P.D. A caveat concerning singular value decomposition. 1995: J. Climate, 8, p.352-360.

121. Ohring, G., Muench H. Relationships between ozone and meteorological parameters in the lower stratosphere. J. Meteorol, vol.17, p.195-206,1960.

122. Palo, S., Portnyagin Y., Forbes J., Makarov N., Merzlyakov E. Transient eastward-propagating long-period waves observed over the Southern Pole; Ann. Geophys; vol. 16, p.1486-1500, 1998.

123. Philpot, H. Antarctic stratospheric warming reviewed in the light of 1967 observations Q. J. Roy. Meteor, Soc., vol. 95, p.329-348, 1969.

124. Pratt, R. The interpretation of space-time spectral quantities, J. Atmos. Sci., vol. 33, p.1060-1066,1976.

125. Quintanar, A., Mechoso C. Quasi-stationary waves in the southern hemisphere. Part I: Observational data. J. Climate, vol. 8, p.2659-2672,1995.

126. Quiroz, R.S. Mid-winter stratospheric warming in the Antarctic revealed by rocket data; J. Apl. Meteor., 5, p. 126128, 1966.

127. Randel, W. A study of planetary waves in the southern winter troposphere and stratosphere. Part I; Wave structure and vertical propagation. J. Atmos. Sci., vol. 44, p.917-935, 1987.

128. Randel, W., Gille J., Kelvin Wave Variability in the Upper Stratosphere Observed in SBUV Ozone Data; J. Atmos. Sci., vol. 48, № 21, p.2336-2349, 1991.

129. Randel, W. Global atmospheric circulation statistic 1000-1 mbar. Tech Note NCAR. Center for Atmos. Research. Bouder. 1992.

130. Randel, W., Gille J., Roche A., Kumer J., Mergenthaler J., Waters J., Fishbein E., Lahoz W. Stratospheric transport from tropics to middle latitudes by planetary wave mixing; Nature, № 365, p.533-535, 1993a.

131. Randel, W., Global Normal-Mode Rossby Waves Observed in Stratospheric Ozone Data; J. Atmos. Sci., vol. 50, № 3, p.406-420,1993b.

132. Randel, W., Boville В., Gille J., Bailey P., Massie S., Kumer J., Mergenthaler J., Roche A. Simulation of stratospheric N20 in the NCAR CCM2: Comparison with CLAES data and budget analysis; J. Atmos. Sci., vol. 51, p.2834-2845, 1994.

133. Randel, W.J., F. Wu, Cooling of the Arctic and Antarctic polar stratospheres due to ozone depletion, J. Climate, 12, 1467-1479,1999.

134. Reed, R. The role of vertical motions in ozone weather relations. J. Meteorol. vol.7, p.263-267, 1950.

135. Riese, M., Manney G., Oberheide J., Tie X., Spang R., Kull V. Stratospheric transport by planetary wave mixing as observed during CRISTA-2; J. Geophys. Res., vol. 107, № D23, p.8179-8190, 2002.

136. Riishojgaard L., Stajner I., Lou G., The GEOS ozone data assimilation system; Adv. Space Res., vol. 25, p. 10631072,2000.

137. Robinson, W., A model of wave-1 wave-2 vacillation in the winter stratosphere, J. Atmos. Sci., vol. 42, p. 22892304,1985.

138. Rood, R., Douglass A., Interpretation of ozone temperature correlations, Part 1 Theory; J. Geophys. Res, vol. 90, p.5733-5744,1985.

139. Rood, R.B., Transport and the Seasonal Variation of Ozone, PureAppl. Geophys, vol. 121, 1049-1064, 1983.

140. Rood, R., Douglass A., Interpretation of ozone temperature correlations, Part 1 Theory; J. Geophys. Res, vol. 90, p.5733-5744, 1985.

141. Rood, R., Douglass A., Kaye J., Geller M., Yuechen C., Three-dimentional simulations of wintertime ozone variability in the lower stratosphere; J. Geophys. Res., vol. 96, p.5055, 1991.

142. Rose, K., On the influence of nonlinear wave-wave interaction in 3-d primitive equation model for sudden stratospheric warmings, Beitr. Phys. Atmosph., 56, p.14-41,1983.

143. Salby, M., Survey of Planetary Waves: The State of Theory and Observations; J. Atmos. Sci., vol. 22, № 2, p.209-236,1984.

144. Scientific Assessment of Ozone Depletion: WMO; Report № 44, p.4.16, 1998.

145. Shapiro R. The use of linear filtering as a parameterization of atmospheric diffusion; J. Atmos. Sci. vol. 28, p.523-531,1971.

146. Sherhag, R., Die explosionsartige Stratospharenerwarmung des Spatwinter 1951/1952, Ber. Deut. Wetterdienst, 38, p.51-63,1952.

147. Schoeberl, M, Krueger A. Medium scale disturbance in total ozone during southern hemisphere summer; Bull. Am. Meteorol. Soc. p.1358-1365,1983.

148. Shindell, D., D. Rind, F.Lonergan, Increased polar stratospheric ozone losses and delayed eventual recovery due to greenhouse gas concentration, Nature, vol. 392. p. 569-582, 1998.

149. Shiotani M., Gille J., Dynamical factors affecting ozone mixing ratios in the Antarctic lower stratosphere; J. Geophys. Res., vol. 92, p.9811-9824,1987.

150. Shiotani M., Hirota I., Kuroi K, Eastward traveling waves in the southern hemisphere stratosphere during the spring of 1983; Q. J. R. Meteorol. Soc., vol. 116, p.913-927, 1990.

151. Shiotani M., N.Shimoda, Hirota I., Interannual variability of the stratospheric circulation in the southern hemisphere. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., vol. 119, p.531-546, 1993.

152. Shinnhuber B.M., M.Weber, A.Amanham, J.Burrows, Total ozone during the unusual Antarctic winter 2002, Geophys. Res. Lett., 2003.

153. Smith, A. Observations of wave-wave interaction in the stratosphere, J. Atmos. Sci., vol. 40, p.2484-2496, 1983.

154. Smith, A., Gille J., Lyjak L., Wave-wave interactions in the stratosphere, J. Atmos. Sci., vol. 41, p.363-373, 1984.

155. Solomon S., Smith J., Sanders R., Perliski L., Miller H., Mount G., Keys J., Schmeltekopf A. Visible and near-ultraviolet spectroscopy at McMurdo station. Antarctica 8; Observation of nighttime n02 and jVQ from April to

156. October 1991; J. Geophys. Res, vol. 98, p.993-1000,1993.

157. Stajner I, Riishojgaard L., Rood R., The GEOS ozone data assimilation system: specification of error statistics, Q. J. R. Meteorol. Soc., vol. 127, p.1069-1094,2001.

158. Strobel D. Parametrization of the Atmospheric Heating Rates From 15 to 120 km to 02 and 03 Absorption of Solar Radiation, J. Geophys. Res., vol 83, p.6225-6230,1978.

159. Tao X., Wave-Mean Flow Interaction and Stratospheric Sudden Warming, J. Atmos. Sci., №.1, p. 134-153, 1994.

160. Tolson R. Spatial and temporal variations of monthly mean total ozone columnar ozone derived from 7 years of BUV data J. Geophys. Res., vol. 86. p.7312-7330,1981.

161. Trepte C., Veiga R., McCormick M. The poleward dispersal of mount Pinatubo volcanic aerosol; J. Geophys. Res., vol. 98, p.18563-18573, 1993.

162. Tung K., Yang H. Dynamic variability of column ozone. J. Geophys. Res. vol. 93, p.l 1.123-11.128, 1988.

163. Uchino O., Bojkov R., Balis D., Akagi K., Hayashi M., Kajihara R., Essential characteristics of the Antarctic-spring ozone decline: Update to 1998; Geophys. Res. Lett., vol. 26, p.1377-1380,1999.

164. Vargin P., Climatological structure of non-zonal heating rates in the stratosphere caused by large-scale ingomogenitiety of total ozone, Proc. of XVII Quadrennial Ozone Symposium, L'Aquila, Italy, p.817-820,1996.

165. Vaughan G., Price J. On the relation between total ozone and meteorology. Q. J. Roy. Meteorol. Soc. vol. 117, p.1281-1298. 1991.

166. Venne D., Normal-Mode Rossby Waves Observed in the Wavenumber 1-5 Geopotential Fields of the Stratosphere and Troposphere J. Atmos. Sci, vol. 46, № 7, p.1042-1056,1989.

167. Vig]iarolo P., Vera C., Diaz S., Southern Hemisphere Winter Ozone Fluctuations Q. J. Roy. Meteor, Soc., vol. 127, p.559-577,2001.

168. Wallace, J., Hobbs P., Atmospheric science: An Introductory Survey, Academic, San Diego, p.467,1997.

169. Ward W., J. Oberheide, M. Riese, P. Preusse, D. Offermann, Planetary wave Two Signatures in CRISTA 2 Ozone and temperature Data; Atmospheric Science Across the stratopause; Geoph. Monograph; N 123, p.319-325,2000.

170. Waugh D. Subtropical stratospheric mixing linked do disturbances in the polar vortices; Nature, № 365, p.535-537,1993.

171. Waugh D. Seasonal variations of isentropic transport out of the tropical stratosphere; J. Geophys. Res., vol. 101, p.4007-4023, 1996.

172. Wirth V. Quasi-Stationary Planetary Waves in Total Ozone and Their Correlation With Lower Stratosphere Temperature. J. Geophys. Res. vol. 98, № D5, p.8873-8882,1993.

173. Wang W-Ch., Zhuang Y., Bojkov R. Climate implications of observed changes in the ozone vertical distributions at middle and high latitudes of the Northern Hemisphere, Geophys. Res. Lett, August 20, p.1567-1570,1993.

174. Waugh D.W., Subtropical stratospheric mixing linked to disturbances in the polar varsities; Nature, 365, 535-537, 1993.

175. Waugh D.W. Seasonal variations of isentropic transport out of the tropical stratosphere; J. Geophys. Res., vol. 101, p.4007-4023, 1996.

176. WMO Antarctic Ozone Bulletin #1-7,2002. http://www.wmo.ch/web//arep.ozone.html

177. WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998.

178. WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002.

179. Wu, M., Geller M., Olson J., Miller A., Nagatani R., Computations of Ozone Transport Using Nimbus-7 Solar Backscatter Ultraviolet and NOAA Metrological Center Data, J. Geophys .Res, vol. 90, p.5745-5755,1985.

180. Wu, M., Geller M., Olson J., Larson E., A study of the Global Ozone Transport and the role of Planetary Waves Using Satellite data, J. Geophys. Res., vol. 92, p.3081-3097,1987.

181. Yang H., Tung K. On the phase propagation of extratropical ozone quasi-biennial oscillation in observational data, J. Geopys. Res. vol. 100. p. 9091-9100,1995.

182. Ziemke J., Stanford J., Kelvin waves in total column ozone; Geophys. Res. Lett., vol. 21, № 2, p.105-108,1994.

Информация о работе

Варгин, Павел Николаевич
кандидата физико-математических наук
Москва, 2005
ВАК 25.00.29

Диссертация

Влияние квазистационарных и распространяющихся планетарных волн на распределение озона - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы