Исследование связи распределения озона и других газовых примесей с волновыми процессами в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Краткий обзор литературы.

1.1. Моделирование процессов в озоносфере.

1.2. Исследование атмосферных примесей во время солнечного затмения.

1.3. Вопросы возбуждения и распространения внутренних гравитационных волн.

1.4. Теоретические и экспериментальные исследования горных подветренных волн.

1.5. Озон и планетарные волны.

Глава 2. Одномерная фотохимическая модель атмосферы и ее апробация на примере солнечного затмения.

2.1. Одномерная фотохимическая модель атмосферы.

2.2. Фотохимическая релаксация атмосферного озона.

2.3. Расчет изменения содержания малых газовых примесей в стратосфере во время солнечного затмения и сопоставление с результатами измерений.

Глава 3. Распределение малых примесей в зоне орографического воздействия и использование результатов их наблюдения для изучения горных подветренных волн.

3.1. Механизмы влияния горных подветренных волн на распределение атмосферных примесей.

3.2. Оценка воздействия горных подветренных волн на вариации концентраций малых газовых примесей в тропосфере.

3.3. Метод исследования горных подветренных волн, основанный на измерении концентрации примесей с самолета.

3.4. Наблюдения озона как индикатора волновых процессов в области горных подветренных волн.

3.5. Оценка воздействия горных подветренных волн на вариации общего содержания примесей.

Глава 4. Оценка воздействия внутренних гравитационных волн на вариации содержания озона и взаимодействующих с ним примесей.

4.1. Результаты фотохимического моделирования.

4.2. Некоторые результаты измерений концентрации озона вблизи атмосферных фронтов и струйных течений.

Глава 5. Влияние озонного нагревания на динамику планетарных волн в двумерной бароклинной модели атмосферы.

5.1. Основные уравнения модели.

5.2. Волновые решения. Дисперсионное уравнение.

5.3. Эффект озонного нагревания.

Исследование атмосферных примесей связано с широким крутом проблем, касающихся, в частности, изучения химического состава атмосферного воздуха, радиационных и климатических эффектов, динамики и общей циркуляции атмосферы. Особенно актуальной задача изучения малых газовых примесей стала в связи с проблемой антропогенного загрязнения атмосферы. Ключевым элементом в этой задаче является озон, что обусловлено лучшей его изученностью по сравнению с другими примесями, сравнительной простотой и точностью его измерения, а также его химической активностью и той важной ролью, которую озон играет в радиационных и динамических процессах атмосферы.

Озон, в разных количествах образующийся в различных областях атмосферы, перераспределяется ее воздушными течениями. Не принимая во внимание циркуляцию атмосферы, нельзя объяснить особенности пространственного и временного поведения озона и связанных с ним примесей. О том, что озон может быть использован в качестве трассера воздушных течений, известно уже давно. Однако на практике это его свойство до настоящего времени реализуется недостаточно эффективно. Основная сложность такого его использования состоит в том, что озон является фотохимически активной примесью. Его перенос сопровождается фотохимическим взаимодействием с другими составляющими атмосферы, и связанные с этим его изменения необходимо учитывать. Сделать это в общем виде практически пока невозможно из-за неопределенности многих факторов и коэффициентов реакций. Лучший возможный путь использования озона /и других атмосферных примесей/ для целей изучения динамики атмосферы состоит в отборе таких ситуаций и процессов, в которых фотохимия играет второстепенную роль и может быть довольно корректно описана на основе известных фотохимических связей. В связи с этим задача исследования влияния волновых процессов на распределение примесей в атмосфере особенно привлекательна по следующим причинам.

- Волны различной природы составляют крупный класс атмосферных движений и интенсивно изучаются современной физикой атмосферы. Особенно большое внимание уделяется в последнее время исследованию орографических эффектов в атмосфере и, в частности, горным волнам. Об этом свидетельствует проведение в 1982 г. исследований влияния Альпийских гор на циркуляцию атмосферы по международной программе АЛЬПЭКС.

- Волны - один из наиболее простых типов движения. Изучая механизмы их влияния на атмосферные примеси, можно лучше понять поведение примесей в более сложных процессах.

- Волны оказывают воздействие на перераспределение примесей. Найдя соотношение между распределением примесей и волновыми процессами, можно последние изучать по результатам наблюдения примесей в волнах.

- Волны обладают широким спектром пространственных и временных масштабов. Наблюдая поведение примесей в волнах с различными параметрами, можно проводить экспериментальную проверку фотохимических теорий.

Для задач метеорологии наибольший интерес представляет изучение мезомасштабных - внутренних гравитационных волн /ВГВ/, в частности, подветренных волн,- и крупномасштабных волн типа волн Рос-сби-Блиновой - основных энергонесущих мод, возбуждаемых в атмосфере. Целью настоящей работы является:

I. Построение одномерной фотохимической /Ш/ модели атмосферы и проверка ее эффективности на основе расчета изменения содержания атмосферных примесей во время солнечного затмения с последующим сопоставлением результатов расчета с данными наблюдений.

2. Моделирование влияния мезомасштабных волновых процессов /ВГВ и, в том числе, горных подветренных волн/ на содержание малых газовых примесей в атмосфере.

3. Разработка нового метода исследования горных подветренных волн, основанного на измерении содержания атмосферных примесей и применение этого метода для восстановления картины обтекания Ге-гамского хребта.

4. Исследование переноса общего содержания озона /0С0/ в планетарных волнах с помощью двумерной бароклинной модели атмосферы и рассмотрение в рамках этой модели возможности влияния озонного нагревания на динамику планетарных волн.

100 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы рассмотрели основные типы волновых движений в атмосфере, имеющих значение для метеорологии, и их роль в формировании ме-зомасштабного и крупномасштабного поля озона. Главным методом теоретического исследования был метод моделирования с использованием как фотохимических, так и аналитических моделей. Ряд теоретических результатов уже подтвержден экспериментально. Это изменезатмения, распределение озона в области прохождения ВГВ и, в особенности, в области горных подветренных волн. Другие теоретические выводы еще ждут экспериментальной проверки. К ним относится вопрос об изменении общего содержания примесей в области гравитационных волн /как движущихся ВГВ, так и стационарных подветренных/ и вопрос о возможности влияния крупномасштабного поля озона на динамику крупномасштабных волн посредством радиационного нагревания атмосферы в слое озона.

Подведем итоги диссертационной работы.

1. Построена одномерная ФХ модель атмосферы, включающая , НС у и N0% химические циклы и предназначенная для исследования быстрых процессов в атмосфере, в том числе волновых.

2. В целях проверки эффективности модели сделан расчет изменения содержания атмосферных примесей в стратосфере во время солнечного затмения. Сопоставление с результатами наблюдения общего содержания озона и во время солнечного затмения 31 июля 1981 г. выявило хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными.

3. Впервые теоретически исследован вопрос о влиянии горных подветренных волн на концентрацию и общее содержание атмосферных примесей и с помощью ФХ модели получены количественные оценки этого влияния. Показано, что горные подветренные волны могут цриние некоторых атмосферных примесей во время солнечного водить к периодическим по пространству /волновым/ изменениям концентрации атмосферных примесей. Эти изменения могут быть измерены.

4. На основе аналитических и модельных расчетов разработан новый метод восстановления вертикальных смещений воздуха в области горных подветренных волн, основанный на измерении с самолета концентрации примесей и температуры.

5. Проведены первые самолетные измерения концентрации озона в области подветренных волн над Гегамским хребтом и несколькими хребтами в Средней Азии. В ряде случаев с использованием нового метода восстановлена картина обтекания Гегамского хребта и определены некоторые параметры подветренных волн. Проведена классификация наблюдавшихся типов обтекания Гегамского хребта.

6. С помощью ФХ модели впервые сделана оценка ФХ воздействия ВГВ на содержание малых примесей в стратосфере, которая говорит о том, что прохождение ВГВ может отражаться на распределении как концентрации, так и общего содержания примесей.

7. Получены первые результаты измерений концентрации озона в области прохождения ВГВ, свидетельствующие о том, что измерения концентрации примесей можно привлекать для изучения ВГВ.

8. Построена двумерная бароклинная модель атмосферы, описывающая взаимодействие крупномасштабных полей гидротермодинамических величин с крупномасштабным полем озона. В рамках этой модели исI следованы волновые движения типа волн Россби и волны переноса энтропии для общего случая бароклинной атмосферы в отсутствие радиационных притоков тепла. Получено фазовое соотношение мезду полем ОС0 и характеристиками волн, описывающее перенос озона в волнах.

9. В рамках двумерной модели рассмотрен новый механизм усиления и ослабления планетарных волн за счет озонного нагревания. Показано, что, в зависимости от широтного градиента 0С0, озонное нагревание ведет к дополнительному ослаблению волн или к их поддержанию против ньютоновского подавления. Найден критический градиент 0С0, такой, что при широтном градиенте 0С0, меньшем критического, озонное нагревание вызывает неустойчивость волн Россби.

10. На основе обработки эмпирического материала показано, что в реальном поле 0С0 эффект озонного нагревания может быть значительным для коротковолнового участка спектра волн Россби.

Основным итогом работы следует считать существенный вклад, внесенный в решение проблемы установления взаимосвязи между волновыми процессами и распределением малых газовых примесей в атмосфере. Наиболее полно и разносторонне исследована связь распределения атмосферных примесей с горными подветренными волнами. Решение этой задачи включает как теоретические /и аналитические, и численные/, так и экспериментальные исследования автора. Главу 3 следует считать поэтому центральной главой диссертации.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Н.Ф.Еланскому за научное руководство, А.Х.Хргиану, просмотревшему первоначальный вариант диссертации, за целый ряд ценных советов и замечаний, В.М.Грянику за постоянное внимание к работе, полезные консультации и замечания, а также сотрудникам группы озонометрии ИФА АН СССР за внимание к работе.

1. Александров Э.Л., Кароль И.Л., Ракипова Л.Р., Седунов Ю.С., Хргиан А.Х. Атмосферный озон и изменение глобального климата.-Л.:Гидрометеоиздат, 1982, 168 с.

2. Александров ЭЛ., Седунов Ю.С. Человек и стратосферный озон.-I.: Гидрометеоиздат, 1979, 104 с.

3. Алишаев Д.М. 0 динамике двумерной бароклинной атмосферы.- Изв. АН СССР. m0, 1980, т.16, J* 2, с. 99 107.

4. Аллен К.У. Астрофизические величины.- М.: Мир, 1977, с.242-244.

5. Бекорюков В.И. 0 расчете влияния замкнутой воздушной циркуляции на равновесное распределение озона.- Геомагн. аэрономия, 1965, т.5, №3, с.465-470.

6. Бекорюков В.И. 0 теории переноса озона при наличии длинных волн. Изв. АН СССР. ФАО, 1965, т.1, № 9, с.897-905.

7. Березин В.М., Шафрин Ю.А. 0 расчете вертикального распределения атмосферного озона.- Геомагн. аэрономия, 1964, т.4, й I, с.131-136.

8. Бибикова Т.Н., Кожевников В.Н. 0 параметре, характеризующем орографическое волнообразование в атмосфере.- Изв. АН СССР. ФАО, 1969, т.5, & 5, с.550-554.

9. Бланк А.Д. 0 распределении плотности потока энергии, переносимой в верхнюю атмосферу орографическими возмущениями.- Изв. АН СССР. ФА0, 1979, т. 15,1* 7, с.758-761.

10. Бланк А.Д. Возмущение верхней атмосферы, вызванное обтеканием горного хребта.- Изв. АН СССР. ФАО, т.16, J& 4, с.355-359.

11. Бланк А.Д. Оценка температуры нагревания, вызванного диссипацией горных подветренных волн.- Изв. АН СССР. ФАО, 1980, т.16,1. J£ 6, с.643-647.

12. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Щур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере.- Л.: Гидрометеоиздат, 1976, 288 с.

13. Гаврилов Н.М., Швед Г.М. Исследование внутренних гравитационных волн в нижней термосфере по изофотам свечения ночного неба.-Изв. АН СССР. ФАО, 1982, т.18, В I, с.8-17.

14. Голицын Г.С., Чунчузов Е.П. Акустико-гравитационные волны в атмосфере.- В сб.: Полярные сияния и свечение ночного неба, 1975, Jfe 23, с.5-21.

15. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере.- М.: Мир, 1978, 532 с.

16. Гранберг И.Г. Численное моделирование задачи обтекания гор воздушным потоком.- Изв. АН СССР. ФАО, 1979, т.15, № 12, с.1235-1243.

17. Гранберг И.Г. Пространственная задача обтекания препятствия потоком несжимаемой стратифицированной жидкости.- Изв. АН СССР, ФАО, 1983, т.19, № 4, с.357-365.

18. Гранберг И.Г. О влиянии сдвига скорости потока на характер обтекания препятствия несжимаемой стратифицированной жидкостью.-Изв. АН СССР. ФАО, т.19, № II, с.1139-1150.

19. Гряник В.М. Радиационная релаксация температурных возмущений в конечной неоднородной атмосфере.- Изв. АН СССР. ФАО, 1982, т.18, & I, с.19-29.

20. Груздев А.Н. Влияние озонного нагревания на динамику планетарных волн в двумерной бароклинной модели атмосферы.- Изв. АН СССР. ФАО, в печати.

21. Груздев А.Н., Глущенко Ю.В., Еланский Н.Ф., Елохов А.С. О вариациях содержания озона и других газовых примесей в стратосфере во время солнечного затмения.- В кн.: Рабочее совещание по исследованию атмосферного озона. Материалы докладов. Тбилиси:

22. Мецниереба, 1982, с.162-167.

23. Груздев А.Н., Еланский Н.Ф. Изменение содержания газовых примесей в стратосфере во время солнечного затмения.- Изв. АН СССР. ФАО, 1982, т.18, №5, с.541-544.

24. Груздев А.Н., Еланский Н.Ф. О возможности воздействия горных подветренных волн на содержание озона и других атмосферных примесей.- В кн.: I Всесоюзный симпозиум по исследованию средней атмосферы /Алма-Ата, февраль 1983 г./. М.: 1984, с.95-96.

25. Груздев А.Н. Еланский Н.Ф. Оценка воздействия горных подветренных волн на распределение содержания малых газовых примесей в тропосфере.- Изв. АН СССР. ФАО, 1984, т.20, )£ 7, с.558-565.

26. Груздев А.Н., Еланский Н.Ф. Наблюдения озона в области горных подветренных волн.- Изв. АН СССР. ФАО, 1984, т.20, гё 8, с. 705 -714.

27. Груздев А.Н., Еланский Н.Ф., Трутце Ю.Л. Оценка воздействия внутренних гравитационных волн на содержание озона и взаимодействующих с ним примесей в стратосфере.- В кн.: Атмосферный озон, М.: Наука, 1982, с.18-27.

28. Гусев М.А. Исследование роли меридиональной циркуляции атмосферы в формировании пространственно-временного режима озона.-Изв. АН СССР. ФАО, 1971, т.7, №7, с. 758-767.

29. Гущин Г.П. Об общем содержании атмосферного озона в период солнечного затмения 20 мая 1966 г. по наблюдениям на озонометри-ческих станциях Гидрометслужбы СССР.- Труды IT0, 1969, вып. 237, с.62-68.

30. Делов И.А. Измерение внутренних гравитационных волн в метеорной зоне.- геомагн. аэрон., 1976, т.16, №2, с.293-297.

31. Деминов И.Г. Фотохимическая модель стратосферы.- В кн.: Современное состояние исследований озоносферы в СССР. Труды Всесоюзного совещания по озону. М.: Гидрометеоиздат, 1980, с.ЮЗ-ПЗ.

32. Деминов И.Г. Радиационная фотохимическая модель озоносферы. Температурная обратная связь.- В кн.: Рабочее совещание по исследованию атмосферного озона. Материалы докладов.- Тбилиси, Мецние-реба, 1982, с.43-47.

33. Деминов И.Г., Задорожный A.M. 0 воздействии галактических космических лучей и солнечных протонных вспышек на озонный слой.-В кн.: Современное состояние исследований озоносферы в СССР.-М.: Гидрометеоиздат, 1980, с.113-123.

34. Дородницын А.А. Некоторые задачи обтекания неровностей поверхности земли воздушным потоком.- Труды ГГО, 1940, вып.31, с.3-41.

35. Дородницын А.А. Влияние рельефа земной поверхности на воздушные течения.- Труды ВДП, 1950, вып.21 /48/, с.3-25.

36. Еланский Н.Ф. 0 механизме воздействия струйного течения на озонный слой.- Изв. АН СССР. ФАО, 1975, т.II, 9, с.916-925.

37. Еланский Н.Ф., Арабов А.Я. Измерение содержания двуокиси азота в атмосфере во время солнечного затмения 31 июля 1981г.- Изв. АН СССР. ФАО, 1982, т.18, №6, с.667-669.

38. Еланский Н.Ф., Глущенко Ю.В., Груздев А.Н., Елохов А.С. Измерение с самолета содержания озона в атмосфере во время солнечного затмения 31 июля 1981 г.- Изв. АН СССР. ФАО, 1983, т.19, №2, с.206-209.

39. Звенигородский С.Г., Осечкин В.В. Фотохимическое моделирование различных типов распределения озона в тропосфере.- В кн.: Рабочее совещание по исследованию атмосферного озона. Материалы докладов.- Тбилиси, Мецниереба, 2982, с.43-47.

40. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере.- М.: Сов. радио, 1970, рис. 1.4.

41. Ивановский А.И., Криволуцкий А.А. Крупномасштабные долгопериодные волны, возбужденные слоем озона.- В кн: Рабочее совещание по исследованию атмосферного озона. Материалы докладов.-Мецниереба, 1982, с.373-376.

42. Пароль И.Л. Системное моделирование в проблеме переноса и фотохимии стратосферного озона.- В кн.: Современное состояние исследований озоносферы в СССР.- М.: Гидрометеоиздат, 1980, с.79-93.

43. Кароль И.Л. Системное моделирование "тепличного эффекта", переноса и фотохимии газовых примесей в атмосфере.- Изв. АН СССР. ФАО, 1980, т.16, В I, с.20-31.

44. Кидиярова В.Г., Трубников Б.Н., 1Дерба И.А. 0 природе планетарных волн в летней стратосфере.- В кн.: I Всесоюзный симпозиум по результатам исследований средней атмосферы /Алма-Ата, февраль 1983 г./ Тезисы докладов.- М., 1983, с.86-87.

45. Кожевников В.Н. К одной нелинейной задаче об орографическом возмущении стратифицированного воздушного потока.- Изв. АН СССР, Сер. геофиз., 1963, № 7, C.II08-III6.

46. Кожевников В.Н. Орографические возмущения в двумерной стационарной задаче.- Изв. АН СССР. ФАО, 1968, т.4, №. I, с.33-51.

47. Кожевников В.Н. Обзор современного состояния теории мезомас-штабных орографических неоднородностей поля вертикальных токов. Труды ЦАО, 1970, вып.98, с.3-40.

48. Кожевников В.Н., Бибикова Т.Н., Журба Е.В. Орографические возмущения атмосферы над Северным Уралом.- Изв. АН СССР. ФАО, 1977, т.13, Jfc 5, с.451-461.

49. Кожевников В.Н., Козодеров В.В. Теоретическая картина обтекания Крымского хребта в районе Ялты.- Изв. АН СССР. ФАО, 1970, т.6, J® 6, с.979-988.

50. Красовский В.И., Шефов Н.Н. Эмиссии верхней атмосферы и внутренние гравитационные волны.- Геомагн. аэрон., 1978, т.18, № 5, с.864-868.

51. Кузнецов Г.И. Исследование временного режима озона.- В кн.: Современное состояние исследований озоносферы в СССР. Труды Всесоюзного совещания по озону.- М.: Гидрометеоиздат, 1980, с. 16-26.52,53,54