Влияние циркуляционно-синоптических процессов на содержание и изменчивость оптически активных составляющих стратосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Смирнов Сергей Васильевич

ВЛИЯНИЕ ЦИРКУЛЯЦИОННО-СИНОПТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА СОДЕРЖАНИЕ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СТРАТОСФЕРЫ

01.04.05 - Оптика

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН, г. Томск.

Научный руководитель: д. ф.-м. н., чл.-кор. РАН Зуев В. В.

Официальные оппоненты: д. ф.-м. н., проф. Горчаков Г. И.,

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, г. Москва к. ф.-м. н., в. н. с. Хамарин В. И.,

филиал Института леса им. В. И. Сукачёва СО РАН, г. Томск

Ведущая организация: Томский государственный университет, г, Томск

Защита состоится 15 мая 1998 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д.200.38.01 в конференц-зале ИОА СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОА СО РАН. Автореферат разослан 13 апреля 1998 г. Ученый секретарь

диссертационного совета,

д. ф.-м. н.

В. В. Веретенников

Актуальность темы исследований

Изменение глобального климата - это непрерывный, квазипериодический процесс, зависящий от множества факторов. В современном веке высоких научно-технических достижений и возможностей человека значительно возросла роль антропогенных факторов. Влияние человека на изменение окружающей среды стало более значительным и заметным. Однако вклад человеческой деятельности в глобальные климатические изменения не следует преувеличивать, поскольку природные факторы, во-первых, гораздо сильнее антропогенных, во-вторых, климатическая система сама по себе является очень сложной многопараметрической системой с сильной внутренней обратной связью, которая к тому же ещё недостаточно исследована.

Изучение климатических процессов непосредственно связано с исследованием земной атмосферы - среды, определяющей уровень поступления на земную поверхность главного источника энергии - солнечной радиации. Атмосферные составляющие, которые эффективно взаимодействуют с солнечным излучением и в значительной степени влияют на его проникновение в атмосферу и к подстилающей поверхности, характеризуются как оптически активные составляющие. Среди них в стратосфере в первую очередь следует выделить озон и аэрозоль. Озон имеет исключительно важное значение в биологической защите животного и растительного мира от проникающего солнечного УФ-излучения и в формировании термического режима стратосферы. Стратосферный аэрозольный слой (САС) выступает как атмосферный радиационный фильтр и поэтому оказывает большое влияние на пропускание солнечной радиации. .Особенно это влияние усиливается после мощных вулканических извержений, когда САС насыщается вулканогенным аэрозолем.

В настоящее время проблеме атмосферного озона и аэрозоля уделяется особенно повышенное внимание вследствие наблюдаемой тенденции глобального уменьшения стратосферного озона и более частого появления в умеренных и полярных широтах обоих полушарий областей с аномально низким общим содержанием озона. Исследования причин и процессов ответственных за эти явления дают неоднозначные выводы и оценки. Главным образом, дискуссия по этому вопросу ведётся между сторонниками техногенных и естественных причин глобального истощения озонного слоя. В связи с этим, любые научные исследования, предметом которых является атмосферный озон и его связи и зависимости в реальной атмосфере, представляются безусловно актуальными и значимыми как с точки зрения понимания причин и процессов изменчивости самого озона, так и с точки зрения изучения в целом климатических изменений.

Состояние вопроса исследований

Озон, как атмосферная составляющая, изучается уже более 70 лет, начиная с пионерских работ Добсона. Получено огромное количество экспериментального материала, проведены многочисленные теоретические исследования. Для непрерывного контроля за содержанием озона в атмосфере существует мировая сеть озонометрических станций и обсерваторий и система спутниковых измерений, на которых с помощью различных методов ведутся наблюдения за общим и приземным содержанием и вертикальным распределением озона. Проблемой атмосферного озона занимается ряд исследовательских групп в крупных научных организациях и центрах - в Главной геофизической и Центральной аэрологической обсерваториях, в Институте физики атмосферы РАН и Институте метеорологии в Германии, в Институтах физики атмосферы в Чехии и Китайской АН, в NOAA и NASA (США) и др.

Однако несмотря на это, существует ещё множество вопросов, на которые пока не получены ответы. И среди них остается открытым вопрос о причинах и процессах современного поведения атмосферного озона и о его прогнозе, а также в какой степени влияют на изменчивость озона антропогенные факторы.

Цель работы и основные задачи исследований

Целью работы, результаты которой излагаются в данной диссертации, является исследование зависимости вертикального распределения и общего содержания важных оптически активных составляющих атмосферы, в том числе и озона, от термодинамического состояния атмосферы и циркуляционно-синоптических процессов.

Основные научные задачи, которые решаются в диссертации, следующие:

- проводится комплексный анализ данных лидарных и спектрофотометрических измерений вертикального распределения и/или общего содержания озона, аэрозоля, двуокиси азота и температуры в верхней тропосфере и стратосфере;

- исследуются взаимосвязи между этими составляющими в зависимости от различного термодинамческого состояния атмосферы;

- определяются особенности и причины аномальных отклонений во временных рядах наблюдаемых атмосферных составляющих и параметров;

- исследуется влияние циркуляционно-синоптических процессов на изменчивость озона, аэрозоля и двуокиси азота в верхней тропосфере и стратосфере.

Совокупность полученных результатов позволяет показать степень влияния некоторых естественных геофизических факторов на состояние и изменчивость

стратосферного озонного слоя и дать прогностическую оценку его дальнейшего поведения как важнейшего климатообразующего и биозащитного фактора. Научная новизна результатов исследований

Научная новизна полученных результатов исследований состоит в следующем:

- исследования по проблеме атмосферного озона, основанные на данных натурных измерений, для южной части Западной Сибири проведены впервые;

- проведенные исследования имеют комплексный характер, что обусловлено использованием данных лидарных и спектрофотометрических измерений нескольких атмосферных составляющих и параметров в одной точке и дополнительным привлечением для анализа аэрологической и синоптической информации;

- в результате наблюдений за вертикальным распределением и общим содержанием озона и двуокиси азота и их анализа выявлены некоторые особенности во взаимосвязи между озоном и двуокисью азота в периоды положительных озонных аномалий и в период сезонной перестройки стратосферной циркуляции,

- в результате анализа многолетних озо но метрических наблюдений в Томске были определены как локальные особенности во временном ходе общего содержания озона, так и некоторые общие, характерные в целом для планетарного озонного слоя, тенденции. Причем, как установлено, основной причиной наблюдаемых колебаний общего содержания озона является изменчивость атмосферной циркуляции.

Научная и практическая значимость результатов исследований Проведенные исследования являются продолжением изучения атмосферных процессов, влияющих на содержание и изменчивость оптически активных составляющих стратосферы, актуальных с климато-экологической точки зрения.

К наиболее значимым результатам проведенных исследований относятся результаты, которые свидетельствуют и подтверждают, что изменчивость стратосферного озона и аэрозоля определяется в основном динамикой атмосферы, и наблюдаемые периоды с аномальными отклонениями общего содержания озона - озонные минидыры, также формируются под воздействием атмосферных циркуляционно-синоптических процессов, но имеющих аномальный характер.

Достоверность результатов исследований

Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается использованием данных реальных измерений, выполняемых на аттестованных и

калиброванных приборах, а также согласием с результатами подобных исследований, выполняемых в ведущих исследовательских группах по метеорологии и физике атмосферы.

Основные защищаемые положения

1. При смене типа и интенсивности атмосферной циркуляции происходит первоначально изменение вертикального распределения отношения рассеяния на более короткой длине волны, что обусловлено адвективным переносом в первую очередь более легких и мелких аэрозольных частиц, которые более оптически активны на меньших длинах волн.

2. Аномальное высотное распределение отношения рассеяния (до 10-14 единиц на длине волны 1064 нм) в нижней стратосфере, которое наблюдалось в январе 1995 г, над Томском, было вызвано образованием, связанного с периодом аномального развития стратосферной циркуляции, полярных стратосферных облаков.

3. Периоды с аномальными отклонениями общего содержания озона соответствуют периодам с аномальным развитием атмосферной циркуляции, которое связано с торможением мигрирующих длинных планетарных волн блокирующими, обширными, высокими, теплыми антициклонами при их значительных смещениях в более высокие широты относительно своего среднеклиматического местоположения.

4. В период смены направления переноса в нижней и средней стратосфере во время сезонной перестройки стратосферной циркуляции вследствие значительного ослабления атмосферного переноса и соответственно усиления фотохимического фактора в разрушении стратосферного озона может наблюдаться увеличение потока УФ-радиации.

5. В холодное полугодие при внезапных арктических вторжениях происходит кратковременное многократное увеличение концентрации NO2 в верхней тропосфере и нижней стратосфере, которое, как предполагается, является результатом дневного фотохимического восстановления N02 из соединений-резервуаров, вынесенных при арктическом вторжении из области полярной ночи.

Использование результатов исследований

Исследования по теме диссертационной работы проводились в рамках следующих научных проектов и программ:

- программа "Сибирь", проект "Климато-экологический мониторинг Сибири";

- ГНТП "Глобальные изменения природной среды и климата", проект 5.1.7;

- европейская программа EUREKA, проект EUROTRAC/TOR, TESLAS;

- российско-китайский проект "Лазерные технологии в климато-экологическом мониторинге атмосферы";

- проект "Лидарное исследование трансформации стратосферного озонового слоя аэрозолем вулканогенного происхождения" (грант РФФИ № 93-05-9383);

- проект "Экспериментальное исследование механизмов разрушения стратосферного озонового слоя над Западной Сибирью", (грант РФФИ № 96-05-64282);

- проект "Сибирская лидарная станция", (грант Миннауки РФ № 01-64);

- персональный грант ISSEP "Соросовские аспиранты" № А97-292.

Апробация результатов исследований и публикации по теме диссертации Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на 1-, II-, III- и IV-ом межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (соответственно 1994, 1995, 1996 и 1997 гг., Томск), III заседание раб. группы "Аэрозоли Сибири" (1996 г., Томск), 8th Laser Optics Conference (1995, S.-Petersburg, Russia) и 18th International Laser Radar Conference (1996, Berlin, Germany).

По материалу, изложенному в диссертационной работе, было опубликовано 16 работ, из которых 7 статей - в центральной печати, и одна - за рубежом. Структура и объём диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Объём диссертации составляет 112 листов, включая 5 таблиц и 30 рисунков. Список цитируемой литературы, включая публикации автора, составляет 93 наименования. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается состояние вопроса и формулируется цель работы и основные задачи исследований. Определяется также научная новизна, практическая значимость и достоверность результатов исследований. Формулируются основные защищаемые положения работы.

В первой главе даётся краткое физико-химическое описание основных оптически активных составляющих атмосферы, которые, главным образом, определяют оптическое состояние стратосферы и обуславливают изменчивость её оптических свойств, представляются результаты современных исследований, показывающие имеющиеся тенденции в глобальном изменении оптического состояния стратосферы.

Отмечается, что озон является наиболее оптически активной составляющей стратосферы, которая играет исключительную роль в защите биосферы от жесткого солнечного УФ-излучения и участвует в формировании термического режима в стратосфере. Другая малая газовая составляющая - двуокись азота, входит в азотный цикл, который

является основным каталитическим циклом разрушения стратосферного озона, и на долю которого в нижней стратосфере приходится более 50 % деструкции озона. Большое значение, как оптически активной составляющей, принадлежит стратосферному аэрозолю, основными компонентами которого являются серные соединения (в среднем - это 75-% раствор серной кислоты в воде в виде капель или замерзших кристаллов).

В стратосфере содержание и распределение оптически активных составляющих устанавливается под действием процессов двух типов: динамических и фотохимических. В формировании распределения и содержания составляющих выделяют три случая соотношения между этими процессами. В первом случае атмосферная составляющая находится в состоянии фотохимического равновесия и динамические процессы непосредственно не влияют на её распределение, хотя оказывают косвенное влияние путем изменения термодинамического режима атмосферы. Во втором случае составляющая хорошо перемешана в атмосфере и ее распределение не зависит от фотохимии и локальных динамических процессов, и слабо зависит от планетарной циркуляции. Наконец, в третьем случае распределение составляющей определяется как фотохимическими, так и динамическими атмосферными процессами.

Для. стратосферного озона и аэрозоля в большей степени применим третий случай, для двуокиси азота - первый.

Рассматривая озон в стратосфере, нельзя не говорить об его общем содержании (ОСО) в атмосфере, поскольку на долю стратосферного озона в ОСО приходится около 92%. Поэтому изменения, касающиеся стратосферного озона, в первую очередь связаны с теми изменениями, которые происходят в ОСО,

Наиболее значимые изменения ОСО обуславливаются глобальными регрессорами и трендом, который частично может отражать долгопериодные, или ещё неизвестные, колебания. Однако и локальные факторы способны значительно влиять на поведение ОСО.

Уменьшение ОСО в глобальном масштабе и более частое появление в последние годы локальных зон с аномальным ОСО является в настоящее время общепризнанным фактом. Главный вопрос в проблеме глобального изменения озонного слоя земной атмосферы заключается в том, что является основной причиной наблюдаемого современного истощения слоя атмосферного озона? Точки зрения на этот вопрос расходятся.

Считается, с одной точки зрения, что причиной является увеличение в земной атмосфере озоноразрушающих веществ антропогенного происхождения. На этом основании

на международном уровне срочно были приняты решения о запрещении производства и использования фреонов и талонов - главных антропогенных источников свободного хлора (Венская конвенция (1985), Монреальский протокол (1987), Дополнение к протоколу (Лондон, 1990)).

С другой точки зрения, основной причиной глобального уменьшения ОСО является естественное глобальное изменение климата, связанное либо с долгопериодными (более 80 лет) климатическими колебаниями, либо с суперпозицией колебаний внутренних и внешних климатообразующих факторов, что выражается в изменении общей циркуляции атмосферы и глобального термодинамического режима, т. е. в изменениях характера атмосферного переноса консервативных примесей и условий протекания химических реакций.

Представленный в первой главе обзор литературы и анализ результатов исследований, полученных разными исследовательскими группами, показывает, что основной определяющей причиной изменений как стратосферного озона, так и оптического состояния стратосферы является динамика атмосферы, а наблюдаемое в последние два десятилетия глобальное уменьшение ОСО обуславливается естественным долгопериодным колебанием климатической системы "океан-атмосфера".

Во второй главе даётся краткое описание методов и аппаратуры спектрофотометрических измерений общего содержания озона, вертикального распределена и общего содержания двуокиси азота и представляются результаты анализа их изменчивости в совокупности с метеорологическими данными.

Спектрофотометрические измерения содержания и распределения ОАС являются частью комплексных лидарно-спектрофотометрических наблюдений, выполняемых на Сибирской лидарной станции (СЛС, 56,5° с. ш., 85,0° в. д.) ИОА СО РАН в Томске. Спектрофотометрические измерения включают измерения ОСО с июля 1993 г., вертикального распределения (ВР) и общего содержания (ОС) двуокиси азота с января 1996 г.

Как показал анализ временного хода ОСО изменчивость среднедневных значений обуславливается, главным образом, атмосферными процессами синоптического масштаба: циклонами, антициклонами и фронтами. В частности, это хорошо иллюстрируется на рис. 1 при сопоставлении данных об ОСО с данными карт барической топографии. На рисунке видно, что положительным отклонениям ОСО соответствуют более высокие значения индекса зональной составляющей атмосферного переноса и индексы меридиональной циркуляции южного направления, а периоду с отрицательными отклонениями ОСО - более

Томск, СЛС (56,5 ° с.ш., 85,0" в.д.

май июнь июль 1995 г.

—1—зональная циркуляция ■ ' меридиональная циркуляция

{положительная - южное направление) •■■о--- отклонения среднедневных значений ОСО от среднемесячных

Рис. 1. Отклонения среднедневных значений ОСО от среднемесячных и индексы циркуляции для 300-гПа уровня в июне и июле 1995 г.

Месяц/Год

Рис. 2. Отклонения среднемесячных значений ОСО от нормы и фазы КДК.

низкие значения индекса зональной циркуляции и индексы меридиональной циркуляции северного направления.

Наиболее значительные колебания ОСО чаще наблюдаются в переходные периоды, когда происходят сезонные перестройки атмосферной циркуляции, и когда чаще возникает меридиональная форма, при которой происходит стабилизация барических образований. Наименьшие колебания содержания озона наблюдаются в теплом периоде при восточной форме циркуляции. Причем, как правило, низкое содержание озона связано с формированием малоподвижного высокого антициклона или высотного барического гребня и выносом теплой воздушной массы бедной озоном. Высокое ОСО связано с высотной ложбиной и с выносом холодной воздушной массы с более высоким содержанием озона.

На рис. 2 показан временной ход отклонений среднемесячных значений ОСО от нормы, на котором видно, что в течение периода наблюдений в Томске отрицательные отклонения преобладали. Однако в целом во временном ходе наблюдается положительная тенденция. В ряде выделяется КДК, связанное с аналогичным колебанием направления переноса в стратосферной циркуляции экваториальных широт, фазы которого показаны па рис. 2. Видно, что в период преобладания западных ветров в экваториальной стратосфере (западная фаза КДК) наблюдается увеличение озона, при восточных ветрах - уменьшение. Причем в периоды переходов западной фазы на восточную наблюдаются значительные отрицательные отклонения ОСО, которые зимой 1995 г. и весной 1997 г. имели аномальный характер.

В случаях с аномальными положительными отклонениями ОСО, как оказалось, наблюдается необычное поведения ВР . N02. На рис. 3 представлены спектрофотометрические профили ВР АЮг по данным сумеречных измерений в утреннее и вечернее время, показывающие изменения распределения КОг в периоды, когда наблюдались озонные положительные аномалии. Как видно на рис. 3, во всех трех случаях за 2-4 дня до наблюдения максимума в ходе ОСО наблюдается по данным вечерних измерений резкое возрастание содержания ЛгОг в нижней стратосфере с образованием максимума на высотах 10-15 км (который обычно в профиле N02 располагается на высотах 25-30 км). Видно также, что через сутки ВР М?2 восстанавливается, далее ведет себя несколько нестабильно и после появления озонного максимума полностью стабилизируется. Как показал анализ наблюдаемых ситуаций, данный эффект является следствием выноса арктического воздуха и фотохимического восстановления N0% из соединений-резервуаров.

0.02. вв [ 11.02.96

10 20 »0 9 16 20 30 0 19 20 30 0 10 20 30 0 1® 20 39 0 »О 20 »0 Кдкц«кгр*цхя N0, • 5-ЧУ етолб*. 10" м«л'ст'

Г.02.68 ) 18,02.6

Ю > > ^

2) 02 68 I 22.02.В6 I 23С2.вв

О 10 20 39 0 20 40 вО <0 0 10 20 34 9 1С 20 30 0 10 2? »0 0 10 20 80 0 10 20 30 Концентрация ЫО^аб-км стояв», ю" и оп/си '

24 12.ве 25.12.89

> ^

27 12 АВ [ 28.12.06

20 5й я ш го ¡о о ю зо зоо ю га :а <

Концвитрщия N0, ■ б-км втол 6«. 10" «ол/:

-»«ч«|> -утро

Рис. 3. Вертикальное распределение Ы02 в периоды, когда наблюдались озонные положительные аномалии в феврале и декабре 1996 г.

о 2

30 25 20 15 10

° общее содержание озона (М-124) А температура(радиозонд) ^

'""""■МП1

о &

А 1

¡80

60

40

§

20 Я

500 4504 4оо°; 350° 300°

© 250 §

о

0) о

X

л с;

20

80

40 60 Дни 1996 года -о—лидарные измерения озона —спектрофотометрические измерения N0,

-40 о -50 £

-60 а

<ь

-70 I 0)

-80Ь

Рис. 4. Временная изменчивость интегрального содержания озона в высотном слое 25-30 км и ЫОг в слое 25-35 км, температуры на 50-гПа уровнне и ОСО в весенний период 1996 г.

□

о

5

По данным спектрофотометрических наблюдений ОС/BP NOi и лидарного зондирования вертикального распределения озона (ВРО) в зимне-весеннее время во временном ходе стратосферного озона и NO2 был обнаружен короткий интервал с противофазным ходом. На рис. 4, где этот интервал (с 55-го по 73-й день 1996 г.) выделен, показана временная изменчивость интегрального содержания озона в высотном слое 2530 км и NOï в слое 25-35 км, температуры на 50-гПа изобарическом уровне и среднедневных значений ОСО. Как показал анализ, ситуация с отрицательной корреляцией между озоном и NOi, соответствовала периоду стратосферной циркуляции с низкой динамической активностью в течение короткого временного интервала (около 15-18 дней), обусловленной сменой направления переноса во время сезонной перестройки.

В третьей главе даётся краткое описание методов и аппаратуры лидарного зондирования и представляются результаты анализа изменчивости вертикального распределения аэрозоля, озона и температуры в совокупности с метеорологическими данными.

Лидарные измерения параметров и составляющих стратосферы являеются основным оперативным источником информации об их вертикальном распределении и изменениях, и составляют вторую часть комплексных лидарно-спектрофотометрических наблюдений на СЛС. Лидарные измерения включают измерения в стратосфере вертикального распределения аэрозоля (BPА) с января 1986 г., озона (ВРО) с января 1989 г. и температуры (ВРТ) с зимы 1994 г.

Анализ изменчивости ВРО (см. рис. 5), ОСО и эволюции атмосферных процессов в стратосфере и верхней тропосфере показал, что наблюдаемые значительные вариации в содержании и высотном распределении озона, также как и межсуточная изменчивость, обуславливаются барическими образованиями и связанными с ними динамическими процессами с различным пространственно-временным масштабом.

Межсуточная изменчивость озона (колебания ОСО с амлитудой до 20 е. Д.), связанная с вариациями озона в тропосфере, отражает эволюцию тропосферных низких барических образований: волновых циклонов, внутримассовых местных антициклонов и фронтальных систем.

Изменчивость озона с периодами колебаний в несколько суток (3-9 суток) с амплитудой до 50-80 е. Д. обуславливается эволюциями барических образований синоптического масштаба: центральными циклонами, блокирующими антициклонами и сериями тропосферных циклонов с завершающим антициклоном, время жизни которых

со z

и 1 11 21 31 41 51 61

Порядковый номер наблюдения Г."..: .1 в слое 15-18 км в слое 18-22 к

1 1 в слое 22-25 км I I в слое 25-30 к

Рис. 5. Распределение озона по слоям в стратосфере по данным лидарных измерений за период с мая 1995 г. по апрель 1996 г.

Отношение рассеяния на длине волны 1064 нм

1.00 1.05 1.10 1.15 1.С5 1.10 1 15

Отношение рассеяния

1.С5 110 1.15 1.05 1.10 115

на длине волны 532 нм

Рис. 6. Изменение отношения рассеяния на длинах волн 532 и 1064 нм при смене антициклонической циркуляции на циклоническую.

образует естественный синоптический период, и сменой воздушных масс при прохождении основного фронта в высотной фронтальной зоне. Колебания данного масштаба охватывают как тропосферу, так и нижнюю стратосферу.

Наконец, колебания ОСО с амплитудой более 100 е. Д., заметные и в средней стратосфере, продолжающиеся более 20 суток, имеют устойчивую связь с циркуляционно-синоптическими процессами планетарного масштаба, обусловленными длинными планетарными волнами (с волновыми числами <4). Особенно это проявляется в периоды значительного торможения планетарных волн высокими блокирующими антициклонами -постоянными центрами действия атмосферы, типа азорского и северотихоокеанского антициклонов, и сезонными, типа азиатского зимнего антициклона, при их выдвижениях в более высокие широты. Подобное развитие атмосферной циркуляции однозначно связано с внезапными зимними стратосферными потеплениями. В эти периоды происходит сильное нарушение зональности и усиление меридиональной составляющей переноса. Именно а подобных ситуациях наблюдаются аномальные отклонения а ОСО, ВРО и ВРТ.

Результаты лазерного зондирования стратосферного аэрозольного слоя (САС) на примере комплексных измерений по программе SATOR летом 1995 г. представлены на рис. 6, на котором показано изменение высотного профиля отношения рассеяния на длинах волн 532 и 1064 нм при смене типа и интенсивности циркуляции в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Для характеристики циркуляционных изменений в течение рассматриваемого периода были использованы индексы Каца, приведенные на рис. 1, и результаты качественного синоптического анализа.

Сопоставление лидарных и синоптических данных показало, что в период с антициклоническим типом циркуляции, с устойчивой стратификацией атмосферы наблюдается выраженный максимум в высотиом распределении отношения рассеяния. При смене антициклонической циркуляции на циклоническую, с неустойчивой стратификацией, с развитым вертикальным воздухообменом и турбулентным перемешиванием и изменении адвективного переноса наблюдается высотное перераспределение аэрозоля и изменение профиля отношения рассеяния.

При этом, как это видно на рис, 6, первоначально происходит изменение отношения рассеяния на более короткой длине волны, что говорит о присутствии в первое время в воздухе более мелких аэрозольных частиц, которые менее инерционны и подвержены большему влиянию атмосферного переноса. Общее изменение профилей отношения рассеяния на разных длинах волн при изменении циркуляции свидетельствует также о

наличии определенной зональности в высотном распределении аэрозоля в нижней стратосфере и верхней тропосфере.

В четвёртой главе представляются и обсуждаются результаты оптического мониторинга стратосферы, основанного на комплексных измерениях, выполняемых на Сибирской лидарной станции, за периоды, когда в стратосфере наблюдалось повышенное содержание вулканогенного аэрозоля, озонные аномалии и полярные стратосферные облака.

Сопоставление лидарных профилей ВРА и ВРО друг с другом, полученных в июле 1991 г., показало, что в условиях очень сильного насыщения стратосферы вулканогенным аэрозолем наблюдается высокая отрицательная корреляция между озоном и аэрозолем. На рис. 7 показаны высотные профили отношения рассеяния на длине волны 353 нм и счетной концентрации озона. Видно, что в нижней стратосфере слоям с повышенным содержанием аэрозоля соответствует выраженное локальное уменьшение концентрации озона. Наблюдаемое соотношение между аэрозолем и озоном возможно является следствием действия механизма гетерогенного разрушения молекул азот-, хлор-, бром- и водородосодержащих соединений и соединений-резервуаров на поверхности частиц сернокислотного аэрозоля и последующего включения каталитических циклов разрушения озона.

В конце января 1995 г. лидарные наблюдения за вертикальным распределением отношения рассеяния Л показали наличие в нижней стратосфере необычно больших значений Я (до 3 единиц) с выраженным максимумом вблизи 16 км (см. рис. 8). Наблюдаемые аэрозольные слои по своим оптическим свойствам соответствовали полярным стратосферным облакам (ПСО), которые обычно образуются в условиях зимней холодной стратосферы в полярных широтах, и для которых необходимым условием формирования должна быть очень холодная нижняя стратосфера.

Как показал анализ, синоптическая ситуация в это время была обусловлена совокупным влиянием высотной барической ложбины арктического циркумполярного циклона, сместившегося в сторону Дальнего Востока, и высотного гребня, вытянутого от Средней Азии до Северного Урала. В стратосферной циркуляции интенсивность меридионального переноса в течение рассматриваемого периода была в несколько раз выше обычной. В период, когда наблюдались ПСО, Томск располагался в тылу высотной барической ложбины в планетарной высотной фронтальной зоне (ПВФЗ), в области с большими барическими градиентами и с аномально низкой температурой в стратосфере (до

Коэффициент отношения рассеяния на длине волны 353 ;>м

Рис. 7. Лидарные профили вертикального распределения отношения рассеяния на длине волны 353 нм и счетной концентрации озона, полученные в июле 1991 г.

на длине волны 532 нм

Рис. 8. Вертикальное распределение отношения рассеяния на длине волны 532 нм 24 января 1995 г.

-&2...-79°С в слое 50-20 гПа). В тропосфере располагался высокий, очень теплый, блокирующий антициклон.

Для более глубокого понимания механизмов и причин, вызывающих озонные аномалии, был проведен анализ данных озометрических наблюдений ОСО на СЛС и синоптической информации за период с начала 1994 г. по май 1997 г.

Для выявления аномальных периодов ОСО были рассмотрены отклонения 6-дневного скользящего среднего относительно 20-дневного. В качестве критерия аномальности был принят уровень 20-% отклонения. В результате за период с января 1994 г. по май 1997 г. было выявлено пять участков с аномальными отклонениями ОСО, которые представлены в таблице.

Период Макс, отклон.. %

11:2$ января )йр4 г,, . , ,

3-14 деакбря 1994 г. +25,05

.¡а. - . , -зад

21-28 ноября 1996 г. +25,16

24 декабря 1996 г. - 2 января 1997 г. +23,10

Проведенный затем анализ синоптического материала убедительно показал, что наблюдаемое аномальное понижение ОСО является результатом совокупного влияния очень сильной адвекции тропической воздушной массы и развитых вертикальных токов в стратосфере, дополнительно уменьшающих ОСО, а аномальное повышение ОСО является результатом совокупного влияния мощного арктического вторжения и развитых вертикальных токов в стратосфере, дополнительно увеличивающих ОСО.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований, представленных в диссертационной работе, говорится о личном вкладе автора и выражаются благодарности.

Основные результаты диссертационной работы 1. Анализ короткого (1993-1997 гг., М-124) и длинного (1979-1997 гг., ТОМ5/№тЬи8-7 и М-124) рядов временного хода ОСО в Томске показал, что основной причиной колебаний ОСО является атмосферная динамика и её изменчивость, которая обуславливается интерференцией колебаний циркуляционно-синоптических процессов разного масштаба.

2. Во временном ходе ОСО в Томске наблюдается летний квазимаксимум, приходящийся на август. Анализ синоптической информации показал, что данная особенность обуславливается более высокой повторяемостью в этот период циклонической циркуляции в тропосфере и нижней стратосфере.

3. Установлено, что с положительными аномалиями в ОСО связано необычное высотное распределение концентрации двуокиси азота, когда за 2-И дня до наблюдения максимального ОСО наблюдается резкое разовое возрастание в нижней стратосфере и верхней тропосфере к концу дня содержания двуокиси азота. Как показал анализ, данный эффект является следствием выноса арктического воздуха и фотохимического восстановления двуокиси азота из соединений-резервуаров.

4. Результаты анализа данных измерений показали отсутствие явной связи между поведением озона и двуокисью азота при отрицательных аномалиях в ОСО.

5. Установлено, что в зимнее время межсуточные изменения ОС ЫОг в целом совпадают с межсуточными изменениями ОСО, но с меньшей амплитудой колебаний, что свидетельствует о большом влиянии зимой на ОС NOt динамики атмосферы.

6. Анализ данных наблюдений за озоном я двуокисью азота в стратосфере показал, что в зимне-весеннее время в течение короткого временного интервала (около 15-18 дней) может наблюдаться неслучайная отрицательная корреляция между озоном и двуокисью азота, которая, как показал синоптический анализ, соответствует периоду стратосферной циркуляции с низкой динамической активностью, обусловленной сменой направления переноса во время сезонной перестройки.

7. Анализ изменчивости ВРО и ВРТ по данным лидарных наблюдений в совокупности с синоптическим анализом эволюции атмосферных процессов в стратосфере и верхней тропосфере показал, что интенсивность и полярность колебаний озона и температуры в стратосфере достаточно жестко связана с определенным типом барических образований и соответствующим им динамическим процессам.

8. При смене типа и интенсивности циркуляции в верхней тропосфере и нижней стратосфере изменение вертикального распределения отношения рассеяния, как индикатора ВРА, происходит первоначально иа более короткой длине волны, что свидетельствует о гравитационном разделении аэрозольных частиц при переносе в зависимости от их размера и в целом показывает скорость изменения аэрозольной стратификации при изменениях атмосферной циркуляции.

9. Анализ озонных аномалий и синоптической информации утвердительно показал наличие тесной связи между положительной аномалией и передней частью высокого, малоподвижного, центрального циклона, смещенного в более низкие широты, и, аналогично, между отрицательной аномалией и передней частью высокого, блокирующего антициклона или высотного гребня, смещенного в более высокие широты.

10. В периоды озонных аномалий в тропосферной циркуляции наблюдаются планетарные волны с волновыми числами 3 или 4. С уменьшением волнового числа интенсивность и продолжительность озонной аномалии возрастает.

П. Основными причинами возникновения аномальных отклонений в поле ОСО являются адвективные перемещения воздушных масс, вызванные перемещениями высоких, обширных барических образований. Наибольшие локальные аномальные отклонения связаны с зонами интенсивных упорядоченных вертикальных движений в нижней стратосфере над тропосферными барическими образованиями, которые сопутствуют локальным изменениям значений геопотенциала и располагаются в контрастных передних частях барических образований.

12. Анализ результатов лидарных наблюдений за поведением САС показал, что большую роль в изменчивости СА играют динамические процессы в нижней и средней атмосфере. Аномальное развитие стратосферных циркуляционных процессов определяет аномальные отклонения в содержании и распределении С А. Наблюдение зимой 1995 г. облачно-аэрозольные образований в нижней стратосфере, соответствующих по типу образования и поведения ПСО, подтверждается наблюдением в этот период аномального термодинамического состояния стратосферы, способствующего появлению ПСО.

13. Лидарные наблюдения ВРА и ВРО летом 1991 г. и их анализ показали, что в условиях очень сильного насыщения стратосферы вулканогенным аэрозолем наблюдается высокая отрицательная корреляция между озоном и аэрозолем, главной причиной которой могут быть аэрозольно-газовые реакции взаимодействия.

Основные работы по теме диссертации

1. Бурлаков В. Д., Ельников А. В., Зуев В. В., Маричев В. Н., Правдин В. Л., Смирнов С. В., Столярова Н. А. Результаты лидарных наблюдений аэрозоля и озона стратосферы после извержения вулкана Пинатубо. Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6. № 10. С. 1224-1233.

2. Зуев В. В., Бондаренко С. Л., Бурлаков В. Д., Гришаев М. В., Костин Б. С., Невзоров А. В., Смирнов С. В., Правдин В. Л. Комплексное лидарное зондирование стратосферного озона и аэрозоля. В кн.: I межресп. симп. "Оптика атмосферы и океана" (тезисы докл.). Ч. 2. Томск: ИОА СО РАН. 1994. С. 30-31.

3. Бондаренко С. Л., Правдин В. Л., Смирнов С. В. Внешнее устройство к озонометру М-124 для автоматизации измерений и расчетов общего содержания озона. Приборы и техника эксперимента. 1996. № 4. С. 167.

4. Зуев В. В., Смирнов С. В. Наблюдения за общим содержанием озона над Томском. Известия АН. ФАО. 1996. Т. 32. № 4. С. 573-575.

5. Зуев В. В., Бурлаков В. Д., Ельников А. В., Смирнов С. В. Особенности изменчивости стратосферного аэрозоля над Западной Сибирью. Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 12. С. 1599-1603.

6. Маричев В. Н., Зуев В. В., Гришаев М. В., Смирнов С. В. Лидарные и спектрофотометрические измерения вертикального распределения озона, диоксида азота и температуры в стратосфере над Томском (Западная Сибирь). Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 12. С. 1604-1608.

7. Zuev V. V., Burlakov V. D., El'nikov A. V., Smirnov S. V. Long-term lidar observations of stratospheric volcanic aerosols over Western Siberia. Abst. of the 18th Inter. Laser Radar Conf. July 22-26, 1996. Berlin. Germany. P. 115.

8. Zuev V. V., Burlakov V. D., El'nikov A. V., Smirnov S. V. Lidar observation of stratospheric clouds over Tomsk. Ibid. P. 129.

9. Marichev V. N., Zuev V. V., Grishaev M. V., Smirnov S. V. Lidar and spectrophotometry measurement of vertical distributions of ozone, nitrogen dioxide, temperature in the stratosphere and the total ozone column over Tomsk. Ibid. P. 129.

10. Marichev V. N., Zuev V. V., Grishaev M. V., Smirnov S. V. Lidar and spectrophotometry measurements of vertical distributions of ozone, nitrogen dioxide, and temperature in the stratosphere over Tomsk (Western Siberia). In: Advances in atmospheric remote sensing with lidar: selected papers of the 18th Inter. Laser Radar Conf, Berlin, 22-26 July 1996 / A. Ansmann, R. Neuber, P. Rairoux, U. Wandinger (eds.). Springer-Verlag, Berlin. P. 549-552.

11. Зуев В. В., Бурлаков В. Д., Ельников А. В., Смирнов С. В. Лидарные наблюдения стратосферных облачно-аэрозольных образований в январе 1995 года. В кн.: III

межресп. симп. "Оптика атмосферы и океана" (тезисы докл.). 2-5 июля 1996 г. Томск: ИОА СО РАН. 1996. С. 93-94.

12. Зуев В. В., Маричев В. Н., Гришаев М. В., Смирнов С. В. Спектрофотометрические и лидарные измерения вертикального распределения озона, двуокиси азота и температуры в стратосфере над Томском. Ibid. С. 128-129.

13. Зуев В. В., Бондаренко С. Л., Гришаев М. В., Ельников А. В., Смирнов С. В. Временная структура общего содержания озона и двуокиси азота над Томском по данным спекгрофотометрических измерений. В кн.: IV межресп. симп. "Оптика атмосферы и океана" (тезисы докл.). 10-13 июня 1997 г. Томск: ИОА СО РАН. 1997. С. 125-126.

14. Зуев В. В., Маричев В.Н., Смирнов C.B. Лидарные и спектрофотометрические исследования изменчивости вертикального распределения и общего содержания озона над Томском за периоде мая 1995 по апрель 1996 года. Ibid. С. 219-220.

15. Зуев В. В., Смирнов C.B., Маричев В.Н., Гришаев М. В. Результаты комплексного эксперимента по оптическому контролю состояния озоносферы на Сибирской лидарной станции. Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. № 10. С. 1170-1180.

16. Зуев В. В., Смирнов С. В. Результаты комплексных наблюдений озонных аномалий на Сибирской лидарной станции (СЛС, 56,5° с. ш., 85° в. д.). Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. Jfä 12. С. 1400-1414.