Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
21
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім. О.Я. УСИКОВА
Грицай Асен Васильович
УДК 551.510.534; 551.513.11
ПЛАНЕТАРНІ ХВИЛІ У РОЗПОДІЛІ ЗАГАЛЬНОГО ВМІСТУ ОЗОНУ НАД АНТАРКТИКОЮ
04.00.22 – геофізика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Харків – 2007
Дисертацією є рукопис.
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,
старший науковий співробітник
Міліневський Геннадій Петрович,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач відділу фізики космосу
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Чорногор Леонід Феоктистович,
Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна,
професор кафедри космічної радіофізики
доктор фізико-математичних наук, професор
Волощук Володимир Михайлович,
Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, головний науковий співробітник
відділу фізики атмосфери
Захист відбудеться “ 18”10 2007 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12, у залі засідань).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12).
Автореферат розісланий “11” 09 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради . Л.А. Рудь
Дисертація присвячена вивченню планетарних хвиль у розподілі загального вмісту озону над Антарктикою за даними багаторічних наземних та супутникових вимірювань.
У середині 1980-х років виявлено значне весняне зниження загального вмісту озону (ЗВО) над Антарктикою – явище “озонової діри”. Однак, незважаючи на інтенсивні дослідження, причини виникнення діри, її подальша еволюція, можливість зниження ЗВО в інших регіонах планети лишаються багато в чому незрозумілими.
Значний вплив на загальну динаміку стратосфери та на варіації ЗВО мають планетарні хвилі (ПХ). Їх поширення із тропосфери у вищі шари атмосфери визначається умовами зональної циркуляції у стратосфері, тому активність ПХ на висотах озонового шару зазнає суттєвих сезонних та міжрічних варіацій. ПХ призводять до перерозподілу озону, що зумовлює підвищення його вмісту в одних районах і зниження – в інших. Надходження енергії планетарних хвиль у стратосферу має наслідком суттєве зменшення стійкості полярного вихору та зростання стратосферної температури, що протидіє втратам озону в зимово-весняний період. Тому дослідження проявів ПХ в озоновому шарі є актуальним для розуміння динаміки ЗВО, чому і присвячена дана робота.
В останнє десятиріччя активно досліджуються характеристики квазістаціонарних та біжучих планетарних хвиль у північній і південній півкулях, зокрема, спектральний склад ПХ. Однак систематичний аналіз на тривалому часовому проміжку (наприклад, за даними супутникових спостережень протягом 1979 - 2005 рр.) для антарктичного регіону не виконувався.
Відомо, що навесні у високоширотній стратосфері південної півкулі найбільшу амплітуду має квазістаціонарна компонента планетарних хвиль з одним максимумом і одним мінімумом у зональному напрямі (вздовж паралелі). Між тим, рівень пов’язаної з нею зональної асиметрії ЗВО і можливість зміни положень областей зі зниженим та з підвищеним вмістом озону раніше детально не розглядалися.
Висока активність планетарних хвиль призвела до значних стратосферних потеплінь та зменшення площі озонової діри над Антарктикою у 1988 та 2002 рр. Дослідження таких явищ та передумов їх виникнення необхідне для розуміння динаміки озонового шару та змін інтенсивності УФ-Б випромінювання (ультрафіолетове випромінювання в діапазоні довжин хвиль 280 – 320 нм) на поверхні Землі. Це особливо важливо з огляду на поширення озонової діри до населених районів південної частини Південної Америки.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати, викладені в дисертації, отримані автором під час навчання в аспірантурі на кафедрі астрономії та фізики космосу фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка при виконанні науково-дослідних тем комплексної наукової програми “Астрономія та фізика космосу” № 01БФ051-14 “Дослідження динамічних процесів у геліосфері, магнітосфері та атмосфері Землі за результатами наземних та супутникових вимірювань” (№ держреєстрації 0101U002469) та № 06БФ051-12 “Динамічні процеси в навколоземному космосі, верхній атмосфері та озоносфері в аспекті сонячно-земних зв’язків” (№ держреєстрації 0106U006356). Автор також брав участь у роботах за договорами № 03ДФ051-01 “Дослідження хвильових зв’язків у системі тропосфера-іоносфера та іоносферних ефектів планетарних і акусто-гравітаційних хвиль” (№ держреєстрації 0103U001549) та Н/2-2005 “Хвильові процеси в озоновому шарі і іоносфері над Антарктичним півостровом” (№ держреєстрації 0105U001421) з Національним антарктичним науковим центром Міністерства освіти і науки України.
Мета і задачі дослідження.
Мета роботи – визначення характеристик планетарних хвиль у розподілі загального вмісту озону над Антарктикою та їх довготривалих змін за даними багаторічних наземних та супутникових вимірювань.
Задачі дослідження:
1. Створення бази даних характеристик планетарних хвиль в озоновому шарі та їх квазістаціонарної компоненти за супутниковими вимірюваннями TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) протягом 1979 – 2005 рр., розробка методики їх аналізу.
2. Вивчення та аналіз параметрів планетарних хвиль у довготному розподілі загального вмісту озону і встановлення закономірностей їх довготривалих варіацій.
3. Пошук багаторічних змін у структурі квазістаціонарних планетарних хвиль у розподілі озону.
4. Виявлення особливостей та аналіз аномальних стратосферних потеплінь у південній полярній області за розподілом ЗВО та температури нижньої стратосфери.
Об’єкт дослідження – озоновий шар над Антарктикою у зимово-весняний період під час існування та руйнування полярного стратосферного вихору.
Предмет дослідження – планетарні хвилі у розподілі загального вмісту озону.
Методи дослідження – фур’є-, вейвлет- та статистичний аналіз рядів даних супутникових та наземних вимірювань ЗВО з використанням візуалізації просторово-часових змін.
Для систематичного вивчення характеристик ПХ автором створено базу даних за вимірюваннями супутникового спектрометра TOMS, яка включає близько 15000 щоденних довготних розподілів ЗВО для широт 50 – 80ºS із кроком по широті 5º за період 1979 – 2005 років. База містить значення загального вмісту озону в одиницях Добсона (ОД) за вересень – листопад кожного року спостережень у зручній для подальшої обробки та аналізу матричній формі. До бази даних внесені також обчислені при виконанні роботи характеристики планетарних хвиль: щоденні значення амплітуди і фази складових спектра ПХ із зональними хвильовими числами m = 1 – 5, довготні профілі квазістаціонарної компоненти планетарних хвиль для часових масштабів 1 і 3 місяці.
Зокрема, вперше визначені рівень та структура асиметрії в довготному розподілі озону, зумовленої розташуванням озонової діри та субантарктичного максимуму ЗВО відносно полюса у весняний сезон (вересень – листопад) під впливом хвилі з m = 1.
Вперше встановлено існування багаторічного зміщення на схід мінімуму квазістаціонарної хвилі при незмінності географічного положення максимуму. Такий зсув є статистично значущим на всіх широтах у досліджуваній області, становлячи 20±5 за десятиліття. Обґрунтовано зв’язок цього явища з довготривалими змінами фази головних складових просторового спектра квазістаціонарної хвилі із зональними хвильовими числами m = 1 і m = 2.
На основі зіставлення параметрів ПХ під час аномальних стратосферних потеплінь у 1988 і 2002 рр. вперше встановлено, що рівень та широтне положення максимуму амплітуди квазістаціонарної хвилі у серпні є індикатором інтенсивності потепління в наступні місяці. Висунуто положення про використання цього індикатора для прогнозування масштабу весняної аномалії ЗВО над Антарктикою.
Практичне значення одержаних результатів. Встановлення характеру та закономірностей змін просторового розподілу ЗВО, зокрема, виявлення багаторічного зміщення зонального мінімуму, є важливим при оцінці варіацій потоку ультрафіолетового випромінювання, що досягає поверхні Землі. Це необхідно для визначення ризику небезпечного зростання інтенсивності УФ-Б випромінювання в населених районах південної частини Південної Америки. З іншого боку, одержані дані про розташування зонального максимуму ЗВО вказують на існування регіону з весняним дефіцитом потоку УФ-Б випромінювання південніше Австралії та Нової Зеландії. Виявлене в роботі збільшення амплітуди квазістаціонарних хвиль у вмісті озону свідчить про необхідність вивчення інших характеристик стратосфери південної півкулі з огляду на зростання контрасту в зональному розподілі ЗВО.
Використання одержаних даних про зміни в розподілі озону, зокрема в районі Антарктичного півострова, при вивченні динаміки антарктичної атмосфери сприятиме повнішому та глибшому розумінню взаємозв’язку тропосферних і стратосферних процесів у регіоні. Результати роботи можуть бути також корисні для встановлення співвідношення природних та антропогенних чинників в еволюції озонової діри.
Застосовані методи обробки даних та їх програмна реалізація можуть використовуватися при вивченні закономірностей у розподілі інших атмосферних параметрів, а одержані кліматологічні характеристики ПХ – при моделюванні атмосферної циркуляції і змін клімату в антарктичному регіоні.
Особистий внесок здобувача. Викладені в дисертації результати отримані особисто автором або за його безпосередньої участі.
У статтях [1 – 3, 5, 7, 8, 10] автором створено методику обчислень і програмне забезпечення для дослідження довготного розподілу ЗВО та його варіацій, проведено розрахунки спектральних характеристик планетарних хвиль.
У роботах [4, 11] автор брав участь у постановці задачі, розробці методики дослідження проявів планетарних хвиль та інтерпретації результатів, проводив обчислення.
У роботах [6, 12, 14, 19] автором здійснено постановку задачі, розробку методики та програмного забезпечення для знаходження характеристик збурень у загальному вмісті озону за даними TOMS, проведено розрахунки амплітуд квазістаціонарних хвиль та інтерпретацію результатів.
У роботах [9, 13, 15 – 18, 20 – 22] виконано обчислення характеристик планетарних хвиль із метою пошуку довготривалих тенденцій, проведено аналіз та інтерпретацію результатів.
11th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics, April 20-23, 2004. – Kyiv, Ukraine.
XX Quadrennial Ozone Symposium, June 1-8, 2004. – Kos, Greece.
Second Ukrainian Antarctic Meeting, June 22-24, 2004. – Kyiv, Ukraine.
XXVIII SCAR Open Science Conference, July 25-31, 2004. – Bremen, Germany.
28th Annual Seminar “Physics of auroral phenomena”, March 1-4, 2005. – Apatity, Russia.
12th Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics, April 19-23, 2005. – Kyiv, Ukraine.
Memorial international conference “Astronomy and space physics at Kyiv University” devoted to 100-th anniversary of Sergij Kostyantynovych Vsekhsvyatsky, May 22-26, 2005. – Kyiv, Ukraine.
VI Міжнародна наукова конференція “Mоніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”, 6-8 жовтня 2005. – Київ, Україна.
Пятый симпозиум “Метеорологические исследования в Антарктике”, 14-16 ноября 2005. – ААНИИ, Санкт-Петербург, Россия.
29th Annual Seminar “Physics of auroral phenomena”, February 27 - March 3, 2006. – Apatity, Russia.
Научная конференция “Россия в Антарктике”, 12-14 апреля 2006. – ААНИИ, Санкт-Петербург, Россия.
13th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics, April 25-29, 2006. – Kyiv, Ukraine.
EGU, General Assembly 2006, April 2-7, 2006. – Vienna, Austria.
III International Conference “Scientific investigations in Antarctica”, May 29 - June 2, 2006. – Kyiv, Ukraine.
SCAR XXIX Open Science Conference, July 12-14, 2006. – Hobart, Australia.
33rd Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, August 28 - September 1, 2006. – Kiruna, Sweden.
Публікації. Викладені в дисертації наукові результати опубліковані протягом 2004 – 2006 років: всього – 22 роботи, серед них – 8 статей у фахових наукових журналах, 3 – у збірниках праць, 11 – у тезах конференцій.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 155 найменувань на 15 сторінках та додатків. Рисунків – 61, таблиць – 7. Повний обсяг дисертації становить 180 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі визначено мету та задачі дисертації, описано засоби їх вирішення. Показаний зв’язок роботи із науковими програмами та темами, наведена інформація про апробацію результатів, наявність публікацій за темою дисертації. Обґрунтована наукова новизна роботи та коротко викладений зміст кожного розділу.
Перший розділ містить огляд літератури та аналіз сучасних результатів досліджень динаміки озонового шару. Сформульовано невирішені задачі, розв’язання яких виконується в дисертації.
Велике значення для утворення весняного мінімуму загального вмісту озону (явище озонової діри) над Антарктидою має полярний стратосферний вихор – стійка циклонічна структура, сформована інтенсивним зональним вітром, який ізолює полярну стратосферу від середньоширотної. Впродовж останніх десятиліть активно досліджуються великомасштабні атмосферні збурення – біжучі та квазістаціонарні планетарні хвилі, які, поширюючись у стратосфері, мають значний вплив на стійкість полярного стратосферного вихору. Активність ПХ властива помірним та високим широтам, де вони, зокрема, викликають просторовий перерозподіл озону (квазістаціонарні хвилі) та часові варіації ЗВО із кількадобовими періодами (біжучі хвилі). Активність ПХ впливає на сезонні та міжрічні коливання вмісту озону, тому вивчення змін параметрів хвиль є важливим для розуміння і можливого передбачення процесів, які викликають появу озонової діри.
Навесні у високих широтах південної півкулі домінує квазістаціонарна хвиля із зональним хвильовим числом m = 1. Вона зумовлює доволі стійку зональну асиметрію в характеристиках атмосфери.
Огляд літературних джерел дозволяє зробити висновок про недостатню вивченість низки параметрів планетарних хвиль у розподілі загального вмісту озону над Антарктикою. Зокрема, відсутні кількісні оцінки варіацій у спектрі зональних збурень і їх квазістаціонарної компоненти на тривалому проміжку часу, які дозволили б визначити внесок окремих складових ПХ у стратосферні процеси. Потрібно встановити чітку картину багаторічних змін стійкого довготного розподілу ЗВО протягом антарктичної весни, яка б допомогла оцінити регіональні тенденції у стані стратосфери. Незважаючи на значну кількість робіт, присвячених сильному раптовому стратосферному потеплінню 2002 р., його обставини залишаються недостатньо вивченими.
У південній півкулі можливості для об’єктивного визначення параметрів ПХ з’явилися лише з початком супутникових вимірювань вмісту озону. При цьому, дуже важливим є дослідження еволюції полярної стратосфери і зокрема озонової діри на часових масштабах тривалістю кілька десятиліть. Необхідність таких робіт обумовлюється суттєвими міжрічними варіаціями стратосферних характеристик та існуванням систематичних змін загального вмісту озону.
Відповідно до сформульованих в огляді невирішених задач визначено основні напрямки досліджень у роботі.
У другому розділі наведено методику вивчення розподілу вмісту озону, розглянуто особливості планетарних хвиль у розподілі загального вмісту озону над Антарктикою і визначено їх характерні прояви за наземними та супутниковими спостереженнями.
Досліджуються характеристики біжучих хвиль у високих широтах південної півкулі. На рис. 1 ілюструється характер варіацій ЗВО, які реєструються при наземних спостереженнях при проходженні планетарних хвиль; літери а, б, в позначають послідовні положення максимумів, г, д, е – мінімумів.
Рис. 1. Зміни загального вмісту озону в жовтні – грудні 1999 р. за спостереженнями із спектрофотометром Добсона, антарктична станція Академік Вернадський
Для дослідження великомасштабних просторових варіацій вмісту озону в роботі використовуються супутникові спостереження TOMS. Ці спостереження дають інформацію про глобальний розподіл добових значень ЗВО з просторовим розділенням 1° по широті та 1.25° по довготі.
Для аналізу характеристик ПХ автором створено базу даних, у якій результати вимірювань TOMS містяться у зручній для подальшої обробки матричній формі. Виконується представлення довготних розподілів ЗВО для окремих широтних смуг шириною 1°. База даних охоплює широти 50 – 80°S із кроком 5°. Цей інтервал вміщує крайову область озонової діри і прилеглі до неї середні та полярні широти.
Зручним для візуалізації розподілів ЗВО і подальшого їх аналізу є застосований у роботі метод довготно-часового представлення для окремої широтної смуги, яку схематично показано на рис. 2а. Цей метод дає змогу наочно відтворювати картину квазістаціонарної хвилі та її часової еволюції, рух біжучих хвиль. Приклади такого представлення подані на рис. 2б, в.
Важливим є вивчення спектрального складу планетарних хвиль. Довготний розподіл значень загального вмісту озону f() може бути представлений у вигляді розкладу в ряд:
, (1)
де – довгота, m – зональне хвильове число, A0 – середнє значення ЗВО вздовж паралелі, Am, m – амплітуда та фаза відповідної зональної складової. Параметри складової із зональним хвильовим числом m, амплітуда Am та фаза m, знаходяться із (1) таким чином:
;
. (2)
Рис. 2. Паралель 65°S (а, пунктирна лінія), вздовж якої проведено розгортку добових значень вмісту озону для серпня – грудня 1996 (б) та 2003 (в) років
Зразок спектрального розкладу, виконаного на основі (2) з урахуванням хвиль із m = 1 – 5, наведений на рис. 3. У даному випадку середньоквадратичне відхилення між такою апроксимацією (рис. 3б) і спостережуваним розподілом (рис. 3а) становить 7 ОД або 2.5%; типове значення цієї величини складає 7 – 11 ОД. Ця різниця може пояснюватися впливом локальних неоднорідностей, які при спектральному розкладі зумовлюють появу складових із зональними хвильовими числами, більшими, ніж 5. Таким чином, врахування тільки п’яти перших складових спектра забезпечує опис довготного розподілу озону з точністю, близькою до точності супутникових вимірювань.
З’ясовано, що найбільш типовою для весняного періоду в Антарктиці є наявність у деформаціях озонової діри планетарних хвиль із зональним хвильовим числом m = 1 (зміщення озонової діри відносно полюса) та m = 2 (видовження діри), внаслідок чого у виступах хвиль відбувається проникнення полярного повітря з низьким ЗВО до середніх широт (50ºS).
Для характеристики малозмінної на місячному часовому масштабі компоненти розподілу ЗВО у дисертації використано поняття квазістаціонарної хвилі (КСХ). Її довготний профіль отримувався шляхом усереднення добових профілів вмісту озону за 1, 3 чи 5 місяців. Параметри КСХ (амплітуда, положення максимуму і мінімуму) знаходилися після попереднього згладжування цього профілю з метою усунення дрібномасштабних варіацій. Можливість визначення названих параметрів обумовлена чіткою структурою КСХ у досліджуваному регіоні навесні. Домі-нуючою для періоду спостережень є хвиля із зональним хвильовим числом m = 1.
Обчислення середніх амплітуд складових планетарних хвиль Am gen та їх квазістаціонарної компоненти Am st для певного періоду тривалістю N діб проводилося відповідно до:
; (3)
. (4)
У розділі 2 також показано можливість визначення періодів збурень у загальному вмісті озону з допомогою вейвлет-перетворення. Обрано функцію, що використовується як материнський (базовий) вейвлет.
Рис. 3. Розподіл значень ЗВО за даними TOMS вздовж 65S, 15 жовтня 1996 р. (а); складові із зональними хвильовими числами m = 1 – 5 (б) та порівняння спостереженого і апроксимованого вказаними складовими розподілу (в)
Таким чином, у другому розділі обґрунтовано способи обробки даних наземних та супутникових вимірювань загального вмісту озону. Показано доцільність довготно-часового представлення для вивчення динаміки планетарних хвиль у розподілі озону. Запропоновано методи визначення характеристик ПХ, що застосовуються в роботі. Отримано вирази для обчислення спектральних характеристик планетарних хвиль: амплітуд та фаз складових планетарних хвиль із різними зональними числами. Дано математичний опис квазістаціонарної хвилі, розглянуто її основні параметри та методику їх визначення. Викладено метод знаходження періодів біжучих хвиль із допомогою вейвлет-перетворення.
Третій розділ присвячений вивченню біжучих та квазістаціонарних планетарних хвиль у загальному вмісті озону над Антарктикою.
Проаналізовано умови виникнення коливань ЗВО значної амплітуди над станцією Академік Вернадський у листопаді – грудні 1999 р. Встановлено, що меридіональні зміщення краю озонової діри під дією планетарних хвиль та рух деформованого краю у зональному напрямку (на схід) спричинили почергову появу над станцією дуже низьких (полярні повітряні маси) та високих (середньоширотне повітря) рівнів ЗВО.
Було вивчено сезонні варіації амплітуди складових планетарних хвиль із зональними хвильовими числами m = 1 – 5 протягом періоду їх активності (розглянуто місяці з серпня по грудень включно). Встановлено, що сезонні варіації амплітуди є максимальними для головної складової із зональним хвильовим числом m = 1. Найбільше значення амплітуди (90 ОД за даними багаторічного усереднення) спостерігається в жовтні. Зі зростанням зонального хвильового числа мінливість амплітуди зменшується. Для кожного з п’яти місяців протягом серпня – грудня існує зростаючий тренд амплітуди хвилі з m = 1. На широті 65ºS він є найбільшим у жовтні, становлячи 15 ОД за десятиліття для періоду 1979 – 2003 рр.
Проведено зіставлення амплітуд планетарних хвиль Am gen та їх квазістаціонарної компоненти Am st, що дає змогу з’ясувати, для якого зонального хвильового числа переважає квазістаціонарна чи біжуча компонента. Як видно з рис. 4, домінуючими є квазістаціонарна компонента хвилі з зональним хвильовим числом m = 1 та біжуча компонента хвиль із m = 2 – 5. Визначено, що протягом періоду супутникових спостережень збурення планетарного масштабу в розподілі озону над Антарктикою викликалися переважно двома першими складовими із m = 1 і m = 2.
Рис. 4. Амплітуди планетарних хвиль (Am gen) та їх квазістаціонарної компоненти (Am st) для зональних хвильових чисел m = 1 – 5, усереднення за серпень – грудень 1979 – 2003 рр., широта 65ºS
Показано, що хвильові збурення ЗВО в Антарктиці задовольняють моделі хвиль Росбі у квазігеострофічному наближенні. Підтверджено відповідність складових із зональними хвильовими числами m = 1 – 3 дисперсійному рівнянню для хвиль Росбі при врахуванні швидкості зонального потоку в нижній стратосфері. З’ясовано, що амплітуда хвилі з m = 1 має лінійну залежність від ширини широтної зони, в якій кутова швидкість зонального руху цієї складової є сталою.
Отже, у третьому розділі одержано та проаналізовано характеристики біжучих і квазістаціонарних планетарних хвиль у загальному вмісті озону над Антарктикою. Із залученням даних супутникових та наземних вимірювань ЗВО розглянуто проходження біжучих хвиль навесні 1999 р. Для широти 65°S визначено параметри планетарних хвиль та їх квазістаціонарної компоненти, зокрема, співвідношення амплітуд для m = 1 – 5. Проведено аналіз кількісних співвідношень для амплітуд складових із зональними хвильовими числами m = 1 – 5. Оцінено внесок квазістаціонарної компоненти ПХ у збурення довготного розподілу озону. Зроблено висновок про домінування квазістаціонарної компоненти для хвилі з m = 1 та біжучої компоненти для хвиль із зональними числами m = 2 – 5. Для опису збурень розподілу загального вмісту озону хвилями із m = 1 – 3 в Антарктиці застосовано модель хвиль Росбі у квазігеострофічному наближенні.
У четвертому розділі досліджено багаторічні систематичні зміни характеристик квазістаціонарних хвиль у загальному вмісті озону та умови в полярній стратосфері південної півкулі при аномальних раптових потепліннях.
Проведене дослідження свідчить, що протягом періоду спостережень відбувалося багаторічне зростання амплітуди квазістаціонарної хвилі в усьому широтному діапазоні 55 – 75°S. Значення амплітуди та величина її тренду є найбільшими на широті 65°S. Середня амплітуда ПХ для серпня – грудня становить 3810 ОД, її зростання з 1979 р. – близько 65%. Внаслідок збільшення амплітуди КСХ різниця між високими та низькими значеннями вмісту озону у протилежних довготних секторах (атлантичному та австралійському) на початку 2000-х років досягла ~30%.
За результатами аналізу сезонних варіацій розподілу озону встановлено, що багаторічний максимум амплітуди КСХ із зональним хвильовим числом m = 1 досягається у жовтні на широті 65°S і становить у середньому 80 ОД. У напрямі до екватора та полюса для цього місяця характерне симетричне зниження амплітуди відносно максимуму більш ніж на 30 ОД (близько 40%). З серпня до листопада відбувається систематичне зміщення максимуму амплітуди КСХ з середніх широт до високих. У серпні амплітуда є найвищою на широтах 55 – 60ºS, у вересні максимум розташований на широті 60ºS, у жовтні – на 65ºS, а в листопаді – на 65 – 70ºS. Зміщення до полюса області максимальної амплітуди КСХ у розподілі озону пояснено в роботі систематичним сезонним зменшенням площі полярного вихору.
Проведено аналіз багаторічних варіацій положень максимуму і мінімуму квазістаціонарної хвилі. З’ясовано, що характерним для розглянутої широтної області є систематичний зсув мінімуму на схід при майже незмінному положенні максимуму (рис. 5а). Швидкість вказаного зміщення мінімуму становить у середньому близько 20±5 за десятиліття. Положення максимуму та мінімуму для п’яти досліджених широт показані на схемі (рис. 5б). Поведінка екстремумів квазістаціонарної хвилі є подібною для всієї широтної області 55 – 75ºS.
Із результатів спектрального аналізу випливає, що різний характер поведінки максимуму і мінімуму квазістаціонарної хвилі може бути інтерпретований як результат протилежного руху хвиль із зональними хвильовими числами m = 1 і 2. Механізм впливу відносного дрейфу цих складових на зміну форми КСХ ілюструється рис. 6. Два наведені графіки відтворюють положення хвиль у різні моменти часу. Використано реальні співвідношення амплітуд та значення багаторічного зміщення фаз хвиль із m = 1 та з m = 2. Побудова демонструє, що при протилежному довготному зміщенні відбувається зсув мінімуму квазістаціонарної хвилі (стрілка в нижній частині правого графіка), а максимум залишається майже нерухомим (зафарбований кружок у верхній частині графіка).
Проведено вивчення аномальних стратосферних потеплінь у південній півкулі. Для кількісних оцінок детально проаналізовані зміни вмісту озону і стратосферної температури, які спостерігалися у 1988 і 2002 рр. Слід відзначити, що масштаб аномалії був більшим у 2002 р., коли відбулося так зване сильне раптове потепління.
Рис. 5. Варіації та лінійні тренди довготного положення максимуму і мінімуму ЗВО в 1979 – 2004 рр., усереднення за серпень – грудень (а); квазістаціонарна хвиля: середнє довготне положення максимуму (чорні кружки із середньоквадратичними відхиленнями) та зміщення мінімуму (білі кружки та стрілки в напрямі дрейфу) на широтах 55, 60, 65, 70 і 75S (б)
Рис. 6. Багаторічна зміна характеристик квазістаціонарної хвилі внаслідок протилежного довготного дрейфу складових із m = 1 і m = 2 за спостережними даними для широти 65S. Позначено початкове (1979 р.) і кінцеве (2005 р.) положення кожної складової (а) та їх суперпозиції (б).
Уже в серпні 1988 і 2002 рр. у розподілі загального вмісту озону існував суттєвий довготний контраст. Спільною рисою аномалій була відсутність вересневого мінімуму ЗВО. Середнє за 3 місяці (вересень – листопад) значення вмісту озону вздовж усієї широтної смуги 65ºS суттєво перевищувало відповідну величину для сусідніх років. Відхилення від характерних для сусідніх років значень було більшим при сильному потеплінні у 2002 р.
Проведені дослідження дозволили виявити нову ознаку аномальності умов у стратосфері – західний зсув екстремумів КСХ у розподілі озону. Довготний зсув спостерігався під час раптових потеплінь у 1988 і 2002 рр. як для максимуму, так і для мінімуму, його величина вказана на рис. 7.
Рис. 7. Усереднена за вересень – листопад довготна залежність ЗВО для 1987, 1988 та 1989 рр. (а) і 2001, 2002 та 2003 рр. (б) на широті 65°S
Згідно з результатами обробки даних реаналізу NCEP-NCAR (National Center for Atmospheric Research – National Centers for Environmental Prediction), в антарктичній стратосфері у кінці зими 1988 р., на відміну від 2002 р., не спостерігалося зростання амплітуди збурень у розподілі температури на широтах вище 60ºS. На широтах 60 – 65ºS у серпні максимальна амплітуда КСХ у розподілі температури нижньої стратосфери на рівні 100 гПа становила 6К та 10К у 1988 та 2002 рр., відповідно (рис. 8). Надалі, навесні 1988 р., спостерігалося значне стратосферне потепління, а у вересні 2002 р. відбулося сильне потепління із розділенням полярного вихору на дві частини. Залежність інтенсивності потеплінь від характеру досліджених збурень дає підстави розглядати меридіональний профіль амплітуди КСХ в серпні як індикатор величини майбутнього стратосферного потепління.
Рис. 8. Амплітуда КСХ у розподілі температури на рівні 100 гПа (серпень 1979 – 2005 рр., кожна крива відповідає окремому року)
Таким чином, у четвертому розділі проведено дослідження квазістаціонарної хвилі для широтної області 55 – 75°S за даними про розподіл озону та температури. Встановлено існування багаторічного довготного зсуву мінімуму квазістаціонарної хвилі при майже незмінному положенні максимуму та дано інтерпретацію цього явища. Дослідження аномальних стратосферних процесів показало, що рівень амплітуди КСХ у полі температури нижньої стратосфери в кінці зими може використовуватися для оцінки масштабу майбутнього стратосферного потепління навесні. Визначені географічне положення та інтенсивність зональних аномалій ЗВО важливі для оцінки змін теплового режиму нижньої стратосфери, а також потоку ультрафіолетового випромінювання, що досягає поверхні Землі.
Одержані в розділі 4 результати вперше кількісно описують еволюцію параметрів квазістаціонарної компоненти планетарних хвиль у 1979 – 2005 рр. і засвідчують здатність цього динамічного фактора протидіяти інтенсивним хімічним втратам озону у високих широтах південної півкулі.
У висновках викладені основні результати роботи.
ВИСНОВКИ
У дисертації вперше проведено систематичний аналіз характеристик планетарних хвиль у розподілі ЗВО у високих широтах південної півкулі у весняний період. Вперше досліджено середні кліматологічні характеристики планетарних хвиль за весь період супутникових спостережень озону, а також довготривалу еволюцію зональної асиметрії в розподілі озону. Головні результати є такими.
1. Створено базу даних характеристик планетарних хвиль в озоновому шарі та їх квазістаціонарної компоненти за супутниковими вимірюваннями TOMS і розроблено методику аналізу.
2. Встановлено збільшення амплітуди планетарних хвиль у загальному вмісті озону в Антарктиці за період 1979 – 2004 рр., яке є наслідком різниці темпів багаторічного зниження вмісту озону в області зонального максимуму і мінімуму.
3. Вперше виявлено існування довгострокового зміщення мінімуму квазістаціонарної хвилі у східному напрямку, що може впливати на розподіл УФ-Б випромінювання в районі Антарктичного півострова. Явище інтерпретовано як наслідок протилежного довготного зміщення складових ПХ із зональними хвильовими числами m = 1 та m = 2.
4. Встановлено лінійну залежність амплітуди хвилі з m = 1 від протяжності вздовж меридіану широтної зони, в якій кутова швидкість зонального руху цієї складової є сталою. Підтверджено відповідність хвильових збурень ЗВО в Антарктиці моделі хвиль Росбі у квазігеострофічному наближенні при врахуванні швидкості зонального потоку в нижній стратосфері.
5. Запропоновано нову методику прогнозу масштабу раптового стратосферного потепління навесні за значеннями амплітуд збурень розподілу температури в стратосфері у серпні.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Grytsai A.V., Grytsai Z.I., Evtushevsky A.M., Milinevsky G.P., Leonov N.A. Traveling planetary waves in ozone layer over Antarctic Peninsula // Український антарктичний журнал. – 2004. – № 2. – С. 105-110.
2. Grytsai A., Grytsai Z., Evtushevsky A., Milinevsky G. Interannual variability of planetary waves in the ozone layer // International Journal of Remote Sensing. – 2005. – Vol. 26, No. 16. – P. 3377-3387.
3. Grytsai A., Grytsai Z., Evtushevsky A., Milinevsky G., Leonov N. Zonal wave number 1–5 in planetary waves from the TOMS total ozone at 65S // Annales Geophysicae. – 2005. – Vol. 23, No. 5. – P. 1565-1573.
4. Грицай А.В., Євтушевський О.М., Міліневський Г.П. Планетарні хвилі в озоновому шарі над Антарктичним півостровом у 1999 i 2002 роках // Вісник Київського нац. ун-ту. – Астрономія. – 2005. – Bип. 41-42. – С. 63-67.
5. Грицай А.В., Євтушевський О.М., Міліневський Г.П., Грицай З.І., Агапітов О.В. Довготний розподіл загального вмісту озону в атмосфері у крайовій області антарктичного стратосферного вихору // Космічна наука і технологія. – 2005. – Т. 11, № 5/6. – С. 5-11.
6. Grytsai A. Anomalies of Antarctic total ozone during the 1988 and 2002 springs // Український антарктичний журнал. – 2005. – № 3. – C. 10-18.
7. Грицай А.В., Євтушевський О.М. Сезонні зміни активності квазістаціонарних планетарних хвиль у стратосфері над Антарктикою // Космічна наука і технологія. – 2006. – Т. 12, № 4. – C. 71-77.
8. Агапітов О.В., Грицай А.В., Євтушевський О.М., Міліневський Г.П. Зональна асиметрія загального вмісту озону в Антарктиці у весняний період // Доповіді НАН України. – 2006. – № 6. – С. 60-67.
9. Grytsai A., Evtushevsky A., Milinevsky G. Interannual variations of planetary waves in ozone layer at 65S // Ozone. Proc. of the XX Quadrennial ozone symposium. – Athens (Greece), 2004. – Vol. I. – P. 544-545.
10. Grytsai A.V., Evtushevsky A.M., Milinevsky G.P., Agapitov A.V. Long-term changes in the quasi-stationary zonal distribution of the total ozone in Antarctic region // Proc. of 28th Annual Seminar “Physics of auroral phenomena”. – Apatity (Russia), 2005. – P. 207-210.
11. Agapitov A.V., Evtushevsky A.M., Grytsai A.V., Milinevsky G.P. Planetary scale Rossby waves in the total ozone over the south polar region // Proc. of 29th Annual Seminar “Physics of auroral phenomena”. – Apatity (Russia), 2006. – P. 269-272.
12. Grytsai A. Long-scale wave disturbances in ozone layer over Antarctic region // 11th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. – Kyiv (Ukraine), 2004. – Abstracts. – Р. 47.
13. Grytsai A., Evtushevsky A., Leonov N., Milinevsky G.P. Planetary waves in ozone layer at edge region of Antarctic polar vortex during springtime (1996–2003) // XXVIII SCAR Open Science Conference. – Bremen (Germany), 2004. – Abstracts. – P. 362.
14. Grytsai A. Long-term changes of Antarctic ozone distribution // 12th Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. – Kyiv (Ukraine), 2005. – Abstracts. – P. 36.
15. Grytsai A., Evtushevsky O. Zonal asymmetry of total ozone at the Southern high latitudes in spring // Memorial international conference “Astronomy and space physics at Kyiv University” devoted to 100-th anniversary of Sergij Kostyantynovych Vsekhsvyatsky. – Kyiv (Ukraine), 2005. – Abstracts. – P. 94.
16. Грицай А.В., Євтушевський О.М, Міліневський Г.П. Зміни загального вмісту озону над Антарктичним півостровом // VI Міжнародна наукова конференція “Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища”. – Київ (Україна), 2005. – Матеріали конф. – С. 113-115.
17. Грицай А.В., Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Изменения зональной асимметрии общего содержания озона в антарктическом регионе // Пятый симпозиум “Метеорологические исследования в Антарктике”. – ААНИИ, Санкт-Петербург (Россия), 2005. – Тезисы. – C. 64-65.
18. Агапитов А.В., Грицай А.В., Грицай З.И., Евтушевский А.М., Ивченко В.Н., Лозицкий В.В., Милиневский Г.П. Планетарные волны в краевой области антарктического полярного вихря // Научная конференция “Россия в Антарктике”. – ААНИИ, Санкт-Петербург (Россия), 2006. – Тезисы. – C. 21-22.
19. Grytsai A. Amplitude and phase of quasi-stationary wave in ozone distribution at the 55-75 S latitudes // 13th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. – Kyiv (Ukraine), 2006. – Abstracts. – P. 140.
20. Grytsai A., Agapitov O., Evtushevsky O., Milinevsky G. Quasi-stationary planetary wave in total ozone over Antarctica and continent boundary effect in the wave extreme positions // EGU, General Assembly 2006. – Vienna (Austria), 2006. – Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 06459, SRef-ID: 1607-7962/gra/ EGU06-A-06459.
21. Grytsai A.V., Evtushevsky A.M., Milinevsky G.P. Long-term changes in quasi-stationary planetary waves in Antarctic region from the TOMS total ozone data // SCAR XXIX Open Science Conference. – Hobart (Australia), 2006. – Abstract Volume. – 0291.
22. Agapitov O., Grytsai A., Evtushevsky O., Milinevsky G. Quasi-stationary planetary wave long-term changes in total ozone over Antarctica // 33rd Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods. – Kiruna (Sweden), 2006. – Abstracts. – P. 31.
АНОТАЦІЯ
Грицай А.В. Планетарні хвилі у розподілі загального вмісту озону над Антарктикою. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 – геофізика. – Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2007.
У дисертації досліджено вплив великомасштабних планетарних хвиль на розподіл загального вмісту озону над Антарктикою та в приантарктичній області. Визначено основні параметри планетарних хвиль та їх варіації на різних часових масштабах.
Розглянуто весняну активність квазістаціонарних та біжучих хвиль у високих широтах південної півкулі. Аналіз варіацій загального вмісту озону у широтній смузі 55 – 75ºS свідчить про зростання амплітуди квазістаціонарної планетарної хвилі протягом останніх 25 років. Це зумовлено відносно вищими темпами руйнування озону у приполярній області порівняно з помірними широтами. Найбільша амплітуда хвилі досягається на широті 65ºS у жовтні, із просуванням від нижчих до вищих широт максимум амплітуди спостерігається пізніше. Виявлено довгострокове зміщення на схід положення мінімуму квазістаціонарної хвилі в розподілі озону, яке за час систематичних супутникових спостережень досягло близько 50º; положення максимуму залишилося незмінним. Це явище пояснено різним характером довгострокових змін фаз хвиль із зональними хвильовими числами 1 і 2. Досліджено поведінку озонового шару та варіації стратосферної температури при аномальних умовах у антарктичній стратосфері, зроблено висновок про можливість прогнозування масштабу раптового потепління навесні за амплітудою квазістаціонарної хвилі у розподілі температури в кінці зими.
Ключові слова: озон, загальний вміст, зональний розподіл, планетарні хвилі, Антарктика, стратосферне потепління.
АННОТАЦИЯ
Грицай А.В. Планетарные волны в распределении общего содержания озона над Антарктикой. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 – геофизика. – Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2007.
Целью работы является изучение влияния планетарных волн на распределение общего содержания озона в антарктическом регионе. По данным длительных спутниковых и наземных измерений исследуются долговременные изменения их характеристик. Проведено изучение влияния планетарных волн на общее содержание озона над Антарктикой и в приантарктической области. Определены основные параметры волн и их вариации на разных временных масштабах.
На основании спутниковых измерений с помощью спектрометра TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) создана база данных общего содержания озона и параметров планетарных волн, вычисленных с помощью предложенных в работе методов. База содержит около 15000 ежедневных долготных распределений общего содержания озона для широт 50 – 80ºS ñ шагом по широте 5º за сентябрь – ноябрь 1979 – 2005 гг. Все данные представлены в удобной для последующей обработки и анализа матричной форме. Разработана методика определения спектральных характеристик волн, амплитуды и положения максимума и минимума квазистационарной волны, временных периодов наблюдаемых возмущений в общем содержании озона.
Рассмотрена весенняя активность квазистационарных и бегущих волн в высоких широтах южного полушария. Исследован вклад зональных составляющих в распределение общего содержания озона. По данным спутниковых и наземных наблюдений определены периоды бегущих волн. Найдено соотношение между амплитудами планетарных волн в распределении общего содержания озона и их квазистационарной компоненты для разных зональных волновых чисел. На основании этих вычислений сделан вывод о доминировании квазистационарной компоненты для зонального волнового числа 1 и бегущих – для зональных волновых чисел 2 – 5.
Проведено изучение характеристик квазистационарной планетарной волны для широтной области 55 – 75°S. Определены меридиональные и временные вариации амплитуды волны, главное внимание уделялось систематическим изменениям. Анализ распределения общего содержания озона в указанной широтной области свидетельствует о возрастании амплитуды квазистационарной планетарной волны за время систематических спутниковых наблюдений озонового слоя, с 1979 года. Это обусловлено сильным снижением содержания озона в южной полярной области, где скорость его уменьшения значительно больше, чем в умеренных широтах. Наиболее высокие значения амплитуды волны и ее тренда достигаются на широте 65ºS в октябре – линейный тренд амплитуды главной составляющей с зональным волновым числом 1 составляет 15 единиц Добсона в десятилетие за 1979 – 2003 гг. Показано, что при переходе от низких к высоким широтам максимум амплитуды смещается на более позднее время.
В работе обнаружено смещение положения минимума квазистационарной волны в восточном направлении, которое за время систематических спутниковых наблюдений достигло около 50º; положение максимума осталось неизменным. Это явление наблюдается во всей широтной области 55 – 75ºS и интерпретируется как следствие разного характера долгосрочных изменений фаз волн с зональными волновыми числами 1 и 2. Изменения структуры волны вызывают значительный практический интерес вследствие влияния на положение области увеличенного потока ультрафиолетового излучения на поверхности Земли.
Подтверждено соответствие волновых возмущений общего содержания озона в антарктическом регионе модели волн Россби в квазигеострофическом приближении при учете скорости зонального потока в нижней стратосфере. Установлено существование линейной зависимости амплитуды волны с зональным волновым числом 1 от меридиональной протяженности области, для которой угловая скорость движения этой волны является постоянной.
Изучено поведение озонового слоя и вариации стратосферной температуры при внезапных стратосферных потеплениях в Антарктике в 1988 и 2002 гг. Сделан вывод о возможности прогнозирования масштаба весеннего потепления по амплитуде квазистационарной волны в конце зимы. Предполагается, что возрастание августовских возмущений до 6К на широтах 50 – 55ºS óказывает на необычность последующего стратосферного потепления, а приблизительно двукратное увеличение амплитуды на широтах 60 – 65ºS является признаком последующего сильного потепления. Обнаружен новый характерный признак аномальных условий в стратосфере – западное смещение квазистационарной волны, главным образом, в области минимума. Такое смещение наблюдалось и в 1988, и в 2002 году, будучи обусловленным изменениями структуры волны с зональным волновым числом 1.
Ключевые слова: озон, общее содержание, зональное распределение, планетарные волны, Антарктика, стратосферное потепление.
ABSTRACT
Grytsai A.V. Planetary waves in total ozone distribution over Antarctic region. – Manuscript.
Thesis of a candidate’s degree by specialty 04.00.22. – Geophysics. – Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2007.
Large-scale planetary wave impact on total ozone content distribution over Antarctica is investigated. The basic parameters of the planetary waves and their variations on the different time scales are determined.
The stationary and traveling wave spring activity in the Southern Hemisphere high latitudes is considered. The analysis of total ozone content variations in the 55 – 75ºS latitudinal band shows quasi-stationary planetary wave amplitude growth during the last 25 years. This feature is caused by relatively higher ozone loss rate at the polar latitudes comparatively with the middle latitudes. The largest wave amplitude value is reached in October at the 65ºS latitude. The maximum amplitude in the higher latitudes is observed later. The eastward shift of the position of quasi-stationary wave minimum in ozone distribution is discovered. The shift of the wave minimum position during period of regular satellite observations has reached nearly 50º and the wave maximum position has been left unchangeable. This phenomenon is explained by different long-term changes of the phase of zonal wave number 1 and 2 waves. The ozone layer behavior and stratosphere temperature variations under anomalous conditions in the Antarctic stratosphere are explored. The dependence of spring warming intensity from the late winter quasi-stationary temperature wave amplitude is analyzed.
Key words: ozone, total content, zonal distribution, planetary waves, Antarctic region, stratospheric warming.