Влияние естественных и антропогенных факторов на
реклама
Влияние естественных и антропогенных факторов на длиннопериодную изменчивость теплового режима и газового состава атмосферы С.П.Смышляев Российский Государственный Гидрометеорологический Университет (РГГМУ) В.Я.Галин Институт Вычислительной Математики РАН (ИВМ РАН) Предмет исследования • Содержание озона и • других малых атмосферных газов Температура нижней стратосферы Изменчивость атмосферы в конце ХХ – начале ХХI веков • Содержание озона • • • уменьшалось с начала 80-х до середины 90-х годов С середины 90-х годов отмечается тенденция к восстановлению содержания озона Глобальное потепление в тропосфере Охлаждение нижней стратосферы Актуальность исследования • Стратосферный озон • • защищает биосферу от жесткого УФ излучения Солнца Температура максимально уменьшается в нижней стратосфере, где наблюдаются максимальные изменения озона и находится максимум концентрации аэрозоля Существует многообразие обратных связей между изменениями содержания озона, температурой и аэрозолем Популярная трактовка • Резкое увеличение поверхностных выбросов • • • • фреонов и галонов привело к увеличению стратосферных концентраций хлорных и бромных газовых составляющих Это вызвало значительное разрушение стратосферного озона Уменьшение содержания озона в стратосфере привело к уменьшению скорости нагрева и, следовательно, к охлаждению стратосферы Своевременное принятие мер по ограничению промышленного и бытового использования фреонов (Венская Конвенция и Монреальский Протокол) привело к стабилизации содержания хлорных составляющих в атмосфере à содержание озона начало восстанавливаться Увеличение содержания стратосферного озона вызвало увеличение нагрева стратосферы и стабилизацию температуры В течение этого периода: • Изменялись потоки солнечной радиации (Одиннадцатилетний солнечный цикл); • Происходили крупные извержения вулканов (выбросы аэрозоля непосредственно в стратосферу); Солнечная активность Спектральная изменчивость солнечной радиации Вулканические выбросы аэрозоля Изменение динамики стратосферы Формулировка Проблемы • На длиннопериодную • Особый интерес представляет нижняя стратосфера, где происходят максимальные изменения содержания озона, температуры и аэрозоля и которая подвержена влиянию динамики • • (несколько десятилетий) изменчивость температуры и содержания озона могут повлиять антропогенные и естественные факторы Среди антропогенных основными являются выбросы хлорных (фреоны) и бромных (галоны) составляющих Среди естественных особый интерес представляют солнечная активность, вулканические выбросы аэрозоля, изменение температуры поверхности океана и динамических параметров атмосферы Метод исследования • Комплексное использование моделей • • • газового состава (МГС) и общей циркуляции атмосферы (МОЦА) Необходимость учета обратных связей между химией, радиацией и динамикой требует использования химико-климатических моделей (ССМ) Совместная ССМ РГГМУ и ИВМ РАН состоит из интерактивно взаимодейсвующих трехмерных МГС РГГМУ и МОЦА ИВМ РАН Сравнение с результатами измерений РГГМУ-ИВМ ССМ • Глобальная с шагами 5О по Солнечная радиация Озон • • Фотохимические процессы Тепловая структура атмосферы Температура Другие газы • Динамические процессы • долготе и 4О по широте 39 высотных уровней от 0 до 90 км Рассчитывается изменчивость температуры, полей ветра и 74-х малых газовых составляющих кислородного, водородного, азотного, хлорного, бромного, углеродного и серного семейств Учитываются 174 газофазные химические реакции, 51 процесс фотодиссоциации, 29 гетерогенных химических реакций Рассчитывается изменчивость сульфатного аэрозоля и полярных стратосферных облаков • Уравнение баланса в потоковой • AUTOCHEM - автоматическое форме в сферической системе коорднат • • ∂X 1 ∂ ( uX ) 1 ∂ ( vX cos ϕ ) 1 ∂ ( pw X ) + + + =S ∂t a cos ϕ ∂λ a cos ϕ ∂ϕ p ∂z X = X 1 , X 2 ,...X N =74 • S j = ∑ k im X i X m + ∑ J l X l − (∑ k jm X m + J j + k m j + k a j ) X j i ,m l m • Бимолекулярные реакции Xi + X j − > Xl + Xm dX j dX l dX m dX i = = − = − = kb X i X dt dt dt dt j • Трехмолекулярные реакции dXj d Xl d Xi = − = − = kp Xi X dt dt dt Xi + X j + M − > Xl + M • j • Мономолекулярный распад Xi + M − > Xl + X m + M dX l dX m dX i = =− = km X i M dt dt dt • Процессы фотодиссоциации X ij + h ν → X i + X j dX j dX l dX ii = =− = J b X ij dt dt dt • составление кинетических уравнений Метод сохранения семейств Метод Шимазаки в сочетании с А-устойчивым методом для решения жестких задач Метод Пратера (сохранение интегральных характеристик до 2-го момента) для моделирования адвекции Неявная аппроксимация турбулентности; метод переменных направлений; трехдиагональная матрица; метод прогонки Сочетание граничных условий в форме Дирихле и Ньюмана Комплекс Моделей Газового Состава • Траекторная (0-мерная) – исследование распределения азотных • • • газов в Антарктике Мuscari G., de Zafra R. , Smyshlyaev S.P. , J.Geophys.Res., Vol. 108, No. D14, 4428 10.1029/2002JD002871, 2003 Одномерная – исследования чувствительности Двумерная – влияние незональных особенностей температуры Smyshlyaev S.P. , V.L.Dvortsov, M.A.Geller, V.Yudin, J.Geophys.Res., 103, 28373-28387, 1998. Влияние самолетных выбросов на озоновый слой - Smyshlyaev S.P. , M.A.Geller, V.A.Yudin, J. Geophys. Res., 104, 26417-2641, 1999 Модельная ассимиляция измерений озона - Smyshlyaev S.P. , M.A.Geller, J. Geophys. Res., 106, 32,327-32,335, 2001 Исследование долгопериодной изменчивости озона - M.A.Geller, Smyshlyaev S.P., Geophys.Res.Letters, 29(22), 2048, doi: 10.1029/ 2002GL015689, 2002 Трехмерная – ССМ - В.Я. Галин, С.П. Смышляев, Е.М. Володин, Совместная химико-климатическая модель атмосферы, Изв.РАН, ФАО, №4, 2007 Анализ Данных Измерений • Временной охват • • всего периода наблюдений Merged TOMS-SBUV Ozone Data Set (1979-2005) NMC/NCEP Temperature Data Set (1979-2006) Валидация модели (сезонно-широтная изменчивость общего содержания озона) Высотно-широтный озон Высотно-широтная температура Длиннопериодная изменчивость • Озон • Температура Результаты химико-климатического моделирования • Межгодовая уменьшение содержания озона в 1980• • • • 1995 годах моделируется с хорошей точностью Наблюдаемого сокращения содержания озона недостаточно для объяснения наблюдаемого охлаждения стратосферы Возможными факторами дополнительного выхолаживания стратосферы могут быть выбросы парниковых газов, которые кроме нагревания тропосферы приводят к охлаждению стратосферы и Изменение активности атмосферных планетарных волн и их взаимодействия со средним потоком Выбросы парниковых газов могут повлиять на активность планетарных волн Исследование чувствительности озона к изменчивости влияющих факторов • • • • Факторы Фреоны и галоны (WMO 2006) Изменение температуры (NMC/NCEP) Вулканические выбросы аэрозоля (SAGE,SAGE-2) Солнечная активность (Sun Spot Numbers) • Расчеты на период • • • 1970-2006 Анализ 1979-2006 относительно 1979 Базовый вариант – изменение фреонов и галонов Остальные три относительно базового СТРАТЕГИЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ГАЗОВОГО СОСТАВА И ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ • В глобальной циркляции • • • существуют замкнутые контура Быстрый перенос массы по ним без фактического перемешения Малые разности больших величин Трехмерные поля ветра и температуры вычисляются с использованием модели общей циркуляции атмосферы; • Трехмерная модель газового Ортогональные Трассеры 1 трассер (X1) sin ϕ • где - широта, 2 трассер (X2) , −ln(p/1000) где p- давление. • состава вычисляет распределение двух искусственных трассеров на основании полученных МОЦА полей ветра и температуры; Оцененные на основании трехмерных расчетов коэффициенты турбулентности используются в двумерной модели газового состава для вычисления простанственновременного распределения всех влияющих на озон атмосферных газов; Полученные с помощью двумерной модели поля озона и других радиационно-активных газов атмосферы могут быть использованы в МОЦА для вычисления новых полей ветра и температуры. Глобальный Озон • Фреоны и галоны • • (антропогенный фактор) дают 3% сокращение озона С конца 90х годов отмечается стабилизация антропогенного влияния Восстановление содержания озона с середины 90х годов объясняется охлаждением стратосферы, увеличением солнечной активности, снижением аэрозольной нагрузки (условно естественные факторы) Внеполярный озон • Антропогенный фактор • дает до 2% сокращения озона Максимальное сокращение содержания озона в середине 90х годов (до 6%) объясняется сочетанием вулканических выбросов (Пинатубо 1991), нисходящей стадией солнечной активности, отсутсвием положительного влияния температуры Тропический Озон • Влияние • антропогенного фактора находится в пределах 1% Определяющее влияние оказывает 11-летний солнечный цикл Межполушарные различия средних широт • Антропогенный фактор отличается в два раза • Влияние температуры начинается позже – около 2000 года • Влияние динамики – обмен массой с полярными районами Полярные районы • Существенные отличия между Арктикой и Антарктикой • Антропогенный фактор отличается в 3-4 раза • Влияние температуры намного ощутимее в Арктике Заключение • На межгодовую изменчивость температуры и содержания озона • • • • существенное влияние оказывают как антропогенные, так и природные естественные факторы Антропогенные и естественные факторы связаны между собой – увеличение хлорных и бромных составляющих усиливает роль гетерогенных реакций на стратосферном аэрозоле, динамические и температурные эффекты усиливают роль антропогенного фактора (Антарктида и Южное полушарие) Антропогенные выбросы фреонов и галонов могут объяснить от 2 % (Северное полушарие) до 4 % (Южное полушарие) уменьшения общего содержания озона (до 3% глобально) В настоящий момент еще рано говорить о восстановлении содержания озона в результате принятия мер по ограничению выбросов фреонов и галонов, можно констатировать только стабилизацию влияния антропогенного фактора Восстановление содержания озона с середины 90х годов объясняется охлаждением нижней стратосферы, увеличением уровня солнечной активности и очищением стратосферы от аэрозоля • Охлаждение нижней стратосферы является ключевым • • • • • фактором длиннопериодной изменчивости атмосферного озона и может оказать решающее влияние на его будущую изменчивость Сокращение содержания стратосферного озона с соответсвующим уменьшением нагрева стратосферы не может объяснить наблюдаемое выхолаживание нижней стратосферы Возможной причиной охлаждения стратосферы может быть изменение активности атмосферных планетарных волн Выбросы парниковых газов (антропогенный фактор) помимо нагревания тропосферы могут вызвать и охлаждение стратосферы Охлаждение стратосферы может повлиять на активность взаимодействия планетарных волн со средним потоком Причины наблюдаемых изменений содержания озона и температуры и взаимное влияние нужно иследовать с испотльзованием химико-климатических моделей (ССМ) СПАСИБО за ВНИМАНИЕ!!!
