LINEBURG


страница 1
(всего 3)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова
физический факультет



На правах рукописи




Жадин Евгений Александрович



УДК 550.385;523.62




Влияние межгодовых вариаций температуры
поверхности океана на циркуляцию стратосферы и
озоновый слой




25.0029 физика атмосферы и гидросферы




Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико - математических наук




Москва 2004


1
Работа выполнена в ГУ Центральная Аэрологическая Обсерватория



Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ларин И.К.

доктор физико-математических наук, профессор Гулев С.К.

доктор физико математических наук Володин Е.М.



Ведущая организация: Гидрометеоцентр России




Защита состоится < 19 > < февраля > 2004 года в < 15.30 > часов на
заседании диссертационного совета по геофизике Д 501.001.63 в
Московском Государственном Университете, физический факультет
по адресу: 119992, Москва, Воробьевы горы, ГСП-2, аудитория
ЮФА




С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического
факультета МГУ



Автореферат разослан < 16 > < декабря > 2003 г.



Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.63

кандидат физико-математических наук В.Б.Смирнов

2
Общая характеристика диссертационной работы


Актуальность работы

Несмотря на огромное количество экспериментальных и
теоретических исследований, причины уменьшения озонового слоя
и изменений климата Земли до сих пор неизвестны. Если в 1980-
1990 - х годах большинство ученых были полностью уверены в
антропогенной природе наблюдаемого истощения озонового слоя
из-за роста эмиссии в атмосферу антропогенных озоноразрушающих
веществ, то в последние годы появились убедительные
доказательства большой роли естественных факторов, связанных с
долгопериодными вариациями в системе океан-атмосфера, которые
сильно изменили динамические процессы переноса и
температурный режим стратосферы в течение двух последних
десятилетий, создав благоприятные термодинамические условия для
химических механизмов разрушения озонового слоя. Таким
образом, главным вопросом современного состояния проблемы
изменения озонового слоя и климата является разработка
физических механизмов, ответственных за естественные
долгопериодные изменения в системе океан - атмосфера - озоновый
слой и оценки относительной роли антропогенных и естественных
факторов в наблюдаемых изменениях озонового слоя.
Актуальность решения этого вопроса состоит также в том, что
модельные предсказания эволюции озонового слоя, на которых
основан Монреальский Протокол по защите озонового слоя, не
учитывают влияния долгопериодных изменений динамики
атмосферы на озоновый слой, поэтому степень ограничений
производства фреонов и галонов может быть уточнена, что имеет
большое практическое значение для промышленности России.
Исследование связей межгодовых и долгопериодных изменений
озона и климата является актуальным также с точки зрения
разработки новых методов сверхдолгосрочных прогнозов резких
климатических изменений, которые наблюдаются в последние годы.




3
Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и
разработка механизма влияния межгодовых вариаций температуры
поверхности океана (ТПО) на циркуляцию стратосферы и озоновый
слой для оценки относительного воздействия антропогенных и
естественных факторов на изменения атмосферного озона.

Для достижения поставленной цели в рамках данной работы были
проведены следующие исследования:

• проведены численные модельные эксперименты с целью
разработки физического механизма влияния изменений ТПО на
волновую активность стратосферы и вихревой перенос озона,

• с помощью современных математических методов и
использованием банков данных наблюдений проведен анализ связей
межгодовых аномалий ТПО, стратосферной циркуляции и общего
содержания озона в глобальном масштабе для подтверждения
реальности разработанного физического механизма,

• исследованы связи основных мод изменений климата Северного и
Южного полушарий (Арктической и Антарктической Осцилляций) с
аномалиями ТПО Тихого, Атлантического и Индийского океанов,

• предложены эмпирические оценки относительной роли
долгопериодных изменений динамических процессов в
наблюдаемых трендах содержания озона.

Научная новизна


• Разработано новое направление в исследованиях озонового слоя –
влияние межгодовых и долгопериодных аномалий температуры
поверхности Мирового океана внетропических широт на изменения
озонового слоя.

• Впервые разработан простой физический механизм волновой
гипотезы воздействия аномалий ТПО на изменения стратосферной


4
циркуляции и озоновый слой, который основан на интерференции
орографического и термического источников стационарных
планетарных волн.
• На основе анализа данных содержания озона и циркуляции
стратосферы впервые показано, что в начале 1980 - х годов
произошел резкий переход динамики стратосферы средних широт к
новому долгопериодному режиму, который в последующие годы
привел к сильной изолированности стратосферных вихрей
Антарктики и Арктики. Обнаружены сильные корреляции
межгодовых изменений стратосферной циркуляции и содержания
озона, включая эволюцию озоновой дыры в Антарктике.

• Впервые показано, что межгодовые изменения содержания озона
в средних и высоких широтах Северного полушария, а также
вариации динамики стратосферного вихря Арктики сильно связаны
с разностью аномалий ТПО северной части Тихого океана (центр
действия южнее Алеутских островов) и Атлантики (центр действия
вблизи Ньюфаундленда) - в диполе аномалий ТПО через Скалистые
горы. Эволюция озоновой дыры в Антарктике и динамики
стратосферы средних широт Южного полушария также тесно
связаны с аномалиями ТПО южной части Тихого и Атлантического
океанов в диполе через Анды и аномалиями ТПО южной Атлантики
и Индийского океана в диполе через Африку.

• Обнаружены сильные связи аномалий ТПО в диполе через
Скалистые горы с Арктической Осцилляцией. Это означает, что
причиной Арктической Осцилляции может быть внешнее
возбуждение изменений волновой активности атмосферы
аномалиями ТПО вполне определенной структуры в соответствии с
механизмом волновой гипотезы

• Эмпирические оценки показали, что относительный вклад
"антропогенных" факторов в наблюдаемые тренды озона не
превышает 50%.

Научная и практическая ценность

Разработанный физический механизм и результаты анализа
данных наблюдений свидетельствуют о большой роли аномалий
температуры поверхности Мирового океана вполне определенной
структуры в межгодовых и долгопериодных изменениях
стратосферной циркуляции и озонового слоя в глобальном
масштабе.

5
Тот же самый механизм может быть ответственен за основные
моды изменений климата - Арктической и Антарктической
Осцилляций.
Результаты работы могут быть использованы в моделях общей
циркуляции атмосферы и океана для оценок относительной роли
антропогенных и естественных факторов в изменениях озонового
слоя и климата Земли.
Практическое значение полученных результатов состоит в
необходимости уточнения Монреальского Протокола, что является
важным для промышленности России. Кроме того, результаты
данной работы могут быть основой для разработки нового метода
прогноза экстремальных погодных условий (например, холодных
зим на территории России) по данным измерений общего
содержания озона.

Положения, выносимые на защиту

•Механизм волновой гипотезы объяснения влияния внетропических
аномалий ТПО на изменения волновой активности и циркуляцию
стратосферы и озонового слоя.
•Результаты анализа связей межгодовых вариаций ТПО, циркуляции
стратосферы и содержания озона, подтверждающие реальность
механизма волновой гипотезы.
•Доказательства большой роли межгодовых вариаций ТПО в диполе
через Скалистые горы в Северном полушарии и диполях через Анды
и Африку в Южном полушарии в наблюдаемом уменьшении озона,
а также внешнего возбуждения Арктической и Антарктической
Осцилляций.
•Эмпирические оценки относительной роли изменений динамики
стратосферы в трендах озонового слоя.

Достоверность полученных результатов

Механизм волновой гипотезы, предложенный в данной работе,
имеет простой и ясный физический смысл. Данные наблюдений
межгодовых вариаций ТПО, циркуляции стратосферы и общего
содержания озона получены независимыми методами и их точность
неоднократно проверялась.
Сравнение рассчитанных изменений атмосферного момента
импульса с вариациями скорости вращения Земли, которые
измеряются с огромной точностью, также свидетельствует о
достоверности используемых данных. Математический аппарат,


6
примененный для анализа данных, широко используется в физике
атмосферы и океана и других областях знаний в последние годы.

Личный вклад

Основные результаты работы были получены автором диссертации.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на многочисленных
международных конференциях, в том числе международном
совещании по подготовке международного отчета по оценкам
озонового слоя, Швейцария, 1991; симпозиуме по исследованиям
средней атмосферы (IAMAS), Киото, Япония, 1992; семинарах в
Метеорологическом исследовательском институте, Цукуба, Япония,
1994; международном симпозиуме по солнечно-земной физике,
Сендай, Япония, 1994; международных совещаниях по воздействию
стратосферной авиации на озоновый слой, Вирджиния Бич, США,
1995 и 1998; международных симпозиумах по химии атмосферы
(IGAC), Нагоя, Япония, 1997 и Болонья, Италия, 1999; конференции
IAMAS, Инсбрук, Австрия, 2001.
В России результаты докладывались на семинарах в Центральной
Аэрологической Обсерватории, Институте Прикладной Геофизики,
Московском Государственном Университете, Институте Физики
Атмосферы, Институте Вычислительной Математики РАН.

Общее число опубликованных статей 48, в том числе по теме
диссертации - 41.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения,
изложенных на 208 страницах машинописного текста, в том числе
65 рисунков и 2 таблицы, в списке цитируемой литературы 112
наименований.




7
Краткое содержание диссертации

В первой главе диссертации изложена общая характеристика
диссертационной работы, приведенная выше.
В главе 2 (введении) дано описание проблемы воздействия
естественных и антропогенных факторов на уменьшение озонового
слоя. Приведен краткий обзор известных химических механизмов
разрушения озонового слоя, а также дальних связей тропосферной
динамики и долгопериодных изменений параметров тропосферы.
Сформулированы основные вопросы, касающиеся воздействия
межгодовых и долгопериодных изменений температуры
поверхности океана на термическое возбуждение стационарных
планетарных волн, волновую активность, циркуляцию стратосферы
и озоновый слой.
В главе 3 представлен механизм волновой гипотезы влияния
аномалий ТПО на вариации атмосферной волновой активности и
состав озонового слоя, основанный на результатах численных
экспериментов с моделью стационарных планетарных волн и
циркуляции стратосферы [1]. Результаты этих экспериментов
показали, что стратосферная циркуляция и вихревой перенос озона
планетарными волнами слабо реагирует на изменения амплитуды
температуры поверхности океана. Однако, в модели наблюдается
сильная реакция этих параметров зимней стратосферы к изменениям
географического расположения экстремумов аномалий ТПО в
Тихом и Атлантическом океанах. Несмотря на очевидные
недостатки механистической модели планетарных волн, эти
модельные исследования позволили сформулировать физически
ясный механизм влияния внетропических аномалий ТПО на
атмосферную волновую активность и естественные изменения
состава озонового слоя.
Источниками стационарных планетарных волн, проникающих из
тропосферы в стратосферу в зимний период, являются орография
(Скалистые горы, Тибет в Северном полушарии и Анды в Южном
полушарии) и термическое возбуждение, связанное с контрастами
температуры материков и океанов. Межгодовые и долгопериодные
аномалии ТПО изменяют термический источник планетарных волн,
вклад которого сравним с орографическим источником.
Интерференция изменяющегося от года к году термического
источника и постоянного во времени орографического источника
сильно зависит от разности фаз (географического расположения

8
максимумов источников). Ситуация аналогична интерференции двух
источников света в оптике, где интерференционная картина сильно
зависит от расстояния между источниками. Этот сигнал должен
наиболее ясно проявляться в стратосфере зимой-весной, поскольку в
тропосфере он сильно замаскирован высокочастотным погодным
шумом.
Последующие главы диссертации посвящены анализу данных
наблюдений с целью подтвердить реальность механизма волновой
гипотезы. Для этого были использованы среднемесячные данные
спутниковых измерений общего содержания озона TOMS (1979-
1992 гг.), зонального ветра банка данных Национального
Метеорологического Центра США (NMC) для расчетов
стратосферного момента импульса (Stratospheric Angular Momentum
- SAM) в слое от 100 гПа до 0,4 гПа, реанализа NCEP/NCAR и
аномалий температуры поверхности Тихого, Атлантического и
Индийского океанов COADS (NOAA). Стратосферный момент
импульса, описывающий супервращение стратосферы в целом
относительно Земли, является полезным индикатором как для
изучения воздействия планетарных и гравитационных волн на
зональную циркуляцию стратосферы, так и для исследования связей
с изменениями содержания озона. Выражение для средне-
глобального стратосферного момента импульса может быть
записано в виде


?
= 2? a ? d ? dp
?1
3 2
SAM g u cos

где u – среднезональный ветер стратосферы, a - радиус Земли, g -
ускорение свободного падения, интегрирование распространяется по
высоте от 100 гПа до 0,4 гПа (˜15-50 км) в глобальном масштабе.

Воздействие планетарных и гравитационных волн на динамику
стратосферы проявляется в изменениях зонального ветра, поэтому
вариации SAM отражают изменения волновой активности
стратосферы и косвенным образом соответствуют принципу Хейнса
[Haynes, P.H., et al., J. Atm. Sci., 47, 651-678, 1991], согласно
которому изменения циркуляции на данной высоте зависят от
интегрального воздействия волн выше этого уровня.
Для выделения главных мод изменчивости полей и исследования
нелокальных связей изменяющихся во времени двух полей было
использовано разложение по эмпирическим ортогональным
функциям (ЭОФ) и сингулярный (Singular Value Decomposition -


9
SVD) метод разложения двух изменяющихся во времени полей для
нахождения наиболее сильно связанных мод этих полей.

Были рассчитаны отклонения рассматриваемых полей от их
среднего за 1979-1992 гг. (аномалии) для каждого из месяцев, удаляя
таким образом сезонный ход каждого из переменных. Описание
банков данных и методов анализа содержится в главе 4
диссертации.

Глава 5 посвящена исследованию изменений атмосферного
момента импульса (Atmospheric Angular Momentum - AAM) и связей
вариаций AAM с изменениями скорости вращения Земли или

страница 1
(всего 3)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign