Исследование вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат наук Антохин, Павел Николаевич

• Антохин, Павел Николаевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Антохин, Павел Николаевич

Оглавление

Введение 4 Глава 1 Формирование вертикального распределения озона в пограничном

слое атмосферы 9

1.1 Источники озона 9

1.2 Перенос озона из стратосферы 10

1.3 Фотохимическая генерация озона из газов предшественников в фоновых условиях 12

1.4 Фотохимическая генерация озона из газов предшественников в загрязненных условиях 17

1.5 Горизонтальный и вертикальный перенос озона 20

1.5.1 Горизонтальный перенос озона 20

1.5.2 Вертикальный перенос озона 22

1.6 Стоки озона в пограничном слое 23

1.6.1 Сток озона на малых газовых примесях 23

1.6.2 Сток озона на аэрозольных частицах 27

1.6.3 Осаждение озона и вымывание осадками 28 Глава 2 Использованные методы и подходы при изучении вертикального

распределения озона в пограничном слое атмосферы 30

2.1 Экспериментальное определение вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы 30

2.1.1 Комплекс оборудования для самолета Ан-2 30

2.1.2 Методология организации полетов и район измерений 35

2.1.3 Вспомогательные измерения 38

2.1.4 Методика обработки данных самолетного зондирования 41

2.2 Статистические методы для выявления скрытых периодичностей 47 Глава 3. Вертикальное распределение озона в пограничном слое атмосферы 49

3.1 Оценка скорости переноса озона из стратосферы в приземный

слой 49

3.2 Вертикальное распределение озона в пограничном слое атмосферы в разное время суток 67

3.3 Турбулентные потоки озона в пограничном слое атмосферы 75

3.4 Соотношение вклада фотохимической генерации озона и поступление его из стратосферы 77

Глава 4. Прогноз концентрации озона в приземном слое атмосферы 83

4.1 Сверхдолгосрочный прогноз на основе солнечной активности 83

4.2 Прогноз среднесуточных значений приземной концентрации

озона 89

4.3 Прогноз суточного хода приземной концентрации озона 99

4.4 Оправдываемость прогноза приземной концентрации озона 101

4.4.1 Оправдываемость сверхдолгосрочного прогноза приземной концентрации озона 102

4.4.2 Оправдываемость прогнозирования среднесуточных значений приземной концентрации озона 103

4.4.3 Оправдываемость прогнозирования суточного хода приземной концентрации озона 105

Заключение 109

Список литературы 111

Приложение 1 Вертикальные профили распределения концентрации озона 125

Приложение 2 Вертикальные профили распределения потоков озона 131

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы»

Введение Общая характеристика работы

Исследование тропосферного озона в настоящее время представляет значительный интерес с точки зрения его влияния, не только на климат, но и на биосферу в целом. До 90% озона находится в стратосфере, где он играет положительную роль, защищая биосферу от жесткого ультрафиолетового излучения. Остальные 10% озона находятся в тропосфере, где он является четвертым по значимости парниковым газом. Озон играет ключевую роль в фотохимических реакциях, протекающих в тропосфере особенно в нижней её части - пограничном слое, здесь он является вторичным загрязнителем воздуха, образуясь из газов-предшественников. Также озон определяет окислительный потенциал тропосферы, в силу своей высокой реакционной способности. Кроме того, являясь сильно токсичным газом, озон оказывает отрицательное воздействие на биосферу, опасным свойством является его радиомиметический эффект, действующий на кровь подобно ионизирующему излучению [1]. Все эти отрицательные свойства озона в тропосфере требуют детального исследования его пространственно-временной изменчивости и понимания механизмов его генерации и стоков в пограничном слое атмосферы.

Благодаря многочисленным теоретическим и экспериментальным результатам, полученным к настоящему времени, отдельные представления о закономерностях горизонтального и вертикального распределения, химической и фотохимической активности озона в атмосфере уже сформулированы в работах Dobson G.M.B., Brewer A.W., А.Х. Хргиана, Chapman S., J. Fishman, W. Seiler, P.J. Crutzen , Н.Ф. Еланского, Г.П. Гущина, A.M. Звягинцева, И.К. Ларина и многих других отечественных и зарубежных исследователей [2-8].

Несмотря на значительное число исследований, направленных на изучение вертикального распределения озона в тропосфере, особенно в пограничном слое, у исследователей нет единой точки зрения о причинах, формирующих его изменчивость на разных временных масштабах. Результаты существующих

исследований указывают на два основных источника озона в пограничном слое. Первый - это вертикальный перенос из стратосферы, где сосредоточено его основное количество [9]. Второй - это фотохимическое образование озона непосредственно в пограничном слое атмосферы из газов предшественников поступающих с подстилающей поверхности [10]. Задача определения баланса этих источников на различных временных периодах в пограничном слое является весьма актуальной.

Для определения соотношения источников, в работе были сделаны оценки основных механизмов влияющих на пространственно-временную изменчивость концентрации озона в пограничном слое, а также произведена оценка временных масштабов, на которых наиболее ярко проявился каждый из исследуемых механизмов. В частности исследованы такие процессы как фотохимическая генерация озона, прямой вертикальный перенос озона из стратосферы, а также модулирование общим содержанием озона потока приходящего ультрафиолетового излучения запускающего и контролирующего фотохимические реакции в пограничном слое.

Оценка влияния исследуемых механизмов возможна при наличии вертикальных профилей концентрации озона с высоким вертикальным разрешением в нижних слоях атмосферы, включающих как пограничный слой, так и свободную тропосферу, которые могут быть получены только при помощи самолетного зондирования. На основе подобных измерений можно оценивать скорости генерации озона в пограничном слое и свободной тропосфере, показывающие, соответственно, роль фотохимического образования озона и перенос озона из стратосферы. Работы по данному направлению в мире практически не проводятся.

Целью данной работы является изучение механизмов формирования вертикального распределения концентрации озона в пограничном слое атмосферы, определяющие его пространственно-временную изменчивость, а также разработка прогноза его концентрации для различных временных масштабов.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплекс измерительного оборудования для определения вертикального распределения озона.

2. Провести самолетное зондирование суточной изменчивости вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы и свободной тропосфере.

3. Оценить скорости переноса озона из свободной тропосферы в пограничный слой атмосферы.

4. Рассчитать турбулентные потоки озона внутри пограничного слоя по данным самолетного зондирования.

5. Сопоставить количество озона поступившего из стратосферы и образовавшегося в тропосфере.

6. Исследовать долговременные и короткопериодные изменения приземной концентрации озона с целью разработки методов прогноза его концентрации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Вариации приземной концентрации озона с периодом от 3 до 6 лет обусловлены колебаниями интенсивности фотохимических процессов, находящихся в противофазе с приходящей УФ-радиацией. С периодами от 15 до 70 дней -создаются циркуляционными процессами, определяющими его поступление из стратосферы как первоисточника для фотохимической генерации.

2. В пограничном слое атмосферы в общем балансе озона его количество, образующееся в результате фотохимических процессов, превышает поступление из вышележащих слоев атмосферы (стратосферы) в среднем в 5 раз и может изменяться в диапазоне от 3 до 10 раз.

3. Разработанные статистические модели прогноза приземной концентрации озона позволяющие прогнозировать долгопериодные (межгодовые) изменения с 78% оправдываемостью, среднесуточные колебания - с 95%.

Научная новизна работы

В диссертационной работе:

1. Впервые проведено исследование суточной изменчивости вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы фонового района Западной Сибири, при помощи специально разработанного измерительного комплекса на базе самолета Ан-2.

2. Впервые показано, что дневной максимум концентрации озона, в фоновом районе Западной Сибири, определяется процессами фотохимической генерации в пограничном слое атмосферы, а не его поступлением из свободной тропосферы.

3. Выполнен подробный статистический, спектральный и кросс-спектральный анализ приземной концентрации озона с общим содержанием озона и высотой тропопаузы (озонопаузы), что позволило определить основные параметры временной изменчивости приземной концентрации озона.

4. На основании статистической обработки данных разработаны методики прогноза приземной концентрации озона для многолетней и среднесуточной величины концентрации.

Указанные результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение актуальной научной задачи - выявление закономерностей динамики приземной концентрации озона и его вертикального распределения в пограничном слое атмосферы.

Научная и практическая значимость работы

Разработан комплекс оборудования, который может использоваться для проведения подобных исследований.

Разработаны статистические модели прогноза приземной концентрации озона для разных временных масштабов: для сверхдолгосрочных прогнозов среднегодовых значений на основании прогноза солнечной активности; для прогноза его среднесуточных значений с заблаговременностью до 2 суток.

Результаты диссертации были использованы при выполнении:

- программы Президиума РАН №4;

- программы ОНЗ РАН №5;

- междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН №35, №70 и №131;

7

- грантов РФФИ № 11-05-00470, № 14-05-00526, №14-05-00590, №14-0593108;

- госконтрактов Мннобрнауки №14.604.21.0100, идентификационный номер RFMTFIBBB210290, №14.613.21.0013, идентификационный номер RFMEFI61314X0013.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается методической проработкой регистрации и обработки экспериментальных данных; корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок; статистической обеспеченностью экспериментальных данных их повторяемостью и соответствием результатам, полученным другими исследователями.

Апробация и публикации результатов работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях: XVIII Рабочая группа: Аэрозоли Сибири (Томск, 2011 г.), XVIII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2012 г.), Десятое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2013 г.), Третье международное совещания-семинар. (Москва, ГМЦ, 2013 г.), XX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск 2014 г.), European Research Course on Atmospheres (Grenoble, 2011), Workshop "Tropospheric Ozone Changes" (Toulouse, 2011), European Aerosol Conference (Granada 2012), EGU General Assembly (Vienna, 2013).

Результаты исследований изложены в 8 статьях и 8 тезисах докладов.

Личный вклад автора

Результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора, либо самостоятельно. Автором разработан измерительный комплекс на базе самолета Ан-2, проведены натурные самолетные эксперименты с применение созданного комплекса. Разработана и сформирована база данных по результатам проведенных натурных измерений вертикального распределения концентрации озона в пограничном слое атмосферы. Проведены статистические расчеты, спектральный анализ рядов инструментальных наблюдений проводимых на TOR-станции за период с 1993 по 2011 г., что позволило разработать статистические модели прогноза приземной концентрации озона для различных временных масштабов.

Глава 1

Формирование вертикального распределения озона в пограничном слое

атмосферы

1.1 Источники озона

Формирование вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы (ПСА) определяется балансом источников и стоков. Основными источниками озона в ПСА являются: интрузия из стратосферы, фотохимическая генерация из газов-предшественников, горизонтальный перенос и образование его при молниевых разрядах [11]. Стоками озона в ПСА являются: фотолиз, взаимодействие с газовыми компонентами (озонолиз), взаимодействие с аэрозолем, сухое осаждение и вымывание осадками. Приведенные факторы определяют баланс озона в ПСА. Оценки баланса озона в свободной тропосфере и ПСА приведены в таблице 1.1, данные взяты из работы [12].

Таблица 1.1 Оценка вклада основных источников в баланс озона в ПСА (Тг/год)

Авторы Модель Стратос-ферно-тропосферный обмен Фотохимические составляющие Осаждение на поверхность Бюджет (Тг) Время жизни (дни) Исто чник

Образование Деструкция

Lelieveld and Dentener (2000) TM3 570 3310 3170 710 350 33 [13]

Beyet al. (2001) GEOS-Chem 470 4900 4300 1070 320 22 [14]

Sudo et al. (2002b) CHASER 593 4895 4498 990 322 25 [15]

Horowitz et al. (2003) MOZART-2 340 5260 4750 860 360 23 [16]

Von Kuhlmann et al. -2003 MATCH-MPIC 540 4560 4290 820 290 21 [17]

Shindell et al. (2003) GISS 417 - - 1470 349 - [18]

Hauglustaine et al. 2004 LMDz-INCA 523 4486 3918 1090 296 28 [19]

Park et al. (2004) UMD-CTM 480 - - 1290 340 - [20]

Rotman et al. (2004) IMPACT 660 - - 830 - - [21]

Wong et al. (2004) SUNY/UiO GCCM 600 - - 1100 376 - [22]

Stevenson et al.2004 STOCHEM 395 4980 4420 950 273 19 [23]

Wild et al. (2004) FRSGC/UCI 520 4090 3850 760 283 22 [24]

Folberth et al. (2006) LMDz-INCA 715 4436 3890 1261 303 28 [25]

Stevenson et al. -2006 25 models 520 ± 200 5060 ± 570 4560 ± 720 1010 ±220 340 ± 40 22 ± 2 [26]

Из данных приведенных таблице 1.1 следует, что усложнение моделей расчета не приводит к уменьшению неопределенности между составляющими баланса тропосферного озона. Поступление его из стратосферы составляет в среднем 10% от величины его фотохимической генерации, а величина осаждения на поверхность превышает величину поступления из стратосферы в среднем вдвое. Существующие оценки свидетельствуют о том, что основным источником озона в тропосфере является его фотохимическая генерация. Основным стоком также являются процессы фотодиссоциации, вторым по величине является осаждение на поверхность.

Распределение озона над территорией земного шара весьма неоднородно, это подтверждается рядом проведенных экспериментов и отражает, факт того, что на разных территориях преобладают разные факторы, влияющие на генерацию и сток озона. В фоновых районах основным источником озона являются процессы вертикального и горизонтально переноса, а в урбанизированных (загрязненных) -фотохимические процессы генерации озона [27]. Основная причина таких различий заключается в увеличении антропогенной нагрузки и увеличении концентрации газов-предшественников озона, таких как оксид углерода, углеводороды, метан, оксиды азота. Особенно это проявляется в больших городах при образовании фотохимического смога, с резким увеличением концентрации озона [28].

Сток озона также будет зависеть от района. В фоновых районах в основном будут преобладать процессы осаждения и вымывания осадками. В то же время для урбанизированных районов на первый план выйдут процессы озонолиза и разрушения озона на аэрозольных частицах.

1.2 Перенос озона из стратосферы

Длительное время считалось, что основным источником озона в тропосфере является его поступление из стратосферы. Оценки величины потока озона из стратосферы проводятся при помощи моделей разной степени сложности. Стратосфера является постоянно действующим источником озона, исследование ее характеристик важно как с фундаментальной точки зрения, так и с практической.

Генерация озона в стратосфере идет по циклу S. Chapman [1, 4]. Область основной генерации стратосферного озона расположена в верхней части тропической стратосферы, летом: 10° ю.ш. и 35° с.ш., зимой: между 38° ю.ш. и 12° с.ш. [29]. Основным механизмом поступления озона из экваториальной стратосферы является циркуляция Брюера-Добсона [3]. Циркуляция Брюера-Добсона состоит из трех основных частей. Первая часть это восходящее тропическое движение из тропосферы в стратосферу. Вторая - движение к полюсу в стратосфере. И третья часть, нисходящее движение в среднеширотной и высокоширотной стратосфере в обоих полушариях. Среднеширотный опускающийся воздух переносится обратно в тропосферу, а высокоширотный опускающийся воздух переносится в полярную нижнюю стратосферу, где и аккумулируется. Эта модель объясняет высокие концентрации озона в полярной стратосфере, при нахождении источника в тропиках [2, 30]. Циркуляция Брюера-Добсона, по одной из гипотез, контролируется торможением стратосферных волн. Возмущающие волны из тропосферы, попадая в стратосферу, диссипируют. При балансе термического ветра волны индуцируют движения направленные к полюсу и нисходящие движения в высокоширотной тропосфере [31]. Оценка параметров циркуляции Брюера-Добсона приведенная в работе [32] для восходящего потока составляет 0,4 см/с, для нисходящего - около 0,1 см/с.

Идея о турбулентном переносе озона из стратосферы в тропосферу,

высказанная ещё в 1941 г. V.H. Regener [33], показала свою несостоятельность.

Поскольку последующие исследования показали, что атмосфера в верхней части

тропосферы — нижней стратосферы является ламинарной, а турбулентные зоны

имеют небольшие размеры по горизонтали (сотни километров) и вертикали (сотни

метров) и возникают в областях больших сдвигов ветра [34, 35]. Поэтому при

наличии вертикального градиента озона должна наблюдаться молекулярная

диффузия в направлении градиента этой разницы. По мнению Хргиана [3] озон,

просочившейся через тропопаузу, затем должен уносится вниз, достигая ПСА где,

по средствам турбулентной диффузии, он должен опускаться ниже до приземного

слоя. Тогда распределение озона в атмосфере при отсутствии адвекции можно

11

описать уравнением:

д03 д

(1.1)

дг дг

где 03 - концентрация озона, О - коэффициент турбулентной диффузии; $ -мощность стока, выраженная г/(г с).

Перенос озона в складках тропопаузы был обнаружен еще в 60-х годах прошлого столетия по данным радиометрического анализа и обратным траекториям [36]. Суть этого явления заключается в том, что вокруг струйного течения имеется спиральная циркуляция, которая в своей нисходящей ветви, переносит из тропосферы в стратосферу водяной пар, аэрозоль и другие малые газовые составляющие воздуха [6, 37] . При этом направление переноса изменяется вдоль потока, что обеспечивает, как баланс количества движения, так и сохранение термобарических градиентов, определяющих существование самого струйного течения [38, 39].

1.3 Фотохимическая генерация озона из газов-предшественников в фоновых

Фотохимическая генерация озона из газов-предшественников является основным источником озона в тропосфере [40]. К газам-предшественникам озона относятся оксид углерода, метан, углеводороды и окислы азота. В чистых фоновых условиях генерация озона начинается с реакции фотолиза молекулы озона под действием ультрафиолетового излучения с длинной волны менее 320 нм [41]. Образовавшийся атомарный кислород затем вступает в реакцию с молекулой

водяного пара с образованием радикала ОН или взаимодействует с молекулой воздуха (преимущественно с молекулами азота), переходя в более низкое энергетическое состояние 0(3Р), затем взаимодействуя с молекулой кислорода, восстанавливается молекула озона (1.2)—(1.5):

условиях

(1.2)

0(1Э) + М ^ 0(3Р) + М (1.3)

0(10) + Н20 ^20Н (1.4)

0(3Р) + 02 + М^03 + М,М = М2,02 (1.5)

Только 10% 0( при нормальных условиях реагируют с водяным паром (1.6) с образованием гидроксила [41]. Частица 0( может вступать в реакцию с закисью азота, метаном и водородом (1.6)—(1.9), а также с молекулой С02 с последующим образованием молекулы озона по цепочке (1.10):

0(1й) + Н20 -+20Н (1.6)

Ы02 + 0(10)^2М0 (1.7)

СНА + СН3 + ОН (1.8)

Н2 + 0(10) ^ Н + ОН (1.9)

0( + С02 -> С03

С03 +МС02 + 0(3Р) +М (1.10)

02 + 0(3Р) + м о3 + м

При отсутствии углеродосодержащих соединений в атмосфере установилось бы фотохимическое равновесие между оксидами азота и озоном (1.11) [27]:

N0 + 03 N02 + 02 Ы02 + ¡IV N0 + 0(3Р) (1.11)

02 + 0( 3Р) + М 03 + М

Поскольку в воздухе присутствуют оксид углерода и прочие углеводороды, то фотохимическое равновесие нарушается. Основным действующим веществом становится гидроксил. Дальнейшая генерация озона зависит от концентрации радикала ОН, а также от концентрации ЫОх и углеводородов [42]. Образовавшийся радикал ОН начинает активно окислять присутствующие в воздухе углеводороды.

В зависимости от концентрации оксида азота окисление СО может пойти по

двум направлениям [43].

при концентрации N0 > 4 трлн-1

СО + ОН н + со2 н + о2 + м но2 + м

Н02 + N0 ^ ОН + N02 (1Л2)

W02 + hv + 0( 3Р) Я < 400 нм 02 + 0( 3Р) + М -> 03 + М СО + 202 -> С02 + 03

при концентрации N0 < 0.02 трлн-1

СО + ОН н + со2 Н + 02 + М Я02 + М (1.13)

Н02 + 03 ^ ОН + 202

со + о3^ со2 + 02

Генерация озона по первому циклу (1.12) приводит к увеличению концентрации озона от 10 до 20 млрд"1, второй цикл приводит к стоку озона. В диапазоне концентрации 0,02 < N0 < 4 механизмы окисление СО равновероятны. Важно отметить, что кроме озона также происходит сток радикалов ОН и Н02 [44].

Особенностью циклов (1.12), (1.13) является то, что они могут проходить только при наличии радикала Н02, который может формироваться в присутствии углеводородов по следующей цепочке реакций (1.14) [44]:

СО + ОН -> Н + С02 Н + 02 + М Н02 + М

Н02+Н02^ Н202 + 02 (1.14)

Н202 + hv 2ОН, Я < 350нм

2СО + 02 2С02

Присутствующий в воздухе радикал Н02 приводит к образованию радикала Н202 в результате, чего происходит сток радикалов Н02 по следующей схеме (1.15).

Н02 + Н02 Н202 + 02

Н202 + 0Н -> Н02 + Н20 (1.15)

ОН + Н02 -> Н20 + 02

Образовавшийся озон активно начинает вступать в реакцию с веществами находящимися в воздухе, особенно это касается окислов азота. В зависимости от времени суток цепочки реакций будут следующие [5]:

Днем

N0 + 03->N02 (1.16)

Ы02 + ОН + М НЫ03 + М

В дневное время идет дополнительное образование молекулы Ы02, которая

может быть подвержена фотолизу или вступить в реакцию с радикалом ОН, что

приведет к стоку радикала ОН молекул озона и Ы02.

Ночью

Ы0 + 03->М02 (1.17)

Ы03 + Ы02 + М Ы20Б + М

В ночное время наблюдается сток озона на оксиде азоте с образованием Ы02,

который затем переводится в менее активный оксид азота Ы2 05.

Кроме оксида углерода в воздухе постоянно присутствует широкий спектр

углеводородов естественного и антропогенного происхождения. Присутствующий в

воздухе гидроксил также вступает с ними в реакцию. В качестве примера приведем

схему окисления метана, в зависимости от концентрации оксида азота схема может

ветвиться (1.18)—(1.20) [43].

1. N0-1 млрд'1 СН4 + ОН -> СН3 + Н20 СН3 + 03+ М -> СН302 + М СН302 4- N0 СН30 + N02

СН30 + 02 ^СН20 + Н02 (1 18)

Н02 + N0 ОН 4- N0-2 N02 + ¡IV ^ N0 + 0( 3Р) Л < 400 нм 02 + 0(3Р) + М 03+ М СН4 + 402 СН20 + Н20 + 203

2 .N0 > А трлн'1 СЯ4 + ОН СН3 + Н20 СН3 + 03 + М -> СН302 + М

СН302 +Н02^> СН302Н+ 02 (1.19)

СН302Н + /IV СН30 + 0Н Л< 330 нм

сн3о + о2^ сн2о + но2 снА + о2 сн2о + Н20

3.N0 < 0.02 трлн'1 СН4 + ОН -> СН3 + Н20 СН3 + 03 + М-*СН302 + М СН302 + Н02 СН302Н + 02

сн3о2н + он СЯ20 + Н20 + он

СЯ4 + ОН + Н02 -» СН20 + 2Я20

При протекании реакции по цепочке (1.18) важной особенностью является образование, кроме двух молекул озона, молекул ОН и Н02,Ы0,Ы02 как катализаторов для дальнейших циклов.

Переключение на цикл реакций (1.19) происходит при довольно низкой концентрации оксида азота (N0 > 4 трлн-1). При окислении метана по этому механизму образуется токсичное вещество формальдегид.

В случае протекания реакции окисления метана по цепочки (1.20) при очень низком содержании оксида азота (/VО < 0.02 трлн'1), происходит расходование радикалов ОН и Н02 , что в итоге приводит к прекращению фотохимических реакций.

При наличии ультрафиолетового излучения сток озона по механизму (1.20) может прерваться из-за фотолиза образовавшегося формальдегида, этот процесс также может ветвиться (1.21) - (1.23):

СН20 + Н + СНО, Л < 350 нм

Н + 02 + М -> Н02 + М СНО + 02^С0 + 2 Н02

(1.21)

СН20 + 02 ~* СО + 2Н02

СН20 + ОН СНО + Н20 СНО + 02 -> СО + Н02 (1.22)

СН20 + ОН + о2-> со + Н20 + но2

СН20 + ку -> СО + Н2, Л < 350 нм (1.23)

В результате фотолиза формальдегида, вне зависимости от пути прохождения, образуется радикал ОН и молекула СО, которые затем вступают в циклы генерации озона. При полном окислении метана может образоваться до 5 молекул озона. Для более сложных газов выход озона может быть и больше. В качестве примера приведем две реакции окисления этана и этилена с большим выходом молекул озона

16

С2Н6 + 1402 2С02 + 3Н20 + 103 С2Н4 + 1202 2С02 + 2Н20 + 603

(1.24)

Видно, что при окислении 1 молекулы С2Н6 может образовываться 7 молекул озона, а из С2Н4 - 6 молекул.

1.4 Фотохимическая генерация озона из газов предшественников в

Образование озона в антропогенно-загрязненных районах, отягощенных выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, идет по схеме схожей с генерацией озона в фоновых районах. При этом следует отметить, что в урбанизированных районах имеются источники N0 и СО, а также значительное количество углеводородов, образующихся при неполном сгорании топлива, что приводит к нарушению цепочки реакций отвечающей за прекращение генерации озона по циклу (1.16) [28]. В результате в загрязненных городах под действием солнечного излучения наблюдается особый вид загрязнения, получивший название «фотохимический смог», который представляет собой смесь густого тумана с примесью диоксида серы и частиц сажи. Впервые, он был зафиксирован в Лос-Анжелесе в 1944 г.

Основной цикл образования озона в смоговых ситуациях идет по схеме представленной в работе [40]:

Увеличение только концентрации оксидов азота не достаточно для обеспечения высоких концентраций озона. Поскольку при увеличении концентрации окислов азота цепь генерации озона прерывается по реакции (1.16).

В присутствии углеводородов и других легколетучих органических соединений радикал ОН активно вступает с ними в реакцию, что приводит к образованию свободных радикалов. Сток гидроксила по реакции (1.16) уменьшается, приводя к увеличению скорости генерации озона. Общая схема

загрязненных условиях

Л/02 + /IV N0 + 0( 3Р)

0( 3Р) + 02 03 N0 + 03~* Ы02 + 02

(1.25)

окисления углеводородов выглядит следующим образом [27]:

ЯЯ + ОН Я + Н20 К + 03 + М Я02 + м Я02 + N0 -> ДО + ЛШ2 ДО + 02 ЯСНО + Н02

Н02 + N0 ОН + Л/02 (1.26)

2 (ЛШ2 + /IV N0 + 0( 3Р)) Я < 400 нл*

2(02 + 0(3Р) + М-*03 + М)

ДЯ + 402 + 2/п/ -> ЯСНО + 2Н20 + 203

Из представленной цепочки реакций окисления углеводородов следует, что

для поддержания цикла необходимо восстанавливать израсходованные радикалы

ОН . Восстановление концентрации радикалов ОН возможно за счет фотолиза

формальдегида по следующему механизму [27]:

СН20 + /IV Н + СНО Н + 02 + М Н02 + М

СНО + 02СО+ 2Н02 (1,27)

СН70 + 2Оп -> СО + 3НО,

12кУ -Г L.KJ2 ^KJ "Г Jii 1У2

Образовавшийся радикал Н02 вступает в реакцию с N0 (1.28) в результате, которой образуется радикал ОН , а последующее окисление СО дает ещё одну молекулу озона:

Н02 + N0 N02 + 0H (1.28)

Важно отметить, что углеводороды также оказывают влияние на скорость конверсии NO N02 . В качестве примера приведем окисление молекулы пропилена, приводящее к образованию 4 молекул N02 [45].

С3Н6 + 402 + 4N0 СНСН = 0 + 4N02 + С02 + Н20 (1.29)

Поскольку основными предшественниками озона в загрязненных условиях

являются углеводороды, скорость накопления озона можно представить в виде [46]:

d[03] k[N0x + R02] dt [N0][R02] C }

Скорость накопления озона будет зависеть от соотношения начальных

концентраций органических соединений и оксидов азота. При малой величине этого

18

отношения озон не будет накапливаться т.к. скорости конверсии N0 в Ы02 мала и будет доминировать реакция стока озона (1.31).

N0 + 03 -> Ы02 + 02 (1.31)

С другой стороны при высоком отношении (1.30) озон также не будет накапливаться из-за доминирования реакции диоксида азота с органическими радикалами с образованием пероксиацетилнитратов (ПАН) или реакций озонолиза углеводородов:

ЯО + М02 ПАН 03 + /?Н продукты ^ ' '

Выхлопные газы автомобилей с двигателем внутреннего сгорания содержат широкий спектр углеводородных соединений. Большую часть их составляют алканы, алкены и ароматические углеводороды. Для понимания важности углеводородов в формировании озона приведем таблицу потенциала формирования озона. Данные приведенные в таблице 1.2 [47] наглядно показывают, что основной вклад в формирование озона в загрязненных условиях вносят газы предшественники: СО, алканы и алкены и ароматические углеводороды.

Таблица 1.2 Потенциал формирования озона из разных углеводородов и СО

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Антохин, Павел Николаевич, 2015 год

/ - о\

у V 0,0 \

2 ч

/ - -0.2 \

- -0.4

1 ■ 1 ' 1 ' I ■ 1 ' 1 ■ 1 ' - -0.6 ■ 1 1 1 ■ 1 ■ 1

-175 -150 -125 -100 -75 -50 -25

т, дни

0 25 50 75 100

Рисунок 3.4 График кросскорреляционной г (г) функции между ОСО и ПКО.

С целью более досконального исследования величины сдвига был применён спектральный анализ Фурье. Прямое и обратное преобразование Фурье представлено формулами (3.1) - (3.2). Подробное описание метода и формулы для расчета коэффициентов приведены в [90].

Íoo -оо

00

= у + со<2п^ + ЬК ^(27^0)

(3.1)

(3.2)

к=1

Существует много видов записи ряда Фурье их можно найти [90]. Для практических целей удобно использовать запись ряда Фурье в комплексном виде.

^ = \Ак\е-1** (3.3)

где

\Ак\ = ^У^Ть|-амплитудный спектр (3-4)

Qk = atan (—) - фазовый спектр (3.5)

Понятия амплитудного и фазового спектра являются ключевыми при анализе процессов. Амплитудный спектр показывает, на каких частотах сконцентрирована основная дисперсия процесса, анализ позволяет определить, какой характер носит процесс: низкочастотный или высокочастотный. Фазовый спектр показывает начальные фазы гармоник, на которые разложен сигнал [91]. На рисунке 3.5 приведены амплитудные и фазовые спектры Фурье преобразования ОСО и ПКО.

Период, годы

Период, годы

Рисунок 3.5 Фурье спектр ОСО и ПКО.

Амплитудный спектр, приведенный на рисунке, показал наличие в обоих рядах гармонической составляющей с периодом 1 год (12 месяцев). Фазовый спектр указывает, что начальные фазы колебания с периодом 1 год отличаются. На

практике очень большое внимание уделяют исследованиям амплитудного спектра, поскольку его интерпретация довольно проста и очевидна. Фазовый спектр имеет менее очевидную структуру, он менее нагляден и сложен в интерпретации. В работах посвященных спектральному анализу отмечено, что имея только фазовый спектр можно довольно точно восстановить сигнал, чего нельзя сделать, имея только амплитудный спектр [90].

При существовании корреляции между двумя рядами данных, возникает вопрос, обусловлена ли она корреляцией между компонентами высокой или низкой частоты. Для ответа на этот вопрос проводят вычисление взаимного спектра, используя формулу [ 102]:

= (3«)

где

(/")*- комплексно сопряженный спектр процесса Х(1:) 5у(/)- спектр процесса У(£) Т - период

Поскольку взаимный спектр является комплексной величиной то, его можно записать в виде:

$ху(П = Лху(Пев^ (3.7)

АХу{/) =-^-совместный выборочный амплитудный спектр

®ху(/) — ®х(/) — ®у(/)- совместный выборочный фазовый спектр Выборочный взаимный амплитудный спектр Аху(/) показывает, насколько

велики в двух рядах амплитуды соответствующих компонент на некоторой частоте. Выборочный фазовый спектр ®ху(/) показывает, запаздывает или опережает частотная компонента одного ряда компоненту другого ряда на той же частоте. Амплитудный спектр Аху (/) является неотрицательной четной функцией, а0^(/) - нечетной функций частоты [102].

Поскольку спектр является комплексной величиной, на практике применяется еще одна запись совместного спектра, которая разделяет его на реальную и мнимую части. Реальную часть спектра называют коспектром, а мнимую квадратурной.

Sxyd) = Coxy(0 - iQxy(f) (3.8)

Coxy(0 = AXy(D cos (0*3, (Я) (3.9)

Qxy(f) = -Axyíñ sin (Qxy(0) (3.10)

Коспектр Coxy(f) является мерой вклада колебаний различных частот в общую взаимную ковариацию между двумя рядами с нулевым запаздыванием. Квадратурный спектр Qxy(f) измеряет вклад различных гармоник в суммарную ковариацию ряда, полученного, когда все гармоники одного ряда сдвинуты на четверть периода назад, а другой ряд остался неизменным. Значение квадратурного спектра состоит в том, что отношение его к коспектру является мерой относительной фазы гармоник рядов [102]. Взаимный спектр, вычисленный для временных рядов ОСО и ПКО, представлен на рисунке 3.6.

Период, годы

0 12 3

Период, годы

Рисунок 3.6 Взаимный спектр Фурье для ОСО и ПКО.

Совместный амплитудный спектр, приведенный на рисунке, показал наличие одной общей гармонической составляющей в рядах ОСО и ПКО с периодом 1 год. Взаимный фазовый спектр указал, что величина разности начальных фаз составила 60 градусов.

Величина связи между рядами в частотной области измеряется при помощи когерентности Нк(/) [102]. Когерентность может изменяться от 0 до 1 и аналогична квадрату коэффициента корреляции, но в отличие от него зависит от частоты. Используя совместный выборочный фазовый спектр можно рассчитать величину временного сдвига т(/) для каждой гармоники спектра [89]:

Спектр когерентности временных рядов ОСО и ПКО приведен на рисунке 3.7

(3.11)

(3.12)

Период, годы

О

1

2

3

-2

4

2

0.8

0.6

В °-4

и

X

0.2

0.0

0

1

2

3

1/Т, годы

Рисунок 3.7 Спектр когерентности (Нк(0) Фурье и временной сдвиг (т(0) для ОСО

и ПКО.

59

Спектр когерентности, приведенный на рисунке, показал максимальную величину когерентности 0.8 на периоде 1 год. Совместный фазовый спектр выявил разность фаз между процессами 1.9 месяца на периоде колебаний 12 месяцев, то есть ход ОСО опережает ПКО на величину около 2 месяцев. Расчеты совместного спектра и спектра когерентности Фурье были проведены по среднемесячным значениям ОСО и ПКО (длина ряда составила 255 пар, за период с 1989 по 2010 гг.).

Преобразование Фурье предполагает, что фаза во времени между процессами не изменяется. При наличии модуляции временного хода ОСО и ПКО преобразование Фурье показывает усредненную величину для всего периода. Поэтому для исследования поведения временного сдвига между ОСО и ПКО для периода колебаний 12 месяцев воспользуемся кросс-вейвлет анализом.

Вейвлет-преобразование одномерного случайного сигнала состоит в его разложении по базису, сконструированному из обладающей определенными свойствами, солитоноподобной функции (вейвлета) посредствам масштабных изменений и переносов [92, 103]. Каждая из функций этого базиса характеризует как определенную пространственную (временную) частоту, так и её локализацию в физическом пространстве (времени). Вейвлет-преобразование - это представление сигнала в виде обобщенного ряда или интеграла Фурье по системе базисных функций [92].

где Ч^-материнский вейвлет, а — временной масштаб, Ь — сдвиг во времени Малые значения а соответствуют мелкому масштабу Ч7^ или высоким

растяжению материнского вейвлета Ч/(0 и сжатию его спектра. Следовательно, в частотной области спектры вейвлетов похожи на всплески с пиком на частоте а>0 и полосой Ао), т.е. представляют полосовой фильтр [92]. С увеличением параметра а параметры а>0 и Аш уменьшаются. Как следствие вейвлеты локализованы, как во временной так и в частотной областях [104].

(3.13)

частотам

большие параметры а соответствуют крупному масштабу, Ч^ т.е.

В работе был использован комплексный вейвлет Морле, который позволяет анализировать не только амплитуду, но и фазу процесса, что является очень полезным свойством [92].

Ч'моньеЮ = ^ еТ" (3-14)

По аналогии с Фурье-преобразованием, прямое и обратное непрерывное вейвлет-преобразование можно получить, используя следующие формулы:

Игг{а,Ь) = (/(0,^(0) = —] (3.16)

ад =тН И^(а,Ь)Ч'а|ь(0—5- (3.17)

Ьф ^-00 ./-00 "

где:

Сц; = ОЧ'МРМ"1 dш (а) < оо)-нормализующий коэффициент

Ч'(аз)- Фурье-преобразование вейвлета Ч*^)

При анализе комплексного одномерного сигнала или при использовании комплексного анализирующего вейвлета в результате вейвлет-преобразования получаются двумерные массивы значений модуля и коэффициентов фазы. В работе [92] показано, что амплитудный и фазовый вейвлет-спектр с материнской функцией Морле оцениваются так, же как спектры Фурье.

IУ(а,Ь) = |И/Да, Ь) \ ехр(£Ф(а, Ь)) (3.18)

При проведении анализа амплитудного спектра вейвлет-преобразования, можно получить информацию о параметрах периодических колебаний, которые присутствуют в сигнале, определить моменты их появления, длительность существования и интенсивность, с которой они проявляются. Поскольку вейвлет-преобразование, в отличие от Фурье преобразования, представляет сигнал в виде набора колебаний, которые существуют в сигнале не на всем его протяжении, необходимо с большой осторожностью относится к коротко перекидным колебаниям, которые проявляются в амплитудном спектре вейвлет-преобразования. Так как сложно определить природу их появления, связанно это с физическим явлением, происходившим в данный момент времени или вызвано ошибками

измерений. Данная проблема является ключевой при анализе спектров вейвлет-преобразования [92].

По аналогии с кросс-спектральным преобразованием Фурье можно записать кросс-спектральное Вейвлет преобразование с использованием в качестве материнского вейвлет Морле [105]. Согласно [103] вейвлет-когерентность У\/СО двух временных рядов ^(^и определяется следующей формулой:

где:

1УС5(а, Ь) = Ь)\¥у(а, Ь)*)- вейвлет кросс-спектр,

1Ух(а, Ь), Ь) - вейвлет спектры временных рядов Х(1) и соответственно,*- знак комплексного сопряжения,

Поскольку вейвлет когерентность (1УСО) является комплексной величиной то

её можно представить в виде разложения по амплитуде и фазе [103]:

где:

|14^С5(а, Ь)|- амплитудный спектр вейвлет-когерентности,

Ф(а, Ь)-фазовый спектр вейвлет-когерентности.

Используя метод кросс-вейвлет анализа, можно более детально исследовать внутреннюю структуру временных рядов. А именно, определить в каком интервале времени в рядах наблюдений появляются гармонические процессы, определить их длительность, интенсивность, наличие или отсутствие величины временного сдвига между ними. Методика, примененная в работе [106] позволяет получить информативную картину поведения гармонических составляющих, за счет того, что на совместный амплитудный спектр и спектр вейвлет когерентности наносят значения разности фаз, для определенного момента времени и величины периода. Это позволяет определить наличие модуляции, которая может присутствовать в гармонических составляющих в совместном спектре.

Оценка значимости максимумов в совместных спектрах вейвлет преобразования состоит в сопоставлении пиков полученных на спектрах со

]№С0(а,Ь) =

\WCSi_a, Ь)|

(3.20)

ШСО(а, Ь) = |И/С5(а,Ь)|е1ф(а'ь)

(3.22)

спектром «белого» или «красного шума» (красный шум - вид сигнала, спектральная плотность которого уменьшается пропорционально квадрату частоты, т.е. на низких частотах шум имеет больше энергии, чем на высоких) [103] отдельно для каждого временного масштаба применяя следующую формулу

2 >?РкхК 0-95) (3-24)

о^ I

где Ь)\2 - значение совместного амплитудного спектра Вейвлет

преобразования для временного масштаба а

о2- дисперсия исходного временного ряда

Рк— средний уровень спектральной плотности «белого шума» или «красного шума»

Ху(0,95) — квантиль распределения х2 на уровне 0,95 с V степенями для комплексных материнских вейвлетов V = 2

Если равенство справедливо, то максимум спектральной плотности является значимым на уровне 0.95. На практике для оценки значимости максимумов вейвлет спектров используют средние значения «красного шума».

Оценка параметров совместного фазового спектра вейвлет преобразования является очень сложной задачей и не всегда однозначной. Поэтому, для оценки фазового спектра можно применить следующий подход. Сначала вычисляется совместный фазовый вейвлет спектр и выбирается интересующий временной масштаб, затем получаем оценку рассогласования рядов на выбранном временном масштабе. Следующим шагом является сдвиг рядов для удаления рассогласования и вычисление совместного амплитудного и фазового вейвлет спектра, в результате получается близкий к нулю фазовый сдвиг, затем, проведя оценку амплитудного спектра можно поучить оценку значимости временного сдвига, подобный подход был применен в работе [107].

Результаты показаны на рисунке 3.8, на котором представлен спектр вейвлет-когерентности ГЖО и ОСО, а также стрелочками показана величина временного сдвига.

1990 1992 1994

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Годы

2010

•0.6

10.4

10.2

Рисунок 3.8 Спектр вейвлет-когерентности ГЖО и ОСО.

На рисунке 3.8 четко выделяется группа периодов 8-16 месяцев, которая соответствует годовому ходу (стрелочками на рисунке показана разность фаз, если стрелки направлены вправо, то разность фаз равна 0, вверх - 90°, влево - 180°, вниз -270°). Она является статистически значимой на всем периоде рассмотрения. В данной полосе периодов стрелки направлены слева направо и имеют подъем вверх. Это говорит, что колебания ОСО и ПКО проходят в фазе, но имеют фазовый сдвиг. Начиная с 1995 года, происходит постепенное увеличение фазового сдвига, в 1999 году наблюдается максимум и затем начинается спад и в 2002 г. сдвиг принимает значение приблизительно равное тому, которое было в 1995 г. Для более детального исследования поведения временного сдвига, рассмотрим график изменения совместной фазы ОСО и ПКО, для периода в один год (рис. 3.9), знак минус показывает, что ход приземной концентрации озона отстает от хода общего содержания озона.

л =г ж и

г

-0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2 -1.4 Н -1.6 -1.8 --2.0 --2.2 -2.4 -2.6

1987

1991

1995

1999 Годы

2003

2007

2011

Рисунок 3.9 Изменение фазы кросс-вейвлет спектра (т) для периода 12 месяцев.

На рисунке 3.9 показано, что величина запаздывания изменения приземной концентрации озона по отношению к ходу общего содержания озона может изменяться от 0,6 до 2,4 месяца в разные годы. Максимальная величина временного сдвига составила 2,4 месяца в 1998 году, а минимальная величина 0.6 месяца наблюдалась в 1990 и 2007 году. Средняя величина временного сдвига составляет 1.4 месяца (около 42 дней).

Следовательно, если средняя высота озонопаузы составляет 10-11 км. [108, 109], то средняя скорость переноса озона стратосферного происхождения в приземный слой атмосферы будет изменяться от 0,64-0,71 до 0,16-0,18 см/с. Полученная оценка чуть шире, чем это отмечено в [32] 0,1-0,4 см/с. Она также попадает в диапазон скоростей осаждения озона на подстилающую поверхность, составляющего 0,01-1,0 см/с [110]. Таким образом, даже при отсутствии фотохимической генерации озона в тропосфере его баланс в целом не нарушится.

Обнаруженные закономерности, позволяют предположить наличие связи высоты озонопаузы и приземной концентрации озона. Поскольку в регионе нет станций озонозондирования, попробуем воспользоваться близостью и взаимосвязью

высоты тропопаузы и озонопаузы [98, 99]. Для анализа высоты тропопаузы взяты данные радиозондирования с сайта (http://weather.uwyo.edu), для двух ближайших к Томску пунктов аэрологических наблюдений Колпашево и Новосибирск, результаты расчетов представлены на рисунке 3.10.

10500 -

10400

10300 -

10200 -

10100 -

10000 -

— Высота тропопаузы (Новосибирск) — Временной сдвиг

-0.4

-0.6

-0.8

-1.0

-1.2 3 ^

я

-1.4 и и

-1.6

-1.8

-2.0

-2.2

-2.4

-2.6

1990

1995

2000 Годы

2005

2010

Рисунок 3.10 Среднегодовые значений высоты тропопаузы (Н) над Новосибирском и величина временного сдвига (г) между ОСО и ГЖО.

На рисунке 3.10 приведено сравнение среднегодовых значений высоты тропопаузы (Новосибирск) и временного сдвига между приземной концентрацией озона и его общим содержанием. Видно, что при увеличении высоты тропопаузы происходит уменьшение временного сдвига, а при уменьшении наоборот. Коэффициент корреляции между ними составляет 0,42 и является значимым на уровне 0,99. Различия между кривыми в многолетнем ходе ярко выражены в 1995 и 1997 годах, что требует дополнительного исследования.

Это, на первый взгляд, парадоксальный результат. Так как казалось бы, чем ниже тропо- и озонопаузы, тем быстрее стратосферный озон достигнет приземного слоя воздуха при его опускании. Однако, если вспомнить, что тропопауза выше над

антициклоном и ниже над циклоном [108, 109], то все становится на свои места. В антициклоне, как известно [109], наблюдаются нисходящие движения, скорость которых составляет несколько см/с, в циклоне, наоборот, восходящие движения, более интенсивные, чем в антициклоне. Следовательно, при высокой тропопаузе, в антициклонических условиях его нисходящие движения сложатся с опускающейся ветвью циркуляции Брюера-Добсона. При низкой тропопаузе, в циклонических условиях, произойдет вычитание его восходящих движений и опускающейся ветви циркуляции Брюера-Добсона. Это приведет к увеличению срока поступления стратосферного озона в приземный слой воздуха, а при интенсивных восходящих движениях и к экранированию этого поступления.

В результате проведенной работы можно сделать вывод, что в районе Томска проявляются оба механизма управления стратосферным озоном его приземной концентрацией. При этом управление через ультрафиолетовый поток определяет амплитудную модуляцию, а перенос из стратосферы в тропосферу - временную. Но существует еще один важнейший вопрос, также связанный с аспектом поступления стратосферного озона: может ли перенос озона из стратосферы отвечать за внутрисуточную динамику вертикального распределения озона в пограничном слое? Ответ на этот вопрос также получен в работе и подробно изложен в следующей главе.

3.2 Вертикальное распределение озона в пограничном слое атмосферы в разное

время суток

Исследования, проведенные на самолете Ан-2, позволили подробнее изучить структуру вертикального распределения озона в пограничном слое атмосферы в основные сезоны года. Измерения с борта самолета проводились с 2011 по 2013 год. За это время было проведено 10 измерительных компаний и ряд разовых вылетов. Методика проведения суточных измерительных компаний была приведена во второй главе, здесь остановимся на полученных результатах. Все вертикальные профили концентрации озона полученные при самолетном зондировании, которые будут приводится ниже на рисунках, приведены к нормальным условиям (0°С и

1013,25 гПа). Результаты экспериментов выполненных в 2011 году приведены на рисунках 3.11 - 3.14, а данные полученные в ходе компаний 2012 и 2013 годов обобщены в Приложении 1. Подробное описание выполненных экспериментов приведено в работе [111], здесь приведем краткое описание проведенных измерительных компаний.

Первая измерительная компания состоялась 30.03.2011 г., полученные профили вертикального распределения озона приведены на рисунке 3.11. Все четыре вылета были проведены в условиях устойчивого антициклона, поэтому суточная динамика вертикального распределения озона была ярко выражена.

2000-

1500-

^

я н

I 1000-

А

са

5000 —|-»-1-■-1-'-1-■-1->-1-1

40 60 80 100 120 140

Оз, мкг/м"'

Рисунок 3.11 Вертикальные профили концентрации озона (Оз) за 30.03.2011 г.

Рисунок 3.11 иллюстрирует, что на высотах более 1500 м суточный ход

концентрации озона практически отсутствует. По мере приближения к поверхности

земли амплитуда суточного хода увеличивается и максимальной величины

достигает в приземном слое. Максимум концентрации озона наблюдался в районе

68

Дата: 30.03.2011

полудня ближе к 13:00 по местному времени, когда фотохимическое образование озона максимально. На графике показан хорошо известный из аэроклиматологии факт, что максимум концентраций на высотах должен запаздывать по отношению к наблюдениям в приземном слое воздуха на 2-3 часа.

Вторая измерительная компания состоялась 30 июня 2011 года. Она проходила в условиях малоградиентного поля повышенного давления. Вертикальные профили озона, полученные в ходе её проведения, представлены на рисунке 3.12.

3000-

2500-

2000-

я

о 1500 -

о 09

1000-1

500

20

—г-30

3.

4.

• т

Дата:30.06.2011 Время взлета:

-▼-21:00 -А- 15:30 -•-12:30

I

40

-т-50

60

70

О^ мкг/м~

Рисунок 3.12 Вертикальные профили концентрации озона (03) за 30.06.2011 г.

Прежде чем анализировать полученные вертикальные распределения

оговоримся, что не всегда, даже при очень хорошей подготовке, эксперимент

проходит успешно. В данном случае, в первом утреннем полете вышел из строя

озонометр. Поэтому, на рисунке 3.12 утренний вертикальный профиль отсутствует.

69

Этот рисунок, также как и рисунок 3.11, показывает заметный суточный ход концентрации озона в ПСА.

Третий эксперимент был проведен 16 сентября 2011 года. Он осуществлялся в антициклонических условиях, на западной периферии обширного антициклона. Полученные вертикальные профили приведены на рисунке 3.13.

Оз, мкг/м

Рисунок 3.13 Вертикальные профили концентрации озона (03) за 16.09.2011 г.

На рисунке 3.13 показано, что фотохимическая генерация озона проявилась вблизи полудня в пограничном слое под приподнятой инверсией, и была достаточно интенсивной в приземном слое воздуха после разрушения утренней инверсии.

Эксперимент с зафиксированным минимумом концентрации озона в годовом ходе был проведен 14 декабря 2011 года. Результаты измерений приведены на рисунке 3.14. Синоптическая обстановка в этот день определялась обширным

антициклоном с достаточно низкими температурами воздуха и мощной приземной инверсией.

Оз, мкг/м

Рисунок 3.14 Вертикальные профили концентрации озона (Оз) за 14.12.2011 г.

На рисунке 3.14 показано, что в зимнее время года концентрации озона не выявляют значимого суточного хода в пограничном слое атмосферы, хотя температура воздуха в приземном слое изменилась весьма значительно от -26 до -19°С. Изменения концентраций выше пограничного слоя незначительны и находятся в коридоре погрешностей прибора.

Пятая измерительная компания была проведена 29.03.2012, результаты измерений приведены в приложении 1.1. Во время проведения эксперимента район зондирования находился под влиянием передней части циклона, в теплом секторе, наблюдалась переменная облачность. Данные приведенные в таблице

свидетельствуют о генерации озона в пограничном слое.

71

Следующая компания, проводилась 24.08.2012, данные полученные в ходе эксперимента приведены в приложении 1.2. Полеты проходили в условиях антициклона. Барическое поле было размыто. Прохождение атмосферных фронтов зафиксировано не было. Скорость ветра у поверхности земли была менее 5 м/с.

Седьмая измерительная компания была проведена 03.02.2013, результаты измерений собраны в приложении Приложение 1.3. Район проведения исследований находился в юго-восточной части антициклона. Погода была ясная. Скорость ветра у поверхности земли была менее 5 м/с. Восьмая измерительная компания была выполнена 03.04.2013. Данные измерений представлены в приложении 1.4. Синоптическая обстановка была антициклоническая. Над районом измерений располагалась северная часть антициклона. Небо было ясное. Скорость ветра у земли была не более 2.5 м/с.

Девятая измерительная компания была проведена 8 августа 2013 года. Результаты измерений приведены в приложении 1.5. Синоптические условия были циклонические. Над районом проведения эксперимента располагалась северовосточная часть циклона. Наблюдалась переменная облачность. Скорость ветра у земли составляла 2.5 м/с.

Десятая измерительная компания была проведена 20 октября 2013. Данные полученные в ходе эксперимента собраны в приложении 1.6. Синоптическая обстановка была антициклоническая. Наблюдалось переменная облачность. Было зафиксировано прохождение теплого фронта. Скорость ветра у земли составляла 5 м/с.

В качестве примера величины генерации озона в пограничном слое атмосферы рассмотрим результаты самолетного зондирования проведенного 30 апреля 2011 года. Синоптическая обстановка во время проведения эксперимента была антициклоническая, что хорошо видно на синоптических картах приведенных на рисунке 3.15 для 9 и 21 часов местного времени.

# 9

¡¿1063 )/

,•-01 у//

3^2 е! -27*108 -"98'*-08\ -1120,

*-10\

-7137? 1 ; > .21-^ 1 ^-35^202

-ЗОЛЭби■¿г Ч, _ _98-008/—~-23'228

88 0 >-13183 "^99-0^5 . -15634

-108 0 ^ \ ' N

V

М ГпЛа^ \ -15 308

° ^-24'161

03-296_

45215 -125 0 N^9 0-074

3-20*312 1\

99О06Л -125 *

23\-

Г I / -38^330 -58*304/98 0-15\ 98 *-16\ -105 2 -37-369! - -115/0

-371302 )8 0-24\ -941\ -49ДО1

^аш-т

-97. '

-Ч4\ ^6>292

/

25 274 37 О05/

-31

N

У я ,98Х>-02'\

• Ч £140

-•гУж1 —о3-31

98 0-15\ -12 3301

98 0-18\х Э8 0-19\' Ю2 \ \ -120

ч I \

-38 324 98Ъ-12\-, -83 1рчл -60 316

:-12235*7

- " \ /Л \

_06.353^/ \

\ -05"357\ \99-»-06 --10235 V«.

-1Л 1В0 .

\ -60 204'994.в20/.16*186

Т^а1-4!: 131 18/ Ч -9^«12/

-1.51&Э+ б -124^4 -\-139S5v

Ч 45 \

,1Н 7ДЙ /„' ■

—99*908/^~05'264

-148В5 >-98-®овл

5.-V-'-10436 04*260

' \ ^5._99-®04/

—О,-;,^ -9235 V 04358 в '—99^»05/ \ Д -112^5

01 342 >-04-355 ____

98гО-11'\ 99 О-ОЗ V -9536 Ш'"* -11835, 5

V 5 К

04 388 "01390 97Ф-09Л 99,»-10Л ^

.112^1 Н®-6 " ""

------- -,6Ь-46М16^

97 О-04\пОВОСИбф(дд ¡¡11 зд?

-88 < -03 369 -122! Чпп'ЧчЧ? , 98 0-17ЛЛ-23 38?)-109-4ч30^77 '-139 / 99Э-21\Х7В , Г-^-Ч

-120\

69*11 99.*-3' 124 0

-Ч

дд.#-09\

-65

ГЧ1

-241*314 '(003/

, -10 374 I 98"®-04\ -123А6 'V,

у5Ч 03йЫ|

99'®-09\

Ч^,

-51М276

44'104 , .99 0-15V -6637 ¡х

- /5 -52 ¿УЖЯ 33,// -111^2, /

Ч*- (

169^114 |90'096 ,99-»-С|3\ дд«».14\ \ \-£434 .400% Ч 5 | 102-08!

; „99чО-2 -52ч0^

57 282^

99"9Ж™Ч > 97 254 99 ^

/

46 260 -98-0-12\ 24"

'-70

10"

98 @

/ ~ I3"-

..' ¡168 191

123 171 101 м215--^80*0-15\

"^9.0-077 ОчГ—25 XXX

71А1 33£>27 ; 9ч\-65-»-06\

х- 5— ; Х-45-г=

7 п.п 1Л I — V

44)197 / /

'99*11/4158 107 30 38 / 99,Э-20^ 6 у/-Л;133^

дд э-20\-'

-54 С д .

174*113 \ 98Ф*-27 ^-82 09-

160 167 М»-23 -169 0

/С1 _

147 1 80 О-144 0 9

'Х-136 018 I 93=

-53^038 а7'в-06\ 6—*-04\*103 IV 63—

, 97*0>СМГ1

. , , ___56*167

-113 5x^-47 172 Ж

146 0>- ( 1 - "о< -34 239

^-34219

^15Г-136 7 99 а-13\/7а

И 53 0/

ООО ^157 1291 ,-87 318

1!Г99 0017-—"""

/ V I ^.-¿5 346 ^49 322 1 -74 330 84«304/ 98 0-06л, .30 ^¡¡¿Лно

\ -18,1 75 347 У-8Ч63 >70 3^0 "Ш^вз^ОЗЛ

98''&12\ *,,9/Ч129 365 -1 13 -172 371 Д 98 @-08\~

111 -324 ¿^ _ _970-08\—.,42

97О-10\НоВ0Сибир184[\Л -94 364

56 303 33 о^ 12\ -7Ч!У-'29 -130410

-114

'о.

-70^06 -

75 -Ч--156

7а 175

'12*153 80,0-02\ - - ,, .,49 062 Ф-ОЗЧ 60 0.09,

а.,__,.-150 0 |,с п ¿5

76 117^97*1234/ 9 д 66С

Рисунок 3.15 Синоптические карты приземной топографии 30.03.2011 за 9 (верхняя панель) и 21 (нижняя панель) час локального времени.

На синоптических картах, приведенных на рисунке 3.15, видно, что погода была безоблачная, осадки не наблюдались, ветер не превышал 5 м/с. Эксперимент проводился в то время, когда над районом находился центр антициклона. Подобные условия способствую накоплению примеси, и являются, наилучшими с точки зрения проведения самолетного зондирования. Для отображения величины генерации озона в пограничном слое приведем рисунок 3.16, на котором, изображены разности высотных профилей концентрации озона.

2000

1500

л

ё 1000 и

3 М

500-

0

КСч ■ • ▼

■ М ▼

■ ^ • Т

■ \ • * ■ т

•V,А^

/ \ '

• ■ т ■ ▼

■ т

■ ▼

■ ▼

Дата: 30.03.2011 — ■ — 1 — • — 2

— * — 3

— ▼ — 4

1-1-1-1-1-'-г

0

8 12 16 20 24 28 32 36 ДОз, мкг/м3

Рисунок 3.16 Профили разностей концентрации озона (Л03), полученных в течение суток: 1 - между полуденным и утренним; 2 - послеполуденным и утренним, 3 -полуденным и вечерним и 4 - послеполуденным и вечерним полетами.

Видно, что в период с утра до полудня концентрация озона возрастает во всем

пограничном слое. Наибольшее увеличение зафиксировано в приземном слое, где