Изменчивость общего содержания озона в атмосфере и горизонтального ветра в нижней термосфере (Центральная Европа)

Изменчивость общего содержания озона в атмосфере и горизонтального ветра в нижней термосфере (Центральная Европа).

Г.В. Вергасова , В.Д.Кокоуров , Э.С.Казимировский

Исследовалась корреляция между вариациями общего содержания озона в атмосфере (ОСО), вариациями параметров динамического режима в нижней термосфере и вариациями общепринятых индексов солнечной и геомагнитной активности. Использовались ежесуточные спутниковые измерения ОСО для пяти обсерваторий в центрально-европейском регионе и измерения параметров горизонтального ветра в нижней термосфере над тем же регионом (обсерватория Коллм, Германия) в период 1996-2003. Исследовалась также квазипериодическая структура этих вариаций и корреляция между соответствующими периодограммами. Получены количественные оценки статистически значимых корреляций. Обнаружены общие периодичности в изменчивости исследуемых параметров.

Введение.

Исследование изменчивости различных временных масштабов параметров озоносферы и поиски физических причин этой изменчивости до настоящего времени остаются актуальной проблемой. И актуальность эта определяется той существенной ролью, которую играет озон в термодинамическом балансе атмосферы, в формировании климата, в развитии глобальных изменений окружающей среды. Наибольшая информация накоплена о таком параметре озоносферы как общее содержание озона в атмосфере (ОСО) – с помощью многолетних однородных рядов наблюдений на мировой сети озонометричесих обсерваторий и благодаря наличию специальных спектрометров на борту исследовательских искусственных спутников Земли (например, весьма эффективного инструмента Total Ozone Mass Spectrometer, TOMS).

Общепринятым является сейчас положение о том, что вариации ОСО должны быть тесно связаны с динамическим режимом атмосферы, в первую очередь, конечно, с динамикой стратосферы, где сосредоточена большая часть озона. Однако, поскольку известно, что атмосфера представляет единую динамическую систему и различные слои атмосферы активно взаимодействуют /1/ , можно предположить, что и более высокие слои атмосферы, например, нижняя термосфера, могут быть связаны с вариациями ОСО.

К сожалению, достаточно длинные ряды измерений ветра на высотах мезосферы и нижней термосферы ( 80-100 км ) существуют только для нескольких регионов нашей планеты. Например. в средних широтах (~ 52° N ) многолетние однородные измерения ветров на этих высотах проводятся в Центральной Европе (обсерватория Коллм) и до 1997 года проводились в Восточной Сибири (обсерватория Бадары), в существенно разных долготных и климатических регионах. Именно сравнение результатов измерений для этих регионов позволило выявить существенную незональность динамического режима нижней термосферы, возможно связанную с различными условиями генерации и распространения внутренних атмосферных волн, обеспечивающих воздействие на нижнюю термосферу со стороны тропосферы и стратосферы /1/.

Вполне естественно, что измерения в Центральной Европе и были использованы нами для поисков связи с вариациями ОСО /2/ и было показано, что ОСО действительно меняется при смене направления ветра в нижней термосфере. В вариациях ОСО и скорости зонального ветра были обнаружены общие периодичности, было установлено, что корреляция между ОСО и ветром более высока для зимнего сезона и высокой солнечной активности. Затем, используя данные двух упомянутых выше обсерваторий на одной широте, мы показали /3,4/ что характер связи между ОСО и ветром существенно зависит от долготы (т.е., от региональных климатических условий). При этом, конечно, наблюдаются и некоторые общие закономерности для обоих регионов, например, наибольшие значения ОСО наблюдаются преимущественно при ветрах, направленных на северо-запад, а минимальные – при ветрах, направленных на юго-восток /4/.

Определённый интерес представляет сравнение вариаций ОСО и ветра не только для одной и той же точки, но и сравнение регионального ветрового режима с вариациями озона на некоторой территории в том же регионе. Такому сопоставлению и посвящено настоящее сообщение, как продолжение цикла наших работ /2-4/. Цель данной работы: посмотреть, каким образом связаны между собой изменчивость общего содержания озона и ветер в мезосфере - нижней термосфере в Центрально-Европейском регионе, выяснить, связаны ли изменения ОСО со сменой направления ветра в нижней термосфере, получить количественные оценки связи, используя множественный корреляционный периодограмманализ и получив корреляционные функции связи самих исходных рядов измерений и их периодограмм. Для оценки возможной роли гелиогеомагнитной активности в изменчивости ОСО использовались числа Вольфа (W), индексы радиоизлучения Солнца на волне 10.7 см ( F10.7 ) и планетарный индекс геомагнитной активности Ар.

Для анализа использовались ежесуточные измерения ОСО для 5-ти станций на территории Германии (Ланденбрук, Потсдам, Берлин, Дрезден, Линденберг), проведенные с помощью спектрометра TOMS, установленного на борту ИСЗ “Nimbus-7”, в период с июля 1996 г. по январь 2003 г. Общее содержание озона измерялось в единицах Добсона (ед. Д.). Географические координаты станций представлены в табл.1. Измерения горизонтального ветра в мезосфере - нижней термосфере в этот же период проводились на высоте  95 км на обсерватории Коллм (52 N, 15 E), которая находится в том же регионе. Использовались результаты гармонического анализа суточных вариаций скорости ветра, позволяющего получить следующие параметры ветрового режима: преобладающий зональный ( Vox ) и меридиональный ( Voy ) ветер, амплитуда V2x и фаза T2x зонального полусуточного прилива. 

Таблица 1

Используемые станции и их географические координаты.

Название станций

Широта,  N

Долгота,  Е

1. Ланденбрук

52.80

10.77

2. Потсдам

52.37

13.08

3. Берлин

52.53

13.42

4. Дрезден

51.12

13.68

5. Линденберг

52.22

14.12

Результаты анализа.

На рис. 1 представлены вариации ежесуточных значений ОСО на 5-ти станциях (Ланденбрук, Потсдам, Берлин, Дрезден, Линденберг), динамических параметров Vox, Voy и V2x в Коллме и индекса солнечной активности F10.7 за период с 3.1.1999 г. по 1.8.2002 г. 



Рис.1. Вариации ежесуточных значений ОСО на 5-ти станциях, динамических параметров в Коллме и индекса солнечной активности F10.7 за период с 3.1.1999 г. по 1.8.2002 г. 

Как можно видеть, в вариациях ОСО присутствует четко выраженная годовая волна. Годовая волна присутствует также и в вариациях параметров ветра, но с противоположной фазой: максимальным значениям ОСО в стратосфере соответствуют преимущественно юго-восточные ветры, а минимальным - северо-западные ветры. Можно отметить обратную связь между ОСО и амплитудой зонального полусуточного прилива. При этом на годовые вариации ветра явно накладываются полугодовые и сезонные колебания , мало заметные на временных вариациях ежесуточных значений ОСО. Во время максимума солнечной активности в конце 2001 г. - начале 2002 г. отмечаются минимальные значения общего содержания озона.

Результаты корреляционного анализа, представленные в табл.2, действительно подтверждают наличие значимой (со значимостью по критерию Фишера 0.95) отрицательной корреляции значений ОСО для всех 5-ти станций со всеми динамическими параметрами и индексами гелио-геомагнитной активности. Для связи ОСО=f(Ар) и ОСО=f(T2x) отмечены самые низкие коэффициенты корреляции. При этом максимальные значимые значения коэффициентов корреляции наблюдаются при положительных сдвигах по фазе от 5 сут. до 14 сут., а для функциональной зависимости ОСО=f(T2x) корреляция становится значимой, но положительной при сдвиге по фазе  = 21 сут. 



Рис.2. Корреляционные функции для зависимостей ОСО от а. преобладающего ветра, б. амплитуды и фазы полусуточного прилива и в. индексов гелио-геомагнитной активности по всем 5 станциям в Германии.

На рис.2 для примера представлены корреляционные функции (в интервале сдвигов по фазе  70 сут.) для зависимостей типа: OCO=f(Vox) и OCO=f(Voy), подтверждающие отрицательную связь между рассматриваемыми параметрами.

Значимая корреляция между рассматриваемыми параметрами существует в широком диапазоне сдвигов по фазе, но максимальные коэффициенты корреляции наблюдаются при сравнительно небольших положительных сдвигах. Отрицательная значимая корреляция характерна и для связей типа OCO=f(F10.7) и OCO=f(Ap). В некоторых случаях корреляционные функции имеют квазипериодический знакопеременный характер.

Таблица 2

Значимые коэффициенты корреляции (r) ОСО на пяти германских станциях с параметрами ветра в Коллме и индексами гелио-геомагнитной активности (F10.7, Ap и W).

Период измерений 3.1.99 - 1.8.2002 ; число суток N=1306.

Станция

Линденберг

Дрезден

Берлин

Потсдам

Ланденбрук

Зависимость

r

 , сут.

r

 , сут.

R

 , сут.

R

 , сут.

r

 , сут.

 

Коэффициенты корреляции при нулевом сдвиге

OCO=f(Vox)

-0.18

 

-0.19

 

-0.18

 

-0.18

 

-0.19

 

OCO=f(Voy)

-0.22

 

-0.22

 

-0.22

 

-0.21

 

-0.20

 

OCO=f(V2x)

-0.06

 

-0.06

 

-0.06

 

-0.05

 

-0.05

 

OCO=f(T2x)

-0.02

 

-0.01

 

-0.03

 

-0.02

 

-0.03

 

OCO=f(F10.7)

-0.17

 

-0.16

 

-0.17

 

-0.17

 

-0.18

 

OCO=f(W)

-0.08

 

-0.07

 

-0.08

 

-0.08

 

-0.08

 

OCO=f(Ap)

-0.02

 

-0.02

 

-0.02

 

-0.02

 

-0.01

 

 

Максимальные значимые коэффициенты корреляции

при сдвиге по фазе 

OCO=f(Vox)

-0.21

+5

-0.22

+5

-0.21

+5

-0.21

+5

-0.22

+5

OCO=f(Voy)

-0.24

+8

-0.24

+8

-0.24

+8

-0.24

+8

-0.24

+8

OCO=f(V2x)

-0.11

+13

-0.11

+13

-0.10

+13

-0.10

+13

-0.10

+13

OCO=f(T2x)

0.10

+21

0.12

+21

0.09

+21

0.10

+21

0.09

+21

OCO=f(F10.7)

-0.23

+14

-0.23

+14

-0.23

+14

-0.23

+14

-0.22

+14

OCO=f(W)

-0.16

+13

-0.16

+13

-0.16

+13

-0.16

+13

-0.14

+13

OCO=f(Ap)

-0.09

+9

-0.09

+9

-0.08

+9

-0.07

+9

-0.07

+9

В табл.3 представлены значимые (со значимостью по критерию Фишера 0.95) коэффициенты корреляции между вариациями ОСО на ст. Ланденбрук и зональным преобладающим ветром Vox, рассчитанные отдельно для каждого зимнего, весеннего, летнего и осеннего месяцев и для каждого года. Рядом со значениями коэффициентов корреляции в скобках указаны соответствующие им сдвиги по фазе в сут. Как можно видеть из табл.3, для зимних месяцев корреляция преимущественно отрицательная, для осенних в основном положительная (за исключением октября 1999 г.). Наиболее неустойчивая и знакопеременная корреляция характерна для весенних месяцев. Возможно это связано с тем, что именно весной направление зонального преобладающего ветра меняется ото дня ко дню гораздо чаще, чем во все другие сезоны года, что связано с так называемой весенней перестройкой циркуляции. Зимой и весной максимальные коэффициенты корреляции (>0.43) отмечены в 2001-2002 гг., а летом и осенью - в 1999-2000 гг. Сдвиги по фазе для них положительные и не превышают 9 сут.

Таблица 3

Коэффициенты корреляции между вариациями ОСО на ст. Ланденбрук и Vox, рассчитанные отдельно для каждого зимнего (11.-1., 12.-2., 1-3), весеннего (2.-4., 3.-5., 4.-6.), летнего (5.-7., 6.-8., 7.-9.) и осеннего (8.-10., 9.-11., 10.-12) месяцев и для каждого года (N=90 значений).

Годы

Зимние месяцы

Весенние месяцы

Летние месяцы

Осенние месяцы

1999

-

0.32 (8)

-0.47(7)

0.50(9)

1999

0.38 (8)

0.29 (6)

-0.23 (3)

-0.27 (7)

1999

-0.22 (8)

-0.34 (10)

0.52 (6)

0.24 (1)

2000

-0.38 (6)

-0.22 (4)

-

0.53 (6)

2000

-0.34 (2)

0.32 (14)

-0.23 (-3)

-

2000

-

-0.22 (11)

0.39 (8)

0.33 (-9)

2001

-0.51 (5)

-0.54 (5)

-0.28 (11)

0.36 (7)

2001

-0.58 (6)

-0.27 (6)

-0.26 (2)

0.32 (12)

2001

0.25 (-1)

-0.34 (0)

0.22 (5)

0.43 (-2)

2002

-0.43 (8)

-0.32 (1)

-0.23 (4)

 

2002

-0.30 (1)

0.33 (10)

 

 

2002

 

0.30 (0)

 

 



Рис.3. Карты изменения корреляционных функций в интервале с 1999 г. по 2002 г. для ОСО на ст Дрезден и параметров горизонтального ветра.

Особенно отчетливо знакопеременность коэффициентов корреляции можно видеть на так называемых корреляционных полях. Для примера, на рис.3 представлены карты изменения корреляционных функций (т.е. их динамика) в интервале с 1999 г. по 2002 г. для ОСО на ст. Дрезден и параметров горизонтального ветра. Знакопеременность коэффициентов корреляции наиболее ярко выражена для зависимости типа OCO=f(Vox): каждый год значимая отрицательная корреляция в зимне-весенний период в летние месяцы меняется на значимую положительную корреляцию при любом сдвиге по фазе от -15 сут. до +15 сут. Для зависимости типа OCO=f(Voу) смена знака от значимой отрицательной корреляции к значимой положительной корреляции происходит в основном при положительных сдвигах по фазе. Аналогично и для корреляционных функций типа OCO=f(V2x) и OCO=f(T2x).

Интересно было бы оценить, насколько связаны между собой периодические составляющие вариаций рассматриваемых величин. Для этого был проведен множественный корреляционный периодограмманализ их ежесуточных значений и выявлены наиболее характерные значимые периоды колебаний.

Результаты периодограмманализа рассматриваемых величин (табл.4) показывают наличие в их вариациях колебаний с одинаковыми или близкими периодами, а именно: колебаний в области периодов  27 сут., 31-35 сут., 42-47 сут., 86-95 сут., 121-131

Таблица 4.

Результаты периодограмманализа 4-х летнего ряда измерений ОСО (1999-2002 гг.) на широте  52 N, динамических параметров и гелио-геомагнитных индексов.

Номера станций соответствуют таблице 1.

 

Периоды Т в сутках ( со значимостью по критерию Фишера 0.95).



ОСО-1

13, 27, 31, 34, 47, 53, 61, 86, 93, 125, 157, 184, 219, 268, 370, 658

ОСО-2

13, 27, 34, 38, 47, 53, 61, 86, 94, 125, 185, 219, 268, 370, 660

ОСО-3

13, 27, 31, 34, 38, 42, 47, 53, 61, 86, 94, 125, 158, 185, 219, 268, 370, 659

ОСО-4

13, 27, 42, 47, 53, 62, 86, 94, 103, 125, 158, 184, 219, 267, 370, 660

ОСО-5

13, 27, 34, 38, 42, 47, 53, 62, 86, 94, 103, 125, 159, 185, 219, 268, 370, 660

Vox

29, 41, 71, 75, 92, 102, 121, 137, 153, 185, 231, 282, 378, 630

Voy

33, 42, 65, 95, 123, 148, 181, 223, 271, 381, 756

V2x

14, 52, 56, 73, 82, 91, 104, 126, 149, 180, 234, 413

T2x

10, 28, 43, 47, 50, 62, 66, 88, 97, 197, 260, 363

F10.7

27, 31, 35, 38, 44, 53, 57, 62, 67, 83, 96, 112, 131, 169, 221, 288, 405, 648

W

21, 27, 31, 36, 44, 52, 62, 74, 84, 95, 114, 130, 175, 211, 311, 390, 648

Ap

27, 60, 64, 90, 154, 188, 266

сут., 175-188 сут.,260-288 сут., 363-390 сут. и 630-756 сут. Сходство периодограмм рассматриваемых величин хорошо видно на рис.4, а, б, в.



Рис.4. Периодограммы рассматриваемых величин в области планетарных волн и сезонных вариаций (а), полугодовых и годовых (б) и квазидвухлетних (в) вариаций. 

Особенно ярко оно проявляется в области сезонных вариаций (рис.4,а) , полугодовых, годовых (рис.4,б) и даже квазидвухлетних (рис.4,в). Следует отметить слабо выраженную периодическую структуру колебаний планетарного индекса геомагнитной активности Ap. Интересно, что в вариациях индекса F10.7 довольно четко выражены квазидвухлетние колебания, хорошо выделяющиеся также на периодограммах ОСО для всех 5-ти станций и в вариациях параметров зонального Vox и меридионального Voy преобладающего ветра.

Естественно, что подобное сходство периодических структур вариаций обусловливает более высокую корреляцию между периодограммами рассматриваемых величин по сравнению с корреляцией между исходными рядами. В табл.5 приведены значимые (со значимостью по критерию Фишера 0.95) коэффициенты корреляции между периодограммами ОСО на ст. Ланденбрук, с одной стороны, и периодограммами параметров ветра и индексов гелио-геомагнитной активности, с другой стороны (длительность коррелируемых рядов N=1250 значений).

Как видно из табл.5, коэффициенты корреляции r между периодограммами для всех типов связи, действительно, достаточно высокие и положительные, за исключением связи периодограмм ОСО с периодограммами индекса Аp, для которой при нулевом сдвиге по фазе отрицательные значения коэффициентов корреляции невысокие, хотя и значимые, а максимальные значения r наблюдаются при отрицательных сдвигах по фазе порядка 3 мес. Коэффициенты корреляции периодограмм ОСО с периодограммами динамических параметров более высокие, чем коэффициенты корреляции их с периодограммами гелио-геомагнитных индексов: для связи между периодограммами ОСО и меридионального преобладающего ветра Voy коэффициенты корреляции достигают значения r 0.9.

Таблица 5

Коэффициенты корреляции между периодограммами ОСО на ст. Ланденбрук и параметров ветра на обс. Коллм и индексов гелио-геомагнитной активности.

Зависимость

r (без сдвига по фазе)

Максимальные значения r

Сдвиг по фазе для них, сут.

OCO=f(Vox)

+0.64

+0.64

-1

OCO=f(Voy)

+0.84

+0.90

-18

OCO=f(V2x)

+0.60

+0.61

-39

OCO=f(T2x)

+0.75

+0.76

+5

OCO=f(F10.7)

+0.34

+0.35

+9

OCO=f(Ap)

-0.18

-0.61

-87

OCO=fW)

+0.43

+0.44

-31

  

На рис.5 в дополнение к таблице 5 представлены графически корреляционные

Рис.5. Корреляционные функции между периодограммами ОСО в Ланденбруке и д инамическими параметрами в Коллме. 

функции между периодограммами: ОСО в Ланденбруке, динамическими параметрами и индексами гелио-геомагнитной активности. Интересно отметить тот факт, что общий вид корреляционной функции между периодограммами ОСО в Ланденбруке с периодограммами индекса F10.7 значительно отличается от вида корреляционной функции типа OCO=f(W).

При расчете корреляции между отдельными фрагментами периодограмм: а. в области периодов планетарных волн (3-40 сут.), б. сезонных вариаций (41-140 сут.), в. полугодовых (141-290 сут.), г. годовых (291-500 сут.) и д. квазидвухлетних (>501 сут.) колебаний мы пришли к заключению, что наиболее чётко связь между периодограммами ОСО и параметрами горизонтального ветра (особенно, преобладающего зонального и меридионального) проявляется в области периодов 3-40 сут. (рис.6), 41-140 сут. и 141-290 сут. . При этом при некоторых конкретных сдвигах по фазе наблюдаются максимальные коэффициенты корреляции . Квазипериодический характер корреляционных функций наиболее отчетливо заметен на рис.6,а, на котором представлены функции корреляции между периодограммами в области периодов 3-40 сут.

 

Рис.6. Функции корреляции между периодограммами в области периодов планетарных волн 3-40 сут. 

Заключение.

Таким образом, в выполненном на основе большого статистического материала анализе показано наличие четко выраженной и статистически значимой отрицательной корреляции общего содержания озона с динамическими параметрами нижней термосферы. В вариациях ОСО наряду со значимыми периодами колебаний 13 сут. и 27 сут., обнаружены и более долгопериодные значимые колебания с периодами: сезонных и межсезонных (или внутрисезонных) вариаций 47 сут., 53 сут., 61-62 сут., 86 сут., 93-94 сут. и 125 сут., полугодовых и близких к ним вариаций (184-185 сут., 219 сут. и 267-268 сут.), а также колебания с периодом 370 сут. (близким к периоду годовой волны) и  630 сут. (близким к квазидвухлетним колебаниям). Такая периодическая структура вариаций общего содержания озона присуща всему региону. Полученные для каждой из пяти станций результаты отличаются друг от друга весьма незначительно, при этом общая картина связи сохраняется. Близкие к отмеченным в вариациях ОСО периодам видны в вариациях динамических параметров. Наличие четко выраженных квазидвухлетних осцилляций в индексе F10.7 особенно интересно с точки зрения возможного влияния вариаций солнечной активности на стратосферу, для которой квазидвухлетние колебания характерны.

Однозначно интерпретировать наблюдаемые корреляции как доказательство наличия непосредственной физической связи между ОСО и динамикой нижней термосферы или между ОСО и уровнем гелио-геомагнитной активности, конечно, нельзя. Однако, количественные оценки как самих таких корреляций, так и их статистической значимости, полученные в цикле наших работ /2-4/ и в настоящем сообщении, стимулируют поиски физических причин изменчивости ОСО, на основе которых надо найти предикторы для создания системы прогноза ОСО. Такая система нужна и для оценки изменений климата, и для решения прикладных задач.

Авторы благодарны доктору Х.Якоби ( Германия ) за любезное предоставление данных измерений ветра в обсерватории Коллм и Центру данных по глобальным изменениям, США (Global Change Data Center, NASA, USA )за возможность использования данных по озону.

Список литературы

Kazimirovsky E., Herraiz M., de la Morena B. Effects on the ionosphere due to phenomena ocuring below it // Surveys in Geophysics, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 2003, v. 24, P. 139-184. 

Казимировский Э.С., Вергасова Г.В. Ветер в нижней термосфере и атмосферный озон над Центральной Европой // Исследования по геомагнетизму , аэрономии и физике Солнца, Наука, 1998, Вып. 108, С.230-234. 

Вергасова Г.В., Казимировский Э.С., Взаимосвязь атмосферного озона, зональных ветров и приливов в среднеширотной нижней термосфере // Солнечно-земная физика, Изд-во СО РАН, 2002, Вып. 1(114), С.67-73. 

Вергасова Г.В., Казимировский Э.С. Взаимосвязь вариаций общего содержания озона и ветрового режима в нижней термосфере // Солнечно-земная физика, Изд-во СО РАН, 2003, Вып.3(116), С.13-17.