Анализ наземных и спутниковых данных общего содержания озона по сведениям Казахстанской наблюдательной сети



Рассмотрена синоптическая ситуация, при которых наблюдались экстремальные концентрации озона и проанализированы спутниковые данные.

Озон — это химическое соединение, в молекуле которого соединены три атома c атмосферного газа. Несмотря на это, озон играет важную роль в атмосфере Земли за счет своей способности сильно поглощать излучение в некоторых участках спектра. Это способность делает озон защитником всего живого на Земле от опасного для биологических организмов ультрафиолетового излучения. Однако при больших концентрациях озон становится вредным для здоровья человека. Поскольку приземный озон оказывает непосредственное влияние на человека, то его исследованию всегда уделялось большое внимание[1].

Ранние наблюдения химического состава средней атмосферы проводились в основном с помощью приборов, установленных на баллонах (стратосфера) и ракетах (мезосфера). Однако в последние десятилетия изучение химических процессов в атмосфере Земли стало возможным с использованием приборов, установленных на спутниках. Совокупность спутниковых и наземных наблюдений позволят достаточно точно оценить долговременные тренды озона и исследовать их глобальную пространственную структуру [2].

В настоящее время основу мировой наземной сети измерения ОСО (общего содержания озона) составляют станции, оснащенные озонными спектрофотометрами Добсона, автоматизированными спектрофотометрами Брьюера и фильтровыми озонометрами М-124. Эта сеть является составной частью Глобальной службы атмосферы ВМО. Результаты измерений поступают в международный центр данных об озоне и ультрафиолетовой радиации в Канаде.

Для анализа пространственно-временных вариаций озонного слоя также широко используется регулярные спутниковые измерения ОСО. С этой целью с 1978 года запускаются искусственные спутники Земли с аппаратурой TOMS (TotalOzoneMappingSpectrometer), основной задачей которых является проведение регулярных измерений ОСО и формирование баз данных. С 2005 года по настоящее время программу продолжает находящийся на орбите (ИСЗ Aura) более совершенный спектрометр OMI (Ozone Meter Instrument). OMI — спектрометр, предназначен для измерения размеров отражённого и рассеянного в атмосфере солнечного излучения. Данный прибор предназначен для измерения общего содержания и профиляозона, а также для измерения содержания таких газов, какNO2,SO2 и BrO. Объем информации, получаемый в результате обработки данных из ежедневного обновляемого Всемирного банка, постоянно увеличивается, поэтому на первый план выходят задачи ее оптимизации, структуризации и анализа. Целью работы является сравнение спутниковых данных с результатами измерений наземными приборами, и проанализировать носит ли доверительный характер данные со спутников для дальнейшего использования.

Карты выполнены с помощью онлайн-приложения Giovanni, которое имеет открытый доступ к базам данных многих спутников [3].

Также были сопоставлены спутниковые снимки ОСО с синоптическими картами. Для улучшения достоверности спутниковые снимки были деформированы под кривизну Земли.

Ранее нами была проанализирована синоптическая ситуация, при которых формируются экстремальные концентрации приземного озона в городе Алматы [4].

Анализ синоптической ситуации и спутниковых данных на 17 января 2005 года: у земли согласно приземной карте погоды за 00 ч практически вся территория Казахстана находилась под влиянием гребня антициклона, ориентированного из района Новосибирска к юго-западу. Ось его находилась примерно на линии Новосибирск — Кзылорда. Юг Казахстана и Алматы располагались на юго-восточной периферии гребня, внутри которого градиенты давления были чрезвычайно слабыми. Вдоль предгорий Заилийского Алатау и юго-западнее по югу Казахстана располагался атмосферный фронт с волнами. Имел место типичный процесс «волновая деятельность на холодном фронте», согласно типизации аэросиноптических процессов Средней Азии и Казахстана [5]. По северо-восточной территории приземного гребня имел место вынос теплого воздуха с юго-запада, и наблюдалась система атмосферных фронтов, перемещающихся: теплого — к северо-востоку, холодного — к юго-востоку. К 03 ч волна на фронте обострилась и Алматы оказалась в зоне обострившегося участка фронта, который у земли уже находился юго-восточнее города, несколько усилился и гребень антициклона. В нем появилась замкнутая область высокого давления северо-западнее озера Балхаш. Видимо, именно в результате этого произошло обострение фронта у предгорий (рисунок 1).

Рис. 1. Наложение спутниковых снимков на синоптическую карту погоды за 17 января 2005 г.

К 06 ч ситуация практически не изменилась. К 12 ч ситуация мало изменилась, однако северо-западнее озера Балхаш появилась слабо выраженная область пониженного давления, с которой синоптик связывает вторичный атмосферный фронт.

К 15 ч гребень антициклона разделился на две части, западнее Балхаша образовалась самостоятельная область высокого давления, очерченная одной изогипсой. Вторая область высокого давления в слабом гребне располагалась северо-восточнее Балхаша в районе Семипалатинска. У предгорий Заилийского Алатау имела место слабая волновая деятельность в системе сформировавшейся здесь области низкого давления. Алматы оказался южнее фронтальной зоны.

К 21 ч гребень антициклона усилился, самостоятельная область высокого давления, наблюдавшаяся западнее Балхаша, спустилась к югу на район Чимкента. Алматы снова оказался в зоне участка холодного фронта в зоне волны, смещающегося к юго-востоку.

По спутниковым картам за этот срок, можно видеть на Европейской территории России атмосферный фронт с волной. Холодный фронт располагался вдоль реки Волга. В районе Екатеринбург-Самара наблюдались очаги высоких концентрации общего содержания озона, и составили 475 е.Д. На территории Казахстана по спутниковым картам можно видеть, наименьшие концентрации, количество общего содержания озона варьировалась от 300 до 350 е.Д. Как нам известно, ОСО в Казахстане измеряется на 5 станциях: Атырау, Аральское море, Караганда, Семей и Алматы (рисунок 2).

Рис. 2. Спутниковые данные ОСО за 17 января 2005 г.

При анализе необходимо учитывать проблему густоты сети, которая требует отдельного решения. В выше перечисленных станциях содержание ОСО составляло около 325 е.Д. Согласно, приземной карте погоды на этой же территории проходил холодный фронт с волной. Вдоль этого фронта наблюдались облака среднего яруса.

К 00 ч 18 января на приземной карте погоды ситуация мало изменилась. Алматы, по-прежнему, находился в зоне участка холодного фронта вблизи гребня волны. Вдоль предгорий располагалась зона пониженного давления. Температура воздуха в Алматы к этому времени продолжала понижаться, начиная с полудня 17 января. К 03 ч 18 января фронт у предгорий активизировался, и Алматы в результате смещения атмосферного фронта к северо-востоку оказался в теплом секторе.

В период с 03 до 06 ч продолжалось усиление гребня антициклона, но атмосферный фронт располагался все еще севернее Алматы. К 12 ч ситуация практически не изменилась, однако основной атмосферный фронт, ориентированный в районе Балхаша меридионально, по типу теплого, сместился к востоку до меридиана середины озера. К 18 ч ситуация изменилась мало. К 21 ч основной атмосферный фронт сместился на восточную оконечность Балхаша, а его участок у Алматы сместился далее к северо-востоку от нее.

Спутниковые карты 18 января показывают, смещение очагов высоких концентрации ОСО с ЕТР в район Новосибирска. В центре очага содержание ОСО составило около 475 е.Д. На северо-востоке Казахстана наблюдались сравнительно высокие концентрации ОСО, и составили около 350 е.Д.Высокие концентрации ОСО расположены на ложбине циклона, т. е. полосы высоких концентрации ОСО указывают на местоположение фронтов. Атмосферный фронт по типу холодного располагался на северо-западе Казахстана. И можно видеть, также наличие волны на фронте (рисунок 3).

Рис. 3. Наложение спутниковых снимков на синоптическую карту погоды за 18 января 2005 г.

К сроку 00 ч 19 января по приземной карте погоды процесс смещения атмосферного фронта к востоку продолжился. Однако гребень высокого давления сформировался южнее восточной оконечности Балхаша несколько ближе к горам.

К 03 ч. на участке фронта в районе Алматы образовалась хорошо выраженная волна с вершиной несколько южнее Балхаша, однако станция оказалась немного восточнее теплого сектора на участке фронта по типу холодного, смещающегося с северо-востока под влиянием циркуляции в гребне антициклона. На синоптической карте фронт проведен через район станции. Однако, судя по временному ходу температуры, фронт был южнее станции. В это же время была зафиксирована самая низкая температура воздуха за рассматриваемый период трое суток января. К 06 ч. синоптическая ситуация существенно не изменилась. Участок фронта с волной в районе Алматы располагался севернее станции. К 12 ч атмосферный фронт сместился далее к северу от предгорий и расположился примерно посередине между Балхашом и Заилийским Алатау. К 15 ч. ситуация мало изменилась, но атмосферный фронт, ориентированный широтно, сместился еще далее к северу. К 21 ч атмосферный фронт располагался южнее Балхаша, но волновая деятельность на нем несколько активизировалась (рисунок 4).

Рис. 4. Наложение спутниковых снимков на синоптическую карту погоды за 19 января 2005 г.

По данным спутниковых карт, на следующий день, т. е. 19 января можно видеть, смещение очагов с района Новосибирска в восточном направлении. Также, нужно заметить, содержание озона в этих очагах уменьшилось и составило около 450 е.Д. На территории Казахстана ОСО составляло 325–350 е.Д. Можно видеть, что основной фронт размыт и область высоких концентрации постепенно размывается.

Анализ синоптической ситуации и спутниковых данных на 20 июля 2005 года, когда концентрации озона были максимальными (рисунок 5).

Рис. 5. Наложение спутниковых снимков на синоптическую карту погоды за 20 июля 2005 г.

Можно видеть, что над центральными и северными районами Казахстана на меридиане Арала расположен обширный гребень тепла, в котором над северным Казахстаном сформировалась самостоятельная замкнутая область высокого давления. Восточнее гребня расположена очень глубокая ложбина, простирающаяся из полярных районов до широты Балхаша. В районе Семипалатинска сформировалась самостоятельная область низкого давления (область холода), от которой далее ложбина ориентирована к юго-западу на район Балхаша и Тараза. Район Алматы находился под влиянием этой ложбины, юго-восточной ее периферии. Западне этой ложбины, западнее Балхаша, расположен узкий гребень, ориентированный к северу.

Согласно спутниковым картам максимальные концентрации ОСО были обнаружены в районе Новосибирска, концентрации варьировались 350–375 е. Д. На территории Казахстана содержание озона составило 325–350 е. Д., а в районе Аральского моря 275 е. Д. На этой территории по спутниковым картам можно видеть атмосферный фронт, который прослеживается на синоптической карте.

21 июля у земля наблюдаются антициклонические образования, смещающиеся с ЕТР. Один центр находится над севером и северо-востоком Казахстана, очерчен изобарой 1015 гПа. На спутниковых картах выше этого антициклона наблюдаются наибольшие концентрации озона. Основной центр находится над южной частью России. Погоду над Казахстаном определяет циклон, смещающийся с центральных районов ЕТР. Глубина его около 1000 гПа. С ним связаны две системы фронтов холодные участки, которых проходят почти меридионально через север Казахстана. На спутниковых картах также можно видеть участки холодного фронта на этой же территории (рисунок 6).

Рис. 6. Наложение спутниковых снимков на синоптическую карту погоды за 21 июля 2005 г.

На вторые сутки, 22 июля над центральным и южным Казахстаном можно видеть два центра циклон очерченной изобарами 1000 и 990 гПа. По спутниковым данным на этой территории ОСО колебался от 300 до 325 е.Д. На северной территории Казахстана по спутниковым картам можно видеть атмосферный фронт. На всей территории Казахстана содержание озона составляет около 300 е.Д. (рисунок 7).

Рис. 7. Наложение спутниковых снимков на синоптическую карту погоды за 22 июля 2005 г.

Проанализировав спутниковые данные и данные наземных измерений общего содержания озона, было получено, что между ними существует довольно тесная связь, 10–15 % от величины ОСО. Она зависит от близости сроков наблюдений наземных и спутника, а также активности синоптических процессов. Было установлено, что полосы повышенного содержания ОСО по спутниковым данным располагаются вдоль линий атмосферных фронтов у земли и по положению этих полос можно корректировать положение самих фронтов, особенно слабовыраженных. Величины ОСО вдоль атмосферных фронтов особенно велики на активных их участках в районах волн на фронтах. Для активных фронтов, сопровождающихся значительными осадками, концентрации ОСО выше, чем вдоль слабо выраженных и вторичных фронтов.

Литература:

1. Базаров А. В., Дарижапов Д. Д., Батуева Е. В., Кирбижекова И. И., Новолодский А. Ю. Статистический анализ распределения ОСО на территории СНГ / // Современные достижения в исследованиях окружающей среды и экологии. Сб. науч. cтатей, посвященный памяти академика В. Е. Зуева. — Томск, 2004. — С.10–14.
2. Brasseur G. P., Solomon S. Aeronomy of the Middle atmosphere. Dordrecht: Springer, 2005. 644 p.
3. http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/giovanni#maincontent
4. Чередниченко А. В., Чередниченко Алексей В., Чередниченко В. С., Особенности временного распределения приземного озона в районе Алматы // Гидрометеорология и экология. № 1 — Алматы, 2011. — С. 17–27.