Проблемы состояния озонового слоя атмосферы, его долговременной эволюции, а также причин этой эволюции и её последствий для с



страница1/18
Дата24.01.2018
Размер2.14 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18



На правах рукописи

Крученицкий Григорий Михайлович



ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ПОЛЕЙ ОЗОНА

И УФ-ОБЛУЧЁННОСТИ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ
специальность 25.00.30 –

метеорология, климатология, гидрометеорология



АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Долгопрудный

2007 г.

Работа выполнена в ГУ «Центральная аэрологическая обсерватория» Росгидромета



Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Костко О.К.

Доктор физико-математических наук, профессор Сидоренков Н.С.

Доктор физико-математических наук, профессор Тулинов Г.Ф.

Ведущая организация – ГУ НПО «Тайфун»

Защита состоится «__» «_______» 2008 г. в 11 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.049.01 Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН по адресу:

РФ, 107258 Москва, ул. Глебовская, д.20б
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ «Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН»
Автореферат разослан «__» «_______» 2007 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета

доктор географических наук Г.М. Черногаева



Актуальность проблем состояния озонового слоя атмосферы, его долговременной эволюции, а также причин этой эволюции и её последствий для состояния биосферы и климатической системы Земли связана с тем, что эти проблемы давно вышли за рамки чисто академических и постоянно привлекают к себе внимание широкой общественности, правительственных и деловых кругов. Это обусловлено, как чрезвычайно важной ролью озона, выполняющего функцию своеобразного экрана, защищающего биосферу от коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца (УФ-Б), так и тем обстоятельством, что именно на сохранение озонового слоя были направлены первые международные природоохранные соглашения, имеющие значительные экономические последствия. Кроме того, озон в атмосфере представляет собой чрезвычайно интересную саму по себе физическую систему, будучи практически единственным газом, имеющим в стратосферно-тропосферном диапазоне высот выраженный экстремум, как счетной концентрации, так и отношения смеси. В настоящее время, когда активно рассматривается версия глобального потепления климата Земли и обусловленности этого потепления антропогенными выбросами парниковых газов, исследования озоносферы приобретают особую актуальность ввиду существенной роли, которую играет озон в радиационном балансе планеты в целом и, в частности, в формировании вертикального распределения температуры в стратосфере. Обеспокоенность мирового сообщества состоянием озонового слоя и долговременными изменениями этого состояния нашли отражение в Венской конвенции (1985) – первом широкомасштабном международном соглашении природоохранной направленности. В частности, стороны (в числе которых был СССР, т.е. исходя из правопреемственности РФ) обязались (ст.3, п.1) «…организовать исследования и научные оценки по следующим вопросам:

a) физические и химические процессы, которые могут влиять на озоновый слой;

b) влияние на здоровье человека и другие биологические последствия, вызываемые изменениями состояния озонового слоя, особенно изменениями ультрафиолетового солнечного излучения, влияющего на живые организмы (УФ-Б);

c) влияние изменений состояния озонового слоя на климат;

d) воздействие любых изменений состояния озонового слоя и любого последующего изменения интенсивности УФ-Б излучения на природные и искусственные материалы, используемые человеком…»

Таким образом, организация системы мониторинга озонового слоя и полей УФ-облучённости стала международным обязательством СССР, а впоследствии РФ. Под системой мониторинга со времён фундаментальной монографии Ю.А. Израэля принято понимать систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. Ю.А. Израэль углубил приведенное выше определение, назвав системой мониторинга специальную систему наблюдения, контроля и оценки состояния природной среды. Применительно к системе наблюдений за состоянием озонового слоя ситуация на момент подписания Венской конвенции выглядела более или менее удовлетворительно. Свыше 15 лет функционировал на борту космического аппарата (КА) «Nimbus-7» прибор для измерения общего содержания озона (ОСО) TOMS (Total Ozone Measurement System), обеспечивавший глобальное покрытие освещённой Солнцем поверхности Земли с пространственным разрешением 10 по широте и 1.250 по долготе и временным - 1 сутки. Наземные приборы для измерения ОСО спектральные (за рубежом) и фильтровые (в СССР) обеспечивали его надёжную поддержку, а для ряда регионов (в т.ч. практически для всей территории СССР) и автономное освещение данными. Довольно представительные данные о вертикальном распределении озона (ВРО) по результатам баллонного зондирования давали станции, расположенные в Западной Европе, Северной Америке, Японии и Антарктиде. Сложнее обстояло дело с наблюдением за УФ-облучённостью. Несмотря на то, что наземный спектрофотометр Брюера давал вполне удовлетворительные данные о спектральной плотности энергетической освещённости (СПЭО) в УФ-Б диапазоне и сеть этих приборов непрерывно расширялась, высокая пространственная изменчивость полей, как СПЭО, так и интегральной по УФ-Б диапазону облучённости, обусловленная пространственной изменчивостью полей облачности, не давала возможности интерполировать результаты измерений.



Эти обстоятельства и сформировали цель настоящей работы – разработать методическое и программно-алгоритмическое обеспечение мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости (СМОУФ). Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

  • модификация традиционных методов регрессионного моделирования с учётом специфики мониторинговых проблем;

  • разработка информационного обеспечения мониторинга путём создания оперативно пополняемых баз данных, находящихся под единой системой управления;

  • разработка конкретных аналитических схем для описания озоносферных процессов, допускающих качественный анализ и обладающих единственностью решения;

  • обоснование критериев аномальности текущих реализаций состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости;

  • разработка удобного и надёжного пользовательского интерфейса системы мониторинга.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  • Впервые создана система мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ – облучённости, функционирующая в режиме ежесуточной оценки текущих реализаций контролируемых объектов и регулярного обновления оценок и диагностики долговременной изменчивости.

  • Показано, что доминирующую роль в долговременной изменчивости ОСО во внетропических широтах играют медленные изменения в режиме квазидвухлетних колебаний (КДГ). Впервые выделена огибающая КДК и показано, что она является чрезвычайно эффективным регрессором не только для ОСО, но для ряда других геофизических процессов, в частности колебаний уровня Каспия.

  • Предложена альтернативная модель образования ВОАА, предполагающая основным каналом убыли озона его прямое разрушение на радиационно активированной поверхности частиц полярных стратосферных облаков. Модель обоснована сравнениями с данными прямых измерений, подтверждена расчётами, основанными на вычислении вероятности гибели молекул озона из сопоставления вертикальных распределений химического потенциала озона и кинетической энергии его молекул и свободна от основного недостатка фреоновой версии – предположения о наличии в антарктической стратосфере огромного количества соляной кислоты в твердой фазе.

  • Впервые разработана малопараметрическая модель вертикального распределения озона (ВРО) и температуры (ВРТ), основанная на вариационном принципе и требовании максимума полной энтропии в вертикальном столбе атмосферы и успешно протестирована на практически исчерпывающем материале измерений ВРО и ВРТ средствами баллонного и спутникового базирования.

  • Впервые разработана эмпирическая модель расчёта СПЭО в широком диапазоне значений неупругой оптической толщи и балла общей облачности.

  • Разработанные принципы построения мониторинговых систем успешно тестированы для применения в более широком кругу задач, чем решаемый СМОУФ.

На защиту выносятся:

  • Действующая система мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ - облучённости.

  • Статистические модели периодической (сезонной) и апериодической изменчивости полей общего содержания озона и УФ – облучённости, алгоритмы и программы для их регулярного обновления.

  • Оценка роли естественной изменчивости в долговременных изменениях ОСО и явлении весенней антарктической озоновой аномалии (ВОАА).

  • Эмпирическая модель спектральной плотности энергетической освещённости (СПЭО).

  • Базы данных с интерфейсом, разработанным для создания нормальных образов геофизических процессов и оценки антропогенного вклада в их долговременную эволюцию.

Практическая значимость работы определяется существенным внедрением её результатов в оперативную практику мониторинга, созданием большого количества разнообразных баз данных, функционирующих под управлением единой СУБД, выполненной в ходе выполнения работы разработкой специализированных программных пакетов для формирования климатических норм, анализа и диагностики долговременной изменчивости геофизических процессов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в 68 статьях, из них 66 в рецензируемых изданиях, из них 56 в изданиях, входящих в перечень ВАК. Результаты докладывались на заседаниях Учёного Совета ЦАО, на межведомственном семинаре ИФА РАН по составу атмосферы, заседании отделения океанологии, физики атмосферы и географии РАН, заседаниях Русского географического общества, научной ассамблее IAMAS (Пекин, 2005), международной конференции «Физика атмосферного аэрозоля» (Москва, 1999), Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2003), XXIV-XXVIII Генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (Ницца, 1999-2003), Международном симпозиуме «Атмосферная радиация» (СПБ, 2002), Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», «Физика атмосферы» (Томск, 2003-2007), международной конференции «Шумы в физических системах и флуктуации» (Паланга, 1995), Международном научно-техническом семинаре «Системы контроля окружающей среды» (Севастополь, 2002), Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003).

Личный вклад соискателя состоит в постановке решаемых в работе задач, получении приведенных в работе аналитических результатов, разработке алгоритмов и программ для тестирования этих результатов и их внедрения в практику мониторинга.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых математических методов, привлечению к их тестированию практически исчерпывающего экспериментального материала на основе использования специально созданных баз данных, совпадением полученных результатов в асимптотиках с ранее известными, совпадением наблюдаемой долговременной эволюции геофизических процессов с ранее предсказанной в работе.

Работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Приложения. Во Введении приведены обоснование актуальности работы, сформулированы цель и задачи работы, изложено её краткое содержание, сформулированы защищаемые положения, обоснована достоверность результатов, описан личный вклад соискателя, приведены сведения о научной новизне и практической значимости работы, а также её апробации.

В первой главе диссертации приведено обоснование постановки задачи по существу, определены основные направления для разработки методического и программно-алгоритмического обеспечения мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков возможных подходов к подходов к построению системы мониторинга и продемонстрированы возможности этих подходов. Кроме того, глава содержит обоснование перечня задач, решение которых необходимо для построения системы мониторинга и анализ трудностей возникающих на пути численного моделирования гидродинамических и химических процессов в атмосфере с детальным исследованием конкретных примеров.



Рис.1 Результаты спектрального моделирования и предсказания



Один из этих примеров иллюстрирует рис. 1, где приведен результат спектрального моделирования долговременной изменчивости отношения смеси метана для самой северной станции мировой сети - Аллерт.

Каталог: common -> img -> uploaded -> files -> vak -> announcements -> fiz mat
announcements -> Влияние глобализации мировой экономики на Формирование региональной экономической политики
announcements -> Горные почвы евразии как палеоклиматический архив позднеледниковья и голоцена 03. 00. 27 Почвоведение
announcements -> Геолого-геофизические исследования и модели природных резервуаров баренцево-карского региона с целью наращивания ресурсной базы углеводородов
fiz mat -> Численное моделирование термохимической мантийной конвекции и циклическая эволюция континентов и океанов
fiz mat -> Пространственно-временнáя динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей 25. 00. 29 Физика атмосферы и гидросферы
fiz mat -> Методология прогноза сильных землетрясений по потоку сейсмичности на примере северо-западной части тихоокеанского пояса
fiz mat -> Излучение верхней атмосферы земли в средних широтах азиатского континента и его региональные особенности


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18


База данных защищена авторским правом ©geo.ekonoom.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница