Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 2, стр. 227-235

3.1. Общая характеристика изменений озона

Изменения озона на уровне давления 2 мбар в верхней стратосфере над Москвой в холодные полугодия 2014–2015 и 2015–2016 гг. представлены на рис. 1. Тонкими линиями показаны измеренные значения содержания озона С_оз в единицах отношения смеси ppm, или 10^–6. Для устранения короткопериодного шума стратосферы показаны также сглаженные по 10 дням значения С_оз (толстые линии). Как видно из рис. 1, содержание озона испытывало значительные изменения в течение этих двух холодных полугодий.

Рис. 1.

Относительное содержание озона над Москвой С_оз в единицах ppm на уровне давления 2 мбар в холодные полугодия 2014–2015 гг. (тонкая штриховая линия) и 2015–2016 гг. (тонкая сплошная линия). Толстыми штриховой и сплошной линиями обозначены сглаженные по 10 дням значения С_оз в соответствующие полугодия.

На рисунке 1 хорошо видны общие черты и различия в изменениях С_оз в рассматриваемые полугодия. Зимой 2014–2015 гг. С_оз изменялось от ~6 ppm в конце октября–начале ноября до минимальных значений, близких к 4.5 ppm, в конце декабря–начале января. Затем наблюдалась тенденция к увеличению озона в зимне-весенний период до значений, близких к 6–6.5 ppm в феврале и 6.5–7 ppm в середине марта 2015 г. Содержание озона в осенне-зимний период 2015–2016 гг. также имело тенденцию к понижению от значений С_оз ~5.5 ppm в середине октября до минимальных значений ~4.5 ppm в конце декабря–начале января с последующим увеличением до ~5.5 ppm в середине января 2016 г. Колебания озона в период с конца января до середины марта 2016 г. характеризовались заметно более низкими значениями С_оз по сравнению с содержанием озона в аналогичный период предыдущего 2015 г. Действительно, в марте 2016 г. содержание озона понизилось до минимальных значений ~4 ppm, в то время как в марте 2015 г. наблюдалась отмеченная выше противоположная тенденция с повышением С_оз почти до 7 ppm.

Разность ΔС_оз = ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{{\text{II}}}}$ – ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{\text{I}}}$ значений содержания озона ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{{\text{II}}}}$ (для 2015–2016 гг.) и ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{\text{I}}}$ (для 2014–2015 гг.) показана на рис. 2. Видно, что наибольшее различие ΔС_оз приходится на период с начала февраля до середины марта, достигая значений, превышающих 2 ppm (т.е. ~40% от среднемесячного значения $\overline {{{{\text{C}}}_{{{\text{о з }}}}}} $), в первой половине марта. (Среднемесячные значения $\overline {{{{\text{C}}}_{{{\text{о з }}}}}} $ получены усреднением данных измерений в ФИАН за 1996–2016 гг.)

Рис. 2.

Разность ΔС_оз = ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{{\text{II}}}}$ – ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{\text{I}}}$ значений содержания озона ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{{\text{II}}}}$ в 2015–2016 гг. и ${\text{C}}_{{{\text{о з }}}}^{{\text{I}}}$ в 2014–2015 гг. на уровне давления 2 мбар (тонкая линия). Толстая линия – сглаженные по 10 дням значения ΔС_оз.

Отмеченные различия в характере изменений озона в верхней стратосфере над Москвой в рассматриваемые холодные полугодия оказались связаны с особенностями крупномасштабных атмосферных процессов в эти периоды. Для объяснения наблюдавшихся различий ΔС_оз был выполнен анализ основных параметров стратосферы по методике, аналогичной использованной ранее в работе [Соломонов и др., 2017].

3.2. Холодный период 2014–2015 гг.

Особенностями зимнего периода 2014–2015 гг. явились значительные изменения озона и большие перепады температуры Т (на 70–80 К) на уровне давления 2 мбар с ноября 2014 г. по первую декаду января 2015 г., вызванные атмосферными динамическими процессами. Для сопоставления изменений озона и температуры на рис. 3 показаны значения С_оз (те же, что и на рис. 1) и Т на уровне 2 мбар над Москвой в холодное полугодие 2014–2015 гг. В ноябре и декабре 2014 г. на этом барическом уровне наблюдалась высокая активность планетарной волны с зональным волновым числом n = 1 (в поле геопотенциала) с наибольшим значением ее амплитуды A₁ в конце ноября и в конце декабря 2014 г. (рис. 4). Эта активность препятствовала углублению циркумполярного циклона (полярного вихря), а также способствовала появлению разогретых до 290–300 К воздушных масс в стратосфере над европейским сектором северного полушария, включая Московский регион.

Рис. 3.

Содержание озона С_оз (тонкая сплошная линия) и температура Т (тонкая штриховая линия) на уровне давления 2 мбар над Москвой в холодное полугодие 2014–2015 гг. Толстыми сплошной и штриховой линиями обозначены сглаженные по 10 дням значения С_оз и Т соответственно.

Рис. 4.

Значения амплитуды A₁ планетарной волны с зональным волновым числом n = 1 (гп. м, уровень давления 10 мбар, 60° N) для холодных полугодий 2014–2015 (сплошная линия) и 2015–2016 гг. (штриховая линия).

Зарегистрированные изменения озона на уровне 2 мбар, как правило, происходили в противофазе с колебаниями температуры (см. рис. 3). Например, понижение С_оз от 6.2 ppm до 4.3 ppm, наблюдавшееся между 8 и 31 декабря 2014 г., сопровождалось ростом температуры от 214 до 293 К.

Другой особенностью холодного полугодия 2014–2015 гг. явилось внезапное стратосферное потепление в январе 2015 г., которое сопровождалось кратковременным (с 3 по 10 января) разделением вихря на две части.

Последующее длительное сохранение пониженной (до ~220 К) температуры в верхней стратосфере обусловлено присутствием воздуха полярного вихря в стратосфере над Москвой со второй декады января до второй половины марта 2015 г. (за исключением нескольких отдельных дней с более высокой температурой до 240 К). В этот период с пониженной температурой произошло увеличение содержания озона до ~6.5–7 ppm к середине марта 2015 г. (см. рис. 3).

Хотя в это полугодие, в целом, не было обнаружено значимой корреляции между содержанием озона и потенциальной завихренностью (PV), тем не менее, в январе 2015 г. такая связь была замечена. На рис. 5 показаны содержание озона С_оз на барическом уровне 2 мбар и значения PV на уровне потенциальной температуры θ = 1500 К (эти уровни близки по высоте). Видно, что увеличение С_оз сопровождалось снижением PV. Отрицательная корреляция озона с потенциальной завихренностью, которая, как известно, является трассером атмосферных движений [Brasseur and Solomon, 2005], может означать влияние переноса воздушных масс на озон, происходящее на фоне температурных колебаний. Действительно, во время внезапного стратосферного потепления и разделения вихря на две части в начале января 2015 г. одна из частей вихря оказалась над Европой. В это время и над Московским регионом оказался воздух вихря с пониженным содержанием озона при повышенных значениях PV. Например, значительно пониженное содержание озона С_оз = 4.4 ppm было зарегистрировано 5 января 2015 г. в воздухе отделившейся части вихря. В последующие дни в результате изменения положения полярного вихря верхняя стратосфера над Москвой оказалась вне вихря, содержание озона стало увеличиваться и достигло 6 ppm 22 января (рис. 5). Затем в воздухе вихря, снова оказавшегося над Москвой, величина С_оз снизилась до 4.3–4.4 ppm 27 и 28 января 2015 г. При этом 28 января значения PV возросли в 5 раз.

Рис. 5.

Содержание озона С_оз на уровне давления 2 мбар (сплошная линия) и значения потенциальной завихренности PV на уровне потенциальной температуры θ = 1500 К (штриховая линия) над Москвой в январе 2015 г. (1 ед. PV = 10^–6 К м² кг^–1 с^–1).

Если исключить из корреляционного анализа рассмотренные дни января 2015 г., когда над Москвой происходило сильное возмущение верхней стратосферы и отмечалась отрицательная корреляция озона с потенциальной завихренностью, то для остальной части холодного полугодия 2014–2015 гг. была получена отрицательная корреляционная связь озона с температурой. Для временных отрезков с 1 октября до 31 декабря 2014 г. и с 1 февраля по 16 апреля 2015 г. эта связь характеризовалась коэффициентами корреляции k = –0.7 и k = –0.8 соответственно. Диаграмма рассеяния для связи “озон–температура” показана на рис. 6. Кружками и треугольниками на этом рисунке обозначены данные о С_оз и Т на барическом уровне 2 мбар над Москвой для периодов 1 октября–31 декабря 2014 г. и 1 февраля–16 апреля 2015 г. соответственно.

Рис. 6.

Диаграмма рассеяния для связи “озон–температура”. Знаками ○ и Δ обозначены данные о С_оз и Т на уровне давления 2 мбар над Москвой для периодов 1 октября–31 декабря 2014 г. и 1 февраля–16 апреля 2015 г. соответственно.

Из изложенного следует, что понижения озона в верхней стратосфере над Москвой в декабре 2014 г.–январе 2015 г. были вызваны разными причинами: влиянием повышенной температуры вне полярного вихря, а также влиянием процессов в вихре при появлении его воздуха над Москвой.

Таким образом, характерными особенностями температурного режима верхней стратосферы над Москвой в холодное полугодие 2014–2015 гг. явились большие перепады температуры в ноябре, декабре и в начале января и продолжительный период с пониженными температурами с января по март. Эти особенности отразились и на изменениях озона. Повышенные температуры во второй половине декабря, в соответствии с фотохимической теорией [Scientific …, 2014; Brasseur and Solomon, 2005], могли способствовать росту скоростей фотохимических реакций разрушения озона и привести к наблюдавшемуся снижению его содержания в верхней стратосфере над Москвой в это время, а продолжительное сохранение низких температур с января по март, наоборот, могло привести к замедлению этих реакций и к соответствующему увеличению содержания озона в освещенной Солнцем стратосфере над Москвой в начале 2015 г.

3.3. Холодный период 2015–2016 гг.

Как отмечено выше, холодный период 2015–2016 гг. отличался от предыдущего более низкими значениями содержания озона С_оз на уровне 2 мбар в период с конца января до конца марта 2016 г. (см. рис. 1). В отличие от холодного периода 2014–2015 гг. планетарная волна с n = 1 в ноябре 2015 г. была более слабой (см. рис. 4), что привело к образованию очень глубокого интенсивного стратосферного полярного вихря в декабре 2015 г.–феврале 2016 г., который быстро разрушился в результате внезапного мажорного финального потепления в начале марта 2016 г.

По температурному режиму верхняя стратосфера над Москвой зимой 2015–2016 гг. также отличалась от предыдущего холодного полугодия более высокими температурами с января по март и отсутствием больших и резких перепадов температуры в начале зимы. Причем в первую декаду февраля и в начале марта 2016 г. температура была на ~50 К выше ее значений в 2015 г. (см. рис. 3 и рис. 7).

Рис. 7.

Содержание озона С_оз (сплошная линия) и температура Т (штриховая линия) на уровне давления 2 мбар над Москвой в феврале–марте 2016 г.

В декабре 2015 г. и январе 2016 г. связь озона с температурой была слабой. Вместе с тем, в эти месяцы была обнаружена связь изменений озона с переносом воздушных масс верхней стратосферы. На рис. 8 представлены изменения С_оз на уровне 2 мбар и PV на уровне θ = 1500 К в декабре 2015 г. и январе 2016 г. В декабре 2015 г. полярный вихрь имел огромные размеры и оказывал влияние на верхнюю стратосферу над Москвой: при неоднократных появлениях воздуха вихря над Москвой содержание озона и температура в верхней стратосфере были пониженными при повышенных значениях PV. В начале января 2016 г. влияние вихря продолжалось. Так, например, низкое значение содержания озона С_оз = 4.2 ppm было зарегистрировано 6 января в воздухе вихря при пониженной температуре и высоком значении PV.

Рис. 8.

Содержание озона С_оз на уровне 2 мбар (сплошная линия) и потенциальная завихренность PV на уровне потенциальной температуры θ = 1500 К (штриховая линия) над Москвой в декабре 2015 г. и январе 2016 г.

Во второй декаде января 2016 г. верхняя стратосфера над Москвой оказалась вне полярного вихря, что привело к увеличению содержания озона, которое к 12 января достигло С_оз = 5.7 ppm и затем колебалось между 5.0 и 5.8 ppm до 21 января 2016 г. В третьей декаде января 2016 г. при перемещении вихря к Европе на уровне давления 2 мбар над Москвой вновь оказался воздух вихря с пониженным содержанием озона. Так, 27 января 2016 г. отношение смеси озона на уровне 2 мбар составило С_оз = 4.3 ppm.

Этим изменениям озона, как правило, соответствовали противоположные по знаку изменения потенциальной завихренности (см. рис. 8). Для коэффициента корреляции между содержанием озона С_оз и потенциальной завихренностью PV за два месяца, декабрь 2015 г. и январь 2016 г., было получено отрицательное значение k = –0.8. При этом корреляция между вариациями озона на уровне 2 мбар и температурой практически отсутствовала.

Пониженные значения С_оз, наблюдавшиеся в конце января, сохранялись до первой декады февраля 2016 г. (см. рис. 1). Отметим, что уменьшение С_оз в конце января–начале февраля произошло по разным причинам: при появлении холодного воздуха вихря с пониженным содержанием озона в конце января и в теплом воздухе из более низких широт в начале февраля (см. рис. 7). Действительно, в начале февраля воздуха вихря над Москвой уже не было, температура повысилась, но содержание озона осталось пониженным. На рис. 7, где представлены значения С_оз и Т на уровне 2 мбар в феврале и марте 2016 г., видно, что изменения озона сопровождались изменениями температуры, в основном, противоположного знака. Подобный характер изменений озона, связанный с вариациями температуры, сохранялся до середины марта 2016 г. Коэффициент корреляции, характеризующий связь озона и температуры с начала февраля до середины марта 2016 г., оказался отрицательным и равным k = –0.7.

Таким образом, в декабре 2015 г. и январе 2016 г. выявлена сильная отрицательная корреляционная связь содержания озона с потенциальной завихренностью при слабой связи с температурой, а в феврале и марте 2016 г., в условиях более высоких температур по сравнению с соответствующими месяцами 2015 г., наоборот, обнаружена сильная отрицательная корреляционная связь озона с температурой и зарегистрированы более низкие, чем в 2015 г., значения С_оз.

Эти результаты позволяют сделать вывод о том, что со второй половины декабря 2015 г. до конца января 2016 г. изменения озона в верхней стратосфере над Москвой были вызваны преимущественно динамическими процессами, переносом воздушных масс, а в феврале–марте 2016 г., в условиях солнечного освещения, наблюдавшиеся изменения озона связаны, в большей степени, с фотохимическими факторами.