Документ описывает лидарные исследования вертикального распределения аэрозолей, озона и температуры в стратосфере над Томском, включая методы лазерного зондирования и анализ данных с 1986 по 2008 годы. Рассматриваются вулканические влияния на вертикальную стратификацию аэрозоля, выявленные аномалии во время магнитных бурь, а также глобальные геофизические процессы и их влияние на распределение озона и температуры. Также представлены результаты обследований и расчеты траекторий переноса воздушных масс, связанных с извержениями вулканов.

1. Лидарные исследования вертикального распределения аэрозоля, озона и температуры в стратосфере над Томском В.Н.Маричев, А.П. Кудинов Лазеры – Nd-YAG ( 532нм, 1 мДж, 1- 3кГц), XeCl +ВКР(Н2) (308, 353нм, 40-60 и 20-40 мДж), приемное зеркало Ф=1м, ФЭУ-130, счетчики фотонов.

2. Методика восстановления аэрозольной стратификации атмосферы из одноволновых лидарных измерений. N(H)=EAqT2(H)[βa(H)+βm(H)]H-2+Nphn - Уравнение лазерного зондирования - Отношение аэрозольного рассеяния по определению - Расчет аэрозольного отношения рассеяния через лидарные сигналы

3. Аэрозоль – с 1986г. 1.Фоновый стратосферный аэрозоль зима Временной ход высот максимума аэрозольного слоя (1) и уровня тропопаузы (2) (к=0.75) Средние профили отношения рассеяния по сезонам и их среднеквадратичное отклонение за 1986-1990гг.

4. Средние зимние и летние профили отношения рассеяния за 1987-1990гг Квазидвухлетняя цикличность: интегральный коэффициент обратного аэрозольного рассеяния над Томском, зональное направление скорости ветра на экваторе, общее содержание озона над Томском. Тонкая линия – аппроксимация sin . Долговременные тренды удалены .

5. 2. Вулканический стратосферный аэрозоль. Вулкан Дель-Руис, Колумбия, 1985г. ; Вулкан Пинатубо, Индонезия, 1991г. Динамика вертикального распределения вулканического аэрозоля: вверху –в.Дель-Руис за 20,21,22,24,29 и 30 января 1986г, внизу –в.Пинатубо за 1991-1992гг. 20.01.86

6. Поствулканические процессы в стратосфере Релаксация (на примере В) – вверху, C едиментация (на примере R ) – внизу.

7. Аномалии вертикальной стратификации аэрозоля в стратосфере в периоды повышенной геомагнитной активности. Динамика аэрозольной вертикальной структуры в стратосфере над Томском во время магнитных бурь в марте 1988 ( 3 графика вверху ) и 1989гг.

8. Магнитные бури. По результатам лидарных наблюдений над Томском обнаружено явление, связанное с образованием аэрозольных слоев на высоте около 45 км во время прохождения магнитных бурь. Характерной особенностью динамики этих образований было опускание их на высоту до 10 км после прекращения геомагнитных возмущений со скоростью примерно 5 км в сутки.

9. Методика лидарного зондирования озона Уравнение лазерного зондирования Пропускание атмосферы, определяемое содержанием озона Точная формула расчета концентрации озона из лидарных измерений Формула расчета концентрации озона, полученная в ряде допущений или обеспечения условий измерений. 3080 3530

10. Озон – с 1889г. Средние за январь-март профили озона (вверху) и температуры (внизу) по данным лидарных наблюдений 1996-2000гг. и их сравнение с моделью. Проявление квазидвухлетней цикличности в вертикальном распределении ВРО и ВРТ. Даны разрезы по вертикальным эшелонам.

11. Методика лидарного зондирования температуры по молекулярному (релеевскому ) рассеянию света - Уравнение состояния идеального газа - Условие гидростатической непрерывности - Формула расчета температуры по лидарным сигналам

12. Температура – с 1991г. Зимние стратосферные потепления над Томском 1996г, февраль 1997г, февраль 1998г, январь 1999г, февраль

13. Зимние стратосферные потепления над Томском 1.Стратосферные потепления над Томском наблюдались каждую зиму. Поэтому явление СП можно отнести к разряду регулярных годовых событий для данного региона. 2. Продолжительность процессов СП находилась в пределах от несколько суток до месяца, что не выходит за временные рамки развития этих событий согласно известным литературным данным [1, 2, 4]. 3. Вертикальное распределение температуры при явлениях СП в интервале высот 15-35 км можно охарактеризовать тремя типами ее отклонения от фонового уровня:  положительной полуволной вверху и отрицательной внизу (противофазность процессов);  положительным сдвигом, локализованным в верхней части профиля температуры (очаг «теплого» воздуха);  положительным сдвигом во всем интервале высот (нисходящее движение воздушных масс с их дополнительным адиабатическим разогревом). 4. Максимальное потепление регистрировалось на высотах 25-35 км. Изменение температуры не превышало  Т =30К, что значительно меньше величины  Т =60  80К, наблюдаемой в стратосфере полярных широт при сильных СП. 5. Количество проявлений зимних СП распределяется по годам неравномерно: в 1996г.  2, в 1997г.  1, в 1998г  3, в 1999г.  1, и в 2000г.  2, т.е. в четные годы происходило по несколько событий, а в нечетные  по одному. Такие колебания, по  видимому, связаны с особенностями корреляции частоты возникновения СП с экваториальной квазидвухлетней цикличностью (КДЦ) стратосферы. Когда при восточной фазе КДЦ такие события происходят чаще. Выводы по особенностям проявлений СП над Западной Сибирью 2000г., март

14. Влияние глобальных геофизических процессов (ГГФП) на формирование вертикального распределения озона , температуры и аэрозоля над Западной Сибирью. 1.Многолетний ряд лидарных наблюдений за ВРО, ВРТ и ВРА на МСВЗ над Томском. 2.ГГФП –квазидвухлетние колебания, солнечная активность, температурный режим поверхности акваторий Мирового океана, арктическогое , антарктическое, тихоокеанское и другие субглобальные колебания за счет центров действия атмосферы. (всего 18) - рассматриваемые как регрессоры модели Индексы ГГФП: индексы среднего по экватору зонального ветра на уровне 30 и 50 мб (аналоги зонального ветра в Сингапуре [18]) - КДК30 и КДК50, индексы южного, арктического, североатлантического, тихоокеанско-североатлантического и антарктического атлантического колебаний – SOI, AO, NAO, PNA иAAO,соответственно; температуры поверхности океанов: Тихого - Nino 1+2 (0-10S, 90W-80W), Nino 3 (5N-5S, 150W-90W), Nino 3.4 (5N-5S, 170-120W), Nino 4 (5N-5S, 160E-150W), - и Атлантического – «Северная Атлантика » (5-20N, 60-30W), «Южная Атлантика» (0-20S, 30W-10E), «Тропическая Атлантика» (10S-10N, 0-360); средняя зональная температура на уровне 500 гПа - z500t; уходящая длинноволновая радиация на экваторе (160E-160W) - OLR., солнечная активность 10.7

15. Вклад глобальных геофизических процессов на формирование вертикального распределения озона и температуры ● По результатам лидарного мониторинга и регрессионного моделирования показано значимое влияние глобальных геофизических процессов на формирование вертикального распределения озона и температуры в стратосфере в центре Западной Сибири. Наибольшее воздействие на изменчивость озона и температуры из выявленных семи геофизических процессов для каждой величины оказывают температура Южной Атлантики и тихоокеанское колебание (от 25 до 85% , в зависимости от высоты).

16. Качество модели Коэффициент детерминации ВРО – 20-80%, ВРТ – 30-70% ОСО – спутник TOMS для Томска -около 33% Зависимость качества воспроизведения моделью вертикальных распределений концентрации озона и температуры.

17. Пространственно-временной разрез экспериментальных (вверху) и модельных (внизу) помесячно осреднённых отклонений ВРО и ВРТ от средних (за период 1996-2000) значений. ● Получены устойчивые статистические характеристики взаимосвязей ВРО и ВРТ c ГГФ, указывающие на высокое качество лидарного мониторинга. Построенная по ним регрессионная модель применима для обнаружения и диагностики изменений в ее состоянии.

18. ● Для аэрозоля, как и для озона и температуры, проявляется значимое влияние прежде всего тихоокеанского колебания, а также южного, североатлантического и антарктико-атлантического колебаний. Но в отличие от ВРО и ВРТ, в изменчивость ВРА вносят определенный вклад средняя зональная температура на изобарической поверхности 500гПа и средний зональный ветер на изобарических поверхностях 30 и 50 гПа. ГГФП оказывают существенное влияние на формирование профилей ВРА над Западной Сибирью, определяя в среднем более трети их изменчивости. ● Диапазон высот влияния ГГФП распадается на две области: выше 28 км и ниже 23 км, в которых влияние ГГФ в основном противофазно. ● Влияние ГГФ сильно снижается в условиях выраженной циклонической циркуляции.

19. Модернизация малой станции высотного зондирования Слева: лазер LS2135 фирма LOTIS , телескоп с зеркалом Ф=1м, приемный фотоэлектронный канал. Справа: схема размещения лидара

20. Приемные электронные каналы: режим работы - счет фотонов PMT R7207-01 (Hamamatsu) PMT H8259 (Hamamatsu) Photon counter PMM-328 Photon counter PMS-400A PMM-328 8 Channel Gated Photon Counter / Multiscaler  8 Discriminator/Counter Channels per Module  Parallel Operation of up to 4 Modules: Up to 32 Counter Channels  > 120 MHz Count Rate  Down to 250 ns / Memory Location  Up to 32k Points / Curve  Fast Gating Capability: 1.5 ns min. Gate Pulse Width  16 bit Counter Resolution  Direct Interfacing to most Detectors  Optional Step Motor Controller  Steady State Measurements  Optical Waveform Recording  Sample Scanning, Recording of Spectra  PC-Plug-in-Board for 486 or Pentium PC МСВЗА

21. Дополнение тропосферным каналом Блок-схема приемного канала Сигналы с ближней и дальней зон МСВЗА

22. Накопленные сигналы с ближней и дальней зоны (слева) и восстановленный по ним («сшитый») профиль аэрозольного отношения рассеяния. МСВЗА

23. Блок-схема трехканального (стратосферного, тропосферного и рамановского) приемного блока.

24. Наблюдения вертикальной стратификации аэрозоля в Томске (январь-март, июль 2008г.) Вертикальная стратификация аэрозоля над Томском, наблюдаемая 23 января, 20 февраля, 20 марта и 6 апреля 2008г. В нижней стратосфере и тропосфере в наблюдениях в январе, марте и апреле заметно присутствие аэрозоля в нижней стратосфере и тропосфере. Летом стратосфера становится практически чистой от аэрозоля.

25. Обнаружение эруптивного облака над Томском Вулкан Касаточи. Начало извержения – 07.08.2008 Расположение вулканов Окмок (12 июл.) и Касаточи Okmok

26. Результаты расчета траекторий переноса воздушных масс, в. Окмак (Черемисин А.А., СФУ) Возле Томска воздушные массы разных высот могли проходить в разное время: 7 км 7 августа в 12:00 GMT , 10 км 30 июля около 00:00 GMT , 11 км 3 августа в 00:00 GMT , 13 км 3 августа около 00:00 GMT , 15 км 12 августа в 00:00 GMT .

27. Результаты расчета траекторий переноса воздушных масс, в. Касаточи. МСВЗА Изобарические траектории движения воздушных масс от вулкана Касоточи с момента времени 08.08.08 12:00 GMT , начиная с высот 11, 12, 13 км. Наиболее близко к Томску проходили воздушные массы, которые начали движение с 11 км над вулканом. Ближайшая к Томску точка траектории была в момент времени 22.08.08 12:00 GMT на высоте около 11 км. Траектории, начавшиеся на других высотах прошли слишком далеко от Томска. Обратные изобарические траектории, рассчитанные от Томска, начиная с высот 11, 12, 13 км от момента времени 22.08.08 12:00 GMT (местное время – 18:00). Наиболее близко к вулкану 08.08.08 прошла обратная траектория, начавшаяся с 11 км, и прошедшая вблизи вулкана на высоте около 11,7 км.

28. Спутниковые наблюдения переноса диоксида серы в. Касаточи. Распространение диоксида серы по данным спутника GOME -2. По картам шлейф SO 2 мог проходить над Томском около 19 августа и около 22 августа. Приведена суммарная концентрация SO 2 по всем высотам. Если исходить из рассчитанных нами траекторий, точки шлейфов SO 2 имеют разную высоту от 6 до 15 км.

29. Наблюдения за вертикальным распределением температуры над Томском в зимне-весенний период 2008г. Выборочные вертикальные профили температуры. Верхний правый график показывает случай стратосферного потепления. На правых графиках до 30км. приведены профили температуры полученных на аэрологических станциях Новосибирска и Колпашево.

30. Наблюдения над Томском 25 ноября 2008г .

31. Спасибо за внимание! Маричев В.Н. [email_address] т. (8-382-2) 491-642 ИОА СО РАН,г. Томск Кудинов А.П. [email_address] Т. (8-812) 574-3017 ИОА СО РАН г. Санкт- Питербург