CC BY
132
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №1_
ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ
УДК 551.510.4, 523.035.334.3
С.Ф.Абдуллаев, А.Н. Махмудов, В.А.Маслов, Б.И.Назаров, М.И.Ходжахон
СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ И ПАРАМЕТРА АНГСТРЕМА В ДУШАНБЕ ПО ДАННЫМ АЭРОНЕТ
Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Х.Х.Муминовым 10.12.2014 г.)
В статье рассмотрены результаты обработки измерений, систематически проводившихся с 2010 по 2013 год на станции АЭРОНЕТ в г. Душанбе. Приводятся данные об изменениях влагосо-держания и параметра Ангстрема. Проанализированы сезонные и годовые вариации этих величин.
Ключевые слова: АЭРОНЕТ - влагосодержание - параметр Ангстрема - пылевой аэрозоль - пылевая мгла.
Изучение динамики изменения содержания водяного пара и параметра Ангстрема очень важны для оценки и описания любого рода климатических изменений. Такие исследования уже проводились для средних широт [1-3], однако данные по аридной зоне крайне ограничены. Данная работа восполняет этот пробел.
Спектроскопический метод (или метод оптической гигрометрии) утвердился в последнее время как один из основных при изучении состава и оптических характеристик атмосферы, в том числе и при определении интегрального содержания водяного пара в атмосфере. Методику измерений содержания водяного пара по спектрофотометрическим данным впервые разработал и успешно применил Фоуль [1, 2]. Далее метод исследования содержания водяного пара в атмосфере был развит во многих работах, например [3-6].
Методы фотометрии прямого и рассеянного солнечного излучения - это один из эффективных способов определения оптических характеристик атмосферного аэрозоля. В настоящее время наиболее развитой системой, с точки зрения автоматизации измерений, оперативности получения данных и глобального охвата, является сеть аэрозольных наблюдений AERONET (http://aeronet.gsfc.nasa.gov) [7-13].
В г. Душанбе исследования оптической и микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля начали проводиться с июля 2010 г. в режиме регулярных измерений благодаря проекту МНТЦ Т-1688 при поддержке коллабораторов из Франции, США, Португалии. Был установлен фотометр СЕ-318 сети AERONET и начаты исследования атмосферного аэрозоля в полуаридной зоне Таджикистана.
Содержание водяного пара определяется из обращения функции пропускания P=I/I0, которую находят с помощью фотометра в ближней ИК-области на длине волны Л =0.94 мкм, где I0и I- интенсивности падающей и прошедшей сквозь толщу атмосферы радиации, соответственно. В сети AERONET проводятся измерения на двух частотах, чувствительных к водяному пару 0.72 мкм и
Адрес для корреспонденции: Абдуллаев Сабур Фузайлович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Физико-технический институт АНРТ. E-mail: sabur.f.abdullaev@gmail.com
0.94 мкм. Вторая - более сильная полоса, используется для более точного определения полного содержания водяного пара в атмосфере.
Измерения проводились ежедневно при отсутствии облаков в атмосфере; после калибровки солнечного фотометра представленные данные соответствуют самому высокому уровню достоверности (level 2).
Динамика среднемесячных изменений параметра Ангстрема (рис.1) оказалась более сложной, чем соответствующая динамика АОТ. Параметр Ангстрема характеризует размер аэрозольных частиц. Значения, близкие к нулю, означают преобладание крупных частиц: когда А>1, то велика доля мелкодисперсных частиц. Высокая доля мелких частиц в зимнее и весеннее время и высокая доля крупных частиц летом и осенью, в период множественных пылевых эпизодов, тем не менее, не означает, что эти события происходят единообразно из года в год. Как видно на рис.1, в январе-феврале наблюдается минимум водяного пара и максимум параметра Ангстрема, это означает преобладание субмикронной фракции частиц. В июне-августе наблюдаются высокие значения содержания водяного пара и минимальные значения параметра Ангстрема, что означает преобладание в атмосфере крупнодисперсных частиц, в том числе за счёт трансграничного переноса пыли из сопредельных государств.
2.5 -г 2 -1.5 -1 " Э.5 -
0 1—I—1—I—I—I—1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—i—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I
2010 2011 2012 2013
Рис.1. Среднемесячные значения содержания водяного пара и параметра Ангстрема (А).
Параметр Ангстрема изменяется в интервале 0.471-1.583, при этом среднее значение составляет 0.887, стандартное квадратичное отклонение среднеарифметического значения а =0.056 (а =
— < А >)2/(п — 1)п ), а коэффициент вариации VА = 0.063 (V = о /<А>). Среднее значение
относительного отклонения £ = (А-<А>)/<А> составляет 0.0004 при максимуме 0.78 и минимуме— 0.469. Z-фактор (г=(А-<А>)/о, изменяется в диапазоне -8.32 - 13.92 при среднем значении 0.0072 (табл.1а и 1б).
Таблица 1.а.
Статистические характеристики водяного пара и параметра Ангстрема
Годы Месяцы w £ г А £А г
2010 VII 1.69 -0.48 2.36 0.53 -0.40 -7.18
УШ 1.55 -0.61 1.78 0.48 -0.46 -8.08
IX 1.31 -0.84 0.73 0.74 -0.16 -2.90
X 1.17 -0.96 0.14 0.48 -0.46 -8.20
XI 0.77 -1.30 -1.57 1.20 0.35 6.28
XII 0.52 -1.46 -2.67 0.92 0.04 0.66
2011 I 0.50 -1.47 -2.72 1.21 0.37 6.48
II 0.63 -1.40 -2.19 1.40 0.58 10.22
VII 1.60 -0.56 1.99 0.48 -0.46 -8.10
VIII 1.64 -0.53 2.15 0.48 -0.46 -8.14
IX 1.34 -0.81 0.88 0.59 -0.33 -5.94
X 1.27 -0.87 0.58 0.73 -0.18 -3.18
XI 0.89 -1.20 -1.04 1.41 0.59 10.44
XII 0.38 -1.50 -3.24 1.50 0.69 12.28
Таблица 1.б.
Статистические характеристики водяного пара и параметра Ангстрема
Годы Месяцы w £ г А £А г
2012 I 0.38 -1.50 -3.27 1.58 0.78 13.92
II 0.32 -1.49 -3.49 1.42 0.60 10.70
III 0.65 -1.38 -2.09 0.98 0.11 1.88
IV 1.09 -1.03 -0.21 0.95 0.07 1.26
У 1.69 -0.48 2.36 0.86 -0.04 -0.64
VI 1.92 -0.26 3.37 0.84 -0.05 -0.90
VII 1.74 -0.43 2.60 0.77 -0.14 -2.40
VIII 1.69 -0.48 2.39 0.59 -0.33 -5.86
IX 1.28 -0.86 0.61 0.47 -0.47 -8.32
X 0.70 -1.35 -1.89 0.77 -0.14 -2.40
2013 I 0.54 -1.45 -2.56 1.31 0.47 8.36
II 0.61 -1.41 -2.25 1.45 0.63 11.24
III 1.01 -1.10 -0.53 0.79 -0.11 -1.92
IV 1.16 -0.97 0.08 0.87 -0.02 -0.42
V 1.41 -0.74 1.18 0.83 -0.07 -1.24
VI 1.68 -0.49 2.32 0.52 -0.42 -7.38
VII 1.69 -0.48 2.39 0.70 -0.21 -3.70
VIII 1.94 -0.24 3.45 0.68 -0.23 -4.16
IX 1.19 -0.95 0.21 0.58 -0.35 -6.14
X 0.95 -1.15 -0.80 0.67 -0.24 -4.30
XI 0.85 -1.24 -1.24 1.13 0.28 4.88
XII 0.85 -1.24 -1.25 1.05 0.18 3.16
Параметр Ангстрема и относительная влажность воздуха хорошо коррелируют, причём коэффициент корреляции концентрации водяного пара с параметром Ангстрема составляет г= -0.77, то есть наблюдается обратная корреляция. Это видно на рис.1.
Среднесезонные значения содержания водяного пара и параметра Ангстрема приведены на рис.2. Среднесезонное содержание водяного пара всегда имеет максимум летом и минимум зимой, эта особенность повторяется для всех лет наблюдений. Среднесезонные значения параметра Ангстрема имеют максимум зимой и минимум летом, что связано с преобладанием крупных частиц летом и осенью из-за вторжения пылевой мглы. Зимой и весной атмосфера относительно чистая и преобладает субмикронная фракция частиц, что приводит к максимальным значениям параметра Ангстрема.
Рис.2. Среднесезонные значения содержания водяного пара и параметра Ангстрема (А),
а - 2011 г., б - 2012 г., в - 2013 г.
Среднегодовые значения параметра Ангстрема и содержания водяного пара представлено на рис.3. За исключением 2011 г., среднегодовые значения водяного пара за 2010-2013 гг. близки друг другу. Годовое изменение содержания водяного пара имеет минимум в 2011 г.
Рис.3. Среднегодовые значения содержания водяного пара и параметра Ангстрема
Изменение среднегодового значения параметра Ангстрема имеет максимум в 2011 г. с монотонным спадом в оба направления. Это означает, что в 2011 г. атмосфера была более чистой, чем в другие годы исследований. На рис.3 можно видеть, что влагосодержание и параметр Ангстрема изменяются практически в противофазе: когда один параметр увеличивается, то другой уменьшается и наоборот. Такое поведение параметров указывает на их обратную корреляцию.
Рис.4. Коэффициенты корреляции АОТ с содержанием водяного пара г(^) и параметром Ангстрема г(^)
для различных длин волн.
Интересное поведение имеют корреляции аэрозольной оптической толщи (АОТ) с содержанием водяного пара и параметром Ангстрема для различных длин волн (в УФ, видимой и ближней
ИК-области спектра), представленные на рис.4. АОТ имеет положительную корреляцию с водяным паром и отрицательную корреляцию с параметром Ангстрема. Наблюдаются симметричные изменения корреляционных зависимостей. Коэффициент корреляции аэрозольной оптической толщи на длине волны 0.5 мкм с водяным паром составляет r= 0.508, а с параметром Ангстрема r= -0.603. Это можно наблюдать даже по изменению среднемесячных значений изучаемых величин (рис.1). Чем меньше влажность, тем более крупные частицы находятся в аэрозоле, тем выше параметр Ангстрема. Конденсация водяного пара на крупных частицах приводит к их быстрому вымыванию из атмосферы. Та же закономерность проявляется и при сопоставлении среднемесячных значений параметра Ангстрема и относительной влажности воздуха за 2012 и 2013 гг. (рис.1). Чем выше влажность, тем ниже параметр Ангстрема. Чем более влажный сезон, тем выше дисперсность аэрозоля.
Такая закономерность подтверждается и прямыми наблюдениями размеров частиц, восстановленных путём решения обратной задачи.
При среднем значении 1.127 концентрация водяного пара изменяется в интервале 0.3241.941, стандартное квадратичное отклонение с =0.23, коэффициент вариации составляет V=0.20. Среднее значение относительного отклонения составляет £ = -0.96 при максимуме -0.239 и минимуме -1.49. Z-фактор изменяется в диапазоне от -3.48 до 3.45 при среднем значении -0.964 (табл.1).
Заключение
Проведённые исследования показали, что данные станции AERONET позволяют получить полезную информацию о долговременных изменениях параметров атмосферы и климатических изменениях. Систематические измерения прозрачности атмосферы позволяют следить за параметрами аэрозольных частиц и за влажностью воздуха.
Анализ вариации содержания водяного пара в атмосфере аридной зоны показывают, что максимальные значения содержания водяного пара наблюдаются летом, а минимальные - зимой. Сезонные колебания величины водяного пара хорошо выражены и характеризуются для аридной зоны изменением влагосодержания в 2.33-3.61 раза при переходе от зимы к лету. Для летне-осеннего периода характерно постепенное падение влагосодержания с утра до середины дня, с минимумом в полдень и последующим ростом до вечера. Зимой наблюдается монотонный спад влагосодержания с утра до вечера. В весенний период содержание водяного пара с утра повышается, достигая максимума в середине дня, а затем до вечера происходит спад. Содержание водяного пара в атмосфере в период пылевой мглы увеличивается до двух раз.
Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (проект Т-2076).
Поступило 10.12.2014 г.
ЛИТЕPАТУPА
1. Fowle F.E. The Spectroscopic Determination of Aqueous Vapor - Astrophys. J. 1912, v. 35, №3, pp. 149-162.
2. Fowle F.E. The Transparency of Aqueous Vapor - Astrophys. J., 1915, v. 42, pp. 394-411.
3. Торопова Т.П. Определение количества водяного пара, содержащегося в атмосфере, спектроскопическим методом - ДАН СССР, 1966, №1, c.86-72.
4. Арефьев В.Н., Вишератин К.Н., Устинов В.П. Спектроскопические исследования влагосодержа-ния атмосферы - Оптика атмосферы и океана. 1988, т.1, № 8, с. 122-124.
5. Кабанов Д.М., Сакерин С.М. Результаты исследований общего влагосодержания атмосферы методом оптической гигрометрии. Ч. I. Анализ методики и результатов калибровки - Оптика атмосферы и океана, 1995, т.8, № 6, с. 852-860.
6. Кабанов Д.М., Сакерин С.М. Результаты исследований общего влагосодержания атмосферы методом оптической гигрометрии. Ч. II. Характеристики изменчивости влагосодержания. - Оптика атмосферы и океана, 1996, т. 9, № 5, с. 656-663.
7. Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I. et al. AERONET - A federated instrument network and data archive for aerosol characterization - Remote Sens. Environ. 1998, v. 66, №1, pp. 1-16.
8. Dubovik O., Smirnov A., Holben B.N. et al. Accuracy assessments of aerosol optical properties retrieved from Aerosol Robotic Network (AERONET) Sun and sky radiance measurements - J. Geophys. Res. D. 2000, v. 105, №4, pp. 9791-9806.
9. Dubovik O., King M.D. A flexible inversion algorithm for retrieval of aerosol optical properties retrieved from Sun and sky radiance measurements - J. Geophys.Res. D., 2000, v. 105, №16, pp. 20673-20696.
10. Smirnov A., Holben B.N., Eck T.F. et al. Cloud screening and quality control algorithms for the AERONET data base - Remote Sens. Environ. 2000. v. 73. pp. 337-349.
11. Holben B.N., Tanre D., Smirnov A. et al. An emerging ground-based aerosol climatology Aerosol Optical Depth from AERONET - J. Geophys. Res. 2001, v. 106, N 11, pp. 12067-12097.
12. Smirnov A., Royer A., O'Neill N.T. et al. A study of the link between synoptic air mass type and atmospheric optical parameters - J. Geophys. Res. D, 1994, v. 99, N 10, pp. 20967-20982.
13. Абдуллаев С.Ф., Маслов В.А., Назаров Б.И., и др. Результаты исследований содержания водяного пара в атмосфере аридной зоны. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2014, 50, №2, с. 205-214.
С.Ф.Абдуллаев, А.Н. Махмудов, В.А.Маслов, Б.И.Назаров, М.И. Ходжахон
ТАРЙИРЁБИИ МАВСИМИИ БУРИ ОБ ВА НИШОНДИ^АНДАИ АНГСТРЕМ ДАР ДУШАНБЕ АЗ РУИ МАЪЛУМОТ^ОИ АЭРОНЕТ
Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон
Дар макола натичахои ченкунихои мунтазам ва бефосилаи солхои 2010-2013 дар станци-яи АЭРОНЕТи ш.Душанбе пешниход карда шудааст. Маълумотхо оиди буги об ва нишондихдндаи Ангстрем оварда шудааст.Тагйирёбии мавсимй ва солонаи ин бузургихо тахлил карда шудаанд.
Калима^ои калиди: АЭРОНЕТ - буги об - нишондиуандаи Ангстрем - аэрозоли хоки -абри аэрозоли.
S.F.Abdullaev, A.N.Makhmudov,V.A.Maslov, B.I.Nazarov, M.I.Khodzhakhon
SEASONAL CHANGES OF MOISTURE CONTENT AND ANGSTROM PARAMETER IN DUSHANBE ACCORDING THE AERONET DATA
U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan In the article the results of measurements which carried out systematically from 2010 to 2013 on the AERONET station in Dushanbe described. The data on the changes of moisture content and Angstrom parameter described. The seasonal and annual variations of these quantities being analyzed. Key words: AERONET - moisture - Angstrom parameter - dust aerosol - dust haze.
