CC BY
17Использование космических средств и технологий для мониторинга окружающей природной среды
УДК 523.31-852
ИЗМЕНЧИВОСТЬ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА В УМЕРЕННЫХ ШИРОТАХ СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЙ (ПО ДАННЫМ СПЕКТРОМЕТРА OMI/AURA)
К. Ф. Десятков, В. Б. Кашкин, Т. В. Рублёва
Сибирский федеральный университет Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79. E-mail: tvrubleva@ksc.krasn.ru
Исследованы временные ряды стратосферного озона умеренных широт Северного и Южного полушарий за 2006-2012 гг., полученных спектрометром OMI (спутник AURA), с помощью метода сингулярного спектрального анализа. Согласно полученным оценкам, постепенное изменение общего содержания озона в указанный период составляет 0,5 % в год для Северного полушария и 0,53 % в год для южного полушария.
Ключевые слова: космический мониторинг, стратосфера, озоновый слой, тренды озона, сингулярный спектральный анализ.
THE VARIABILITY OF THE STRATOSPHERIC OZONE IN THE MIDDLE LATITUDES OF NORTHERN AND SOUTHERN HEMISPHERES (ACCORDING TO THE DATA OF SPECTROMETER OMI/AURA)
K. F. Desyatkov, V. B. Kashkin, T. V.rubleva
Siberian Federal University 79, Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia. E-mail: tvrubleva@ksc. krasn.ru
The time series of stratospheric ozone in the middle latitudes of Northern and Southern hemispheres for 2006-2012, received by a spectrometer OMI (satellite AURA), using a method of the singular spectral analysis were investigated. According to the received estimates gradual change of the total ozone in this period was 0,5 % per year for the northern hemisphere and 0,53 % per year for the Southern hemisphere.
Keywords: monitoring from space, stratosphere, the ozone layer, ozone trends, singular spectrum analysis.
Экспериментальные исследования озонового слоя стали наиболее актуальными в связи с появлением аномальных образований в озоносфере и убылью общего содержания озона (OCO). На сегодняшний день проблему озонового слоя Земли ставят в число наиболее значимых глобальных проблем, связанных с сохранением природной среды. С экологической точки зрения, наиболее важен стратосферный озон, максимум концентрации которого на разных широтах приходится на высоты 16-25 км (нижняя стратосфера). Анализ трендов ОСО, проведенный в [1], показал, что за 1978-1993 гг. в средних широтах Северного полушария озоновый слой истощался на 3,4 % за 10 лет, а в Южном - на 4,8 % за 10 лет. Уменьшение общего содержания озона в Северном полушарии в 19962005 гг. происходило со скоростью 2,9 % за 10 лет, а в Южном - 1,0 % за десятилетие.
В данной работе изучалась долговременная изменчивость озоносферы в умеренных широтах Северного и Южного полушарий на основе временных рядов ОСО в 2006-2012 гг. Данные были получены спектрометром OMI (Ozone Monitoring Instrument) (спутник AURA), измеряющим интенсивность уходящей солнечной радиации в двух каналах: UV ультрафиолетовом (270-380 нм) и VIS видимом (350-500 нм) с высоким пространственным разрешением ( ДХ = 0,45 нм в UV диапазона и в ДХ = 0,63 нм в VIS области). Поле зрения прибора OMI - 114°, что соответствует полосе обзора 2 600 км. Горизонтальное разрешение при измерениях в надир составляет (13*24) км2, обеспечивая
измерения интенсивности солнечного излучения вдоль и поперек движения AURA.
Полученная информация в глобальном масштабе охватывает по широте (от 89,5° ю. ш. до 89,5° с. ш.) и по долготе (179,375° в. д. - 179,375° з. д.). Ежедневные данные ОСО представлены для OMI с шагом 1° по широте и долготе в базе данных NASA [2]. В качестве области для исследования долгопериодной изменчивости озона был выбран диапазон широт (37,557,5°), для которого определялось среднее значение содержания озона за день. На рис. 1 приведен пример временного ряда ОСО за 2006-2012 гг. в умеренных широтах Северного и Южного полушарий. Длина ряда составила 2 557 дней. Ряд ОСО содержит линейный тренд, шум и сезонный компонент в форме синусоиды с периодом в 365 дней, амплитуда которой линейно нарастает. Во временных рядах ОСО присутствуют квазипериодические компоненты, значения которых не только коррелированны, но и связаны функционально. Корректное выделение слабо выраженного тренда (как в нашем случае) на фоне шума и периодического сигнала большой интенсивности является сложной задачей.
Обычной методикой выделения тренда ОСО является использование линейной регрессионной модели, основанной на методе наименьших квадратов (МНК) [3]. Однако применение МНК к временным рядам на рис. 1 некорректно, так как МНК предполагает, что данные, не относящиеся к тренду (обычно ошибки измерений), не коррелированны.
Решетневскуе чтения. 2013
Северное полушарие
260 -'-'
01.01.06 01.11.06 0109.07 01.07.ОН ОТ.05.08 01.03.10 01.01.11 01.11.11 01.0ft.12
Рис. 1. Пример временного ряда средних значений ОСО в области умеренных широт за 2006-2012 гг.
В данной работе анализ временных рядов ОСО проводился с помощью метода сингулярного спектрального анализа (ССА «Гусеница») [4]. В целом применение сингулярного спектрального анализа позволило существенно увеличить достоверность оценивания тренда озона и скорости деградации озонового слоя, при этом вид тренда заранее задавать не требуется. Полученные тренды среднего ОСО приведены на рис. 2.
Тренды допускают линейную аппроксимацию. Для периода 2006-2012 гг. установлено, что в умеренных широтах Северного полушария оценка скорости деградации озона а = 0,003 е.Д./сутки, стандартное отклонение оценки ста = 0,0004 е.Д./сутки В умеренных широтах Южного полушария оценка этого параметра составила а = 0,004 е.Д./сутки, стандартное отклонение оценки ста = 0,0005 е.Д./сутки. Изменение общего содержания озона в умеренных широтах Северного полушария составило 0,5 % в год. Для Южного полушария изменчивость составила 0,53 % в год. Полученные уточненные тренды ОСО могут использоваться в модельных расчетах прогноза состояния озоносферы.
Библиографические ссылки
1. Кашкин В. Б., Рублева Т. В. Исследование трендов спутниковых оценок общего содержания озона с использованием сингулярного спектрального анализа // Исследование Земли из космоса. 2009. № 4. С. 9-16.
ОСО 340 ззв 336 334 332 330 01,0 е. д. Северное полушарие
1,06 01.11X16 01,09.07 01.07,06 01,06,09 01-03-10 01j01.11 01,11.11 0109,12
ОСО е. д. Южное полушарие
310 308 306 304 302 300 01.0
и» 01.11-0$ 01.09 07 очлаг, 0105.09 oi.ta.io di.oi.ii 01.11.11 01 .«.1 г
Рис. 2. Тренды временных рядов ОСО в кольце (37,5°-57,5°) за 2006-2012 гг.
2. Varotsos C. Atmospheric pollution and remote sensing: implications for the southern hemisphere ozone hole split in 2002 and the northern midlatitude ozone trend // Advances in Space Research. 2004. Vol. 33. Iss. 3. P. 249-253.
3. URL: http://toms.gsfc.nasa.gov (дата обращения: 11.02.2013).
4. Голяндина Н. Э. Метод «Гусеница» SSA: анализ временных рядов. СПб. : С.-Петерб. ун-т, 2004. 74 с.
References
1. Kashkin V. B., Rubleva T. V. Issledovanie trendov sputnikovyh ocenok obshhego soderzhanija ozona s ispol'zovaniem singuljarnogo spektral'nogo analiza // Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2009. № 4. S. 9-16.
2. Varotsos C. Atmospheric pollution and remote sensing: implications for the southern hemisphere ozone hole split in 2002 and the northern midlatitude ozone trend // Advances in Space Research. 2004. Vol. 33. Issue 3. P. 249-253.
3. URL: http://toms.gsfc.nasa.gov (data obrashhenija: 11.02.2013).
4. Goljandina N. Je. Metod «Gusenica» SSA: analiz vremennyh rjadov. SPb. : S.-Peterb. un-t, 2004. 74 s.
© Десятков К. Ф., Кашкин В. Б., Рублёва Т. В., 2013
