Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
Научно-производственное объединение «Тайфун»
объясняем.рф

Результаты анализа данных

В настоящем разделе приведены некоторые результаты анализа вариаций парниковых газов (СО2, СН4, Н2О) на станциях Обнинск и Иссык-Куль.

Углекислый газ

На рис. 1 приведены результаты измерений средней во всей толще атмосферы концентрации СО2 (Иссык-Куль) и результаты измерений приземной концентрации СО2 (Обнинск).

RIS1.jpg

Рис. 1. а) - Приземные концентрации СО2 на ст. Обнинск (02.1998-12.2015), б) - средняя во всей толще атмосферы концентрация СО2 на ст. Иссык-Куль (05.1980-06.2015). Прямые линии – линейный тренд.

Основная тенденция в многолетних вариациях углекислого газа – сезонная изменчивость и значительный положительный тренд, составляющий для Иссык-Куля 1,59± 0,08 млн-1 в год, а для Обнинска 2,0 ± 0,2 млн-1 в год. По данным сети ВМО [3] скорость роста глобальной концентрации углекислого газа за последнее десятилетие составляет примерно 2 млн-1 в год. Тренды для отдельных месяцев и сезонов могут отличаться, причем для данных ст. Иссык-Куль характерна зависимость от сезона с максимальными трендами зимой, в то время как для Обнинска наблюдается дополнительный максимум весной, что, по имеющимся оценкам, связано с наблюдаемыми в это время инверсионными слоями температуры и накоплением углекислого газа в нижнем слое атмосферы. По данным станции Обнинск особенно заметен (в сравнении с периодом с 2006 по 2010 гг.) рост СО2 в период после 2010 г. Максимальные значения углекислого газа в зимний период в последние два года превысили 410 млн-1.

Для анализа спектральной структуры вариаций углекислого газа были использованы Фурье и вейвлетное преобразование (рис. 2). Более подробно алгоритмы и методы спектрального анализа изложены в [4]. Оценки значимости на рисунках приведены для всего спектра, включая годовую гармонику. Амплитуды годовой гармоники примерно в три раза превышают амплитуды более длиннопериодных колебаний. При исключении годовой гармоники (отбеливании) значимыми становятся также колебания с периодами, большими 40 мес (рис. 2а) и колебания в области 40-150 мес (рис. 2в).

RIS2.jpg 

Рис. 2. Фурье (а) и вейвлетный (б) анализ рядов СО2 на ст. Обнинск и на ст. Иссык-Куль (в, г). Горизонтальные линии на рис. 2а и 2в соответствуют доверительной вероятности 95%.

Для данных ст. Иссык-Куль наиболее стабильные по частоте и амплитуде колебания расположены в районе 40-50 мес и 80-100 мес. Длиннопериодное колебание в области 200-250 мес имело максимум в 1996-1997 гг. и минимумы в 1987-1988 и 2007-2008 гг. Для данных ст. Обнинск наибольшие амплитуды имеют колебания с периодами в области 46 - 80 мес, для разрешения структуры колебаний с большими периодами длина ряда пока недостаточна.

Метан

Результаты измерений приземных концентраций метана в Обнинске показаны на рис. 3. Величина линейного тренда по среднемесячным данным за период измерений с 1998 по 2013 гг. была отрицательна (-1,7 ± 0,9) млрд-1 в год, однако, начиная с 2007 года, амплитуда межгодовых колебаний, а также среднегодовые значения концентрации метана по данным измерений в Обнинске увеличивались. В 2014-2015 гг. наблюдался заметный рост метана, что привело к изменению знака тренда в целом за 1998-2015 гг. на положительный (0,2 ± 0,7) млрд-1 в год. Рост концентрации метана в последние годы наблюдался и на других Европейских станциях. Например, по предварительным данным, на станции Хохенпайсенберг (47,80o с.ш., 11,02o в.д.) концентрация метана в конце 2014 года (ноябрь-декабрь) составила примерно 2000 млрд-1 в сравнении с 1930 млрд-1 в 2013 году [5].

Ris3.jpg
Рис. 3. а) - Приземные концентрации СН4 на ст. Обнинск (02.1998-12.2015). Прямая линия – линейный тренд. б) и в) – результаты Фурье и вейвлетного анализа соответственно. Горизонтальная линия на рис. 3б соответствует доверительной вероятности 95%.

На рис. 3б показан амплитудный спектр метана в области 5-200 мес. Амплитуда годовой гармоники составляет около 47 млрд-1. После исключения годовой гармоники в области короткопериодных колебаний значимыми становятся полугодовая гармоника и гармоника с периодом около 9 мес. В длиннопериодной части спектра значимыми на уровне 95% становятся колебания с периодами около 27, 40 и 150 мес. По результатам вейвлетного анализа выделяются достаточно стабильные по амплитуде вариации метана с периодами вблизи 40-50 мес. Колебания с периодами более 130 мес имеют значительную амплитуду, однако, длина ряда пока недостаточна, чтобы делать предположения о природе возникновения этих колебаний.

На ст. Иссык-Куль в 2005 году были начаты измерения средней во всей толще атмосферы концентрации метана. Концентрация метана по данным ст. Иссык-Куль ниже, чем на ст. Обнинск и находятся в пределах 1750 - 1930 млрд-1. В течение всего периода измерений средняя во всей толще атмосферы концентрация метана на ст. Иссык-Куль постоянно росла, линейный тренд по данным за 2005-2015 гг. составляет (5,6 ±4,2) млрд-1 в год, т.е. примерно в 2 раза больше, чем за этот же период на ст. Обнинск.

Водяной пар

Водяной пар играет важную роль в различных процессах в атмосфере и является основным парниковым газом. Результаты измерений общего содержания водяного пара на ст. Иссык-Куль показаны на рис. 4.

RIS4.jpg
Рис. 4. а) – Общее содержание водяного пара на ст. Иссык-Куль (05.1980-06.2015). Прямая линия – линейный тренд. б) и в) – результаты Фурье и вейвлетного анализа соответственно. Горизонтальная линия на рис. 4б соответствует доверительной вероятности 95%.

Общее содержание водяного пара на рис. 4 приведено в единицах измерения г/cм2, что соответствует высоте осажденного слоя воды в столбе атмосферы с площадью основания 1 см2. Содержание водяного пара в атмосфере варьирует в широких пределах в течение дня и сезона. Наряду со значительной амплитудой годовых колебаний наблюдаются более медленные вариации. Максимальные среднемесячные значения наблюдались летом 1982, 1989 и 2000 гг. Минимальные концентрации водяного пара приходятся на зимние месяцы и составляют 0,3-0.6 г/см2, а максимальные – на летние и составляют 2,5-3,0 г/см2. Величина линейного тренда содержания водяного пара по среднемесячным данным за период измерений с 1980 по 2015 гг. (рис. 4а) незначима и составляет (0,0009 ± 0,0030) г/см2 в год.

Наблюдаемое потепление влияет на процессы осадкообразования и испарения и соответствующий рост температуры должен приводить к росту содержания водяного пара [6]. Однако из рис. 4а визуально можно определить, что начиная с 1999-2000 гг., наблюдается небольшое уменьшение содержания водяного пара как для максимальных (летних) так и для минимальных (зимних) значений (величина отрицательного тренда составляет (-0,005 ± 0,010) г/см2 в год). Причины такого поведения неясны.

Для спектральной структуры колебаний водяного пара характерна большая амплитуда годовой гармоники (около 0,86 г/см2), полугодовая гармоника с амплитудой 0,18 г/см2 и многочисленные гармоники с амплитудами менее 0,1 г/см2 (рис. 4б). После исключения годовой гармоники значимыми на уровне 95% становятся колебания с периодом 6 и 115 мес. Из вейвлетограммы следует, что максимумы колебаний водяного пара в области квазидесятилетних вариаций (8-13 лет) проявляются вблизи 1980, 1990 и 1999 гг., т.е. в периоды максимумов солнечной активности. Следует отметить также, что амплитуда квазидесятилетних колебаний водяного пара в период 2009 – 2012 гг. уменьшилась, что, возможно, связано с невысокой активностью Солнца в этом 11-летнем цикле.

Список литературы

1. Кашин Ф.В., Арефьев В.Н., Вишератин К.Н., Каменоградский Н.Е., Семенов В.К., Синяков В.П. Результаты экспериментальных исследований радиационно-активных составляющих атмосферы в центре Евразии // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36, № 4. С. 463-492.

2. Арефьев В.Н., Кашин Ф.В., Акименко Р.М., Вишератин К.Н.и др. Исследования в области атмосферной спектроскопии. //Сборник «Проблемы гидрологии и мониторинга окружающей среды». Обнинск: ГУ НПО "Тайфун". 2010. Т. 1, С. 85-104.

3. Tans P. NOAA Earth System Research Laboratory, Global Monitoring Division (NOAA ESRL GMD, www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/).

4. Вишератин К.Н., Карманов Ф.И. Практические методы оценивания спектральных параметров. Обнинск: ИАТЭ, 2008. 60 с. (http://www.rpatyphoon.ru/activities/climate-monitoring/LAST/publications.php).

5. Dlugokencky E.J. NOAA Earth System Research Laboratory, Global Monitoring Division (ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/data/trace_gases/).

6. IPCC, 2001: Climate Change 2001: Synthesis Report. A Contribution of Working Groups I, II, and III to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Watson, R.T. and the Core Writing Team (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom, and New York, NY, USA, 398 pp.