Lidar studies of the vertical distribution of aerosol in the stratosphere over Тomsk in 2023

Full Text

Введение

В 2023 г. на лидарном комплексе ИОА СО РАН продолжались наблюдения за поведением аэрозольной компоненты стратосферы над Томском в различные месяцы года. Для указанного периода, как и периода предыдущих нескольких лет, характерным являлось отсутствие мощных вулканических извержений, которые могли бы оказывать влияние на заметное возмущение аэрозольной компоненты стратосферы Северного полушария, включая регион Западной Сибири. Поэтому имелась возможность проследить особенности вертикально-временной изменчивости наполнения стратосферы фоновым аэрозолем и его интегральным содержанием для Западной Сибири, включая приведенные в работах [1–3] исследования предыдущих лет за достаточно длительный временной интервал. Используемая для анализа первичная информация состояла из массива данных из 75 суммарных сигналов, накопленных в отдельные ночи 2023 г. Для сравнительно анализа были взяты результаты лидарного мониторинга стратосферы за 2017 – начало 2024 гг.

Аппаратура, условия проведения мониторинга, определяемые параметры

Измерения проводились на лидарном комплексе, передатчиком которого являлся лазер LS-2137U-UV3 на АИГ:Nd3+ с излучением на длине волны 532 нм, энергией импульсов 400 мДж с частотой генерации 10 Гц. Обратнорассеянное излучение поступало на телескоп системы Ньютона с приемным зеркалом диаметром 1 м и фокусным расстоянием 2 м. Прием световых сигналов проводился по двум каналам с разделением в соотношении 10% и 90% в целях уменьшения динамического диапазона (ближняя и дальняя зона приема). Разделенные оптические сигналы поступали на фотосенсорные модули (фирма Hamamatsu), где происходило их преобразование в электрические сигналы в режиме счета фотонов. Далее производилась их регистрация в счетчике фотонов с дальнейшей передачей данных в компьютер для сбора и накопления. Зондирование проводится в ночное время суток. Диапазон высот зондирования - от 10 до 50 км. Используемое вертикальное разрешение измерения сигнала (длина строба) составляет 192 м. Единичная серия измерений равнялось 10 мин., а среднее время проведения измерений за ночь – около двух часов. В качестве параметра, описывающего вертикальную стратификацию аэрозоля, представлена оптическая характеристика $R\left(H\right)$ – отношение аэрозольного рассеяния.

$R\left(H\right)=\frac{\beta \left(H\right)}{{\beta }_M\left(H\right)}=\frac{{\beta }_M\left(H\right)+{\beta }_A\left(H\right)}{{\beta }_M\left(H\right)}=1+\frac{{\beta }_A\left(H\right)}{{\beta }_M\left(H\right)},$                           

где, H – текущая высота, ${\beta }_M\left(H\right)$, ${\beta }_A\left(H\right)$ – коэффициенты молекулярного и аэрозольного обратного рассеяния света.

Контроль за временной динамикой аэрозольного наполнения стратосферы проводился с использованием параметра B – интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния, определяемого по формуле:

$B=\underset{H_1}{\overset{H_2}{\int }}\beta \left(h\right)dh,$                                                       

где, $H_1$ = 10 км, $H_2$ = 30 км.

Данные параметры R и B широко используются в мировой практике лидарного мониторинга атмосферы для исследования пространственно-временной динамики аэрозольной компоненты [4].

Результаты наблюдений

Профили стратификации аэрозоля для холодного периода года, (январь, февраль), представлены на рис. 1. Из-за неблагоприятных погодных условий (облачное небо) измерения были ограничены пятью отдельными ночами наблюдений. Несмотря на значительный временной разрыв в измерениях (в среднем 10 суток), в январе наблюдается устойчивая структура вертикальной стратификации аэрозоля с основным содержанием в нижней стратосфере (10-30 км). Для февраля отмечается аналогичная ситуация с некоторым уменьшением содержания аэрозоля в нижней половине стратосферы (на высоте 15 км $R=1.2-1.3$ для февраля по сравнению с $R=1.4$ для января) и высоты слоя основного аэрозольного наполнения до 20-25 км.

 

Рис. 1. Профили вертикальной стратификации аэрозоля за январь - февраль 2023 г., выраженные через параметр отношение рассеяния R (кривые красного цвета, черного - коридор стандартного отклонения). Цветовой градацией обозначена стратификация аэрозоля, выраженная через коэффициент обратного рассеяния, полученная спутником Калипсо

[Figure 1. Profiles of vertical stratification of aerosol for January - February 2023, expressed in terms of the scattering ratio parameter R (curves in red, black - the standard deviation corridor). The color gradation indicates the stratification of the aerosol, expressed in terms of the backscattering coefficient obtained by the Calypso satellite]

 

Вертикальное распределение аэрозоля в весенний период показано на рис. 2.

 

Рис. 2. Профили вертикальной стратификации аэрозоля весны 2023 г.

[Figure 2. Profiles of vertical stratification of aerosol in spring 2023]

 

Следует отметить заметную динамику вертикальной стратификации аэрозоля в весенний период 2023 года, в отличие от наблюдений прошлых лет. Так, в марте вертикальная стратификация аэрозоля оценивается средним значением $R\simeq 1.2$ в слое 10-20 км и основным содержанием аэрозоля в слое от 10 до 30 км., в апреле отношение рассеяния на в слое 10-20 км испытывает заметные колебания от 1.1 до 1.3, а слой основного аэрозольного наполнения стратосферы остается постоянным (10-30 км.). В мае слой основного содержания аэрозоля сокращается до высоты 25 км, вместе с тем наблюдаются дни с повышенным содержанием аэрозоля (3, 10, 11 мая) с $R\simeq 1.5$ на высоте 10 км. Данное обстоятельство, вероятнее всего, связано с заносом пирокумулятивных облаков от лесных пожаров.

Летний периода года (рис. 3) характерен низким значением аэрозольной компоненты в стратосфере, при котором отмечаются случаи незначительного содержания аэрозоля в отдельных участках слоя 15-25 км ($R\le 1.1$). Ниже 15 км наблюдаемые всплески аэрозольного рассеяния могут быть Следует отметить заметную динамику вертикальной стратификации аэрозоля в весенний период 2023 года, в отличие от наблюдений прошлых лет. Выше 25 км присутствие аэрозоля не наблюдается.

 

Рис. 3. Стратификация аэрозольного наполнения в июне – августе 2023 г.

[Figure 3. Stratification of aerosol filling in June – August 2023]

 

Далее с сентября происходит рост аэрозольного наполнения нижней стратосферы (рис. 4). Особняком выделяется случаи резкого увеличение содержания аэрозоля в отдельные даты осеннего периода, которое в отдельных случаях превышает его максимальные значения декабря-января, наблюдаемых обычно как в предыдущие годы, так и в этом году. Вероятнее всего, данный факт, как и отмечалось выше, связан с заносом аэрозоля, образовавшегося от пожаров в Восточной Сибири. Заметим, что одним из наиболее впечатляющих явлений, исследования которого стали развиваться в последние два десятилетия – это выброс аэрозолей горения в нижнюю стратосферу при образовании мощных пирокумулятивных кучево-дождевых облаков [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. В декабре происходит максимальное наполнение стратосферы аэрозолем до высот 40 км.

 

Рис. 4. Стратификация аэрозольного наполнения в сентябре – декабре 2023 г.

[Figure 4. Stratification of aerosol filling in September – December 2023]

 

Временная динамика полного наполнения стратосферы фоновым аэрозолем с началом от 2017 до 2022 гг. и дополненная наблюдениями 2023 г., выраженная через параметр интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния B, представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Временной ход интегрального коэффициента обратного рассеяния над Томском.

[Figure 5. The time course of the integral backscattering coefficient over Tomsk]

 

В целом по годам максимальные аэрозольные наполнения стратосферы, как видно из рисунка, происходит в зимние месяцы и центрируются относительно января. Вместе с тем оно неравномерно распределено по годам и отмечается резкими и значительными колебаниями. Последние наиболее проявились с конца 2017 г. по начало 2020 г. В период 2020–2023 гг. амплитуда колебаний заметно снизилась. Для наглядности в виде цветовой градации на рис. 6 представлена внутригодовая динамика вертикального наполнения стратосферы аэрозолем.

 

Рис. 6. Динамика вертикальной стратификации аэрозоля за 2023 г., выраженная через оптический параметр отношения рассеяния R

[Figure 6. The dynamics of the vertical stratification of the aerosol in 2023, expressed in terms of the optical parameter of the scattering ratio R]

 

Из рис.6 видны даты с заметным содержанием аэрозоля в нижнем слое стратосферы 10-15 км, который, как отмечалось неоднократно, может быть вызван возникновением аэрозоля от лесных пожаров и появлением циррусов. Подобные случаи с всплесками аэрозольного содержания преимущественно наблюдались во второй половине года. В целом аэрозольное наполнение ограничивается преимущественно высотой 30 км, выше наблюдается молекулярное наполнение.

Заключение

По результатам лидарного мониторинга стратосферы Западной Сибири за 2023 г. подтвержден факт максимального наполнения нижней стратосферы (10-30 км) фоновым аэрозолем зимой, его малым содержанием, вплоть до полного отсутствия, летом и промежуточным значением с убыванием весной и ростом осенью. В верхней стратосфере (30-50 км) фоновый аэрозоль в летний период года практически отсутствует. Тем самым, включая подтверждение данного факта предыдущими многолетними измерениями, выявляется внутригодовая цикличность аэрозольного наполнения стратосферы Западной Сибири.

About the authors

Valeriy N. Marichev

V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS (IAO SB RAS)

Author for correspondence.
Email: marichev@iao.ru
ORCID iD: 0000-0002-7367-6605

D. Sci. (Phys. & Math.), Professor, Chief scientific researcher

Russian Federation, 634055, Tomsk, Academician Zuev square, 1

Dmitriy A. Bochkovskiy

V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS (IAO SB RAS)

Email: marichev@iao.ru
ORCID iD: 0000-0002-9127-2065

PhD (Tech.), Researcher

Russian Federation, 634055, Tomsk, Academician Zuev square, 1

References

Supplementary files