Izvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsIzvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsИзвестия РАН. Физика атмосферы и океана0002-35153034-6487The Russian Academy of Sciences69899710.7868/S3034648725040086ArticlesСтатьиResearch ArticleRELATION OF CO2 CONCENTRATION TO METEOROLOGICAL CONDITIONS AND ATMOSPHERIC WAVE PROCESSES NEAR EAST ANTARCTICAСВЯЗЬ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 ВБЛИЗИ ВОСТОЧНОЙ АНТАРКТИДЫ С МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ И АТМОСФЕРНЫМИ ВОЛНОВЫМИ ПРОЦЕССАМИMarchukE. A.МарчукЕ. А.murchuk-ekaterin@mail.ruChunchuzovI. P.ЧунчузовИ. П.igor.chunchuzov@gmail.comRepinaI. A.РепинаИ. А.murchuk-ekaterin@mail.ruIvanovB. V.ИвановБ. В.murchuk-ekaterin@mail.ruBezgreshnovA. M.БезгрешновА. М.murchuk-ekaterin@mail.ruObukhov Institute of Atmospheric Physics RASИнститут физики атмосферы им. А.М. Обухова РАНLomonosov Moscow State University, Research Computing CenterМосковский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центрArctic and Antarctic Research InstituteАрктический и антарктический научно-исследовательский институтSaint-Petersburg State UniversityСанкт-Петербургский государственный университетru150820252025614VOL 61, NO4 (2025)ТОМ 61, №4 (2025)51953721122025Received:21122025Published:15082025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/698997

The present study analyses the dependence of CO2 concentration on meteorological parameters and wave processes in the atmosphere. This analysis was based on data obtained during the 68-th Russian Antarctic Expedition on the Scientific expedition ship “Akademik Fedorov” (December 2022 — February 2023). Common spectral maxima in cross-spectra of temporal variations of meteorological parameters (atmospheric pressure, temperature and wind speed) and CO2 concentration in a wide range of periods (from ten minutes to a day) were analyzed. The oscillations with a discrete set of periods from ten minutes to a day were detected in the frequency spectra and cross-spectra of fluctuations of meteorological parameters and turbulent fluxes of momentum and heat, A possible mechanism of formation of the observed frequency spectra of variations of meteorological parameters and CO2 concentration is proposed. It is connected with the influence of the nonlinear process of advection of internal waves in the varying wind caused by solar tides (diurnal and semidiurnal) and the total field of internal waves from their regular sources (solar terminator) and irregular sources (meteorological fronts, orography, jet currents, convection and etc).

Проведен анализ зависимости концентрации СО2 от метеорологических параметров и волновых процессов в атмосфере на основе данных, полученных в рамках 68-й Российской антарктической экспедиции на НЭС «Академик Федоров» (декабрь 2022 г. – февраль 2023 г.). Проанализированы общие спектральные максимумы в кросс-спектрах временных вариаций метеопараметров (атмосферного давления, температуры и скорости ветра) и концентрации СО2 в широком диапазоне периодов: от десяти минут до суток. В частотных спектрах и кросс-спектрах флуктуаций метеопараметров и турбулентных потоков импульса и тепла обнаружены колебания с дискретным набором периодов от десяти минут до суток. Предложен возможный механизм формирования наблюдаемых частотных спектров вариаций метеопараметров и концентрации СО2. Он связан с влиянием нелинейного процесса адвекции внутренних волн в переменном поле скорости ветра, создаваемого солнечными приливами (суточным и полусуточным) и суммарным полем внутренних волн от их регулярных источников (солнечный терминатор) и нерегулярных источников (метеофронты, орография, струйные течения, конвекция и др.).

atmospheric internal gravity wavessolar terminatorwave-induced advectionspectral analysisEast Antarcticaатмосферные внутренние гравитационные волнысолнечный терминаториндуцируемая волнами адвекцияспектральный анализВосточная АнтарктидаГармаш С.В., Линьков Е.М., Петрова Л.Н., Швед Г.М. Возбуждение колебаний атмосферы сейсмогравитационными колебаниями Земли // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989. Т. 25. № 12. C. 1290–1299.Иванов В. В., Алексеев В. А., Алексеева Т. А., Колдунов Н. В., Репина И. А., Смирнов А. В. Арктический ледяной покров становится сезонным? // Исследование Земли из космоса. 2013. № 4. С. 50–65.Карпова Н.В., Петрова Л.Н., Швед Г.М. Колебания атмосферы и земной поверхности с устойчивыми частотами в диапазонах периодов 0.7–1.5 и 2.5– // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40. № 1. C. 13–24.Линьков Е.М. Петрова Л.Н., Зурошвили Д.Д. Сейсмогравитационные колебания Земли и связанные с ними возмущения атмосферы // Докл. АН СССР. 1989. Т. 306. № 2. C. 314–317.Малинин В.Н. Общая океанология. Часть I. Физические процессы. СПб.: изд. РГГМИ, 1998. 341 с.Марчук Е.А., Чунчузов И.П., Попов О.Е., Репина И.А., Козлов И.Е., Сильвестрова К.П., Осадчиев А.А., Степанова Н.Б., Йоханнессен У.М. Исследование характеристик внутренних волн в Карском Море и их влияния на турбулентные потоки тепла и импульса над морской поверхностью // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2024. Т. 60. № 5. С. 582–600.Репина И.А. Методы определения турбулентных потоков над морской поверхностью. М.: ИКИ РАН, 2007. 36 с.Репина И.А. Эксперементальные исследования взаимодействия атмосферы и океана в нестационарных условиях. Дис. … д-ра физ.-мат. наук. М., 2011. 318 с.Репина И.А., Артамонов А.Ю., Варенцов М.И., Хавина Е.М. Взаимодействие атмосферы и океана в Северном Ледовитом океане по данным измерений в летне-осенний период // Российская Арктика. 2019. № 7. С. 49–61.Станция Мирный. Гидрометеорологический режим района. Режимно-справочное пособие. СПб.: ААНИИ, 2022. 208 с.Станция Прогресс. Гидрометеорологический режим района. Режимно-справочное пособие. СПб: ААНИИ, 2021. 183 с.Тимачев В.Ф., Иванов Б.В., Репина И.А. Теплообмен между атмосферой и ледовым покровом // Труды ААНИИ. 2008. В. 447. С. 140–155.Хуторова О.Г., Тептин Г.М. Исследование мезомасштабных волновых процессов приземном слое по синхронным измерениям атмосферных параметров и примесей // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 5. С. 588–596.Afraimovich E.L., Edemskiy I.K., Voeykov S.V., Yasukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Spatio-temporal structure of the wave packets generated by the solar terminator // Adv. Space Res. 2009. V. 44. № 7. P. 824–835.Bacmeister J.T., Eckermann S.D., Newman P., Lait L., Chan K.R., Loewenstein M., Proffitt M.H., Gary B. Stratospheric Horizontal Wavenumber Spectra of Winds, Potential Temperature, and Atmospheric Tracers Observed by High-Altitude Aircraft // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. № D5. P. 9441–9470.Bezyk Y., Górka M., Sówka I., Nęcki J., Strąpoć D. Temporal dynamics and controlling factors of CO2 and CH4 variability in the urban atmosphere of Wroclaw, Poland // Sci. of the Total Envi. 2003. V. 893. P. 164771.Butterworth B.J., Miller S.D. Air‐sea exchange of carbon dioxide in the Southern Ocean and Antarctic marginal ice zone // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. № 13. С. 7223–7230.Caughey S.J., Readings C.J. An observation of waves and turbulence in the earth’s boundary layer // Boundary-Layer Meteorol. 1975. V. 9. P. 279–296.Canadell J.G., Monteiro P.M.S., Costa M.H., Cotrim da Cunha L., Cox P.M., Eliseev A.V., Henson S., Ishii M., Jaccard S., Koven C., Lohila A., Patra P.K., Piao S., Rogelj J., Syampungani S., Zaehle S., Zickfeld K. Global carbon and other biogeochemical cycles and feedbacks // Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press. Р. 673–816.Chunchuzov I.P., Perepelkin V.G., Kulichkov S.N., Gorchakov G.I., Kallistratova M.A., Dzhola A.V., Lyu J., Teng P., Yang Y., Lin W., Li Q., Sun Y. Influence of Internal Gravity Waves on Meteorological Fields and Gas Constituents near Moscow and Beijing // Izves. Atm. and Ocen. Phys. 2017. V. 53. № 5. P. 524–538.Chunchuzov I.P., Kulichkov S.N., Popov O.E., Perepelkin V.G., Zaitseva D.V., Somsikov V.M. Wave Disturbances of Atmospheric Pressure and Wind Speed in the Troposphere Associated with the Solar Terminator // Izves. Atm. and Ocen. Phys. 2021. V. 57. № 6. P. 581–593.Chunchuzov I., Chkhetiani O., Kulichkov S., Popov O., Belan B., Fofonov A., Ivlev G., Kozlov A. Statistical characteristics of mesoscale fluctuations of wind velocity, temperature, and gas concentrations obtained from aircraft measurements in the troposphere of the Arctic region // J. Atm. Sci. 2024. V. 81. № 1. P. 105–124.Cox G.F.N., Weeks W.F. Equations for determining the gas and brine volumes in sea-ice samples // J. Glaciol. 1983. V. 29. P. 306–316.Dai A., Wang J. Diurnal and Semidiurnal Tides in Global Surface Pressure Fields // J. Atmos. Sci. 1999. V. 56. P. 3874–3891.Eckermann D.S., Gibson-Wilde D.E., Backmeister J.T. Gravity wave perturbations of minor constituents: A parcel advection methodology // J. Atmos. Sci. 1998. V. 55. № 24. P. 3521–3539.Fairall C.W., Bradley E.F., Hare J.E., Grachev A.A., Edson J.B. Bulk parameterization of air–sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm // J. Climate. 2003. V. 16. P. 571–591.Gao Z., Chen L., Gao Y. Air-sea carbon fluxes and their controlling factors in the Prydz Bay in the Antarctic // Acta Ocean. Sinica. 2008. V. 27. № 3. P. 136–146.Gossard E.E., Hooke W.H. Waves in the atmosphere. New York: Elsevier, 1975. 456 pp.Golden K.M., Ackley S.F., Lytle V.I. The percolation phase transition in sea ice // Science. 1998 V. 282. P. 2238–2241.Gulev S.K., Thorne P.W., Ahn J., Dentener F.J., Domingues C.M., Gerland S., Gong D., Kaufman D.S., Nnamchi H.C., Quaas J., Rivera J.A., Sathyendranath S., Smith S.L., Trewin B., von Schuckmann K., Vose R.S., 2021: Changing State of the Climate System. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change // Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2021. Р. 287–422.Hedlin M.A.H, de Groot-Hedlin C.D., Forbes J.M., Drob D.P. Solar terminator waves in surface pressure observations // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45. P. 5213–5219.Jähne B. Air-sea gas exchange // Elements of Physical Oceanography: A Derivative of the Encyclopedia of Ocean Sciences. Academic Press, 2009. P. 160–169Keeling C.D., Adams J.A., Ekdahl C.A., Guenther P.R. Atmospheric carbon dioxide variations at the South Pole // Tellus. 1976. V. 28. P. 552–564.Kettle H., Merchant C.J., Jeffery C.D., Filipiak M.J., Gentemann C.L. The impact of diurnal variability in sea surface temperature on the central Atlantic air-sea CO2 flux // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9. P. 529–541.IPCC: Climate Change 2023: Synthesis Report, Summary for Policymakers. Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Core Writing Team, H. Lee and J. Romero). Switzerland, Geneva, 2023. 34 p.Lubin D., Wittenmyer R.A., Bromwich D.H., Marshall G.J. Antarctic Peninsula mesoscale cyclone variability and climatic impacts influenced by the SAM // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. L02808.Massom R.A., Stammerjohn S.E. Antarctic Sea ice change and variability — Physical and ecological implications // Polar Sci. 2010. V. 4. № 2. P. 149–186.Newell R.E., Wu Z.-X., Zhu Y., Hu W., Browell E.V., Browell Ed.V., Gregory G.L., Sachse G.W., Collins J.E., Collins J.K., Kelly K.K., Kelly Keith A., Lui S.C., Lui S. Vertical fine-scale atmospheric structure measured from NASA DC-8 during PEM-West // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. № D1. P. 1943–1960.Nieuwstadt F.T.M., Van Dop H. Atmospheric turbulence and air pollution modeling. D. Reidel Publish. Comp. Dordrecht: Holland/Boston/London, 1981. 350 р.Parkinson C.L. A 40-y record reveals gradual Antarctic Sea ice increases followed by decreases at rates far exceeding the rates seen in the Arctic // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2019. V. 116. № 29. P. 14414–14423.Pathakoti M., Gaddamidi S., Gharai B., Sudhakaran Syamala P., Rao P.V.N., Choudhury S.B., Raghavendra K.V., Dadhwal V.K. Influence of meteorological parameters on atmospheric CO2 at Bharati, the Indian Antarctic research station // Polar Res. 2018. V. 37. P. 1442072.Peacock T., Haller G. Lagrangian coherent structures // Physics Today. 2013. V. 41. № 2. P. 41.Prentice I.C., Farquhar G.D., Fasham M.J.R., Goulden M.L., Heimann M. The carbon cycle and atmospheric carbon dioxide // Climate change 2001: the scientific basis, Intergovernmental panel on climate change, 2001.Skinner L., Menviel L., Broadfield L., Gottschalk J., Greaves M. Southern Ocean convection amplified past Antarctic warming and atmospheric CO2 rise during Heinrich Stadial 4 // Commun. Earth & Envir. 2020. V. 1. №. 1. P. 23.Sun Y., Bian L., Tang J., Gao Z., Lu C., Schnell R.C. CO2 monitoring and background mole fraction at Zhongshan Station, Antarctica // Atmosph. 2014. V. 5. P. 686–698.Seabrook J., Whiteway J. Influence of Mountains on Arctic Tropospheric Ozone // J. Geophys. Res. 2016. V. 121. № 4. P. 1935–1942.Serafimovich A., Nappo C., Foken T. Impact of gravity waves on the turbulent exchange above a forest site. // Conference paper, 9th Symp. on Boundary Layers and Turbulence, Helmholtz-Zentrum, Potsdam. 2010.Serreze M.C., Barry R.G. Processes and impacts of Arctic amplification: A research synthesis // Glob. Planet. Change. 2011. V. 77. № 1–2. P. 85–96.Somsikov V.M., Troitskii B.V. Generation of disturbances in the atmosphere during the passage of solar terminator // Geomagn. Aeron. 1975. V. 15. № 5. P. 856–860.Somsikov V.M. Solar terminator and dynamic phenomena in the atmosphere: A review // Geomagn. Aeron. 2011. V. 51. № 6. P. 707–719.Søren R., Bendtsen J., Delille B., Dieckmann G.S., Glud R.N., Kennedy H., Mortensen J., Papadimitriou S., Thomas D.N., Tison J.L. Sea ice contribution to the air–sea CO2 exchange in the Arctic and Southern Oceans // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 2011. V. 63. № 5. P. 823–830.Shved G.M., Petrova L.N., Polyakova O.S. Penetration of the Earth’s free oscillations into the atmosphere // Ann. Geophys. 2000. V. 18. P. 566–572.Smirnov S.E. Frequency and time analysis of the sunrise effect in the electric field of the atmospheric surface layer // Vestn. Kamchatskoi Reg. Assots. Uchebno-Nauchnyi Tsentr, Fiz. — Mat. Nauki. 2016. V. 4. № 15. P. 86–91.Van Dam B.R., Lopes C.C., Polsenaere P., Price R. M., Rutgersson A., Fourqurean J. W. Water temperature control on CO 2 flux and evaporation over a subtropical seagrass meadow revealed by atmospheric eddy covariance // Limnol. Oceanogr. 2021. V. 66. P. 510–527.Watts J., Bell T.G., Anderson K., Butterworth B.J., Miller S., Else B., Shutler J. Impact of sea ice on air-sea CO2 exchange — A critical review of polar eddy covariance studies // Progress in Oceanography. 2022. V. 201. P. 102741.Wei Yuan, Jiyao Xu, Yongfu Wu, Jianchun Bian, Hongbin Chen. Vertical wavenumber spectra of atmospheric ozone measured from ozonesonde observations // Advances in Space Research. 2009. V. 43. P. 1364–1371.Whiteman C. D., Bian X. Solar semidiurnal tides in the troposphere: Detection by radar profiles // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996. V. 77. P. 529–542.WMO Greenhouse Gas Bulletin. 2023. V. 19. 11 p. https://data.aad.gov.au/aadc/mapcat/display_map.cfm?map_id=14300 (дата обращения: 22.06.2024). https://gml.noaa.gov/dv/iadv/index.php?code=zep (дата обращения: 10.10.2024).