Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 10 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Comparison and correlations of seasonal-mean statistical parameters of stratospheric ozone and temperature by data of ground-based radiometric and satellite measurements for 1996-2017

K.P. Gaikovich1, S.B. Rozanov2,3

1 Institute for physics of microstructures RAS, Nizhnii Novgorod, Russia
2 P.N. Lebedev Physical Institute RAS, Moscow, Russia
3 Russian Metrological Institute of Technical Physics and Radio Engineering, Solnechnogorsk
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.10.6 UDC 621.371+537.87 EDN WBUONL

Abstract

The results of a statistical analysis and comparison of the seasonal-mean altitude profiles of ozone content in the stratosphere and lower mesosphere above Moscow, obtained from ground-based microwave radiometric measurements, and the corresponding temperature profiles from satellite data are presented. The analysis included ensembles of data for the autumn, winter, and spring seasons of the 1996-2006 and 2007-2017 decades, which coincided with the 23rd and 24th cycles of solar activity. Based on these data, the seasonal-mean altitude profiles of parameters and their variances, the joint ozone-temperature correlation and covariance functions, the inter-altitude correlation and covariance functions, the temporal structural, autocorrelation and autocovariance functions, as well as the frequency spectra of covariances were obtained. When comparing these statistical parameters over two decades, statistically significant correlations and trends were found. In particular, during the winter season of the 2007-2017 decade, when solar activity was reduced, there was a significant decrease in seasonal-mean temperature profiles over a wide range of heights around the maximum of the ozone layer, up to -8.4 K at an altitude of 37 km. The result is particularly interesting because this decrease in the average winter temperature in the decade with reduced solar activity correlates with the most significant (up to 28 % at 38-39 km) decrease in the average winter variations in the ozone profile above 29 km, as well as with the decrease in its average decadal-mean variations, which we found earlier. For the first time in studies of the ozonosphere, seasonal-mean inter-altitude joint ozone-temperature correlation and covariance functions were applied and obtained for the decades 1996-2006 and 2007-2017. In particular, the areas of the greatest correlation of ozone with temperature, which are observed for temperatures at altitudes below 35 km, and the areas of the greatest anticorrelation, which are above this altitude, were identified.

  • remote sensing
  • microwave radiometry
  • ozone and temperature altitude profiles
  • stratosphere
  • statistical analysis
Аннотация (на русском)

Сравнение и корреляции среднесезонных статистических параметров стратосферного озона и температуры по данным радиометрических и спутниковых измерений в 1996-2017 гг

Представлены результаты статистического анализа и сравнения среднесезонных высотных профилей содержания озона в стратосфере и нижней мезосфере над Москвой, полученных по данным наземных СВЧ радиометрических измерений, и соответствующих профилей температуры по спутниковым данным. В анализ были включены данные для осеннего, зимнего и весеннего сезонов декад 1996-2006 и 2007-2017 гг., совпадающих с 23-м и 24-м циклами солнечной активности. По этим данным были получены среднесезонные высотные профили параметров и их вариации, совместные озон-температурные корреляционные и ковариационные функции, межвысотные корреляционные и ковариационные функции, временные структурные, автокорреляционные и автоковариационные функции, а также частотные спектры ковариаций. При сравнении данных статистических параметров для двух декад обнаружены статистически значимые корреляции и тренды. В частности, в зимнем сезоне декады декаде 2007-2017 гг. с пониженной солнечной активностью в среднесезонном профиле температуры наблюдался значительный спад в основной части озонового слоя, до -8,4 К на высоте около его максимума 37 км. Результат особенно интересен потому, что этот спад среднезимней температуры коррелирует с наиболее значительным (до 28 % на 38-39 км) спадом в среднезимних вариациях содержания озона выше 29 км, а также со спадом в среднедекадных вариациях озона, который был обнаружен нами ранее. Впервые в исследованиях озоносферы были применены и получены для декад 1996-2006 и 2007-2017 гг. среднесезонные межвысотные совместные озон-температурные корреляционные и ковариационные функции В частности, выявлены области наибольшей корреляции озона с температурой, которые наблюдаются для температуры на высотах ниже 35 км, и области наибольшей антикорреляции, которые находятся выше этой высоты.

For citation

Gaikovich K.P., Rozanov S.B. Comparison and correlations of seasonal-mean statistical parameters of stratospheric ozone and temperature by data of ground-based radiometric and satellite measurements for 1996-2017 // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.10.6

References

  1. Gaikovich K.P., Rozanov S.B. Ozone and Temperature Seasonal Statistics by Data of 1996-2017 Ground-Based Microwave Radiometry // 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC). - IEEE, 2024. - P. 12-15. https://doi.org/10.1109/RMC62880.2024.10846815
  2. Gaikovich K.P., Kropotkina E.P., Rozanov S.B. Statistical analysis of 1996-2017 ozone profile data obtained by ground-based microwave radiometry // Remote Sensing. - 2020. - V. 12. - No. 20. - P. 3374. https://doi.org/10.3390/rs12203374
  3. Гайкович К.П., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б. Cтатистические параметры озонного профиля над Москвой и их тренды в 1996-2017 гг. по данным радиометрических измерений // Журнал радиоэлектроники. - 2021. - №. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.8.14
  4. Montzka S.A. et al. Scientific assessment of ozone depletion: 2010 // Global Ozone Research and Monitoring Project-Report No. 51. - 2011. https://ozone.unep.org/sites/default/files/2023-02/Scientific-Assessment-of-Ozone-Depletion-2022.pdf
  5. Moreira L. et al. The natural oscillations in stratospheric ozone observed by the GROMOS microwave radiometer at the NDACC station Bern // Atmospheric Chemistry and Physics. - 2016. - V. 16. - No. 16. - P. 10455-10467. https://doi.org/10.5194/acp-16-10455-2016
  6. Randel W.J. et al. A simple model of ozone-temperature coupling in the tropical lower stratosphere // Atmospheric Chemistry and Physics. - 2021. - V. 21. - No. 24. - P. 18531-18542. https://doi.org/10.5194/acp-21-18531-2021
  7. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. - Гидрометеоиздат, 1987. https://doi.org/10.1109/RMC62880.2024.10846815
  8. Stolarski R.S. et al. Ozone temperature correlations in the upper stratosphere as a measure of chlorine content // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. - 2012. - V. 117. - No. D10. https://doi.org/10.1029/2012JD017456
  9. Huang F.T. et al. Ozone quasi-biennial oscillations (QBO), semiannual oscillations (SAO), and correlations with temperature in the mesosphere, lower thermosphere, and stratosphere, based on measurements from SABER on TIMED and MLS on UARS // Journal of Geophysical Research: Space Physics. - 2008. - V. 113. - No. A1. - P. A01316. https://doi.org/10.1029/2007JA012634
  10. Huang F.T. et al. Ozone and temperature decadal trends in the stratosphere, mesosphere and lower thermosphere, based on measurements from SABER on TIMED // Annales geophysicae. - Göttingen, Germany: Copernicus Publications, 2014. - V. 32. - No. 8. - P. 935-949. https://doi.org/10.5194/angeo-32-935-2014
  11. Huang F.T. et al. Ozone and temperature decadal responses to solar variability in the mesosphere and lower thermosphere, based on measurements from SABER on TIMED // Annales Geophysicae. - Göttingen, Germany: Copernicus Publications, 2016. - V. 34. - No. 1. - P. 29-40. https://doi.org/10.5194/angeo-34-29-2016
  12. Huang F.T., Mayr H.G. Ozone and temperature decadal solar-cycle responses, and their relation to diurnal variations in the stratosphere, mesosphere, and lower thermosphere, based on measurements from SABER on TIMED // Annales Geophysicae. - Göttingen, Germany: Copernicus Publications, 2019. - V. 37. - No. 4. - P. 471-485. https://doi.org/10.5194/angeo-37-471-2019
  13. Zhou L., Xia Y., Zhao C. Influence of stratospheric ozone changes on stratospheric temperature trends in recent decades // Remote Sensing. - 2022. - V. 14. - No. 21. - P. 5364. https://doi.org/10.3390/rs14215364
  14. Hocke K., Sauvageat E. Frequency Dependence of the Correlation between Ozone and Temperature Oscillations in the Middle Atmosphere // Atmosphere. - 2023. - V. 14. - No. 9. - P. 1436. https://doi.org/10.3390/atmos14091436з
  15. Соломонов С.В. и др. Спектрорадиометр для дистанционного зондирования атмосферного озона на миллиметровых радиоволнах // Радиотехника и электроника. - 2000. - Т. 45. -№12. - С.1519-1525.
  16. Соломонов С.В. и др. Спектральная аппаратура для мониторинга атмосферного озона на миллиметровых волнах // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - №. 2. - С. 138-144.
  17. Gaikovich K.P. Tikhonov's method of the ground-based radiometric retrieval of the ozone profile // Proceedings of IGARSS'94-1994 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. - IEEE, 1994. - V. 4. - P. 1901-1903. https://gaikovich.narod.ru/papers/IGARSS94_1.pdf
  18. Tikhonov A.N., Arsenin V.Y. Solutions of ill-posed problems. - New York: Winston USA, 1977.
  19. Гайкович К.П., Кропоткина Е.П., Соломонов С.В. Определение вертикального профиля атмосферного озона по наземным измерениям излучения в миллиметровом диапазоне // Изв. АН. Физ. атмосф. и океана. - 1999. - Т. 35. - № 1. - С. 86-95. https://gaikovich.narod.ru/papers/FAO1_99.pdf
  20. Соломонов С.В. и др. Дистанционное зондирование атмосферного озона на миллиметровых волнах // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2011. - Т. 54. - №. 2. - С. 113-122. https://gaikovich.narod.ru/papers/rf_2011.pdf
  21. Кропоткина Е.П. и др. Особенности изменений содержания озона в верхней стратосфере над Москвой в холодные полугодия 2014-2015 и 2015-2016 гг // Геомагнетизм и аэрономия. - 2019. - Т. 59. - №. 2. - С. 227-235. https://doi.org/10.1134/S0016794019010097
  22. Solomonov S.V. et al. Some features of the vertical ozone distribution from millimeter wave measurements at Pushchino and Onsala observatories // Journal of atmospheric and terrestrial physics. - 1994. - V. 56. - No. 1. - P. 9-15.
  23. Rozanov S.B. et al. Ground-based remote sensing of the atmospheric ozone over Moscow at millimeter waves // Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XI. - SPIE, 2006. -. 6362. - С. 464-474.
  24. Соломонов С.В. и др. Влияние сильных внезапных стратосферных потеплений на озон в средней стратосфере по наблюдениям на миллиметровых волнах // Геомагнетизм и аэрономия. - 2017. - Т. 57. - №. 3. - С. 392-400. https://doi.org/10.7868/S0016794017020146
  25. Kropotkina E.P. et al. Characteristics of Changes in the Ozone Content in the Upper Stratosphere over Moscow during the Cold Half-Years of 2014-2015 and 2015-2016 // Geomagnetism and Aeronomy. - 2019. - V. 59. - No. 2. - P. 212-220. https://doi.org/10.1134/S0016793219010092
  26. Rozanov S.B. et al. Microwave measurements of stratospheric and mesospheric ozone in Moscow // IGARSS 2018-2018 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. - IEEE, 2018. - P. 3116-3119. https://doi.org/10.1109/IGARSS.2018.8518910
  27. The British Atmospheric Data Centre (BADC). http://badc.nerc.ac.uk/view/badc.nerc.ac.uk__ATOM__dataent_ASSIM
  28. Центральная аэрологическая обсерватория, Долгопрудный. http://www.cao-rhms.ru
  29. COSPAR International Reference Atmosphere (CIRA-86). https://www.aparc-climate.org/data-centre/data-access/reference-climatology/cira-86
  30. Sounding systems and radiosondes // Vaisala. https://www.vaisala.com/en/sounding-systems-radiosondes