УДК 551.510.528(211-17)
Исследование характеристик тропопаузы в полярной зоне по данным радиозондирования на станции Барроу
А. Р. Иванова*
На основе 18-летнего ряда (1990—2007 гг.) радиозондовых данных на станции Барроу рассчитаны и проанализированы характеристики термической тропопаузы. Изучена сезонная и межгодовая изменчивость значений высоты и температуры тропопаузы, а также относительной влажности и скорости ветра на этом уровне. Проведено исследование величины "контрастности" тропопаузы, определяющей ее свойство как разделительного слоя. Показано, что за исследуемый период тропопауза стала более отчетливо выраженной, в основном в результате увеличения вертикального градиента температуры в нижней стратосфере.
1. Введение
При исследовании тропопаузы существует несколько подходов, связанных с различными определениями этого понятия. Первое определение, выработанное Всемирной метеорологической организацией (ВМО), основано на изменении вертикального градиента температуры: "самый нижний уровень, на котором вертикальный градиент температуры убывает до 0,2°С/100 м или менее (и остается столь же малым по крайней мере в вышележащем слое 2 км)" [14]. В последние годы предлагаются различные модификации этого определения, использующие вертикальный градиент температуры 5°С/км или 6°С/км [6, 9]. Тропопаузу, установленную по критерию изменения градиента температуры, принято называть термической.
В 1970-е годы было установлено, что значения вертикальной составляющей потенциального вихря Эртеля (ПВЭ) — инварианта системы полных уравнений в адиабатическом приближении — в стратосфере и тропосфере различаются на порядок [4]. Это позволило предложить другое определение тропопаузы, названной динамической. В основу этого определения положено некоторое пороговое значение ПВЭ, рассчитываемого по формуле
глг I 0У 0и г рУ = -я — ~ — + I
ох оу
dp' (( )
где g — ускорение свободного падения; f — параметр Кориолиса; u, v — зональная и меридиональная составляющие скорости ветра; 0 — потенциальная температура; р — давление.
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: ivanova@mecom.ru.
Разные исследователи для своих целей применяют при идентификации тропопаузы значения ПВЭ в диапазоне от 1 до 5 рун (1 рун = 106 К • м2 • • кг- • с-1) [7, 11]. В [8] было установлено, что наибольшее соответствие между термической и динамической тропопаузами наблюдается, когда последняя аппроксимируется поверхностью 3,5 рун. По данным Шакиной и Борисовой [4], термическая тропопауза наиболее близка к поверхности 4 рун. Кроме того, предлагаются также методы определения тропопаузы, основанные на критических значениях удельной влажности [7] или концентрации озона [10].
Исследование тропопаузы над Арктикой представляет в настоящее время особый интерес в связи с активным освоением ее природных ресурсов мировым сообществом. При изучении тропопаузы в полярных широтах, как отмечалось в [15], возникает большая проблема неопределенности из-за значительной слоистости нижней атмосферы, вызванной наличием большого числа инверсий. Поэтому кроме исследования "термического" варианта, по радиозондовым данным, этими авторами применялся "динамический" вариант, в основу которого был положен реанализ ЕЯА-15 (1979—1993 гг.) с высоким разрешением. Более того, была предпринята попытка рассчитать по радиозондовым данным и "динамический вариант". Однако в связи с тем, что в уравнение потенциального вихря входит выражение для завихренности, подразумевающее вычисление горизонтальных производных, не реализуемое по данным редкой радиозондовой сети, расчеты этого члена производили по данным реанализа.
2. Использованные материалы
К сожалению, ряды данных в узлах регулярной сетки с высоким разрешением по горизонтали и вертикали для последних лет еще не сформированы. Шаг 2,5° архивов объективного анализа (Гидрометцентр России, КСБР/КСЛЯ Яеапа1у818 2) будет явно искажать расчет завихренности в уравнении (1) (шаги по широте и долготе у полюса в одинаковом градусном выражении значительно отличаются при переводе их в метрическую систему). Остаются данные радиозондирования, ряды которых доступны (например, на сайте http://weather.uwyo.edu). Однако их качество неодинаково на разных станциях. Для арктического побережья Российской Федерации в 1990-х годах ряды отличались весьма низкой подробностью, нерегулярностью, зачастую пропусками продолжительностью в несколько месяцев. Поэтому на данном этапе для исследования тропопаузы в полярной зоне были выбраны материалы радиозондирования со станции Барроу, расположенной на северном побережье Аляски (71,30° с. ш., 156,78° з. д., высота 4 м над уровнем моря). Помимо регулярности, радиозондовая информация этого пункта наблюдений отличается большой детализацией по вертикали: число сообщений в отдельных подъемах достигает 99. Максимальная высота радиозонда была зафиксирована 12 июня 2004 г. в 0 ч ВСВ — 50 907 м (0,7 гПа).
Всего было обработано 12 763 радиозондовых сообщения (как правило, за сроки 0 и 12 ч ВСВ) за период с января 1990 г. по декабрь 2007 г. Вначале производился поиск всех уровней, соответствующих определению [14], после чего выбирался нижний. Однако в связи с существовани-
ем в этих местах весьма мощных приземных инверсий, вызванных выхолаживанием от поверхности, покрытой снегом (льдом), были исключены из рассмотрения слои, соответствующие определению [14], но сосредоточенные в нижнем 3-километровом слое (выше которого, как правило, обнаруживалась более "реальная" тропопауза). Исключались из анализа также сообщения, начинающиеся с изобарической поверхности выше 100 гПа. Кроме того, в некоторых случаях классическую термическую тропопаузу не удавалось определить — наблюдаемый задерживающий слой был слишком тонким.
Итоговая выборка составила 12 570 случаев, а годовое число данных радиозондирования на станции Барроу в 1990—2007 гг. было следующим:
Год 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Число случаев 707 682 675 701 704 714 710 669 711
Год 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Число случаев 648 687 702 721 714 692 715 711 707
Данный материал был проанализирован по годам, месяцам и отдельным характеристикам на уровне тропопаузы (высота, давление, температура, относительная влажность, скорость ветра).
3. Характеристики тропопаузы
Приведем данные о значениях метеорологических величин на уровне тропопаузы, осредненных за период 1990—2007 гг.:
Высота, км 3—5 5—7 7—8 8—9 9—10 10—11 >11 Всего
Число случаев 44 239 993 3119 41006 2787 1282 12570
% 0,4 1,9 7,9 24,8 32,7 22,2 10,2 100
Среднее, м 4008 6461 7637 8547 9483 10448 11638 9462
Температура, °С <-70 -70...-60 -60...-50 -50...-40 -40...-30 -30...-20 -20...-10 Всего
Число случаев 101 2852 8321 1244 43 6 3 12570
% 0,8 22,7 66,2 9,9 0,3 0,0005 0,0002 100
Среднее, °С -71,8 -63,0 -55,7 -47,4 -36,3 -22,6 -13,2 -56,5
Давление, гПа 700—600 600—500 500—400 400—300 300—250 250—200 >200 Всего
Число случаев 17 33 154 3430 5551 3143 242 12570
% 0,1 0,3 1,2 27,3 44,2 25,0 1,0 100
Среднее, гПа 649,6 539,3 418,1 320,9 269,3 227,3 171,6 274,0
Относительная <30 30—40 40—50 50—60 60—70 70—80 >80 Всего
влажность, %
Число случаев 4265 4190 3084 916 88 14 13 12570
% 33,9 33,3 24,5 7,3 0,7 0,1 0,1 100
Среднее, % 8,3 35,3 43,4 53,5 62,5 73,9 84,3 29,7
Скорость ветра,
м/с <3 3—5 5—10 10—20 20—30 30—50 >50 Всего
Число случаев 523 633 2658 4911 2755 1064 26 12570
% 4,2 5,0 21,1 39,1 21,9 8,5 0,2 100
Среднее, м/с 1,1 3,8 7,6 14,6 24,2 35,7 56,1 16,0
Было обнаружено, что в среднем за исследуемый период на станции Барроу тропопауза наблюдалась на высоте 8—11 км почти в 80% случаев. Ниже 5 км тропопауза здесь опускалась всего 44 раза за 18 лет. Такие слу-
чаи имели место почти каждый год (за исключением 1990, 2005 и 2006 гг.), чаще всего — в 2003 г. (8 случаев). Высокая тропопауза (выше
11 км) чаще всего отмечалась в 2005 г. (17%, или 121 случай из 715). В годовом ходе максимальная повторяемость самой низкой тропопаузы пришлась на март (12 из 1056, или 1,1% случаев). В августе и октябре ни разу за 18 лет тропопауза не опустилась ниже 5 км. Самая высокая тропопауза (выше 11 км) наблюдалась чаще всего (29,7%) в июле, когда фиксируется максимум в годовом ходе высоты тропопаузы (рис. 1). Экстремальные положения термической тропопаузы за исследуемый период наблюдались 8 июля 2006 г. в
12 ч ВСВ (16 075 м) и 9 мая 2004 г. в 0 ч ВСВ (3008 м). Заметим, что 3. М. Маховер в [3], приводя в качестве минимальной высоты тропопаузы 4 км, предполагал, что "...при длительных наблюдениях будут зарегистрированы экстремальные значения, перекрывающие приведенные". Однако следует отметить следующее. Анализ профилей температуры порой выявляет наличие сразу нескольких задерживающих слоев, соответствующих определению [14]. При этом на высотах, где в предыдущий срок идентифицировалась тропопауза, такой слой тоже присутствует. Тем не менее ВМО требует принимать за тропопаузу именно "нижний уровень". Поэтому тропопауза (а точнее задерживающий слой, соответствующий определению [14]), идентифицируется так низко. Это проявление так называемой "множественности" тропопауз, которое удается устранить только при расчете динамической тропопаузы.
Амплитуда средних значений высоты тропопаузы в годовом ходе для станции Барроу составила 1372 м, а за период 1990—2007 гг. — 505 м. Самое высокое осредненное за год положение тропопаузы отмечалось в 2005 г. (9778 м), самое низкое — в 1992 г. (9273 м). Временной ход высоты и температуры тропопаузы за 18-летний период представлен на рис. 2. На этом отрезке времени довольно хорошо выражены классические квазидвухлетние колебания тропопаузы [3].
Поскольку давление на уровне тропопаузы тесно связано с высотой последней, не будем приводить здесь подробный анализ. Отметим только, что в 96,5% случаев на станции Барроу значения давления на уровне тропопаузы укладывались в диапазон 400—200 гПа, а экстремальные составляли 100 и 692 гПа.
Рис. 1. Годовой ход высоты (1) и температуры (2) тропопаузы (а), относительной в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.