ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРЫ НАД ОКЕАНОМ ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ
© 2015 г. В. Н. Малинин, С. М. Гордеева
Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург E-mail: malinin@rshu.ru, gordeeva@rshu.ru Поступила в редакцию 11.03.2014 г.
Рассматриваются закономерности межгодовой изменчивости влагосодержания атмосферы над Мировым океаном за период 1988—2012 гг. и дается анализ его взаимосвязи с другими глобальными характеристиками системы океан—атмосфера: температурой воздуха приводного слоя, температурой поверхностного слоя воды и испарения. Показано, что тренд во влагосодержании атмосферы по сравнению с другими характеристиками максимален и более чем в 2 раза превышает тренды для температуры воздуха и температуры поверхности океана. Максимальная корреляция (r = 0.95) отмечается между влагосодержанием атмосферы и температурой поверхности океана. Установлено, что низкие широты формируют тренд и межгодовые колебания влагосодержания атмосферы над Мировым океаном. На простом модельном примере показано, что необходим учет влагосодержания в парниковом эффекте атмосферы.
Ключевые слова: влагосодержание атмосферы, температура воздуха, температура поверхности океана, испарение, парниковый эффект
DOI: 10.7868/S0205961415010042
ВВЕДЕНИЕ
В атмосфере содержится около 13 тыс. км3 влаги, или всего 0.001% от общих запасов природных вод. Несмотря на столь малую величину, значение атмосферной влаги чрезвычайно велико. Атмосфера представляет собой единственную оболочку планеты, содержащую воду во всех трех агрегатных состояниях, из которых газообразное (водяной пар) является главным (99% от общего запаса) и не содержится ни в одной другой оболочке Земли. При этом период полного возобновления атмосферной влаги составляет примерно 9 сут, что значительно меньше, чем в других оболочках. В атмосфере постоянно происходят фазовые переходы, из которых важнейшим является процесс конденсации водяного пара, сопровождающийся выделением огромного количества тепла, которое в свою очередь играет весьма значительную роль для поддержания общей циркуляции. Кроме того, влаго- и водосодержание (в облаках) обеспечивают взаимосвязь радиационных и гидрологических процессов, которые в совокупности определяют практически весь наблюдаемый спектр крупномасштабной изменчивости атмосферы. Именно водяной пар является основным парниковым газом, поскольку его вклад в парниковый эффект оценивается в 50%, вклад облачности в 25%, а вклад СО2 только в 20% (Schmidt et al., 2010). Жидкий эквивалент влагосодержания ат-
мосферы (ВА) получил название "осажденная вода" (total precipitable water, TPW).
Оценки ВА над океаном могут быть получены различными способами: на основе дистанционного зондирования атмосферы из космоса, по аэрологическим данным о вертикальном профиле водяного пара в тропосфере и косвенными методами, основанными на тех или иных параметризациях влагосодержания. К косвенным методам относятся различные полуэмпирические формулы, позволяющие рассчитывать ВА по данным о влажности и температуре воздуха в приводном слое океана. Методы параметризации ВА, а также внутригодовая и меридиональная изменчивость ВА над отдельными океанами и Мировым океаном (МО) в целом приводятся в работе (Мали-нин, 1994). Показано, что влагосодержание над МО, свободным ото льда, составляет 29.6 мм (кг/м2).
Естественно, наиболее предпочтителен первый способ оценки ВА, поскольку измерения со спутников охватывают всю акваторию МО. Хотя измерения ВА из космоса имеют сравнительно длинную историю (Кондратьев, Мелентьев, 1987), наиболее точные оценки ВА стали возможны в рамках проекта NASA Water Vapor Project (NVAP) (Randel и др., 1996; Vonder Haar et al., 2003), который включает аэрологические и спутниковые наблюдения и обеспечивает получение суточных (декадных, месячных) значений ВА в одноградусной
Влагосодержание атмосферы, мм
Ю.ш., °С С.ш., °С
Рис. 1. Меридиональное распределение усредненных за период 1988—2012 гг. значений влагосодержания атмосферы в одноградусных широтных зонах над отдельными океанами и МО в целом: 1 — Мировой океан; 2 — Атлантический океан; 3 — Индийский океан; 4 — Тихий океан.
сетке над земным шаром с 1988 г. Именно данные проекта NVAP послужили основой выполнения ряда работ, направленных на изучение изменчивости ВА над земным шаром (Amenu, Kumar, 2005; VOnder Haar et al., 2012; Wittmeyer, VOnder Haar, 1994). Что касается непосредственно МО, то в работе (Trenberth et al., 2005) довольно детально представлены оценки линейного тренда ВА за период 1988—2003 гг. по разным базам данных. Показано, что наибольшие положительные тренды отмечаются во внутритропической зоне конвергенции западной части Тихого океана, где их оценки могут превышать 2 мм/год. Глобальный тренд ВА над МО за период 1988—2003 гг. составляет 0.41 мм/10 лет. В работе (Jackson, Stephens, 1995) приводится глобальная оценка ВА над МО за период июль 1987—июнь 1991 гг. (26.5 мм), а в работе (Wentz et al., 2007) — за период июль 1987—август 2006 гг. (28.5 мм). Из российских исследований можно отметить работу (Хайруллина, Астафьева, 2008), в которой на основе эмпирической зависимости ВА от радиояркостной температуры на частотах 22.24 и 37.00 ГГц построены меридиональные профили влагозапаса атмосферы над Атлантическим и Тихим океанами.
Поскольку детального исследования изменчивости ВА над МО и его частотной структуры не проводилось, то данная работа посвящена этому вопросу, а также оценке взаимосвязи влагосодер-жания с другими важнейшими параметрами взаимодействия океана и атмосферы, а именно, с температурой воздуха приводного слоя, температурой поверхностного слоя воды и испарением.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Нами используются данные об интегральном влагосодержании атмосферы TPW, полученные с помощью спутниковых датчиков для получения изображений в микроволновом диапазоне SSM/I, SSMIS, AMSR-E и WindSat, компании RSS, с использованием единого физически обоснованного алгоритма пересчета яркостной температуры в физические параметры (версия 7) (Wentz, 1997). База данных содержит ежемесячные значения ВА в сетке 1° х 1° с 1988 г. и постоянно обновляется (ftp://ftp.remss.com/vapor/monthly_1deg/).
Для сравнения ВА с другими характеристиками системы океан—атмосфера использовались данные проекта OAFlux (Objectively Analyzed air-sea Heat Fluxes, http://oaflux.whol.edu/) Океанографического института Вудс Хоул (США) (Yu et al., 2008): испарение (Е), температура воздуха приводного слоя (ТВ), температура поверхности океана (ТПО). В OAFlux исходная информация получается не из одного источника, а комбинируется с помощью объективного анализа метеорологических полей у поверхности на основе спутниковых данных дистанционного зондирования и результатов реанализа моделей NCEP и ECMWF. В частности, исходные данные о ТПО являются результатом оптимальной интерполяции в 0.25-градусную сетку ежедневных значений ТПО на основе спутниковых измерений AVHRR, выполненным Рейнольдсом и др. (Reynolds et al., 2007), и полностью соответствуют известному спутниковому архиву NOAA NCDC AVHRR-only OISST v. 2. База данных OAFlux содержит ежемесячные значения характеристик в сетке 1° х 1° с 1958 г. до настоящего времени (ftp:// ftp.whol.edu/pub/sclence/oaflux/data_v3/monthly/ turbulence).
Для оценки средних зональных и усредненных для всего МО (далее "глобальных") значений характеристик исходные данные пересчитывались с учетом площадей одноградусных квадратов на соответствующей широте и рассматривались в пределах широтной зоны 60° ю.ш.—60° с.ш. над свободной ото льда акваторией МО. Границы океанов в Южном полушарии определялись по меридианам мысов Горн и Игольного. Учитывались окраинные моря, а внутренние моря — нет. Следует отметить, что заметное отсутствие данных ВА отмечалось лишь южнее 55° ю.ш. в Атлантическом океане и было вызвано сезонным распространением антарктического льда в этот регион. Площадь охваченной данными акватории МО составила 305 млн кв. км, или 84.5% от его площади.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Вначале рассмотрим меридиональное распределение ВА в одноградусных широтных зонах над отдельными океанами и МО в целом (рис. 1). Как
Таблица 1. Средние многолетние оценки влагосодержания атмосферы над океанами, свободными ото льда (60° с.ш.— 60° ю.ш.) за период 1988—2012 гг. в кг/м2 (мм)
Океаны Северное полушарие Южное полушарие Океан в целом
Атлантический океан 30.36 22.76 26.52
Индийский океан 42.67 25.27 27.86
Тихий океан 34.74 26.95 30.68
Мировой океан 34.02 25.50 28.99
и следовало ожидать, распределение ВА над Мировым и Тихим океанами почти идентично. Абсолютный максимум ВА (51 мм) отмечается в широтной зоне 6°—7° с.ш. Если в южной тропической зоне Атлантического океана (10°—20° ю.ш.) отмечается значительное понижение значений ВА, то в приэкваториальной зоне Индийского океана, наоборот, сильное повышение, что обусловлено аналогичным поведением температуры воздуха приводного слоя над океанами в этих зонах.
В табл. 1 приводятся средние многолетние оценки влагосодержания атмосферы над океанами, свободными ото льда за период 1988—2012 гг. Как и следовало ожидать, самым "влагонасыщен-ным" является Тихий океан (30.7 мм), а самым "сухим" — Атлантический океан (26.5 мм). В Северном полушарии по сравнению с Южным вла-госодержание атмосферы значительно выше, что также связано с аналогичным распределением температуры воздуха над океанами. Над МО, свободным ото льда, влагосодержание составляет 29.0 мм.
Что касается временной изменчивости, то в общем виде структуру сезонно-межгодовой изменчивости временного ряда Ф(?) можно представить в виде следующего разложения (Малинин, 2008):
Ф(0 = Tr(t) + ^ Aj cos(w/ + фj) + P(t) =
j=i
(1)
= Tr(0 + C(t) + P(t),
где Tr(t) — трендовая составляющая; C(t) — циклическая компонента, характеризующая регулярные (циклические) сезонные и межгодовые колебания; P(t) — остаточная часть, характеризующая случайные колебания; Aj, Oj, фj — параметры полициклического ряда, характеризующего регулярные сезонные и межгодовые колебани
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.