ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОЙ СТРАТИФИКАЦИИ ТРОПОСФЕРЫ НА АКТИВНОСТЬ ТРОПИЧЕСКОГО ЦИКЛОГЕНЕЗА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОМЕТРИИ
© 2014 г. В. В. Ростовцева*, И. В. Гончаренко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва *Е-таП: vvrostovtseva@bk.ru Поступила в редакцию 23.05.2013 г.
В статье предложен температурно-влажностный критерий (ТВ-критерий), который может быть рассчитан по оперативной информации со спутников для изучения районов Мирового океана, где формируется или действуют тропические циклоны. Для его получения оценивалось интегральное количество водяного пара в тропосфере в предциклонном состоянии. Исследование статистических свойств критерия в Северной Атлантике показало его высокую корреляцию с количеством зародившихся циклонов. Однако характерная величина ТВ-критерия менялась в разные годы. Причины этих изменений и их связь с активностью циклогенеза были исследованы с использованием баз данных по вертикальному профилю температуры и влажности атмосферы в Атлантическом океане для двух лет (2004 и 2009 гг.), характеризующихся высокой и низкой активностью циклогенеза. Было выявлено некоторое увеличение температуры атмосферы на значительном интервале высот в 2009 г. по сравнению с 2004 г., зафиксированное в июле, т.е. до начала сезона ураганов. ТВ-критерий был пересчитан с учетом измененного профиля температуры атмосферы. Его статистические свойства и корреляция с частотой циклогенеза подтвердили высказанное предположение о том, что одной из причин, уменьшающей активность циклогенеза, является "потепление" значительного слоя тропосферы.
Ключевые слова: спутниковая микроволновая радиометрия, зарождение тропических циклонов, вертикальный профиль распределения температуры воздуха, интегральное паросодержание, температура поверхности моря
DOI: 10.7868/S0205961414020092
ВВЕДЕНИЕ
Явление тропического циклогенеза изучается уже более полувека, однако механизм формирования циклона до сих пор не вполне ясен (Грей, 1985; Gray, 1998; Montgomery, Farrell, 1993; Bister, Emanuel, 1997; Шарков, 2006; Голицын, 1997, 2008). В связи с этим выявление степени влияния различных факторов на активность циклогенеза является актуальной задачей. Для определения условий, необходимых и достаточных для возникновения нового циклона, были предложены различные параметры и критерии генезиса тропических циклонов (ТЦ) (McBride, Zehr, 1981; Иванов, Хаин, 1983; Montgomery, Farrell, 1993; Ward, 1995; DeMaria et al., 2001; Пелевин, Ростовцева, 2004; Sali et al., 2006), однако практически все они включают в себя величины, которые нельзя определить оперативными методами дистанционного зондирования (ДЗ), и следовательно, они не подходят для мониторинга Мирового Океана с целью изучения статистики ТЦ.
В последнее время была проделана большая работа по анализу и восстановлению данных по интегральному содержанию водяного пара, получаемых со спутниковых микроволновых сканне-ров (Шрамков и др., 2010). Сопоставление их с данными о тропическом циклогенезе показало, что ТЦ развиваются и усиливаются только в том случае, если имеется связь такого образования с мощным полем водяного пара в экваториальных и тропических областях океанов. Показано также, что существует пороговое значение интегрального содержания водяного пара в районе образования ТЦ, при превышении которого этот ТЦ эффективно усиливается и время его существования превосходит несколько суток (Шарков и др., 2011, 2012). Таким образом, если для развивающихся циклонов решающее значение имеет состояние поля водяного пара, очевидно, этот параметр должен быть важным и для формирования ТЦ.
Оценка количества водяного пара в приповерхностном слое, обеспечивающего энергией
самопроизвольный подъем воздуха от поверхности океана до тропопаузы, что является необходимым условием образования ТЦ (Gray, 1998; Olander, Velden, 2009), дала возможность сформировать температурно-влажностный критерий (Пелевин и др., 2005; Ростовцева, Гончаренко, 2010). Для расчета его значений были использованы спутниковые данные по температуре поверхности океана (ТПО) и интегральному содержанию водяного пара, а также параметр, пропорциональный силе Кориолиса в данном районе. Было показано, что критерий выявляет районы, где с высокой вероятностью может произойти возникновение циклона. Однако по интегральному параметру не всегда можно правильно оценить влажность в приповерхностном слое. Кроме того, определяя потенциальную возможность генерации ТЦ, критерий не учитывает наличие факторов, препятствующих возникновению циклона, например, существование вертикального сдвига ветра в более высоких слоях тропосферы. Поэтому было предложено, основываясь на тех же предпосылках, создать критерий, определяющий наличие над океаном как действующих ТЦ, так и "пред-циклонных" образований. Для его создания были использованы данные по вертикальному зондированию атмосферы с островных метеорологических станций и с борта научно-исследовательского судна в открытом океане.
Полученный критерий рассчитывается по спутниковым микроволновым данным. Изучение его статистики для двух, сильно отличающихся по активности циклогенеза, сезонов в Атлантическом океане позволило выявить новые интересные закономерности.
ПОСТРОЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО КРИТЕРИЯ С УЧЕТОМ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ ТРОПОСФЕРЫ
Для возникновения и развития тропического циклона необходимо выполнение ряда условий, причем одним из важнейших является возможность самопроизвольного подъема воздуха от поверхности океана до тропопаузы (существование сквозьтропосферной конвекции). Это условие реализуется при наличии во всем диапазоне высот положительной плавучести воздуха, поднимающегося от поверхности. Положительная плавучесть воздуха обеспечивается его более высокой температурой по сравнению с окружающей средой, а также более высокой влажностью. Единственной возможностью постоянного и быстрого дополнительного нагрева воздуха является конденсация содержащихся в нем паров воды. На рис. 1 приведены результаты расчета температуры некоторого объема влажного воздуха, поднимающегося от поверхности, в предположении отсут-
ствия обмена теплом и влагой с окружающим воздухом (влажно-адиабатические кривые) при разных начальных температуре и относительной влажности у поверхности воды. На эти кривые наложена кривая стратификации невозмущенной атмосферы (кривая 1), полученная по результатам многомесячных измерений с радиозондов в экваториальной области Индийского и Атлантического океанов (Изменчивость океана и атмосферы..., 1982). До высоты точки росы (~970 мб для начальной относительной влажности 85% и ~925 мб для 70% влажности) конденсация отсутствует и параметры поднимающегося и окружающего воздуха примерно одинаковы. Выше ситуация различна для разных начальных условий: видно, что при высокой температуре воздуха у поверхности (рис. 1, кривые 2 и 3, ts = 29°C и 27°С) температура поднимающегося воздуха, благодаря конденсации, больше температуры окружающего воздуха вплоть до тропопаузы — следовательно, воздух из приповерхностного слоя обладает положительной плавучестью во всем диапазоне рассматриваемых высот, и существуют условия для сквозьтропосферной конвекции. Эта ситуация возможна при весьма слабых требованиях к относительной влажности воздуха у поверхности воды (относительной влажности ks > 70%). Для меньших температур у поверхности для возникновения сквозьтропосферной конвекции необходима более высокая влажность: так, при ts = 25°С относительная влажность должна быть ks > 85% (сплошная кривая 4). При меньших температуре и влажности у поверхности (рис. 1, пунктирная кривая 4 и обе кривые 5) поднимающийся воздух оказывается холоднее окружающего воздуха, и его дальнейший самопроизвольный подъем невозможен. Более подробно эти условия в приповерхностном слое для возникновения сквозьтро-посферной конвекции рассмотрены в (Пелевин и др., 2005).
Можно утверждать, что в каждом ТЦ имеет место сквозьтропосферная конвекция — действительно, в каждом ТЦ существует теплое ядро воздуха, температура которого выше окружающего воздуха, а концентрация водяных паров практически является насыщенной во всем диапазоне высот (это подтверждается наличием у каждого ТЦ плотной облачной стены, уходящей к тропопаузе) (Houze, 2010; Yuan et al., 2011). Кроме того, это хорошо прослеживается в прямых наблюдениях. На рис. 2 приведены данные двух метеорологических станций, расположенных в зонах действия циклонов. При зондировании атмосферы там измеряются высотные профили температуры и относительной влажности воздуха. Результаты измерений приведены для двух событий прохождения циклонов в 2004 и 2009 гг., а также за два дня до прохождения и по прошествии двух дней.
t, °С
t, °С
Рис. 1. Изменение температуры некоторого объема влажного воздуха, поднимающегося от поверхности, рассчитанное в предположении отсутствия обмена теплом и влагой с окружающим воздухом (влажно-адиабатические кривые) при разных начальных температуре и относительной влажности воздуха у поверхности воды: 1 — кривая стратификации стабильной (в отсутствие ТЦ) атмосферы в тропиках, полученная в результате многомесячных измерений; 2 — температура воздуха у поверхности воды 29°С; 3 — температура воздуха у поверхности воды 27°С; 4 — температура воздуха у поверхности воды 25°С; 5 — температура воздуха у поверхности воды 23°С. Сплошные кривые рассчитаны при относительной влажности в приповерхностном слое воздуха 85%, пунктирные кривые — при 70%. б — фрагмент рис. 1а, позволяющий проследить за процессами в нижних слоях тропосферы.
Видно, что в день прохождения циклона температура воздуха в большом диапазоне высот выше, чем в другие дни, и относительная влажность воздуха намного выше обычной и стремится к 100%.
Возникает вопрос: возможно ли определение областей, где началась сквозьтропосферная конвекция, по данным о ТПО и об интегральном содержании водяных паров, получаемых с микроволновых сканнеров спутникового базирования? Для ответа и построения уточненного температур-
но-влажностного критерия (ТВ-крит
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.