ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ^^^^^^^^ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В АРКТИКЕ
ПОЛЯ КОНВЕКТИВНОЙ ОБЛАЧНОСТИ В АТЛАНТИЧЕСКОМ СЕКТОРЕ АРКТИКИ: СПУТНИКОВЫЕ И НАЗЕМНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ
© 2015 г. И. Н. Эзау1*, А. В. Чернокульский2
Центр исследования окружающей среды и дистанционного зондирования им. Ф. Нансена, Берген, Норвегия 2Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова, Москва *E-mail: igore@nersc.no Поступила в редакцию 09.06.2014 г.
В работе рассматривается конвективная облачность в Атлантическом секторе Арктики с точки зрения гипотезы пространственно-организованных полей конвекции. Конвективная облачность обычно изучается как локальный процесс — следствие конвективной неустойчивости турбулентного планетарного пограничного слоя над нагреваемой поверхностью. В высоких широтах конвективная облачность имеет иную динамическую природу, а именно связанную с адвекцией холодного воздуха на относительно теплую поверхность. Это приводит к тому, что физические свойства облачности, например тип конвективных облаков, и ее пространственное расположение взаимосвязаны. Показано, что у кромки льда (береговой линии) преобладает кучевая облачность Cu hum, Cu med, организованная в конвективные валы. В то же время над открытым морем преобладает облачность Cu cong, Cb, организованная в конвективные ячейки. Сравнительный анализ изменений конвективной облачности по спутниковым данным ISCCP и наземным наблюдениям выявил несогласованность изменений облачности в регионе: уменьшение доли конвективной облачности по ISCCP и увеличение по данным наземных наблюдений. В целом, согласно выдвигаемой гипотезе, отступление границы льда может приводить к росту конвективной облачности.
Ключевые слова: конвективная облачность, пространственно-организованные поля конвекции, Атлантический сектор Арктики, спутниковые и наземные наблюдения
DOI: 10.7868/S0205961415020050
ВВЕДЕНИЕ
Атмосферная турбулентная конвекция играет заметную роль в формировании климата Земли, воздействуя непосредственно на тепловой баланс столба воздуха (Ramanathan, Coakley, 1978) и формирование конвективной облачности и осадков (Облака..., 1989). Традиционно конвекция в планетарном пограничном слое (ППС) рассматривается как локальный процесс, обусловленный статической неустойчивостью атмосферных слоев. Такая статическая неустойчивость возникает, когда воздух, расположенный над поверхностью, является менее плотным (потенциально более теплым), чем воздух в более высоких слоях. Локальная неустойчивость позволяет рассматривать механизмы конвекции без учета горизонтальной неоднородности подстилающей поверхности, — например (Hellsten, Zilitinkevich, 2013; Zil-itinkevich et al., 2006; Esau, 2003).
Однако такой подход не вполне оправдан при рассмотрении конвекции в высоких широтах, где тепловой баланс в ППС, как правило, отрицателен. В среднем Арктика севернее 70 с.ш. теряет 70—110 Вт м-2 тепла (Сорокина, Эзау, 2011), кото-
рое должно быть компенсировано через горизонтальную адвекцию тепла в верхней атмосфере (95% от общего меридионального потока энергии) и океане (5%). При этом в Атлантическом секторе Северного Ледовитого океана тепловой поток в океане сравним с потоком в атмосфере (8теё8гаё й а1., 2013), что обусловливает круглогодичное существование свободной ото льда поверхности воды в Норвежском и Баренцевом морях. В Баренцевом море, которое и обсуждается в данной работе, океан отдает в атмосферу порядка 70 х 1012 Вт (70 ТВт) тепла в год, из них примерно 30% — в виде явного тепла через интенсивный конвективный обмен в нижних слоях атмосферы (8теё8гиё е! а1., 2013). Это соответствует теплоотдаче водной поверхности примерно 150—200 Вт м-2 в течение холодного сезона с октября по апрель, что в среднем больше, чем конвективный поток от поверхности, наблюдаемый в тропиках.
Итак, в Атлантическом секторе Арктики, и особенно в Баренцевом море, существуют условия, поддерживающие зимнюю конвекцию в ППС за счет значительного меридионального притока тепла в океане. Конвекция в этом регио-
4
49
не хотя и является локально однородной, тем не менее контролируется динамикой региональной циркуляции и горизонтальными неоднородно -стями подстилающей поверхности, в первую очередь — положением границы морского льда. Численные эксперименты с вихреразрешающими моделями турбулентного обмена (Esau, 2007, 2014; Gryschka et al., 2008) показали, что над горизонтально-однородной поверхностью ППС быстро прогревается. При этом турбулентный поток тепла уменьшается до нескольких десятков Вт м-2, т.е. до значений, не способных поддерживать облака кучевых форм. Такой сценарий развития конвекции, однако, не подтверждается наблюдениями за турбулентными потоками и конвективной облачностью в этом регионе (Bruemmer, Pohlman, 2000; Smedsrud et al., 2013).
Конвекция в высоких широтах развивается, главным образом, при холодных вторжениях в тыловой части циклонов. Нелокальность конвекции проявляется в развитии пространственно-организованных полей конвекции (ПК), где степень развития конвективной облачности и высота ППС зависят от пути, пройденного частицей воздуха над теплой поверхностью открытой воды. ПК хорошо различимы на спутниковых снимках (Bruemmer, Pohlman, 2000), но, с точки зрения неподвижного наземного наблюдателя, создается впечатление, что конвективная облачность не развивается во времени. При этом турбулентные измерения как бы противоречат теоретически установленным законам развития ППС. Эти противоречия, среди прочего, мотивируют работы по "полярной" адаптации параметризаций ППС (см. обзор в Bourassa et al., 2013).
В климатическом смысле, эффект пространственной самоорганизации ПК проявляется через связи наблюдений конвективной облачности с частотой и другими характеристиками холодных вторжений, т.е. с региональной изменчивостью атмосферной циркуляции, а также, с расположением границы ледяного покрова относительно точки наблюдения. В свою очередь изменчивость холодных вторжений связана с более крупномасштабными модами атмосферной изменчивости, например, Skeie (2000) и Chen et al. (2013) связали изменчивость холодных вторжений с так называемой осцилляцией Баренцева моря (Barents Oscillation). Климатология холодных вторжений в регионе получена в работе Kolstad et al. (2009).
В представленной работе рассматривается конвективная облачность над Баренцевым морем (и, частично, над Норвежским и Карским морями) по данным спутниковых и наземных наблюдений. Анализ этих данных в рамках гипотезы ПК позволяет по-новому интерпретировать ранее опубликованные результаты статистического анализа облачности в регионе. Раздел 1 описыва-
ет конвективную облачность конкретного циклона и на этом примере вводит основные понятия и характеристики, которые используются в работе. Раздел 2 характеризует конвекцию по данным проекта ISCCP. Раздел 3 характеризует изменение облачного покрова и типов облаков по данным наземных и спутниковых наблюдений. Раздел 4 посвящен обсуждению и выводам. В приложении дано описание используемых баз данных.
1. КОНВЕКТИВНАЯ ОБЛАЧНОСТЬ В ТЫЛУ ЦИКЛОНА
Пространственная организация конвективной облачности в ПК была открыта с появлением спутниковых снимков достаточно высокого разрешения (Fritz, 1966; Agee et al., 1973), так как наземные наблюдения не позволяют обнаружить такую организацию без сложного статистического анализа. ПК состоят из (следуя по потоку от выхода воздушной массы на сравнительно более теплую подстилающую поверхность): параллельных рядов кучевых облаков (облачных улиц), вытянутых по ветру и растущих в масштабе (кучевые плоские (Cu hum), кучевые средние (Cu med) и кучевые мощные (Cu con)) по мере удаления от границы раздела поверхностных неоднородно-стей (в конкретном случае Арктики — от границы раздела лед—вода); и более-менее пространственно изотропных конвективных ячеек с облаками Cu con и Cb (кучево-дождевыми) в узлах и Cu hum, Cu med в перемычках. При этом свободные от облаков участки с возвратными оседающими вертикальными движениями занимают большую часть ПК. ПК хорошо различимы на самолетных и спутниковых снимках, но для наблюдателя на земле наличие конвективной облачности может быть неочевидно, так как в центральной части конвективных ячеек небо ясное, а облачность на малых масштабах имеет пространственно-однородную структуру.
Рассмотрим теперь ПК на рис. 1. Пространственная структура облачных полей над Арктикой и их развитие в период 2—10 октября 2013 г. представлены по данным MODIS Terra с разрешением 5 км на пиксел. Такое разрешение позволяет идентифицировать конвективные ячейки и конвективные валы, но не отдельные кучевые облака. Набор спутниковых изображений прослеживает прохождение циклонической серии через Норвежское, Баренцево и Карское моря (справа от центра снимков). В частности, хорошо представлены типичное развитие ПК в холодном секторе циклона 3—7 октября и замена его слоистой облачностью следующего циклона серии в течение 8—10 октября.
Сравнение ПК над Баренцевым морем на изображениях 2 и 5 октября позволяет убедиться, что адвекция воздуха, прогретого над Норвеж-
Рис. 1. Пространственная структура облачных полей над Арктикой и их развитие в период 2-10 октября 2013 г. по данным MODIS/Terra (видимый канал, разрешение 5 км на пиксел).
ским морем (2 октября), не приводит к развитию существенной облачной конвекции. Несмотря на близкую к нейтральной стратификацию атмосферы и влажность, близкую к насыщению, облачность остается в основном слоистой. Заток холодного воздуха из центральной Арктики 5 октября приводит к структуризации ПК и формированию конвективных ячеек. Особенно интересен тот факт, что ячейки определенного масштаба остаются привязанными к своим географическим регионам и в последующие дни, что было бы невозможно при локальном развитии конвекции. Это происходит из-за того, что масштаб конвекции контролируется длиной пути холодного воздуха над открытой водой. При наблюдениях на отдельных станциях это свойство пространственной когерентности ПК должно проявляться в статистической коррелированности появления определенных типов облачности в удаленных друг от друга точках.
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.