УДК 551.510.528(047)
Тропопауза — многообразие определений и современные подходы к идентификации
А. Р. Иванова*
Представлен обзор работ, посвященных проблемам определения тропопаузы как границы раздела между тропосферой и стратосферой. Показано, что существует более десятка подходов к идентификации тропопаузы, основанных на различиях в радиационном, термическом, химическом и динамическом режимах тропосферы и стратосферы. Приведены примеры аппроксимации тропопаузы разными поверхностями или слоями со специфическими свойствами.
Тропопауза — один из ключевых объектов земной атмосферы. Она разделяет тропосферу и стратосферу, т. е. два основных погодообразующих слоя с существенно различающимися динамическим, химическим и радиационным режимами [33]. Тропосфера — самая плотная часть земной атмосферы, которая содержит почти весь атмосферный водяной пар (99%), облака и осадки. Практически все феномены погоды, связанные с облачностью, сосредоточены в тропосфере. Вертикальное распределение температуры характеризуется ее общим понижением с высотой, хотя нередки и инверсии температуры. Тропосфера представляет собой слой активного перемешивания, для которого характерны интенсивные вертикальные движения. Тропопауза является "крышкой" тропосферы и может одновременно рассматриваться как основание большого инверсионного слоя, т. е. стратосферы.
Стратосфера — второй главный слой атмосферы. Она простирается до стратопаузы, расположенной на высоте ~50 км, где вертикальный градиент температуры меняет знак. Из-за очень малого содержания водяного пара в стратосфере главную роль в регулировании температурного режима этого слоя играет озон. Температура здесь повышается вследствие поглощения молекулами озона ультрафиолетовой радиации в диапазоне длин волн 200—300 нм [1]. Так как температура воздуха в стратосфере увеличивается с высотой, то это подавляет конвекцию и создает стабилизирующее влияние, ограничивая турбулентность тропосферой. Таким образом, можно сформулировать определение тропопаузы, отражающее ее физический смысл: это граница между конвективно-управляемым слоем и вышележащим слоем радиационного равновесия [76].
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: ivanova@mecom.ru.
Изучение тропопаузы является актуальным во многих отношениях. Динамическая, химическая и радиационная связи между стратосферой и тропосферой очень важны, так как даже небольшие изменения в обмениваемом количестве влаги и химических составляющих могут привести к существенным изменениям глобального климата [32, 33]. Такой обмен влияет на содержание стратосферного озона, тропосферное загрязнение и глобальное потепление [54]. Поскольку тропопауза играет ключевую роль в обмене между тропосферой и стратосферой, необходимы точные знания ее пространственной и временной структуры.
Положение тропопаузы может быть определено разными способами, и все они в некотором роде эмпирические. Считается, что до сих пор нет полного и адекватного описания фундаментальной природы тропопаузы, которое может обеспечить ее физически обоснованную идентификацию. В зависимости от того, какое из различий между тропосферой и стратосферой принимается во внимание, формулируется тот или иной подход к определению тропопаузы: это могут быть фундаментальные различия или различия в свойствах. Наряду с концептуальными определениями тропопаузы и их разновидностями существует также ряд грубых аппроксимаций тропопаузы, используемых, как правило, в решении модельных задач. На сегодняшний день в литературе представлены следующие определения тропопаузы:
— классическая (термическая);
— тропопауза, определенная по критерию устойчивости;
— тропопауза холодной точки;
— динамическая;
— радиационная тропопауза в ясном небе;
— озоновая;
— химическая;
— тропопауза, основанная на характеристиках влажности;
— тропопауза как изобарическая поверхность;
— тропопауза как изэнтропическая поверхность;
— тропопауза как минимум эффективной диффузии;
— смешанная (динамико-термическая) тропопауза.
Радиационная тропопауза в ясном небе. Это не самое распространенное определение заключает в себе, тем не менее, первопричину образования тропопаузы. Она возникает в толще атмосферы там, где существует баланс между радиационным нагреванием атмосферы при поглощении солнечной радиации стратосферным озоном и процессами в тропосфере, включающими длинноволновое излучение поверхности, перемешивание и фазовые переходы влаги. Радиационная тропопауза при ясном небе (clear-sky radiative tropopause) — тот уровень, на котором радиационный нагрев воздуха при ясном небе равен нулю. Это понятие имеет ограниченное применение и обычно используется при исследованиях в тропической зоне [26, 36].
Различие радиационного режима тропосферы и стратосферы обусловливает различие термического режима. Прекращение понижения температуры с высотой (в тропосфере) и начало ее повышения (в стратосфере) яв-ля ют ся глав ны ми кри те ри ями для опреде ле ний, осно ван ных на сво йстве
устойчивости атмосферных слоев. К ним относятся классическая (термическая) тропопауза, тропопауза, определенная по критерию устойчивости, и тропопауза холодной точки.
В количественном отношении определение термической тропопаузы, изложенное в работе [81], сформулировано следующим образом: тропопауза — это уровень, на котором вертикальный градиент температуры уменьшается до 2°С/км или менее и остается столь же небольшим по крайней мере в вышележащем слое 2 км. Однако часто вертикальное зондирование атмосферы обнаруживает несколько уровней, удовлетворяющих заданному критерию, и в этом случае речь идет о множественности тропопауз. Тогда над самым нижним уровнем, удовлетворяющим критерию 2°С/км, вторичная тропопауза должна удовлетворять критерию 3°С/км. В работе [6] представлена статистика множественных тропопауз для всего земного шара, полученная по данным самого обширного радиозондового архива IGRA (Integrated Global Radiosonde Archive). Анализ этих данных показал, что процентное соотношение сообщений о второй и третьей тропопаузе по отношению к случаям с единичной тропопаузой составляет (по разным расчетам) 14,79—16,44 и 1,29—2,75% соответственно. Причем максимум повторяемости множественной тропопаузы в обоих полушариях приходится на широтную полосу 40—60°.
Использование термической тропопаузы в работах многих исследователей [7, 24, 32, 38, 84] получило в последние годы дополнительный стимул в связи с появлением возможности зондирования атмосферы с высоким вертикальным разрешением. Над уровнем, определенным согласно [81], был обнаружен слой сильной инверсии, названный инверсионным слоем тропопаузы (tropopause inversion layer — TIL). В нем вертикальный градиент температуры резко увеличивается сразу над уровнем минимальной температуры, совпадающим с тропопаузой. Такой слой был обнаружен сначала по данным радиозондирования над Южной Германией [14], а затем и над США [15]. Физические механизмы, лежащие в основе наблюдаемых TIL, изучены еще недостаточно хорошо. Так, в работе [64] показано, что формирование TIL можно проследить в упрощенной модели общей циркуляции атмосферы как следствие динамических процессов. В свою очередь, авторы работы [53] доказали, что важную роль играют радиационные эффекты, связанные с озоном и водяным паром. Потенциально важными механизмами могут быть также гравитационные волны, турбулентность, конвекция и циркуляция Брюера — Добсона [47, 62]. Рэндел и Ву [52] пришли к выводу, что радиационные эффекты водяного пара, имеющие ярко выраженный максимум в годовом ходе, вносят основной вклад в формирование и поддержание полярного летнего TIL. Бирнер [13] установил, что TIL является глобальным феноменом, однако механизмы его формирования зависят от широты. Так, в полярных широтах доминантной причиной является радиация, в средних — крупномасштабная динамика, представленная остаточной меридиональной циркуляцией, в тропиках важны оба фактора.
Положение термической тропопаузы определяется по данным профилей температуры, получаемых на пунктах сети аэрологического зондирования два раза в сутки. Радиозондовые данные обычно рассматриваются
как "золотой стандарт" (эталон) для определения положения тропопаузы из-за прямых измерений с высоким вертикальным разрешением. Однако раньше радиозонды часто не достигали тропопаузы, а те, что выпускаются в настоящее время с датчиками хорошего качества, дороги, и их данные неравномерно распределены по глобусу.
Новой инновационной технологией для мониторинга глобальной тропопаузы являются радиозатменные измерения в Глобальной системе позиционирования, GPS [52, 68]. Они фиксируют временные задержки в за-тмен ных сиг налах от од но го спутни ка к дру гому. Обра бот ка этих вре мен-ных задержек позволяет получить профили угла преломления в атмосфере. Эта информация затем может быть использована для извлечения профилей температуры и влажности атмосферы, хотя нужны дополнительные внешние данные, чтобы различать эффект температуры и эффект влажности. Почти полное отсутствие влаги вблизи тропопаузы делает профили температуры в этом слое особенно точными. Кроме того, эти данные не чувствительны к инструментальному отклонению и самокалибруются, т. е. способны учитывать систематические искажения [8]. Из-за высокой точности, временной согласованности и плотности глобальных наблюдений техника радиозатменных измерений имеет значительный потенциал для мониторинга глобальной тропопаузы.
Тропопауза, определенная по критерию статической устойчивости. В этом определении вместо величины градиента температуры используется пороговое значение квадрата частоты Брента — Вяйсяля. Именно изменение знака вертикального градиента температуры обусловливает переход от неустойчивой тропосферы, характеризующейся наличием активных вертикальных движений, к стратосфере, которая является слоем большой стати чес кой устой чи вос ти и под авля ет верти каль ные дви же ния. В ра ботах [14, 15] при построении (по данным радиозондирования) профилей квадрата частоты Брента — Вяйсяля N2 как характеристики устойчивост
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.