научная статья по теме АНАЛИЗ ПРЕДШТОРМОВЫХ СИТУАЦИЙ ВО ФЛОРИДСКОМ ПРОЛИВЕ И В ГОЛУБОЙ БУХТЕ ЧЕРНОГО МОРЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ПРЕДШТОРМОВЫХ СИТУАЦИЙ ВО ФЛОРИДСКОМ ПРОЛИВЕ И В ГОЛУБОЙ БУХТЕ ЧЕРНОГО МОРЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 1, с. 97-104

УДК 551.465

АНАЛИЗ ПРЕДШТОРМОВЫХ СИТУАЦИЙ ВО ФЛОРИДСКОМ ПРОЛИВЕ

И В ГОЛУБОЙ БУХТЕ ЧЕРНОГО МОРЯ

© 2014 г. А. Г. Гранков, С. В. Маречек. А. А. Мильшин, Е. П. Новичихин, Н. К. Шелобанова

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Фрязинский филиал 141190 Фрязино, Московская обл., пл. Акад. Введенского, 1 E-mail: agrankov@inbox.ru Поступила в редакцию 16.05.2012 г.

Рассмотрены особенности поведения тепловых и радиотепловых (СВЧ-излучательных) характеристик атмосферы в акваториях, контролируемых контактными и дистанционными средствами в предштормовых ситуациях. Объекты исследования: а) район станции SMKF1 (Sombrero Key) Флоридского пролива накануне прихода в этот район мощного тропического циклона Катрина в августе 2005 г.; б) Голубая бухта Черного моря (г. Геленджик, территория филиала Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН) в сентябре 2010 г. накануне интенсивного шторма. На основе метеорологических и спутниковых СВЧ-радиометрических данных проведено изучение общих и отличительных признаков в поведении температуры и влажности приводного воздуха, приповерхностных потоков явного и скрытого тепла, полного тепло- и влагосодержания атмосферы, а также СВЧ-излучатель-ных характеристик системы "водная поверхность—атмосфера" в периоды времени, предшествующие приближению циклона Катрина к району станции SMKF1 и развития морского шторма в районе Голубой бухты. В обоих случаях в предштормовой период времени (несколько суток) наблюдался эффект "накачки" атмосферы энергией в виде скрытого тепла, содержащегося в водяном паре.

Ключевые слова: тропические циклоны, система "океан—атмосфера", спутниковые СВЧ-радиомет-рические измерения, буйковые измерения, аккумуляция тепла.

DOI: 10.7868/S0002351514010052

1. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В статье рассмотрены особенности поведения тепловых и радиотепловых (СВЧ-излучательных) характеристик атмосферы в акваториях, контролируемых контактными и дистанционными средствами в предштормовых ситуациях.

В одном случае исследовалась реакция системы "океан—атмосфера" (СОА) в период деятельности мощного тропического циклона (ТЦ) Катрина в августе 2005 г. во Флоридском проливе в районе буйковой станции SMKF1 (Sombrero

Key)1. Проведен анализ синоптических вариаций следующих характеристик СОА в период времени 19—24 августа, предшествующий приходу ТЦ Катрина:

а) температуры и влажности воздуха в приводном 10-метровом слое в районе станции SMKF1 — результатов прямых метеорологических измерений со станции;

1 Согласно классификации, принятой в NOAA, тропические циклоны до момента их прихода на территорию побережья США рассматриваются как океанские штормы.

б) полного влагосодержания атмосферы — результатов обработки спутниковых СВЧ-радио-метрических измерений, и ее энтальпии;

в) вертикальных турбулентных потоков явного и скрытого тепла на границе раздела воды и воздуха;

г) интенсивности собственного СВЧ-излуче-ния (яркостной температуры) СОА, измеренной радиометром AMSR-E со спутника EOS Aqua в линии излучения (поглощения) водяного пара атмосферы на длине волны 1.26 см (частота 23.8 ГГц).

Источником информации о наземных данных является американский Центр — National Data Buoy Center NOAA (NDBC); в качестве источников дистанционных данных используются результаты регулярных измерений сканирующего многоканального радиометра AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer) американского метеорологического спутника EOS Aqua. Технические характеристики этого радиометра приведены в статье [1].

В другом случае в прибрежной зоне на берегу Черного моря (г. Геленджик, территория филиала Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН) проведены одновременные метеорологические и

7

97

Aa, °C 1.2

19 20 21 22 23 24 Дни августа 2005 г.

25

Рис. 1. Вариации температуры ta приводного воздуха перед приходом ТЦ Катрина в район станции SMK.F1 во Флоридском проливе. Пунктирная линия — аппроксимация оригинальных результатов полиномом 2-й степени.

СВЧ-радиометрические исследования характеристик параметров атмосферы в период, предшествующий появлению интенсивного шторма.

Измерения проводились в сентябре—октябре 2010 г. с помощью установленных на конце пирса метеорологических датчиков и ориентированного вверх, сканирующего по углу места и азимута радиометра, измеряющего интенсивность собственного СВЧ-излучения атмосферы на длине волны 1.35 см [2]. Цели СВЧ-радиометрических измерений заключались в исследовании изменчивости параметров атмосферы в различных погодных условиях (в том числе и в предштормовых условиях) и в отработке методики оценивания распределения водяного пара в атмосфере по высоте.

Одновременно сотрудниками Института космических исследований РАН, Института физики атмосферы РАН и Южного отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН с помощью приборов оптического, инфракрасного, миллиметрового и сантиметрового диапазонов и метеостанции исследовались параметры водной поверхности, а также характеристики приводного воздуха.

Из материалов черноморского эксперимента нами выделены данные наземных измерений температуры и влажности приводного воздуха, а также яркостной температуры атмосферы в период времени 23—31 сентября, предшествующий приходу шторма.

Позже эти ряды данных были дополнены результатами измерений радиометром AMSR-E спутника EOS Aqua на длине волны 1.26 см (23.8 ГГц) в области моря, примыкающей непосредственно к Голубой бухте. Использование спутниковых данных для акватории самой бухты

не представляется возможным, так как ее размеры в несколько раз меньше величины пространственного разрешения этого канала радиометра AMSR-E.

С помощью перечисленных средств проведено изучение общих и отличительных признаков в поведении температуры и влажности приводного воздуха, приповерхностных потоков явного и скрытого тепла, полного влагосодержания и энтальпии атмосферы, а также СВЧ-излучательных характеристик СОА в периоды времени, предшествующие приближению ТЦ Катрина к району станции SMKF1 и приходу морского шторма в район Голубой бухты.

2. ДИНАМИКА ХАРАКТЕРИСТИК СОА В РАЙОНЕ СТАНЦИИ SMKF1

Температура, влажность приводного воздуха, влагосодержание атмосферы

В качестве опорной точки при анализе влияния ТЦ Катрина на параметры атмосферы используется станция SMKF1 (Sombrero Key) во Флоридском проливе (24.38° N, 81.07° W) из арсенала данных NDBC. Ближайшее расстояние между траекторией ТЦ Катрина и этой станцией составило ~120 км 26 августа 2005 г. в 12 часов дня, к этому моменту циклон прошел от места зарождения в районе Багамских островов расстояние около 800 км.

Объем исходных данных, полученных с помощью датчиков станции SMKF1 на стадии, предшествующей появлению ТЦ Катрина в районе станции SMKF1, составил 144 ежечасных выборки для температуры и влажности приводного слоя атмосферы.

На рис. 1 представлены вариации температуры приводного воздуха в период с 19 по 24 августа 2005 г., зарегистрированные датчиками станции SMKF1. Чередующиеся пики (максимумы и минимумы) этого параметра отражают его суточные колебания. Из иллюстрации видно, что по мере приближения ТЦ Katrina к району станции SMKF1 наблюдается нарастание температуры приводного воздуха: величина вариаций средних (аппроксимированных) значений параметра ta в период с 19 по 23 августа достигает 0.5°C, причем суточный размах изменений этого параметра составляет 1°C, т.е. в полтора раза больше.

Рисунок 2 иллюстрирует поведение ряда характеристик атмосферы в районе станции SMKF1 в течение недельного промежутка времени, предшествующего приходу ТЦ Катрина (18— 27 августа). На рис. 2а представлены расчетные оценки вариаций абсолютной влажности а приводного воздуха, которые получены на основе результатов обширных экспериментальных исследований связи упругости водяного пара с разностью темпе-

ратур воды и воздуха [3] в различных частях Мирового океана — прямые измерения влажности воздуха на буйковых станциях NOAA не предусмотрены. На рис. 2б и 2в приведены оценки вариаций полного влагосодержания атмосферы Q (рис. 2б), полученные по данным измерений радиометра AMSR-E спутника EOS Aqua с помощью известной методики [4], а также вариации яркостной температуры 7я (рис. 2в), измеренной в области резонансного поглощения водяного пара атмосферы 1.26 см.

Из рис. 2 видно, что в период времени, предшествующий приходу ТЦ Катрина в район станции SMKF1, имеет место монотонное возрастание влажности приводного воздуха на 3 г/м3, полного влагосодержания атмосферы на 11 кг/м2, а также яркостной температуры СОА на длине волны 1.26 см на 13 градусов Кельвина. Сравнение рис. 2б и 2в подтверждает широко известный факт о тесной связи между яркостной температурой СОА в области резонансного поглощения радиоволн в водяном паре атмосферы и полным вла-госодержанием атмосферы; величина чувствительности интенсивности собственного СВЧ-излучения СОА к вариациям полного влагосодержания атмосферы AT^/AQ близка к ее теоретическому значению, которое составляет на длине волны 1.35 см (центральная линия резонансного поглощения радиоволн в водяном паре) в тропических широтах океана 1.1—1.2 К/(кг/м2).

Aa, г/м3 5

(а)

1 -

AQ; 12 10 8 6 4 2 0

18

кг/м2

20

22

24

26

28

(б)

18

20

22

24

26

J

28

Потоки явного и скрытого тепла у поверхности океана

С помощью данных буйковых измерений температуры поверхности океана, температуры приводного воздуха и оценок его влажности, а также давления и скорости ветра в приводном слое атмосферы рассчитаны значения вертикальных турбулентных потоков явного qh и скрытого тепла для станции 8МКБ1 на границе раздела воды и воздуха на основе распространенных в динамической метеорологии балк-формул [5]. В соответствии с этим подходом величины qh и qe характеризуются следующими соотношениями:

qh = Сррс^п - ок (1)

qe = Ьр(0.622/РК(е - е0)У, (2)

т.е. выражаются через следующие параметры СОА — температуру ?а, давление Р, упругость водяного пара е воздуха и скорость ветра V в приводном воздухе, а также через температуру поверхности океана ?п и максимальную для дан

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.

Показать целиком