УДК 551.524.73(98)<1935/2012>
Изменение характеристик среднего энергетического уровня атмосферы в районе архипелага Земля Франца-Иосифа в период 1935—2012 гг.
А. П. Нагурный*
Предложен метод расчета средней температуры вертикального столба атмосферы (температура среднего энергетического уровня) по данным радиозондирования, основанный на некоторых особенностях энергетических характеристик атмосферы. Современная база данных дополнена результатами радиозондирования на российских аэрологических станциях в 1934— 1959 гг. В рядах среднегодовых значений температуры среднего энергетического уровня атмосферы отмечаются колебания с периодом несколько десятилетий и размахом 4°С в период 1935—2012 гг. За последние несколько лет отмечалось интенсивное уменьшение среднегодовых значений интегральной по высоте температуры. В ее среднесезонных значениях проявляются длиннопериодные колебания одинакового характера. Зимой и в переходные сезоны они наиболее ярко выражены, а в летнее время значительно ослаблены. Данные наблюдений свидетельствуют о существовании источников возмущения многолетнего масштаба, что характерно для эволюции аномалий температуры поверхности воды в Северной Атлантике. Характер многолетних изменений температуры среднего энергетического уровня дает основание предположить существование подобия локального аттрактора в атмосферных изменениях вблизи архипелага Земля Франца-Иосифа, связанного с особенностями теплового состояния Северо-Европейского бассейна и ледовым режимом, прежде всего в Баренцевом море. Температура среднего энергетического уровня мало зависит от локальных парниковых эффектов, что позволяет выделять естественные (не антропогенные) причины возмущений атмосферы в более явном виде.
Введение
Среди возможных механизмов, влияющих на изменение температуры атмосферы в настоящее время, одним из определяющих является действие парниковых газов антропогенного характера. При этом возникает необходимость оценить отдельный вклад естественных и антропогенных воздействий на тепловое состояние атмосферы. В целом такое разделение весьма затруднительно. Однако в некотором частном случае это оказывается возможным. Поступление парниковых газов внутрь вертикального столба атмосферы не всегда сопровождается дополнительным поступлением или оттоком тепла. Следовательно, средняя температура вертикального столба
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт; e-mail: aaricoop@ aari.ru.
воздуха бесконечной высоты единичного сечения не должна изменяться в силу закона сохранения внутренней энергии. Действие парниковых газов (как исключительно радиационного процесса переноса тепла по вертикали) проявляется только в удерживании тепла в нижней тропосфере и дефиците тепла выше средней тропосферы, т. е. в увеличении температуры нижних слоев и уменьшении температуры верхних слоев воздуха, при этом средняя температура вертикального столба бесконечной высоты остается постоянной. Она может изменяться только при изменении потоков тепла через границы вертикального столба атмосферы. Таким образом, средняя температура вертикального столба воздуха бесконечной высоты не зависит от концентрации парниковых газов внутри него и определяется исключительно источниками тепла внешнего происхождения. Анализируя эти изме не ния за дли тель ный пе ри од, мож но вы я вить кли мати чес кие из-ме не ния, вы зван ные раз ны ми при чи на ми, ис ключая, одна ко, ло каль ное антропогенное воздействие.
Значение средней температуры всего вертикального столба воздуха не может быть определено непосредственным интегрированием по давлению из-за ограниченности высоты радиозондирования. Ниже предлагается метод, который позволяет рассчитать среднюю температуру вертикального столба атмосферы, основываясь на ее некоторых энергетических особенностях [2, 4, 6] и используя данные радиозондирования только в пределах средней тропосферы.
Метод расчета средней по высоте температуры воздуха
Метод основан на некоторых особенностях энергетических характеристик атмосферы — потенциальной (Еп) и внутренней (Ев) энергии, подробно описанных в работе [4]. Выражения для потенциальной и внутренней энер гии верти каль но го стол ба возду ха бес ко неч ной вы соты и еди нич но го сече ния име ют вид
Еп = Ев = (е^Л^)Ттро,
где А — тепловой эквивалент работы; еу — удельная теплоемкость; Тт — средняя взвешенная по массе всего вертикального столба температура воздуха (К) (или средняя по давлению от р0 до 0 температура воздуха); Фт — средний (взвешенный по массе всего вертикального столба атмосферы) геопотенциал (средний по давлению всего вертикального столба атмосферы); g — ускорение силы тяжести; р0 — приземное давление. Согласно теореме Дайнса [4], для бесконечного столба атмосферы единичного сечения выполняется соотношение Ев/Еп = еу/(АЯ), где Я — газовая постоянная. Откуда следует Фт = ЯТт.
В работе [2] введено понятие среднего энергетического уровня, на котором значения Ф и ЯТ как функции давления численно равны и соответственно равны средневзвешенным по массе значениям температуры и геопотенциала всего вертикального столба атмосферы. Этот уровень располагается вблизи изобарической поверхности 400 гПа и является своеобразным интегральным уровнем всей атмосферы. Его высоту можно определить экспериментально, если показать, что функции Ф и ЯТ, имеющие одинаковую размерность, равны только на одном уровне в тропосфере. На
среднем энергетическом уровне эти функции пересекаются. Однако можно пред ста вить та кую си туа цию, когда функ ция ЯТ не сколь ко раз пе ре сечет функцию Ф, и тогда равенство Ф = ЯТ будет наблюдаться на нескольких уровнях. Такая ситуация может быть связана с глубокой инверсий температуры вблизи среднего энергетического уровня, если значение градиента температуры в инверсии превышает 3,4°С/100 м. Однако столь глубокая инверсия никогда не наблюдается в средней тропосфере на высоте 6—7 км. Для этой высоты характерно устойчивое уменьшение температуры с равновесным градиентом, равным -0,67°С/100 м. Выше и ниже 6—7 км кривые ЯТ и Ф расходят ся на столь ко, что не мо гут пе ре сечь ся при реаль но возмож ных ин вер си ях. Отсюда следует, что ра ве нство Ф = ЯТ вы пол ня ет-ся в атмосфере практически только на одном уровне. Если имеются данные радиозондирования температуры и геопотенциала абсолютной топографии изобарических поверхностей, расположенных вблизи среднего энергетического уровня, например 500 и 300 гПа, то путем линейной интерполяции кривых Ф и ЯТ между этими двумя поверхностями получим следу ю щую формулу для вы чис ле ния сред ней (по давле нию все го вертикального столба атмосферы) температуры и соответственно среднего геопотенциала [6]:
^ _пТ _ Ф50р(ЯТ500 - ЯТ300) + ЯТ500 (Ф300 ~ Ф500)
Фт = ЯТт =-.
(Ф300 - Ф500) + Я (Т500 - Т300)
В случае очень низкой полярной тропопаузы вместо данных измерений на изобарической поверхности 300 гПа можно использовать данные поверхности 400 гПа. Однако следует учитывать, что данные на стандартной изобарической поверхности 400 гПа в некоторых макетах архивных данных присутствуют не всегда.
Оперируя значением газовой постоянной для сухого воздуха Я, необходимо использовать значение виртуальной температуры: Ту = Т(1 + + 0,378(е/р)), где Ту — виртуальная температура, е — давление водяного пара на уровне с давлением р. На высоте 6—7 км давление водяного пара в десять раз меньше, чем у земли (<0,5 гПа), в то время как давление воздуха падает примерно наполовину (рт « 420 гПа). В результате разность между измеренной и виртуальной температурой на этих высотах не превышает 0,1 °С, что является достаточно малой величиной.
Характерно, что средняя температура всего вертикального столба атмосферы, численно равная температуре среднего энергетического уровня, может быть определена по данным измерений только на двух уровнях средней тропосферы. Если линейная интерполяция функций Ф и ЯТ между этими уровнями соответствует реальному распределению, то предложенная формула дает достаточно точное значение Тт. Это условие выполняется практически в подавляющем числе случаев. Расчеты показывают, если радиозондирование осуществляется до изобарической поверхности 10 гПа и выше, то значения Фт и Тт, определенные численным интегрированием по давлению, близки аналогичным значениям на среднем энергетическом уровне, определенным по предложенной интерполяционной формуле. Разность этих величин не превышает точности инструментального измерения геопотенциала и температуры радиозондирования, особенно в рядах среднемесячного и среднегодового осреднения. В процессе прямого интегри-
рования по давлению вертикального столба атмосферы наиболее точно определяется значение Ôm, поскольку изменение геопотенциала (как функции давления) представляет очень гладкую функцию. Соответственно, согласно теореме Дайнса, определяется более точно значение Tm по сравнению с прямым интегрированием температуры, поскольку профиль температуры с высотой не является гладкой функцией из-за наличия особых точек в приземном слое, инверсионных слоях и на тропопаузе. В тех случаях, когда представляет интерес только значение Tm и имеются данные радиозондирования до большой высоты, можно обойтись без учета температуры и влажности (т. е. знания виртуальной температуры); для этого достаточно данных о геопотенциале до изобарической поверхности 10 гПа и выше. В этом состоит одна из особенностей теоремы Дайнса. Учитывая, что подъемов радиозондов до такой высоты сравнительно немного, в общем случае можно использовать интерполяционную формулу, предложенную выше.
Если Tm определено, то окончательные расчеты внутренней и потенци-аль ной энер гии верти каль но го стол ба возду ха сводят ся к вы чис ле нию произведения Tmp0 и умножению на соответствующий коэффициент.
Интегральное по высоте состояние потенциальной и внутренней энергии атмосферы в значительной степени определяется свойствами среднего энергетического уровня. В сумме оба вида энергии дают величину так называемой лабильной энергии, тесно связанной с генерацией кинетической энергии движения воздушных масс [4]. Следу
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.