ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 428, № 5, с. 671-674
ГЕОФИЗИКА
УДК 551.510
КВАЗИДВУХЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА © 2009 г. С. А. Ситнов
Представлено академиком Г.С. Голицыным 20.05.2009 г.
Поступило 21.05.2009 г.
Изложены результаты исследования квазидвухлетних колебаний температуры, давления, влажности воздуха, ветра, а также высоты и температуры тропопаузы. Впервые представлены вертикальные структуры колебаний в стратосфере и тропосфере над московским регионом. Обсуждаются возможные физические механизмы квазидвухлетней изменчивости метеорологических параметров.
Квазидвухлетняя цикличность (КДЦ) зонального ветра в экваториальной стратосфере влияет на распространение внетропических планетарных волн и среднюю меридиональную циркуляцию атмосферы [1]. Как следствие, эффекты КДЦ обнаруживаются не только вблизи экватора, но и во внеэкваториальной области в изменчивости ряда атмосферных параметров, причем в высоких широтах эти эффекты проявляются более заметно, чем в средних [2]. Современное понимание физических механизмов внетропических эффектов КДЦ является далеко не полным, что в значительной степени объясняется ограниченностью информации о вертикальной структуре региональных эффектов в тропосфере и стратосфере.
В данной работе приводятся характеристики квазидвухлетней изменчивости метеорологических параметров, полученные на основе анализа данных аэрологического радиозондирования станции Долгопрудная (55.9° с.ш., 37.5° в.д.), расположенной в северном пригороде Москвы и работающей под контролем научно-технического центра радиозондирования Центральной аэрологической обсерватории. Данные этой станции, охватывающие период с января 1973 г. по март 2009 г. содержатся в архиве аэрологических наблюдений университета штата Вайоминг (США) и доступны по адресу
http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html. Набор данных включает профили метеоэлементов, полученные несколькими поколениями систем радиозондирования, с различными техническими и точностными характеристиками, инфор-
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук, Москва
мацию о которых можно найти в [3—5]. Исходные профили подвергались многоуровневой проверке и верифицировались с данными этой же станции, содержащимися в других архивах радиозондирования атмосферы (http: //wwwl .ncdc .noaa.gov/pub/data/igra; http://badc.nerc.ac.uk/browse/badc/ukmo-rad; http:// raob.fsl.noaa.gov). После проверки, коррекции и отбраковки материала набор анализируемых данных включал 31 073 подъема зондов.
Данные каждого зонда с помощью линейной интерполяции приводились к равномерной, единой для всех зондов сетке высот в интервале 0.5— 30.5 км с шагом 0.5 км и дополнялись наземными наблюдениями. Для каждой из высот рассчитывались среднемесячные значения, многолетние среднемесячные значения, а также их разности, из которых методом наименьших квадратов удалялся линейный тренд. Результирующие аномалии сглаживались скользящим средним по 13 мес и служили исходными данными для метода наложения "эпох" (МНЭ) [6], использующего в качестве "ключевых дат" смены фаз экваториального зонального ветра на уровне 30 гПа с восточной на западную. В контексте данной работы эпохой является эволюция метеорологического параметра до (отрицательные задержки), во время (нулевая задержка или ключевая дата) и после (положительные задержки) смены фазы КДЦ. Общее количество охватываемых эпох составляет 16. Продолжительность цикла ветровых колебаний на уровне 30 гПа в период 1973— 2009 гг. менялась от 22 до 36 мес, а его среднее значение составило примерно 28 мес.
Рассчитанные с помощью МНЭ на разных высотах сигналы имеют единую временную привязку, что дает возможность исследовать высотную зависимость не только амплитуд, но и фаз вариаций атмосферных параметров на разных высотах. Эта особенность метода, а также непостоянство периода экваториальной КДЦ объясняют большую информативность МНЭ при исследовании эффектов КДЦ по сравнению с другими методами, в частности со спектральным анализом [7]. Единая врементая привязка сигналов облегчает совместный анализ вариаций различных атмосферных характеристик, получаемых в ходе ра-
диозондирования, а оконтуривание аномалий одной величины изолиниями в координатах высота—задержка (относительно ключевой даты) позволяет получить целостные высотно-времен-ные картины эффектов КДЦ в диапазоне высот от поверхности до 30 км.
Положение тропопаузы определяли из измеренного зондом профиля температуры по критерию ВМО как самый низкий уровень выше изобарической поверхности 500 гПа, на котором вертикальный градиент температуры уменьшался до 2°С/км или менее, при условии, что средний вертикальный градиент в вышележащем двухкилометровом слое не превышал 2°С/км. В случае, если выше установленной тропопаузы средний градиент между любым уровнем и всеми более высокими уровнями в пределах 1 км превышал 3°С/км, такой же критерий применялся для выявления наличия вторичной тропопаузы [8]. Зональная и меридиональная компоненты горизонтального ветра рассчитывались на основе аэрологических данных о его скорости и направлении. Положительными значениями зонального и меридионального ветров считаются ветры западного и южного направлений.
На рисунке 1 показаны результаты применения МНЭ к аэрологическим данным по описанной выше схеме. Все метеорологические параметры во всем диапазоне высот радиозондирования обнаруживают изменчивость с характерным временным масштабом примерно 28 мес, т.е. эффекты КДЦ. Особенностью проявления эффекта КДЦ в температуре (рис. 1а) является его слоистость — фазы квазидвухлетних колебаний температуры в тропосфере, а также в слоях 11—18 и 20— 30 км слабо меняются с высотой, тогда как при переходе через высоты 10 и 19 км обнаруживаются скачкообразные изменения фаз — колебания в вышележащем слое на 6—8 мес запаздывают относительно колебаний в нижележащем. Эти особенности приводят к тому, что квазидвухлетние аномалии температуры в тропосфере и в доступной для радиозондирования части средней стратосферы находятся практически в противофазе. Нижняя из высот, на которой наблюдается скачок фазы колебаний, практически совпадает с климатологическим положением тропопаузы (10.3 км), а верхняя располагается несколько выше климатологического положения вторичной тропопаузы (16.7 км). Амплитуда квазидвухлетних колебаний температуры зависит от высоты. Локальные максимумы колебаний обнаруживаются на высотах 3—5 и 13 км, где размах (двойная амплитуда) колебаний составляет 0.7—0.8°С, а также в средней стратосфере, где размах колебаний достигает 1—2°С.
Размах квазидвухлетних колебаний высоты тропопаузы достигает 500 м (рис. 1в), при этом экстремумы колебаний наблюдаются при максимальных контрастах температур тропосферы и
нижней стратосферы (рис. 1а). Наиболее высокая (низкая) тропопауза отмечается в условиях, когда положительная (отрицательная) аномалия температуры в тропосфере сопровождается отрицательной (положительной) аномалией температуры в стратосфере. Несмотря на небольшую амплитуду достаточно четко диагностируются и квазидвухлетние колебания температуры тропопаузы, находящиеся в противофазе с колебаниям ее высоты (рис. 1в).
Вертикальная структура квазидвухлетней изменчивости содержания водяного пара (рис. 1д) весьма близка к вертикальной структуре изменчивости температуры (рис. 1а). Вблизи высот, соответствующих климатологическим положениям обеих тропопауз, обнаруживаются скачкообразные изменения фаз колебаний влажности воздуха и запаздывание колебаний в вышележащем слое относительно колебаний в нижележащем. Как и в случае температуры, квазидвухлетние вариации содержания водяного пара в тропосфере и в средней стратосфере находятся в противофазе. В тропосфере вследствие резкого падения удельной влажности с высотой размах колебаний меняется от 0.1 г/кг вблизи поверхности до 0.005 г/кг на высоте 8 км, что составляет примерно 2.5% от локальных среднегодовых значений содержания водяного пара на этих высотах. В слое тропопаузы вблизи минимума влагосодержания (11 км) размах колебаний составляет 0.005 г/кг (7.7%). Выше 20 км размах колебаний увеличивается с 0.005 г/кг (4.8%) на 20 км до 0.1 г/кг (7.5%) на 30 км.
Квазидвухлетняя изменчивость давления воздуха (рис. 1б) прослеживается от поверхности до высот 27—28 км, не обнаруживая особенностей в слоях тропопаузы и вторичной тропопаузы. Вблизи поверхности колебания давления противофазны изменениям экваториального ветра на уровне 30 гПа, причем периодам восточных ветров соответствуют периоды повышенного давления, а периодам западных ветров — периоды пониженного давления. В приземном слое атмосферы максимальный размах колебаний давления достигает 2 гПа.
Вертикальная структура квазидвухлетней изменчивости зонального ветра (рис. 1г) характеризуется близостью фаз ветровых колебаний во всем диапазоне высот и монотонным ростом их амплитуды с высотой. В тропосфере вариации зонального ветра не превышают 0.5 м/с, тогда как на высоте 30 км их размах достигает 4 м/с. Квазидвухлетние колебания меридионального ветра в высотных областях, расположенных ниже и выше слоя вторичной тропопаузы, находятся в противофазе (рис. 1е). Размах ветровых колебаний в этих областях достигает соответственно 1 и 1.5 м/с. Вблизи нижней окрестности тропопаузы отмечается локальный максимум амплитуд вариаций меридионального ветра. Совместный анализ ветровых компонент (рис. 1г и 1е) показывает, что выше 20 км квазидвухлетние колебания вектора
КВАЗИДВУХЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
673
Высота, км 30
25 20 15 10 5 0
0.3 0.2 0.1
(а)
(в)
Температура, °С 0.08
0.04
-0.1
-0.3
30 25 20 15
10
0
-0.04 -0.08
(д)
18 -12 -6
6 12 18
Высота, км 30
25 20 15 10 5 0
30 25 20 15 10 5 0
30 25 20 15 10
(б)
(е)
18
12 -6
6 12 18 Задержка, мес
Рис. 1. Полученные методом наложения эпох средние аномалии: а — температуры (показаны изолинии ±0.05, ±0.1, ±0.2, ±0.4, ±0.6, ±0.8°С); б - давления (0, ±0.1, ±0.2, ±0.4, ±0.6, ±0.8, ±1 гПа); в - высоты (1) и температуры (2) тропопаузы; г — зональной компоненты ветра (±0.1
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.