ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 3, с. 332-344
УДК 551.511.32
МЕЖПОЛУШАРНЫЕ РАЗЛИЧИЯ В ПОЛОЖЕНИИ ПОЛЯРНОГО ВИХРЯ В ЗИМНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ И МЕЗОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ ИЗМЕРЕНИЙ ИНСТРУМЕНТОМ SABER НА БОРТУ СПУТНИКА TIMED
© 2008 г. Е. Г. Мерзляков, Т. В. Соловьева
Институт экспериментальной метеорологии ГУ НПО "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: eugmer@typhoon.obninsk.ru Поступила в редакцию 18.01.2007 г., после доработки 07.12.2007 г.
На основе данных о распределениях температуры и геопотенциала, полученных инструментом SABER (спутник TIMED) в феврале и августе 2002-2005 гг., исследуются различия в долготной структуре циркуляции в зимней стратосфере и мезосфере/нижней термосфере Северного и Южного полушарий. Проведено сравнение положений зимнего циклона и полярного вихря на высотах стратосферы и мезосферы в 2002-2005 гг. с климатическими данными за 1978-1998 гг. На высотах стратосферы среднее за несколько лет положение центра полярного вихря изменилось за указанные годы незначительно (несколько градусов по широте и долготе) как в Южном, так и Северном полушарии. На высотах мезосфе-ры/нижней термосферы полярный вихрь занимает одно и то же положение в Южном полушарии каждый год в течение 2002-2005 гг., и это положение согласуется с оценками для 1996-1997 гг. Из данных о температуре и геопотенциале рассчитаны параметры стационарных планетарных волн с зональным волновым числом 1 (СПВ1) в полях температуры, геопотенциала и ветра. Высотные профили амплитуд и фаз СПВ1, рассчитанные из данных инструмента SABER для августа в Южном полушарии, хорошо согласуются с профилями амплитуд и фаз, полученными по результатам прямых измерений ветра приборами HRDI и WINDII. В параметрах СПВ1 в Северном полушарии наблюдается сильная межгодовая изменчивость. Расчет потока Элиассена-Палма и его дивергенции показал, что СПВ1 в основном проникает в мезосферу из стратосферы и тормозит средне-зональный поток. Однако в Южном полушарии существует регулярный дополнительный источник СПВ1 с центром на высоте около 65 км и широте 55°S. Для СПВ1 в Северном полушарии такой источник в среднем отсутствует за 2002-2005 гг., но в отдельные годы также возможен, например, в феврале 2004 г.
1. ВВЕДЕНИЕ
Среднемесячные поля ветра, температуры, геопотенциала и других атмосферных параметров зонально асимметричны. Их распределения можно разложить на зонально-симметричную составляющую и отклонения от нее, которые, в свою очередь, раскладываются на зональные гармоники, и интерпретируются в терминах квазистационарных планетарных волн или для краткости - стационарных планетарных волн (СПВ) [1]. Огромное количество работ посвящено исследованию стационарных планетарных волн в стратосфере. Общепринятые свойства этих волн: в Северном полушарии на широтах 50-80° СПВ имеют значительные амплитуды в течение всего зимнего сезона, в то время как в Южном полушарии существует минимум амплитуд в середине зимы (см., например, [2]). Существенно меньший прогресс наблюдается в исследовании СПВ на высотах мезосферы 50-85 км и особенно нижней тер-
мосферы 90-120 км. Область высот 80-100 км, которая и представляет для нас особый интерес, часто обозначают как МНТ.
До появления данных измерений ветра инструментами HRDI (High Resolution Doppler Imager) и WINDII (Wind Imaging Interferometer) на борту спутника UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) знания о СПВ в МНТ области базировались в основном на спутниковых данных о температуре и геопотенциале до высот 80 км. В [2-4] проанализированы поля ветра СПВ в МНТ области на основе данных прямых измерений ветра этими новыми инструментами. В МНТ области СПВ наблюдаются весь год с максимальными амплитудами в зимний сезон для СПВ с зональным волновым числом 1 (СПВ1). СПВ с зональным числом 2 выше 80 км значительно меньше СПВ1 и в данной работе не анализируются. СПВ1 в МНТ находятся примерно в противо-фазе с аналогичными волнами в стратосфере в зим-
нее время. В настоящее время считается, что СПВ появляются в МНТ области благодаря в основном распространению снизу. В работах [3-4] утверждается, что в феврале наблюдения не могут быть объяснены простым распространением волн вверх, и должен существовать дополнительный источник СПВ в мезосфере, например, из-за модулированного потока внутренних гравитационных волн (ВГВ). Модуляция может, например, быть результатом фильтрации потока ВГВ неоднородностями в стратосфере. Однако анализ, выполненный в работе [2], показал недостаточность имеющихся данных для подобного однозначного вывода. Отметим, что в обеих работах анализировались данные прямых измерений ветра в пределах ±60 градусов, и существенная часть СПВ не наблюдалась. С запуском в 2001 г. спутника TIMED (Thermosphere-Ionosphere-Mesos-phere Energetics and Dynamics) появились новые данные о термодинамических параметрах и составе атмосферы примерно от высот 12 км до 140 км и широтных пределах примерно ±83° благодаря измерениям, проведенным с помощью инструмента SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry). Используя линейные соотношения баланса импульса, можно рассчитать из распределений геопотенциала распределения горизонтальных скоростей в пределах средних и высоких широт одного полушария, а затем рассчитать потоки Элиассена-Палма [1]. Таким образом, данные инструмента SABER позволяют дополнить наши знания о распространении СПВ из стратосферы в МНТ область.
Зональную асимметрию циркуляции можно анализировать и без разложений на зональные гармоники. В стратосфере удобным понятием является потенциальная завихренность, распределение изолиний которой визуально представляет структуру полярного вихря и связанную с ним циркуляцию. Смещение полярного вихря от полюса -это другое проявление СПВ1. Конечно, смещение не описывается полностью наличием СПВ1, но ясно, что при смещении вихря от полюса такая волна появляется, и наоборот, при использовании приближения малых отклонений центра вихря от полюса можно показать, что появление СПВ1 приводит просто к смещению вихря. Потенциальная завихренность не является инвариантом в МНТ области, и линии уровня не являются материальными, однако основные тенденции должны отображаться правильно. Например, учет сильного трения, предложенного в работе [4], уменьшает амплитуды в ветре на 20% на высотах 100 км и выше. Зональную асимметрию в циркуляции можно также показать с помощью изолиний геопотенциала, имея в виду применение квазигеострофиче-ского приближения в средних и высоких широтах [5]. Появление СПВ1 соответствует смещению ба-
рического центра зимнего циклона в сторону от полюса. Цель данной работы - выявить основные различия в долготной структуре циркуляции в зимней стратосфере-мезосфере высоких широт обоих полушарий по данным измерений инструмента SABER, в основном используя терминологию СПВ1 и частично понятия потенциальной завихренности и барических структур.
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ИХ АНАЛИЗА
В настоящей работе анализируются данные наземных измерений ветра и спутниковых измерений температуры в МНТ области. Данные наземного зондирования представляют собой среднемноголет-ние значения среднемесячного преобладающего горизонтального ветра, измеренного на высотах от 70 до 100 км с высотным разрешением 2-3 км с помощью метеорных и MF радаров (подробнее, например, [6]). Использовались данные о ветре за 19982004 г.
Данные спутникового зондирования - это высотные профили температуры и давления по измерениям прибора SABER на спутнике TIMED. Использовались данные версии 1.06 за 2002-2005 гг., доступные на сайте http://saber.larc.nasa.gov. Анализ различий в долготной структуре циркуляции полярных областей проводился по августу для Южного полушария и февралю для Северного, т.е. для месяцев, характеризующих позднюю зиму и отстоящих друг от друга на полгода. В [7] показано соответствие основных параметров преобладающего ветра и приливов в полярных областях МНТ разных полушарий при учете сдвига на полгода. Данные спутниковых измерений ветра также часто анализируются в основном для этих месяцев [2-4].
Инструмент SABER представляет собой многоканальный инфракрасный радиометр, с помощью которого осуществляются дневные и ночные измерения на восходящих и нисходящих частях орбиты. Ночные и дневные измерения проводятся почти в одно и то же соответствующее локальное время в течение одних суток, которое уменьшается примерно на 12 мин от суток к суткам (орбита спутника почти синхронно следует за солнцем). Из-за этой прецессии орбита спутника проходит через 12 часов локального времени за 60 дней. Таким образом, полный суточный ход может быть получен только из данных за 60 дней.
В данной работе мы анализировали данные за месяц. Индивидуальные значения температуры и геопотенциала для каждого высотного профиля от 20 до 110 км усреднялись с шагом 3 км в лог-барической системе координат, т.е. высотой служит переменная z = 7 км ln(105 гПа/p), где p - давление. Далее, для каждой пространственной ячейки размерами
5° х 15° х 3 км (широта х долгота х высота), центры которых пробегают широты от 80° до 20° с шагом 5° и долготы с шагом 15°, строился среднемесячный суточный ход температуры и геопотенциала. Среднемесячные значения получались путем осреднения среднечасовых значений температуры и геопотенциала за сутки. Полученный таким образом ряд среднемесячных значений подвергался гармоническому анализу по долготе. В работах [2-4] сначала из индивидуальных значений температуры и давления убирались среднезональные величины для каждого отдельного дня, а затем с остатками проводилась вышеописанная процедура. Однако сравнение результатов обработки разными способами не выявило различия в пределах ошибок расчетов.
Так как спутник TIMED почти синхронно следует Солнцу, инструмент SABER проводит сбор данных в течение дня примерно для фиксированных локальных часов. Поиск СПВ1 в таких данных соответствует построению следующего спектрального представления:
G = ^Ancos [2п(ntLT + (s - n)Х/360-ф„/360)], (1)
n
где n - частота в циклах/день, s - зональное волновое число, X
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.