ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 2, с. 197-204
УДК 551.524.7;551.557;551.511.6
МЕЗОМАСШТАБНАЯ СТРУКТУРА НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В СТРАТОСФЕРЕ ВЫСОКИХ ШИРОТ В ПЕРИОДЫ ЭВОЛЮЦИИ ЦИРКУМПОЛЯРНОГО ВИХРЯ ПО МАТЕРИАЛАМ САМОЛЕТНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
© 2014 г. |Г. Н. Шур|, В. В. Волков, Н. М. Ситников, А. Э. Улановский, В. И. Ситникова
Центральная аэрологическая обсерватория, 141700 г. Долгопрудный, Московская обл., Первомайская, 3
E-mail: 4080515@rambler.ru Поступила в редакцию 14.02.2013 г., после доработки 21.08.2013 г.
На базе самолетных измерений, выполненных в рамках международных проектов EUPLEX и RECONCILE, в северной приполярной области, во время существования северного циркумполярного вихря проведены исследования мезомасштабных неоднородностей полей ветра, температуры и концентрации озона. Измерения были выполнены в рамках международных проектов EUPLEX и RECONCILE. Получены данные о структуре турбулентности внутри и вне циркумполярного вихря. Исследованы зоны повышенной турбулентности. Обнаружены высокие значения в спектре когерентности озона и скорости ветра.
Ключевые слова: турбулентность атмосферы, самолетные измерения, циркумполярный вихрь, температура, озон, ветер, тропосфера.
DOI: 10.7868/S0002351514020102
1. ВВЕДЕНИЕ
Интерес к изучению проблемы атмосферного озона во второй половине 20-го столетия вызван появлением цикла публикаций о катастрофических последствиях истощения озонового слоя в газовой оболочке Земли под воздействием антропогенных и техногенных причин. В связи с озоновой проблемой резко возрос интерес к исследованию тропосферно-стратосферного переноса химических примесей, в том числе и озоноразру-шающих. В высоких широтах, особенно в Северном полушарии, наблюдается истощение стратосферного озонового слоя, так называемая "озоновая дыра", как правило, в конце полярной ночи. Обнаружение озоновой дыры привело к появлению прогнозов о возможной ультрафиолетовой катастрофе, что, в свою очередь, привлекло интерес международной научной общественности к изучению озоновой проблемы и позволило организовать масштабные исследовательские проекты, связанные с изучением термодинамики тропо-сферно-стратосферного обмена, включая перенос озона, парниковых газов и малых химических примесей.
Атмосферная циркуляция в высоких широтах имеет целый ряд особенностей. Зимой в полярных районах на период полярной ночи устанав-
ливается циркумполярный вихрь. При этом воздушная масса локализуется в границах этого вихря, тем самым ограничивая массообмен со средними широтами. Как известно, основное образование озона в атмосфере Земли происходит в низких и средних широтах.
В высоких же широтах весной с приходом солнца и, следовательно, с увеличением потока приходящей радиации происходит истощение озонового слоя, чему способствуют озоноразрушающие химические примеси, переносимые в нижнюю стратосферу. Механизмы такого переноса, зависящие от динамических процессов, происходящих в атмосфере, требуют подробного исследования. Наименее изученным вопросом является влияние турбулентности и ее роль в горизонтальном и вертикальном переносе газовых примесей.
2. САМОЛЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В международных проектах по озонной проблеме принимали участие самолеты-лаборатории: стратосферная летающая лаборатория "Геофизика" на базе российского самолета М-55 [3] и германская летающая лаборатория на базе самолета "Falcon". Измерения температуры, давления и скорости ветра были проведены с помощью тер-
Таблица 1. Параметры атмосферы, измеряемые с борта высотного самолета М-55 "Геофизика" приборами, разработанными в ФГБУ "ЦАО"
Измеряемый параметр Единица измерения Измерительный комплекс Диапазон измерений Погрешность измерения параметра
Давление, Р гПа ^K(TDC) 40-1050 +/-03
Высота, Н м ^K(TDC) -500-25000 +/-3.0
Температура, Т °C ^K(TDC) -99-60 +/-0.6
Воздушная скорость, и км/час ^K(TDC) 150-900 +/-1.0
Направление ветра, Ш град ^K(TDC) -180-180 +/-3.0
Скорость ветра, Ж м/с ^K(TDC) -10... + 10 +/-0.3
Содержание водяного пара ppm FLASH 2-500 +/-0.4
Содержание озона ppb FOZAN-2 1-3000 +/-1
модинамического комплекса ТДК. Измерения озона были выполнены хемилюминесцентным озонометром FOZAN [5]. Эти приборы были разработаны в Центральной аэрологической обсерватории и установлены на борту самолета-лаборатории М-55 "Геофизика". Быстродействие приборов позволяло проводить измерения с пространственным разрешением около 200 метров. В табл. 1 приведен перечень параметров атмосферы, измеряемых с борта высотного самолета М-55 "Геофизика" приборами, разработанными в ФГБУ "ЦАО".
Измерения термодинамических параметров и газовых составляющих атмосферы проводились как вне, так и внутри циркумполярного вихря. Вертикальные распределения измерялись во время взлета и приземления самолета, а также во время "нырков", снижения самолета на 5—6 км, а затем подъем до прежней высоты. На основе экспериментальных данных была исследована спектральная структура неоднородностей полей температур, скорости ветра и концентрации озона.
Полевые кампании в рамках международных проектов EUPLEX и ENVI SAT VALIDATION проводилась в период с января по март 2003 г. Во время этих кампаний было совершено 15 научных полетов, во время которых проводились измерения малых газовых составляющих и термодинамических параметров атмосферы как в тропосферной, так и в стратосферной области. Экспедиции базировались в г. Кируна, расположенном за полярным кругом на севере Швеции. Время проведения полевых кампаний соответствовало периоду развития северного циркумполярного вихря. Исследовались также данные, полученные в рамках проекта RECONCLE в январе 2010 г. в том же районе земного шара. Во время полевой кампании RECONCLE было совершено 11 научных полетов в полярной области.
Для рассмотрения были выбраны полеты, представляющие различные фазы развития северного циркумполярного вихря. Для полевой кампании EUPLEX это полеты 30.01.2003 и
11.02.2003 гг., для кампании RECONCILE это 30.01.2010 и 27.02.2010 гг. Данные полеты были выбраны еще и потому, что в них имеются достаточно продолжительные горизонтальные участки, что позволяет вычислить статистические характеристики пульсаций температуры, скорости ветра и озона. На рис. 1. представлены карты распределения потенциальной завихренности в северной приполярной области с нанесенными на них маршрутами полетов самолета (выделено белым). Рисунки построены по данным ECMWF. Значение потенциальной завихренности >30 х 10-6 (К • м2)/(с • кг) определяет область, заключенную внутри циркумполярного вихря. Как видно из рисунка, полеты 11.02.2003 г. и 27.02.2010 г. проходили вне циркумполярного вихря, а 30.01.2003 г. и 30.01.2010 г. — внутри вихря.
3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Расчет статистических характеристик полей ветра, температуры и концентрации озона проводился по измеренным на самолете параметрам на горизонтальных прямолинейных участках полета. Методикой экспериментов EUPLEX и RECONCILE предусматривались длительные (более 100 км) режимы на одном курсе. Эти режимы находились по графикам высоты и курса движения самолета, построенным как параметр времени полета. Таким образом, были выделены прямолинейные участки полета протяженностью 500—600 км. В основном эти режимы располагались на высоте 18 км. Вертикальные профили температуры строились по самолетным данным на участках, где самолет набирал высоту. По построенным вертикальным профилям температуры можно определить высоту тропопаузы. Практически во всех случаях высота тропопаузы хорошо определялась по уменьшению температурного градиента (менее 2 градус на км). По данным самолетных измерений были построены графики изменения температуры с высотой (рис. 2) для полетов 30.01.2003, 11.02.2003 и 30.01.2010, 27.02.2010 гг. Графики для 30.01.2003 и
Рис. 1. Карты районов полетов. а - 30.01.2003 г., б - 11.02.2003 г., в - 30.01.2010 г., г - 27.02.2010 г.
30.01.2011 гг. в зоне циркумполярного вихря не имели хорошо выраженного минимума температуры, уровень изменения наклона кривой лежит на высоте 8-10 км. Такое распределение температуры характерно для зимнего периода [3]. Эта зависимость обусловлена охлаждением стратосферных воздушных масс внутри циркумполярного вихря во время полярной ночи. Отсутствие притока солнечной радиации в период полярной ночи приводит к дополнительному охлаждению стратосферного воздуха. Охлаждению стратосферного воздуха способствует также изолированность области внутри циркумполярного вихря в высоких широтах, препятствующая проникновению воздушных масс с низких широт. На графиках, построенных для 11.02.2003 и 27.02.2010 гг. изменение температуры с высотой имеет четко выраженный минимум, который находится на высоте 9-12 км. Таким образом, полеты самолета 30.01.2003, 30.01.2010 и 27.02.2010 гг. проходили в нижней стратосфере. Полет 11.02.2003 г. проходил на двух высотах 12 и 18 км, т.е. частично на высоте тропопаузы.
Измерения концентрации озона с борта высотного самолета как в тропосферной, так и в стратосферной области были проведены с помощью хемилюминесцентного прибора FOZAN-2 [2]. Измерения вертикальных распределений были проведены во время подъемов, спусков и "нырков" самолета. Сравнение вертикальных распределений концентрации озона внутри циркумполярного вихря, измеренных в одно и то же время года, но с разницей в 7 лет (рис. 3) показывает некоторое различие в стратосферных концентрациях 2003 и 2010 гг. Стратосферная концентрация озона 30.01.2010 г. на 10-15% меньше стратосферной концентрации 2003 г. Это, однако, не говорит о тенденции к истощению озонового слоя и может быть объяснено естественной изменчивостью.
В табл. 2 приведены значения средних и среднеквадратичных отклонений температуры, скорости ветра и озона. Средние значения температур на горизонтальных участках полета на высотах 18-19 км 30.01.2003 г. и 30.01.2010 г. ниже, чем средние значения температур, измеренные 11.02.2003 г. и 27.02.2010 г., что согласуется с рас-
20000
а т о с ы В
10000
(а)
-80
20000
-80 -40
Температура, °С
а т о с ы В
10000
0 ^
(в) (г)
-80 -40
Температура, °С
Рис. 2. Графики ве
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.