УДК 551.551,5:551.510.528(062,5)
Новые данные о мезомасштабных и турбулентных пульсациях температуры и ветра в зоне тропической тропопаузы
С. М. Шметер*, А. А. Постнов**, Г. Н. Шур*
С помощью исследований in situ атмосферы над экваториально-тропической частью Индийского океана до высоты 21 км, выполненных в рамках Международной научной экспедиции с участием ЦАО на российском стратосферном самолете-метеолаборатории М-55 "Геофизика" в феврале — марте 1999 г., получены ранее отсутствовавшие экспериментальные данные о мезомасштабных пульсациях ветра, температуры и вертикальных движений в слое экваториально-тропической тропопаузы и непосредственно под и над нею. Обсуждены материалы о структуре, размерах и энергетике мезопульсаций, а также о возможных причинах возникновения последних.
1. Введение
Пульсационный характер пространственной структуры полей ветра и температуры сказывается на многих физических процессах — горизонтальном и вертикальном переносах энергии, газовых и аэрозольных компонентов воздуха, распространении акустических, световых и радиоволн и т. д. Поэтому и теоретическое, и экспериментальное изучение атмосферных пульсаций являются одними из актуальнейших задач физики атмосферы. При их решении приходится учитывать, что размеры индивидуальных пульсаций колеблются от сантиметров до нескольких десятков (и даже сотен) километров, а продолжительность их существования — от долей секунды до десятков минут. В полях пульсаций обычно сосуществуют и турбулентные, т. е. хаотические, структуры, и более крупные квазиупоря-доченные когерентные образования. Известно также, что на участках локализации последних резко меняются закономерности, присущие энергообмену между пульсациями разных масштабов [8].
Многочисленные попытки теоретического описания структуры и энергетических характеристик атмосферных турбулентных пульсаций, опирающиеся на уравнения классической гидродинамики, не дали исчерпывающего результата вследствие невозможности адекватного анализа с их помощью нестационарного и пространственно неоднородного пульсацион-ного процесса [6]. Нет до сих пор и способа количественного описания процесса образования вихревых (турбулентных) структур (например, при
* Центральная аэрологическая обсерватория.
** Государственный океанографический институт.
бифуркации), а также изменений энергетики пульсаций под действием отрицательной вязкости, т. е. передачи энергии от мелкомасштабных турбулентных "тел" к крупномасштабным [5]. Отметим также, что попытки теоретического описания пульсаций усложняются явной недостаточностью имеющихся экспериментальных данных о зависимости параметров турбулентности от макрометеорологических ситуаций на разных высотах, в частности в плохо изученной экваториально-тропической зоне атмосферы.
2, Методика исследований. Основные особенности вертикальной структуры полей температуры и ветра в экваториальной зоне
Большая часть имеющихся экспериментальных данных о характеристиках атмосферной турбулентности относится к пограничному слою атмосферы (ПСА) и используется преимущественно для оценок энергообмена между подстилающей поверхностью и прилегающим к ПСА воздушным слоем. Почти полностью отсутствуют данные (особенно для низких широт), необходимые для определения вклада турбулентности в тропосфер-но-стратосферный воздухообмен. Это не позволяет, однако, оценить интенсивность переноса через тропопаузу водяного пара, газовых примесей и аэрозолей, что, в частности, мешает выяснению ряда деталей, необходимых для построения моделей озоносферы и объяснения такого на первый взгляд удивительного процесса, как формирование в априори сухой стратосфере специфических облачных образований [10].
Данная статья содержит основные результаты измерений короткоперио-дичееких пульсаций скоростей воздушных потоков в слое, охватывающем тропопаузу и части атмосферы, прилегающие к ней, в экваториальной области Индийского океана. Измерения производились в феврале — марте 1999 г. в районе Сейшельских островов (4°42' ю. ш., 55°31' в. д.) во время летно-исследовательских работ в рамках международного проекта АРЕ-THESEO (Third European Stratospheric Experiment), проводившегося с целью исследований озона по Европейской климатологической программе,
В подготовке и проведении летных экспериментов участвовали ученые России, Италии, ФРГ и некоторых других стран. Полеты осуществлялись на высотном стратосферном самолете-метеолаборатории (CMJI) М-55 "Геофизика" [2, 11], созданном на экспериментальном машиностроительном заводе им, Мяеищева и оснащенном научной аппаратурой, работавшей в автоматическом режиме с фиксацией результатов измерений на бортовых компьютерах. Самолет М-55 имеет потолок полета 21 км и воздушную скорость 640-—720 км/ч. Не приводя здесь перечня (очень обширного) измерявшихся физических параметров, отметим лишь, что большая часть результатов, анализируемых ниже, получена по материалам измерений с помощью аппаратуры и методов, разработанных с участием российских специалистов, а также с использованием штатного технического оборудования, имевшегося на С МЛ.
Научно-исследовательские полеты выполнялись в режиме вертикально-горизонтального зондирования (см. пример на рис. 1), причем большая их часть осуществлялась на высотах от Н = 15—16 до 20—21 км, т. е. в слоях внутри экваториально-тропической тропопаузы и непосредственно под и над нею, 26
}5
Н,нм
Ю
20
15
10800
тооо
2160S
25200 с
Рис. 1. Схемаполетасамолета-метеолабораторниМ-55Теофизика"4мар-та 1999 г. и изменения измеряемых с его борта метеорологических величин.
/) высота полета Я; 2) температура воздуха;,?) температура точки инея;^) температура точки росы. Участки полета внутри облаков обозначены штриховкой, они определялись по данным лидарных измерений с бортов самолетов-метеолабораторий М-55 и Ра1коп, одновременно участвовавших в летном эксперименте. Пооси абсцисс отложено международное согласованное время (с), отсчитуваемоеот момента взлета самолета.
Горизонтирование полета осуществлялось с помощью поддержания постоянства не высоты Н, а давления р. Степень несовпадения участков с р = const и Я = const, возникающая вследствие наклона изобарических поверхностей, а также из-за маневров самолета при осуществлении полета, не превышала десятков (изредка — сотен) метров. Поэтому предположение о горизонтальности "площадок" (так называемых "режимов") было оправданным.
В каждом летном эксперименте наряду с СМЛ М-55 "Геофизика" на высотах до 13—14 км участвовал самолет-метеолаборатория типа Falcon. Установленная на нем лидарная аппаратура, "смотрящая" вверх, позволяла наряду с наблюдениями, которые велись непосредственно с борта СМЛ М-55, определять участки полета последнего в облаках и на разных удалениях от них.
За период экспедиции (19 февраля — 11 марта) было выполнено 7 научно-исследовательских полетов, содержащих 46 индивидуальных горизонтальных "режимов" длиною от нескольких десятков километров до 820 км. 39 из 46 режимов имели длину, превышавшую 100 км. Поскольку вертикальная скорость подъема CMJI We « 20—25 м/с, последний в начале и конце зондирования при наборе высоты и спуске довольно слабо отклонялся от вертикали. При смене высот между режимами Wc < 5—10 м/с. Очевидно, что использовавшаяся методика полетов позволяла определять и вертикальную, и горизонтальную изменчивость измеряемых параметров атмосферы: ветра, температуры, облаков, аэрозольного и газового состава воздуха (в частности — озона) и т. д.
Скорость (U) и направление ветра на борту СМЛ рассчитывались по векторному навигационному треугольнику [4]. При этом скорость полета
относительно фонового потока определялась с помощью самолетной системы воздушных сигналов СВС-72, а скорость самолета относительно земли — инерциальной системой Ц-080. На борту самолета имелся также доп-плеровский измеритель скорости и сноса ДИСС, а также приемник спутниковой навигационной системы GPS. Расчетные формулы, использовавшиеся при анализе материалов тропического эксперимента, приведены в [9].
Погрешность измерения ветра не превышала ±3%, а дискретность съема данных о скорости и направлении ветра равнялась 1 с. __
Выполненное для дней с полетами сравнение результатов измерений U на CMJI и с помощью радиозондов, выпускавшихся на Сейшельских островах, показало их хорошую взаимосогласованность. Наблюдавшееся на отдельных высотах расхождение колебаний значений U (ДU « 2—4 м/с) могло быть обусловлено несинхронностью измерений U обоими методами, а также некоторыми различиями локализации участков измерений с их помощью. Заметный вклад в значения AU, несомненно, вносился и принципиальными различиями методик определения ветра при радио- и самолетном зондировании. Так, в первом случае определяются значения ветра, осредненные по слоям в несколько сотен метров, а во втором — на фиксированных высотах. _
Вместе с этим в целом сравнение результатов измерений U с помощью радиозондов и СМЛ показало, что выводы, полученные при анализе самолетных данных, характеризуются и качественной, и количественной репрезентативностью. К числу наиболее важных выводов, вытекающих из анализа, относится большая пространственная и временная изменчивость мезомасштабных характеристик поля ветра, в частности на околотропопа-узных высотах [9], Например, в соседних слоях толщиной в ] км и более, а также_за время, прошедшее между подъемом и спуском самолета, изменения U достигали от нескольких до 20 м/с и более. Данное обстоятельство свидетельствовало о большой мезомасштабной неоднородности (особенно заметной вблизи тропопаузы) поля ветра. При этом наиболее четко выражена она в случаях, когда в рассматриваемом слое располагались зоны резкого локального усиления или ослабления ветра.
Скорость и направление вертикальных движений ( Щ на борту СМЛ непосредственно не измерялись, и при их определении мы исходили из предположения об адиабатичности движения воздушных частиц. Известно, что в этом случае движущаяся частица воздуха вне облаков сохраняет свою потенциальную температуру (в), а внутри них — эквивалентно-потенциальную температуру (вп). Инди
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.