УДК 551.465.71:551.553.11(261.1)
О влиянии скорости и направления приводного
ветра на тепловые и излучательные характеристики океана и атмосферы в районе субполярного гидрологического фронта
А. Г. Гранков», А. А. Милынин*
На основе результатов совместного анализа данных судовых экспериментов НЬЮФАЭКС-88 и А ТЛАНТЭКС-90 и одновременных измерений радиометра SSM/I американского метеорологического спутника "F-08 " серии "DMSP" иллюстрируется роль горизонтального переноса тепла и влаги в атмосфере в формировании тепловых и СВЧ-излучательных характеристик океана и атмосферы в районе субполярного гидрологического фронта (СГФ). Выявлена связь яркостной температуры в холодных водах СГФ с направлением переноса воздушных масс из теплых областей океана, расположенных по другую сторону фронта и определяющих тепловые характеристики холодных областей. Существование такой связи указывает на потенциальную возможность использования спутниковых СВЧ-радиометрических измерений для анализа влияния трансфронтального переноса тепла и влаги на интенсивность теплового взаимодействия океана и атмосферы в Ньюфаундлендской энергоактивной зоне.
Субполярный гидрологический фронт (СГФ), разделяющий холодное Лабрадорское течение и теплое течение Гольфстрим, является уникальным природным образованием; знание пространственной и временной изменчивости характеристик теплового и динамического взаимодействия в этой области океана очень важно для понимания процессов энергообмена в средних широтах Северной Атлантики [3, 5].
В [1, 2] на примере радиометра SSM/I американского метеорологического ИСЗ "F-08" серии "DMSP" показана возможность использования данных спутниковых СВЧ-радиометрических измерений интенсивности собственного излучения (яркостной температуры) системы океан — атмосфера в районе СГФ для анализа интенсивности синоптических вариаций вертикальных турбулентных потоков тепла и влаги на границе раздела океана и атмосферы, а также их наиболее динамичных составляющих, таких как скорость ветра в приводном слое атмосферы, общее влагосодержа-ние атмосферы и интегральный водозапас облаков.
Многоканальный сканирующий радиометр SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) спутника "F-08" представляет собой сканирующую семиканальную, четырехчастотную систему, измеряющую яркостную температуру (Г.) системы океан — атмосфера на частотах 19,35; 22,2; 37
* Институт радиотехники и электроники Российской академии наук.
и 85,5 ГГц при вертикальной и горизонтальной поляризациях в полосе обзора 1400 км с пространственным разрешением от 15—30 км (на высоких частотах) до 40—70 км (на низких частотах) и обеспечивающую глобальное покрытие Земли за трое суток, а неполное — за сутки [4]. Спутники серии "DMSP" имеют солнечно-синхронную, близкую к полярной низкую круговую орбиту с наклонением 98,8° высотой около 850 км, периодом 102 мин (14,2 витка в сутки); срок их активного существования составляет 4 года.
Для обследования СГФ нами использованы данные одновременных спутниковых и судовых измерений в районе Ньюфаундлендской энергоактивной зоны на стационарных фазах экспериментов НЬЮФАЭКС-88 (3—23 марта 1988 г.) и АТЛАНТЭКС-90 (4—21 апреля 1990 г.). В эти периоды проводились обширные наблюдения (более 2000 сроков метеорологических измерений, более 400 запусков высотных радиозондов для аэрологических измерений) со стоявших неподвижно научно-исследовательских судов погоды "Виктор Бугаев", "Муссон" и "Волна" Государственного океанографического института в области южной периферии основной струи Гольфстрима, в его южной струе и в восточной ветви Лабрадорского течения соответственно [4]. Данные судовых экспедиционных измерений совмещены с данными ИСЗ "F-08", который в те годы являлся единственным СВЧ-радиометрическим средством наблюдения Земли из космоса. Наиболее ценными данными архивов НЬЮФАЭКС-88 и АТЛАНТЭКС-90, с точки зрения калибровки и интерпретации спутниковых СВЧ-радиомст-рических измерений, являются ежечасные судовые измерения температуры поверхности океана (7*п), температуры (Т„), влажности (е), скорости (V) и направления (<р) ветра в приводном слое атмосферы, а также оценки вертикальных турбулентных потоков тепла (qh), влаги (qe) и импульса (qv) на границе раздела океана и атмосферы. Данная область Северной Атлантики характеризуется значительной синоптической изменчивостью метеорологических параметров атмосферы, тепловых потоков, а также СВЧ-излуча-тельных характеристик системы океан — атмосфера (табл. 1), что объясняется влиянием атмосферных крупномасштабных процессов горизонтального (адвективного) переноса тепла и влаги [2, 3].
Отличительной особенностью СГФ является зависимость характеристик теплового взаимодействия океана и атмосферы в прилегающих к нему акваториях не только от интенсивности, но и от направления перемещения воздушных масс относительно фронта. В табл. 2 приведены (в сокращенном виде) данные [3] — значения тепловых потоков на границе раздела океана и атмосферы, дифференцированные по направлениям горизонтального переноса воздушных масс, отсчитываемым от севера по часовой стрелке. Выбранные диапазоны соответствуют средним за период наблюдений направлениям переноса вдоль и поперек СГФ в ту и другую сторону.
Видно, что значения qh и qr максимальны во всех точках наблюдений при северо-западных направлениях ветра. К северу от СГФ (НИСП "Волна") при юго-восточных ветрах, когда на холодную подстилающую поверхность попадает воздух, усвоивший тепло и влагу над теплой частью океана (НИСП "Виктор Бугаев" и "Муссон"), возникают благоприятные 42
Таблица 1
Временные контрасты температуры, влажности и скорости ветра в приводном слое воздуха, потоков явного к скрытого тепла н яркостной температуры системы океан — атмосфера на стационарных фазах экспериментов НЬЮФАЭС-88 (1) и АТЛАНТЭКС-90 (2)
Измеря- "Виктор Бугаев" "Муссон" "Волна"
емые ве- 1 2 1 2 I 2
личины 43° с. ш., 43° з, д. 42,3° с. ш, 46° з. д. 42° с. ш,, 46° з, д. 41° с. 1п„4Гз.д. 46° с, ш., 46° з. д. 48,2° с. ш., 46* з. д.
Метео величины
Т 11,2 12,7 15,0 8,5 15,5 9,9
е 12,3 13,0 13,8 12,3 11,7 8,5
V 24,6 18,5 24,8 18,2 27,1 18,6
Тепловые потоки
<?* 490 495 620 252 750 221
Че 1205 738 1190 598 829 200
Яркости м температура
85.5Н 46,6 73,5 72,0 55,1 78,2 87,8
37¥ 26,0 34,5 33,6 31,5 33,6 32,3
37Н 56,3 63,9 78,8 64,2 67,5 71,5
22,IV 33,6 42,5 40,4 36,9 37,9 48,7
19.35У 25,1 26,6 29,5 25,8 24,3 30,2
19.35Н 45,7 49,4 62,8 45,7 45,8 59,9
Примечание, V — вертикальная поляризация; Н — горизонтальная поляризация.
условия для фазовых переходов в приводной атмосфере, В результате конденсации влаги атмосфера к северу от СГФ прогревается, и потоки тепла направлены от атмосферы к океану; таким образом, атмосферные синоптические процессы в этом случае играют роль одного из механизмов трансфронтального переноса тепла и влаги из теплой части океана в холодную.
Исследовано влияние скорости и направления ветра на синоптическую изменчивость метеовеличин в приводной атмосфере, потоков суммарного (явного и скрытого) тепла и яркостной температуры системы океан — атмосфера на стационарной фазе эксперимента АТЛАНТЭКС-90 в холодных водах океана в районе местоположения НИСП "Волна", находившегося на
Таблица 2
Средние значения потоков (Вт/м2) явного и скрытого тепла при разных направлениях ветра на стационарной фазе эксперимента НЬЮФАЭКС-88
Р> "Виктор Бугаев" « 'Муссон" "Волна"
град 9» 1 я. ?» 1 ч. 1 а.
\ 30—90 30,0 104,0 42,3 90,9 10,8 4,5
90—210 39,3 213,2 69,4 256,9 -35,6 -16,5
210—270 83,3 301,1 100,2 313,5 65,3 109,0
270—30 131,7 319,4 141,4 271,7 92,7 111,3
о 7оо zoo зоо т sao Число ежечасных отсчетов
Рис. 1. Результаты совместного анализа ежечасных выборок параметров V, (1) и Та (а; 2), а также К„(/)ие(б;Л)на стационарной фазе эксперимента АТЛАНТЭКС-90 (НИСП "Волна", 4—21 апреля 1990 г.).
а) г (коэффициент корреляции) равен -0,70; б) г = -0,81.
расстоянии около 200 км от СГФ. Из результатов регрессионного анализа соотношений между перечисленными параметрами следует, что изменчивость температуры и влажности приводного воздуха в этой области Северной Атлантики определяется совместным действием скорости и направления ветра, характеризуемым количественно величиной проекции вектора скорости ветра V„ на проходящую через НИСП "Волна" нормаль к кривой, описывающей положение СГФ. Выполнен линейный регрессионный анализ соотношений между параметрами Та и У„, е и Уп в интервале значений углов нормали <рп от 290 до 340° с учетом приведенных в [4] ориентировочных данных о положении СГФ в апреле 1990 г. Установлено, что наибольшие значения коэффициентов корреляции в этих соотношениях соответствуют <р„ = 330°. На рис. 1 показана взаимосвязь между выборками ежечасных судовых измерений температуры и влажности приводного воздуха с величиной V„ в период с 4 по 21 апреля 1990 г.
На рис. 2 представлены результаты сопоставления вариаций потоков суммарного (явного и скрытого) тепла (<7*г) и яркостной температуры системы океан — атмосфера на длине волны 1,35 см, измеряемой каналом 22V радиометра SSM/I, с вариациями параметра ¥„ {<рп = 330°) во время прохождения типичного для этого района мощного циклона. 44
Апрель 7990г.
Рис. 2. Отклик яркостной температуры Т, (1) на длине волны 1,35 см и потоков суммарного тепла (2) на вариации параметра У„ (3) во время прохождения циклона 8—13 апреля 1990 г.
Отмечается четкая связь между вариациями параметров <?Ле и У„ (г = 0,79): рост параметра У„ сопровождается увеличением степени рассогласования тепловых характеристик океана и атмосферы и, следовательно, возрастанием суммарных тепловых потоков. Яркостная температура собственного СВЧ-излучения системы океан — атмосфера, измеряемая каналом 22У радиометра БвМЯ (в линии резонансного поглощения водяного пара), как показано в [1, 2], тесно связана с интенсивностью тепловлагообмена на границе раздела океана и атмосферы; ее величина растет с увеличением температуры и влажности атмосферы. Наблюдаемые 9—11 апреля минимум яркостной температуры и максимум тепловых потоков обусловлены приходом хо
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.