ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 6, с. 822-827
УДК 551.501
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ПЛАНЕТАРНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ МАТЕРИК-ОКЕАН ПО ДАННЫМ ЛИДАРНОГО И МЕТЕОЗОНДИРОВАНИЯ
© 2008 г. О. А. Букин, К. А. Шмирко, А. Н. Павлов, С. Ю. Столярчук
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Радио, 5
E-mail: o_bukin@mail.ru Поступила в редакцию 18.02.2008 г.
В работе приводятся результаты анализа годового хода высоты планетарного пограничного слоя в переходной зоне материк-океан, определенной по лидарным и метеоданным, определены средние значения и дисперсии высот при месячном усреднении. Обнаружено, что в весенний и летний периоды существует большое различие в значениях высот ППС, восстановленных по этим измерениям. Результаты объясняются влиянием пылевых бурь и циклонов, наиболее активных в эти периоды, на структуру аэрозоля в атмосфере.
1. ВВЕДЕНИЕ
Особенности динамики планетарного пограничного слоя (ППС) в переходной зоне вызваны одновременными воздействиями процессов, протекающих в континентальной и морской атмосфере, что приводит к сильной изменчивости его структуры и ряду отличительных особенностей. Развитие лидар-ных технологий позволяет проводить оперативные измерения параметров ППС в переходной зоне и исследовать его особенности в различных пространственно-временны х масштабах. Такие исследования интересны своим практическим выходом на проблемы метеорологии, экологии и на изучение изменения глобального радиационного баланса земли. Несмотря на то, что лидарные методы обладают высокой оперативностью и позволяют получать большие объемы информации, встает вопрос о том, насколько характеристики ППС, восстановленные по лидарным данным, соответствуют таковым, восстановленным по данным метеозондирования. В принципе, лидарные измерения позволяют получить полный набор метеопараметров в пределах пограничного слоя, таких как вертикальные распределения температуры, влажности, плотности и скорость ветра. Но для этого необходимо использовать целый комплекс лидарных систем, которые, как правило, представляют из себя стационарные лидарные станции. В большинстве случаев для исследования ППС применяются лидары, использующие аэрозольное рассеяние. Техника аэрозольных лида-ров достаточно отработана в настоящее время и позволяет использовать малогабаритные, простые устройства, которые обеспечивают возможность проведения натурных измерений. Однако в этом случае необходимо исследовать, насколько верти-
кальная структура атмосферного аэрозоля близка к структуре ППС, восстановленной стандартными методами.
Несмотря на то, что в литературе встречаются работы, в которых проводится изучение ППС по данным лидарного аэрозольного зондирования [например, 1-5], детального изучения данного вопроса не проводилось. Другой причиной постановки данной работы являлось то, что исследования ППС в переходной зоне материк-океан и над открытыми морскими акваториями лидарными методами практически отсутствуют. Динамика ППС по данным лидарного зондирования в континентальной атмосфере описана, например, в работах [6-8], известны работы по изучению ППС над о. Байкал с использованием лидара [9-11]. Чаще всего, лидарами исследуется пограничный слой вблизи крупных индустриальных районов, что, в первую очередь, связано с изучением процессов смогообразования [например, 12, 13].
В данной работе была исследована годовая динамика аэрозоля внутри ППС в переходной зоне материк-океан вблизи г. Владивостока. Аэрозоль и сам ППС в атмосфере над данной территорией формируется под действием процессов, протекающих в океане и на континенте. Необходимо отметить также, что на структуру атмосферного аэрозоля и характеристики ППС в исследуемом районе оказывают воздействие пылевые бури в период их наибольшей активности весной на территории континентального Китая и Монголии [14]. В этот период аэрозоль, в основном, переносится в пограничном слое, в редких случаях затрагивая верхнюю тропосферу. Поступление аэрозоля с континента или с океана в ППС меняет его структуру и должно приводить к тому, что значения высот, определяе-
мые по аэрозольному рассеянию (лидарные измерения) и по градиентам температуры (метеозондирование), будут различаться.
Существуют несколько методов определения высоты пограничного слоя, основанные на его различных свойствах. Одной из методик является
эе
анализ градиента потенциальной температуры
[15-17]. Для этого необходимо иметь вертикальный профиль температуры, измеренный с высоким пространственным разрешением, а также некоторые пороговые значения для температурных градиентов, соответствующих III 1С. Другой возможный вариант определения пограничного слоя заключается в анализе сигнала обратного аэрозольного рассеяния [2, 18]. Суть метода заключается в определении высоты, вслед за которой происходит резкий спад сигнала обратного рассеяния (обычно принято анализировать натуральный логарифм скорректированного сигнала обратного рассеяния) [2] или в анализе следующей функции [18]:
Dslg (г) =
dr
P( г) г
J P (z) z2 dz
(1)
где P(r) - интенсивность сигнала рассеянного назад лазерного излучения, принятого с высоты r; rm,n -минимальная анализируемая высота. Интеграл в знаменателе (1) введен для того, чтобы ослабить вклад случайных флуктуаций сигнала P(r)r2 с больших высот и увеличения вероятности обнаружить слои в ближней зоне. Последние две методики основываются на том, что в пределах пограничного слоя концентрация аэрозоля имеет постоянную величину [19]. Еще одной методикой является анализ автокорреляционной матрицы сигнала обратного рассеяния. Этот способ основан на определении III 1С и применяется некоторыми авторами [9].
Согласно измерениям, описанным в [20], положение пограничного слоя над континентом, определенное по данным лидарного зондирования, совпадает с результатами восстановления его высоты метеорологическими методами. К такому же результату приходили исследователи III 1С в других континентальных районах [21]. Значения высоты III 1С по данным этих работ совпадают в пределах 100 метров со значениями высоты III 1С, полученной в работе [22]. В последней работе отмечены вариации высоты III 1С, которые объясняются сменой направления ветра, однако в этой работе анализ проведен только для ли-дарных данных. В работах, выполненных над акваторией о. Байкал [10, 11] значения высоты ППС не отличаются от величин, опубликованных в цитируемых выше работах, и составляют величину 1.5 - 2 км.
Мы провели совместный анализ лидарных и метеоизмерений, полученных в течение года в переходной зоне материк-океан и сравнили характеристики ППС (высота, структура), восстановленные по этим измерениям. Дополнительно к этому в летние месяцы проведено сравнение высоты III 1С по лидарным данным в переходной зоне и над морской поверхностью Японского и Охотского морей.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Аэрозольное зондирование проводились на од-ночастотном лидаре со стационарной станции, расположенной в г. Владивостоке и с судна во время экспедиции на акватории Японского и Охотского морей. Зондирование проводилось по вертикальной и наклонной трассам. В работе использованы метеоданные, полученные с зондов, запускаемых со станции, расположенной в 5 км от стационарного лидара [23]. На рис. 1 приведено место расположения стационарной лидарной станции.
При анализе лидарных данных обрабатывались профили, полученные при отсутствии облачности, на которых рассматривался участок сигнала обратного рассеяния до высоты 5 км. В пределах одного дня похожие профили усреднялись, затем определялась высота пограничного слоя по методике, описанной в [2].
Процедура обработки данных метеозондирования заключалась в интерполировании на равномерную сетку вертикальных профилей потенциальной температуры и усреднении во временном окне в один месяц. Далее средний профиль температуры дифференцировался, высота ППС определялась как высота, где значения производной превышают некоторое пороговое значение, согласно методике, приведенной в работе [17].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате анализа мы получили два временны х ряда высот ППС, на рис. 2 показан их временной ход в течение 2006 г. по лидарным измерениям (отмечены квадратиками) и по метеоданным (ромбики). Из рис. 2 видно, что по лидарным данным наблюдается тенденция увеличения высоты пограничного слоя летом и его опускание зимой.
По лидарным данным средняя за год высота ППС составляла 1600 метров. Сезонные отклонения этой величины находились в пределах 700 м в обе стороны, причем максимальные высоты регистрировались в июне и сентябре (2300 м), а минимум достигался в декабре (980 м). По данным метеозондирования среднегодовая высота составила 1000 ± 200 метров, и годовой ход не выражен так явно, как по результатам лидарного зондирования. В отличие от континентальных районов, где высоты ППС, определенные по лидарным и метеоданным совпадают [20], в переходной зоне материк-
r
4-
щ
Рис. 1. Направление переноса пыли. 1 - Расположение лидарной станции (г. Владивосток). Стрелками указано северовосточное и восточное направление переноса пыли.
океан такого соответствия не наблюдается. Максимальная величина отклонения лидарной высоты ППС от высоты по результатам метеозондирования была зарегистрирована в июне и составляла 1100 м, в апреле, мае, августе и сентябре эта величина варьировалась в пределах 500-800 м. В остальное время это расхождение было минимальным (менее 100 м). Можно предположить, что основными факторами, которые приводят к таким отклонениям, являются: поступление аэрозоля в результате активности пылевых бурь в пустыне Гоби (с марта по июнь месяцы) и циклоническая деятельность (наиболее активная в августе и сентябре).
Летний период с июля по сентябрь характеризуется большой вероятностью прохождения циклонов (включая тропические) над исследуемой территорией. Являясь мощным фактором влияния, он пе-
Высота ППС
2500 2000
м 1500 т
I 1000
В
500 0
24.03.2006 02.07.2006 10.10.2006 18.01.2007 Время
Рис 2. Годовой ход высоты ППС при месячном усреднении.
♦ ♦ ♦
в В
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.