ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 3, с. 316-324
УДК 551.510.534
ОЦЕНКИ ПЕРЕНОСА ВОДЯНОГО ПАРА, ОЗОНА В ВЕРХНЕЙ ТРОПОСФЕРЕ-НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ И ПОТОКОВ ЧЕРЕЗ ТРОПОПАУЗУ В ПОЛЕВОЙ КАМПАНИИ НА СТ. СОДАНКЮЛА (ФИНЛЯНДИЯ)
© 2009 г. Ä. Н. Лукьянов1, Ä. Ю. Карпечко2' 5, В. Ä. Юшков1, Л. И. Коршунов1, С. М. Хайкин1, Ä. В. Ганьшин1, Э. Кшрё2, Р. Киви2, М. Матурилли3, X. Фомель4
Центральная аэрологическая обсерватория 141700, г. Долгопрудный, Московская обл., Первомайская, 3 E-mail: lukyanov@caomsk.mipt.ru 2Арктический исследовательский центр Финского метеорологического института, Финляндия 3Институт полярных и морских исследований им. Альфреда Вигнера, Германия 4Объединенный институт исследования окружающей среды, универститет Колорадо, США 5Университет Восточной Англии, Великобритания Поступила в редакцию 24.12.2007 г., после доработки 20.10.2008 г.
Данная работа посвящена изучению процессов массообмена через тропопаузу во внетропических широтах. С этой целью были проанализированы баллонные данные озона и водяного пара, полученные во время полевой кампании LAUTLOS, а также применялась траекторная модель для анализа происхождения воздушных масс и для расчета потоков через тропопаузу. Результаты наблюдений и траек-торного моделирования показали, что во время кампании тропосферные воздушные массы проникали в стратосферу не более чем ~2.5 км над уровнем тропопаузы. В этом слое смешивания присутствуют как тропосферные, так и стратосферные частицы. Обратные траектории показали, что на границе антициклона тропосферный воздух проникает в стратосферу в виде тонких нитеобразных структур (филаментов). Также были проведены количественные оценки потоков через тропопаузу с помощью Wei-метода с применением прямых и обратных траекторий. Пространственная структура потоков через тропопаузу совпадает с областями наклона тропопаузы и ее складок. Абсолютная величина потоков, рассчитанных по Wei-методу, уменьшается в зависимости от продолжительности траекторий за счет отфильтровывания неглубокого обратимого обмена. Показано, что глубина обмена может определяться как вертикальными потоками в тропосфере, так и изменением уровня самой тропопаузы. Использование изоэнтропических и 3-х мерных траекторий позволило оценить вклад неадиабатических процессов в строатосферно-тропосферный обмен.
ВВЕДЕНИЕ
Водяной пар и озон являются одними из основных парниковых газов естественного происхождения, определяющими радиационный баланс в атмосфере. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропосфере, однако стратосферная влажность также имеет огромное значение в процессах формирования стратосферных облаков и фотохимии с участием озона. В основном водяной пар из тропосферы поступает в стратосферу в тропических широтах и в области субтропического струйного течения, где наблюдается разрыв тропопаузы. Таким же образом в средних широтах и в области разрыва тропопаузы богатый озоном стратосферный воздух проникает в тропосферу. В обзорной статье [1] по стратосферно-тропосферному обмену (СТО) преимущественно обсуждается меридиональная, зо-нально-осредненная циркуляция глобального масштаба с восходящими потоками в тропиках и нисхо-
дящими в полярных и средних широтах. В то же время тропопауза средних и высоких широт также не является абсолютным барьером для воздушных масс и в определенных областях обеспечивает проникновение влажного тропосферного воздуха в стратосферу и богатого озоном стратосферного воздуха в тропосферу. В статье [2] указывается на то, что наблюдаемое распределение озона и водяного пара не могут быть объяснены без учета зональной асимметрии процессов синоптического масштаба. Прежде всего это относится к Северному полушарию, где вследствие волновой активности часто возникают и разрушаются тропосферные и стратосферные циклоны и антициклоны, и реальные атмосферные параметры сильно отличаются от зо-нально-осредненных. В самой нижней области стратосферы смешиваются воздушные массы как стратосферного, так и тропосферного происхождения, что отражается на корреляционных связях различных трассеров [3].
Стратосферно-тропосферному обмену во вне-тропических широтах посвящено множество работ [2, 4-8], в которых оценки локальных мгновенных потоков воздушных масс через тропопаузу проводятся с использованием данных анализа метеопараметров. Для таких оценок используется как Эйлеров подход, основанный на Wei-методе [9], так и Лагранжев подход с использованием траекторий воздушных масс [8]. В работе [5] показано, что для надежных оценок локальных мгновенных потоков через тропопаузу необходимо использовать данные ветров с пространственным и временным разрешением не ниже, чем соответственно 1° х 1° и 6 часов.
Настоящая работа посвящена исследованию переноса водяного пара и озона в верхней тропосфе-ре-нижней стратосфере (ВТНС) и СТО средних и высоких широт. В качестве экспериментальных данных были использованы вертикальные профили водяного пара и озона, полученные во время проведения полевой кампании LAUTLOS. Кампания проводилась в январе-феврале 2004 г. на ст. Содан-кюла (67.4° N, 26.6° E) в Финляндии. Целью кампании являлось сравнение существующих аэростатных приборов для измерения влажности в ВТНС в Арктическом регионе. В то же время данные, полученные во время кампании, содержат в себе ценную информацию для исследования процессов, контролирующих содержание водяного пара в ВТНС. Стратосферные температуры зимой 2004 г. были относительно высокими, и водяной пар не подвергался фазовым превращениям с образованием полярных стратосферных облаков (ПСО). В результате отсутствовали условия (гетерогенные реакции на поверхности ПСО с выделением активных хлорных и бромных компонент) для химического выедания озона. Таким образом, озон и водяной пар рассматривались как пассивные трассеры, и их распределение в ВТНС определялись преимущественно динамическими процессами. В работе [10] было показано, что наличие слоев в профиле влажности на стратосферных высотах обусловлено неоднородной адвекцией воздушных масс. Такие профили обычно наблюдаются на границе полярного стратосферного циклона, когда полярные и средне-широтные воздушные массы оказываются на соседних высотных уровнях.
По аналогии с пассивными трассерами использовалась потенциальная завихренность (ПЗ), которая сохраняет свои значения при невязком адиабатическом движении. ПЗ рассчитывалась вдоль обратных по времени траекторий на основе данных оперативного анализа Европейского центра среднесрочных прогнозов (ECMWF). Позднее, наряду с ПЗ, также была использована удельная влажность ECMWF, позволяющая проводить прямые сравнения модельного профиля влажности с экспериментальным. Было показано, что профили влажности, реконструированные с помощью данных ECMWF и обратных траекторий воспроизводят слоистую
структуру наблюдаемого профиля, но значения отношения смеси водяного пара в стратосфере для модельного профиля оказались в среднем на 1-1.5 млн.-1 ниже, чем измеренные значения. Поскольку эта разница характерна для всех измерений в течении кампании, можно сделать вывод, что стратосферные данные влажности ECMWF имеют заниженные значения.
Целью настоящей работы является исследование динамических процессов вблизи тропопаузы, включая стратосферно-тропосферный обмен. Для реализации этой задачи были использованы данные измерений температуры, влажности и озона, полученные во время кампании LAUTLOS, а также траекторная модель [11]. Для изучения тонкой пространственной структуры трассеров вблизи тропопаузы с помощью RDF-метода [10] и для вычисления потоков через тропопаузу использовались данные ECMWF с горизонтальным разрешением 0.5° х 0.5° и временным разрешением 6 часов.
ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗ
Как было показано в [10], слоистая структура профиля влажности от 17 февраля 2004 г. в стратосфере обусловлена неоднородной адвекцией воздушных масс, когда на смежных высотных уровнях оказываются массы, прибывшие из внутренней части полярного стратосферного циклона, и из вне-циклонической области. В то же время в нижней части профиля вблизи тропопаузы (рис. 1а) также наблюдаются слои с повышенной влажностью и с пониженным содержанием озона (озонозонд находился на одной подвеске с гигрометром). Причем между озоном и влажностью наблюдается очевидная антикорреляция. По аналогии с [10] был применен метод заполнения пространства обратными траекториями (RDF-метод) на уровне потенциальной температуры 330 К. В результате было получено горизонтальное распределение ПЗ, удельной влажности и озона с разрешением 0.25° х 0.25°, представленные на рис. 2. Как видно из рисунка, в области измерения (черный кружок) наблюдается нитеобразная структура (филамент), содержащая повышенные значения удельной влажности и пониженные значения ПЗ и озона. Этот филамент принадлежит тропосферному антициклону, представляющему собой область высокого давления с высоким уровнем тропопаузы. Уровень потенциальной температуры 330 К внутри антициклона расположен в тропосфере, а вне его - в стратосфере. Квази-изоэнтропический обмен вдоль этого уровня в области наклона тропопаузы фактически представляет собой один из путей массообмена между стратосферой и тропосферой. Таким образом, если в средней стратосфере филаментация полярного стратосферного циклона [10] приводит к выбросу полярных воздущных масс в средние широты, то на уровнях вблизи тропопаузы филаментация тропо-
« 340
Д 335
Й 330 &325
320
« 315
^
м л ч л
Ц 300
щ
н о С
310 305
295 290
(а)
Озон, МЛН.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
1 1 1 1 1 Л f / N 1
- С ' ~ H2O
- O3
г Тропопауза 1 1 1 |
0 5 10 15 20 25 Водяной пар, млн.-1
800
600
д р
Л
400
н,
о з О 200
30
(б)
300 315 330 345 0, К
о
¡-..г,".'- ■
10 20 30 Водяной пар, млн.-1
40
50
Рис. 1. Антикоррелирующие вертикальные профили озона и водяного пара 17 февраля 2004 года, (a): корреляционные кривые озона и водяного пара, полученные во время кампании LAUTLOS. Различные оттенки серого цвета соответствуют различным уровням потенциальной температуры (б).
0
(а)
(б)
(в)
Рис. 2. Распределения ПЗ в ЕПЗ (1 ЕПЗ = 10-6 м
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.