ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 483-493
УДК 551.510.534:551.576
ПОЛЯРНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ОБЛАКА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2008 г. Ä. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев, Я. Ä. Виролайнен
Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета 198904 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: polyakov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 03.10.2007 г.
Спектральные коэффициенты аэрозольного ослабления (СКАО), полученные по данным космических измерений прибора SAGE III, использованы для исследования физических и интегральных микрофизических характеристик полярных стратосферных облаков (ПСО). Рассмотрены и проанализированы на основе модельных и натурных измерений различные критерии обнаружения ПСО по измерениям СКАО. Проведено их взаимное сравнение, показано взаимное соответствие и различия результатов, получаемых при использовании разных критериев. Предложен новый критерий выделения ПСО, основанный на оценке близости измеренного вектора спектрального коэффициента ослабления к модельному распределению ансамбля ПСО. На основе различных критериев среди всех наблюдений SAGE III (более 30000) выделены случаи наблюдения ПСО. Все критерии отбора приводят к качественно и количественно сходному пространственно-временному распределению областей локализации ПСО. ПСО, наблюдаемые в области доступной измерениям SAGE III, локализуются в широтной зоне 65-80° в Северном полушарии и 45-60° в Южном полушарии в зимне-весенний период. В Северном полушарии ПСО наблюдаются в области долгот 120 W-100 E с максимумом частоты наблюдения ПСО вблизи Гринвичского меридиана. Область обнаружения ПСО в Южном полушарии по долготе почти такая же, но с некоторым сдвигом максимума частоты обнаружения на запад. Этот максимум наблюдается вблизи 40 W, обычная область обнаружения ПСО - 60-градусная окрестность долготы максимума. Получены оценки физических параметров ПСО: средние высоты нижней и верхней границ ПСО составляют 19.5 и 21.9 км, средняя температура в облаках 191.8 К. Получены оценки интегральных микрофизических параметров ПСО: суммарная поверхность частиц NAT SNAT = 0.41 мкм2/см3, суммарный объем частиц NAT VNAT = = 1.1 мкм3/см3; и всех аэрозольных и облачных частиц вместе S = 2.9 мкм2/см3, V = 2.8 мкм2/см3. Отмечены высокая частота появления ПСО и высокие значения в ПСО величин S и V как всех частиц, так и частиц NAT в январе-феврале 2005 г., в сравнении со всем остальным периодом измерений SAGE III в течение 2002-2005 гг.
1. ВВЕДЕНИЕ
Полярные стратосферные облака (ПСО) играют существенную роль в химии озона, т.к. на поверхности их частиц протекают гетерогенные реакции, влияющие на газовый состав атмосферы, в частности, на содержание хлорных и азотистых соединений, активно участвующих в разрушении озона [1, 2]. Определенное значение ПСО имеют также в радиационном балансе стратосферы и могут приводить к значительным изменениям температуры в полярных районах в зимний период [3]. В связи с этим исследования химических, микрофизических и оптических характеристик ПСО представляют значительный интерес.
ПСО образуются на высотах 15-30 км при экстремально низких температурах, наблюдающихся в условиях полярных зим в стратосфере обоих полушарий, при совместной конденсации паров воды и азотной кислоты на сульфатных частицах
фонового стратосферного аэрозоля, а также в отдельных случаях при замерзании частиц [4]. Эти облака различаются по химическому составу и микрофизике. Термин ПСО фактически объединяет различные типы стратосферных облаков, что отражается в специальной классификации ПСО по различным типам [5]. ПСО типа II наблюдаются при температурах ниже точки замерзания льда (порядка 188 К) и состоят из водяного льда. ПСО типа I (облака, состоящие из раствора азотной кислоты и воды) наблюдаются при более высоких температурах, при этом ПСО типа Ib состоят из мелких частиц в форме переохлажденного трехкомпонентного раствора (^SO/HNOs/^O), а облака типа Ia - из более крупных кристаллогидратов азотной кислоты (nitric acid trihydrate (NAT) или nitric acid dihydrate (NAD)). Подробное численное моделирование ПСО проводилась в ряде работ (см., например, [6, 7]). На основе такого моделирования были исследованы статистические
483
5*
характеристики микрофизических и оптических параметров ПСО [8, 9].
Изучение ПСО было начато с первых спутниковых наблюдений зимой 1978-1979 гг. в полярных районах с помощью измерений аппаратуры SAM II [10]. В дальнейшем исследования ПСО осуществлялись различными спутниковыми методами с различной спутниковой аппаратурой (SAGE I и II, POAM II и III, CLAES, ILAS II, MIPAS и т.д.), в наземных лидарных измерениях, различных прямых и косвенных измерениях оптических и микрофизических характеристик ПСО в специальных самолетных и аэростатных экспериментах ^м., например, [11]).
Спутниковые измерения спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления (СКАО) (прежде всего, с помощью затменного метода) позволили исследовать частоту (вероятность) появлений ПСО, их сезонный ход, расположение (широтный и долготный ход), высоты облаков, связь характеристик ПСО с температурой и динамикой атмосферы (например, [4, 10, 12-14]). Спутниковые измерения СКАО в видимой и ИК областях спектра использовались также для определения химического состава ПСО и ряда их микрофизических характеристик. Так, в работе [15] использовались измерения прибора ILAS II в ИК области спектра (июнь-август 2003 г.) для определения состава ПСО и эффективного радиуса составляющих их частиц. В работе [16] предложена методика определения объемов и площадей частиц по данным измерений различных спутниковых приборов (SAM II, SAGE II, POAM II и т.д.). В работе [5] приведены результаты разделения двух типов облаков - типов Ia и Ib по спутниковым наблюдениям. Спектральные ИК измерения собственного излучения атмосферы прибором MIPAS использовались в работе [17] для изучения эволюции ПСО в зимние периоды.
Данная работа посвящена анализу характеристик ПСО на основе данных измерений прибора SAGE III в период 2002-2005 гг. Ранее результаты измерений этим прибором были использованы для изучения содержания озона и интегральных микрофизических характеристик фонового стратосферного аэрозоля [18, 19, 20].
2. КРИТЕРИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ПСО
Большое значение при изучении различных характеристик ПСО имеют критерии их отождествления в данных спутниковых измерений. Первоначально использовался единственный критерий - величина СКАО вблизи длины волны 1 мкм (аппаратура SAM II имела только один канал измерений). Появление ПСО ассоциировалось с превышением величиной СКАО в стратосфере вблизи длины волны 1 мкм значения 0.0008 км-1 [10]. Этот критерий позволял обнаруживать любые стратосферные облака. В дальней-
шем, в частности, в связи с появлением многоканальной спектральной аппаратуры, использовались более сложные критерии - по сравнению СКАО с коэффициентом релеевского ослабления [12], вертикальной зависимости СКАО, отношению значений СКАО на различных длинах волн, например, на 525 и 1000 нм [21, 22], сопоставлению СКАО с его средними фоновыми значениями, высоте обрыва измерений за счет большого поглощения, температуре атмосферы и т.д. [13, 23, 24]. В работе [25] был предложен алгоритм выделения ПСО для многоканальной аппаратуры SAGE III, основанный на использовании измерений СКАО на трех длинах волн: 525, 1020 и 1550 нм. Разнообразие химических, микрофизических и оптических характеристик ПСО делает проблему выделения ПСО только по измерениям СКАО достаточно трудной и неоднозначной (см., например, [26]).
Для анализа критериев выделения ПСО по измерениям СКАО мы воспользовались двумя модельными статистическими ансамблями реализаций состояния стратосферы. Первый из них представляет объединенную микрофизическую и оптическую модель фонового стратосферного аэрозоля (ФСА) и описан в работе [27]. Второй построен на основе микрофизической модели ПСО [6, 7], дополненной оптическими характеристиками ПСО, рассчитанными в работах [8, 9]. Последняя модель ПСО была разработана для моделирования образования, роста и испарения частиц вдоль воздушных траекторий в арктической стратосфере. Для арктической зимы 1999-2000 гг. было рассчитано большое количество долгосрочных траекторий, основанных на данных, полученных из Метеослужбы Великобритании (UKMO), и позволяющих построить трехмерную картину эволюции арктического вихря. Моделирование охватывало период 1 ноября 1999 г.-15 апреля 2000 г. Для построения ансамблей ПСО использовалось несколько сценариев, различающихся набором предположений о микрофизических параметрах и процессах, контролирующих образование и трансформацию ПСО. Результаты моделирования ПСО тщательно сопоставлялись с данными измерительной кампании SOLVE [7] и более ранних кампаний [28, 29]. Для описания микрофизических свойств и соответствующих им оптических характеристик мы рассмотрели суммарный ансамбль ПСО, включающий в себя реализации стратосферного аэрозоля из четырех моделей (Het0many.sed, Het16many.sed, Met_1_m10.once.sed, Nadhet1many.sed), наилучшим образом согласующихся с данными экспериментальных наблюдений. Общий ансамбль реализаций стратосферного аэрозоля и ПСО состоял из 255 949 реализаций. Отметим, что максимум функции распределения по размерам (ФРР) фонового стратосферного аэрозоля аэрозольных частиц (жидких и SAT) приходится на размеры десятых долей микрона, в то время как максимум частиц ПСО (NAT и во-
дяной лед) - на единиц микрон. Именно это отличие в средних размерах частиц приводит к различному спектральному ходу СКАО для фонового стратосферного аэрозоля и ПСО, используемому в ряде указанных выше методик выделения ПСО.
Кроме трех предложенных ранее критериев выделения ПСО (см. табл. 1), мы использовали и новую методику. Поскольку мы располагаем статистическими моделями (выборками, ансамблями) состояний атмосферы, соответствующими фоновому стратосферному аэрозолю (ФСА) [27] и ПСО [8, 9], мы использовали собственный критерий выделения ПСО, опирающийся на более современные подходы и использующий стат
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.