ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 2, с. 205-214
УДК 551.510.4,551.521.3,551.583,551.588
СОДЕРЖАНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ АРИДНОЙ ЗОНЫ © 2014 г. С. Ф. Абдуллаев*, В. А. Маслов*, Б. И. Назаров*, Т. Х. Салихов**
*Физико-технический институт им. С.У. Умарова 734063, Таджикистан, Душанбе, ул. Айни, 299/1 **Научно-исследовательский институт Таджикского национального университета 734025, Таджикистан, Душанбе. пр. Рудаки, 17 E-mail: Sabur.f.abdullaev@gmail.com Поступила в редакцию 10.04.2012 г., после доработки 30.11.2012 г.
Проведены исследования вариации содержания водяного пара Wb атмосфере аридной зоны. Сезонные колебания величины Wхарактеризуются для аридной зоны изменением влагосодержания от 2.3 до 3.6 раз при переходе от зимы к лету. Для летне-осеннего периода характерен хорошо выраженный полуденный минимум влагосодержания. В зимний период наблюдается монотонное уменьшение влагосодержания в течение дня. Весной содержание водяного пара имеет широкий максимум в середине дня. Содержание водяного пара в атмосфере в период пылевой мглы увеличивается до двух раз.
Ключевые слова: водяной пар, влагосодержание, пылевая мгла, аэрозоль, сезонное изменение, температура воздуха.
Б01: 10.7868/80002351514010027
ВВЕДЕНИЕ
Водяной пар — один из основных парниковых газов атмосферы. Он участвует во множестве процессов, происходящих в атмосфере, что делает его роль неоднозначной в разных физических условиях. При испарении воды с поверхности Земли и последующей конденсации в нижние слои атмосферы (тропосферу) благодаря конвекции переносится до 40% от всего тепла, поступающего в атмосферу. Испарение воды несколько понижает температуру поверхности. Выделившаяся в результате конденсации энергия разогревает воздух, а в дальнейшем и поверхность Земли. Конденсация водяного пара сопровождается образованием водяных капель, либо кристалликов льда, которые активно участвуют в рассеянии солнечного света, отражая часть солнечной энергии назад в космос. Изучение динамики изменения содержания водяного пара очень важно для оценки и описания любого рода климатических изменений. Такие исследования уже проводились для средних широт [1—3], однако данные по аридной зоне крайне ограничены. Данная работа восполняет этот пробел.
Спектроскопический метод (или метод оптической гигрометрии) утвердился в последнее время как один из основных при изучении состава и оптических характеристик атмосферы, в том чис-
ле и при определении интегрального содержания водяного пара в атмосфере. Методику измерений содержания водяного пара Жпо спектрофотомет-рическим данным впервые разработал и успешно применил Фоуль [1, 2]. Далее метод исследования содержания водяного пара в атмосфере был развит во многих работах, например в [3—9]. В [5] представлены результаты измерений спектроскопическим методом интегрального содержания водяного пара в атмосфере. Измерения проводились в районе озера Иссык-Куль и в городе Гавана (Куба). Статистический анализ выявил периодические колебания влагосодержания атмосферы, обусловливаемые планетарными волнами с различными волновыми числами.
В [6] приведено описание характеристик спектральных каналов оптического гигрометра и условий измерения влагосодержания атмосферы в ближнем ИК-диапазоне спектра (X = 0.94 мкм). Проанализированы различные варианты методик измерений с учетом влияния изменчивости спектрального хода аэрозольной оптической толщи. Полученные результаты позволили авторам утверждать, что оптический метод является эффективным инструментом для исследования достаточно малых изменений влагосодержания атмосферы Ж (стш < 0.07 г/см2).
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
0 .2
.0 5.
0
0 .2
0
0 .2
.0
2
00 22
00
.0 2
сл
.0
0
00 .2 .2 сК о .0 .1
00
0
2
0 .2 0.
оо
0
00 22
оо
2
0 2
.0 01
00 22
6 2
0 2
2
Рис. 1. Временная изменчивость влагосодержания атмосферы №Д за период измерений (жирной линией выделены скользящие средние значения Ж)
В следующей статье [7] представлены характеристики временной изменчивости интегрального влагосодержания атмосферы для нескольких сезонов 1992—1994 гг. в Томске. Отмечается, что амплитуды короткопериодных вариаций влагосодержания почти достигают величины ее сезонных изменений, а регулярная компонента дневного хода проявляется слабо и имеет полуденный минимум. Проанализирована взаимосвязь интегрального влагосодержания с приземной влажностью, обнаружено, что высота однородной атмосферы по влажности, определяющая эквивалентную толщу атмосферы с постоянной абсолютной влажностью, равной приземной, позволяет оценивать высотный профиль изменения влажности. Показано, что оптический метод эффективен про малых изменениях влагосодержания атмосферы (Ж < 0.07 г/см2).
Сезонные особенности спектральных зависимостей аэрозольной оптической толщи и общего влагосодержания атмосферы обсуждаются в [8], где приводится сравнение средних спектральных зависимостей аэрозольной оптической толщи и общего влагосодержания атмосферы в Улан-Удэ с измерениями на берегу озера Байкал (ст. Боярск) и на других станциях азиатской части России. В [9] описаны результаты комплексного аэрозольного эксперимента, проведенного весной 2009 г. параллельно в двух районах — вблизи Уссурийска и в Японском море с борта парусного учебного судна "Надежда". Влагосодержание атмосферы для исследованных районов в весенний период составляло (0.71 ± 0.25) г/см2 в Приморье и (0.97 ± 0.37) г/см2 в акватории Японского моря.
В настоящей статье приводятся результаты спектроскопических измерений влагосодержа-ния атмосферы в 2010 г., которые были получены на станции AERONET г. Душанбе. Они сопоставляются с данными по вариации содержания водя-
ного пара за период 2006—2010 гг. в аридной зоне Таджикистана (Душанбе, Курган-Тюбе), Узбекистана (Термез), и Туркменистана (Байрам-Али, Репетек).
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Методы фотометрии солнечного излучения позволяют эффективно определять многие параметры атмосферы. В настоящее время наиболее развитой системой, с точки зрения автоматизации измерений, оперативности получения данных и глобального охвата, является сеть аэрозольных наблюдений AERONET (http://aeronet.gsfc.nasa.gov) [10-15].
В г. Душанбе исследования характеристик атмосферы в рамках сети AERONET проводятся с июля 2010 г. в режиме регулярных измерений благодаря проекту МНТЦ Т-1688 при поддержке коллабораторов из Франции, США, Португалии. После установки фотометра СЕ-318 начаты исследования атмосферного аэрозоля в условиях аридной зоны. Одной из измеряемых величин является содержание водяного пара.
В качестве меры поглощательной способности столба атмосферного воздуха в фотометре используется функция пропускания Р = ///0, по которой определяется содержание водяного пара на длине волны из ближней ИК-области. Здесь 10 и I— интенсивности падающей и прошедшей сквозь толщу атмосферы радиации, соответственно. В системе AERONET проводятся измерения на двух длинах волн, чувствительных к водяному пару -0.72 мкм и 0.94 мкм. Вторая — более сильная полоса, используется для определения полного содержания водяного пара в атмосфере. Влагосодержание столба атмосферы приводится в виде толщины осажденного слоя водяного пара и измеряется в сантиметрах.
Измерения проводились ежедневно при отсутствии облаков в атмосфере. Для повышения надежности анализируемых данных результаты отдельных измерений предварительно усреднялись по часовым промежуткам времени. Среднечасовые значения Жч использовались для оценки характера дневной изменчивости влагосодержания, а среднедневные величины определялись как
= Жч/п, где п = 6—8 — это количество среднечасовых значений влагосодержания в день.
СТАТИСТИКА ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ 2010—2011 гг.
Изменение содержания водяного пара за весь период измерений иллюстрируется на рис. 1.
Таблица 1. Среднемесячное, максимальное, минимальное содержание водяного пара, СКО, коэффициент вариации и общее количество измерений в Душанбе (2010 г.)
Период (W) W fr max W fr min CT ш V N (в) max) (^min)
Июль 1.68 2.64 0.73 1.29 0.76 1288 1.14 0.72 2.62
Август 1.55 2.95 0.71 1.23 0.79 1203 1.45 0.76 3.16
Сентябрь 1.3 2.07 0.37 1.12 0.86 1130 1.31 0.82 4.6
Октябрь 1.16 2.08 0.34 1.07 0.92 1000 1.5 0.84 5.12
Ноябрь 0.77 1.43 0.28 0.87 1.13 706 1.49 0.8 4.11
Декабрь 0.51 0.94 0.23 0.71 1.38 621 1.39 0.76 3.09
Лето 1.62 2.95 0.71 0.36 0.22 2490 1.38 0.76 3.15
Осень 1.12 2.09 0.29 0.41 0.37 2841 1.6 0.86 6.3
Зима 0.51 0.95 0.24 0.14 0.27 622 1.38 0.75 2.97
22.08.2010 1.65 1.82 1.39 1.28 0.77 59 0.26 0.24 0.31
23.08.2010 2.6 2.73 2.41 1.62 0.62 25 0.12 0.12 0.13
27.08.2010 1.06 1.16 0.87 1.03 0.97 58 0.27 0.25 0.33
01.10.2010 0.62 0.80 0.45 0.79 1.27 58 0.56 0.44 0.77
14.12.2010 0.47 0.50 0.42 0.68 1.46 27 0.19 0.17 0.21
08.03.2011 0.55 0.61 0.48 0.74 1.34 43 0.22 0.2 0.27
2010 1.27 2.95 0.24 0.51 0.4 5947 2.14 0.92 11.36
Для лучшего выявления сезонных колебаний, как ив [7], было проведено сглаживание исходных рядов W путем вычисления скользящих значений влагосодержания, при этом среднедневные значения влагосодержания усреднялись еще и с периодом 5 суток. В представленных данных прослеживаются колебания синоптического масштаба при переходе от лета к зиме.
В табл. 1 приведена сводка статистических параметров для различных месяцев наблюдений и сезонов — средние, минимальные и максимальные значения W, среднеквадратическое отклонение (СКО) стш = д/Х(W - W))7N, коэффициенты вариации Vm = а ю/(W) и количество измерений N. Приведены также средние (s), максимальные (smax) и минимальные (smin) относительные отклонения влагосодержания для каждого анализируемого сезона или дня (s = (W — (W))/(W)). Как видно из табл. 1, по данным 2010 г. среднемесячное содержание водяного пара в июле было в 3.3 раза больше декабрьских значений, а отношение летних и зимних среднесезонных значений равно 3.1, т.е. среднемесячные и среднесезонные колебания содержания водяного пара в Душанбе почти одинаковы. Из табл. 1 также видно, что при сезонном умень-
шении влагосодержания от лета к зиме СКО падает, а коэффициент вариации растет.
Гистограммы
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.