ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 4, с. 414-429
УДК 551.51
СОДЕРЖАНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ НАД ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТЬЮ РОССИИ В ПЕРИОД ЛЕТНИХ ПОЖАРОВ 2010 г.
© 2013 г. С. А. Ситнов, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: sitnov@ifaran.ru Поступила в редакцию 16.07.2012 г., после доработки 18.09.2012 г.
Исследуется содержание водяного пара (ВП) в атмосфере над европейской территорией России (ЕТР) в период пожаров в июле—августе 2010 г. с привлечением спутниковых данных MODIS, данных аэрологического радиозондирования и NCEP/NCAR реанализа. Распределение над ЕТР общего содержания ВП в рассматриваемый период было аномальным, с избытком ВП на севере территории и его дефицитом на юге. Анализируется связь изменений ВП с динамикой атмосферы и пожарами. Наряду с процессами адвекции и испарения влаги оценивается роль процессов эмиссии ВП при горении в формировании пространственно-временной изменчивости ВП над ЕТР летом 2010 г. Исследуется широтная зависимость высотных изменений ВП над ЕТР. Приводятся результаты сравнительного анализа содержания ВП в периоды летних блокингов 1972 и 2010 гг. Проводится сравнение спутниковых данных MODIS (L3) с данными аэрологического радиозондирования в период пожаров.
Ключевые слова: водяной пар, влагосодержание атмосферы, природные пожары, блокирующий антициклон, спутниковые данные МОБК.
Б01: 10.7868/80002351513040093
ВВЕДЕНИЕ
Малоподвижный антициклон, установившийся на европейской территории России (ЕТР) в июне—августе 2010 г., блокировал западный перенос в тропосфере средних широт. Сложившиеся циркуляционные условия в атмосфере способствовали экстремальному повышению региональной температуры, изменению гидрологического режима и развитию на ЕТР массовых пожаров [1]. Формирование уникального погодно-климатического режима и его последствий в связи с пожарами и изменением аэрозольного и газового состава атмосферы стали предметом многочисленных исследований. В [2—14] проведен разносторонний анализ данных наземного и спутникового мониторинга содержания взвешенных в воздухе аэрозольных частиц и малых газовых составляющих в приземном слое атмосферы и в ее толще над ЕТР летом 2010 г. В [15—18] исследованы радиационные и термические эффекты задымления атмосферы над ЕТР. Одним из продуктов, выделяющихся при горении биомассы, является водяной пар (ВП). ВП образуется в результате испарения содержащейся в горючем материале химически не связанной воды, а также в результате химических реакций [19]. В [8] было
показано, что среднее по ЕТР содержание ВП в атмосферном столбе в апреле—августе 2010 г. превышало содержание ВП в апреле—августе 2009 г. В [17] отмечено, что в московском регионе общее содержание ВП во время летних пожаров 2010 г. заметно превышало общее содержание ВП во время летних пожаров 2002 г. [20] .
ВП не токсичен, как большинство продуктов горения, однако будучи радиационно-активным газом, участвуя в атмосферных термодинамических процессах, взаимодействуя с атмосферным аэрозолем, он играет исключительно важную роль в атмосфере [21]. В тропосфере, где сосредоточена основная масса ВП (высота однородной атмосферы для ВП составляет около 2 км), время жизни молекулы Н2О (дни) определяется процессами атмосферной динамики и ВП при этом является индикатором атмосферных движений. В свою очередь, изменения температуры атмосферы (и подстилающей поверхности), обусловленные радиационными эффектами ВП и фазовыми превращениями влаги, могут оказывать влияние на динамику атмосферы. В [22] было выявлено влияние эмиссии ВП при пожарах на локальные конвективные процессы. Вовлеченность ВП в процессы гидрологического цикла и динамиче-
ские процессы обуславливает большую изменчивость его содержания.
В данной работе проводится анализ пространственно-временной изменчивости содержания ВП над ЕТР в июле—августе 2010 г. с использованием спутниковых данных MODIS, сетевого аэрологического радиозондирования и NCEP/NCAR ре-анализа.
СПУТНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ MODIS И АЛГОРИТМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОБЩЕГО
СОДЕРЖАНИЯ H2O В АТМОСФЕРЕ
Спектрометр MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) регистрирует отраженную солнечную радиацию и радиацию, излучаемую земной поверхностью и атмосферой, в диапазоне длин волн 0.4—14.4 мкм [23]. Ширина области сканирования прибора (2330 км) обеспечивает ежедневное глобальное покрытие наблюдениями области внетропических широт. Приборы MODIS установлены на спутниках Aqua и Terra, находящихся на солнечно-синхронных орбитах высотой 700 км, наклоном 98° и периодом обращения 98 мин. Дневные измерения приборами MODIS с бортов Terra и Aqua осуществляются соответственно на нисходящем и восходящем витках орбиты с пересечением экватора в 10.30 и 13.30 локального времени.
Для определения общего влагосодержания (ОВ) в атмосферном столбе (W) прибором MODIS используются измерения отраженного солнечного излучения в близкой инфракрасной (БИК) области спектра (0.86—1.24 мкм). Алгоритм основан на сравнении пропускания атмосферой излучения в полосе поглощения ВП, центрированной на длине волны 1 мкм, и вне ее [24]. По сравнению с наблюдениями W в средней ИК-области спектра наблюдения Wв БИК области более чувствительны к содержанию ВП в пограничном слое атмосферы (ПСА) и характеризуются относительно малой погрешностью (5—10%), однако ограничены дневным временем суток и участками поверхности, отражающими в этой области длин волн. Над водными поверхностями используемый алгоритм основывается на анализе зеркальных отражений, что обуславливает особенности в полях ОВ, проявляющиеся над крупными водными объектами. В данной работе наблюдения W над акваториями Ладожского и Онежского озер заменялись линейной интерполяцией данных соседних пикселей.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Использовались данные ОВ 3-го уровня (L3), полученные спутниковыми приборами MODIS в ближней ИК-области в безоблачных условиях (SDS: Water_Vapor_Near_Infrared_Clear_Mean) —
исходные данные (L2) с суточным 1-градусным широтно-долготным осреднением [25]. На широте Москвы широтно-долготной ячейке 1° х 1° соответствуют размеры 111 х 63 км. Использовались также сопутствующие наблюдения аэрозольной оптической толщи (АОТ) на длине волны 0.55 мкм (SDS: Optical_Depth_land And_Ocean_Mean) [26]. Данные MODIS (Aqua/Terra) для ОВ и АОТ (MOD08/MYD08, ^flection 5.1) получены через сервер LAADS Web (http://ladsweb.nascom.nasa.gov). К анализу привлекались результаты детектирования приборами MODIS локальных очагов пожаров (MOD14/MYD14), полученные через систему FIRMS [27] (http://firefly.geog.umd.edu). Для восстановления регионального поля ветра, анализа вертикальной структуры изменений ВП, а также для валидации спутниковых измерений использовались данные аэрологического радиозондирования (табл. 1), доступные по адресу: http://weath-er.uwyo/uppeair. Анализ ветра проводился на уровнях 925, 850, 700 и 500 гПа. Далее приводятся распределения ветра только на уровне 700 гПа (~3 км), где достаточно хорошо проявляются общие закономерности атмосферной динамики региона в целом. Кроме того, использовались данные общего содержания окиси углерода (СО) в атмосферном столбе (L3, V5, TIR/NIR product [28]) спутникового прибора MOPITT [29], доступные по адресу: l4ftl01.larc.nasa.gov и данные NCEP/NCAR реанализа (http: //www. esrl.noaa.gov/psd/data/grid-ded/data.ncep.reanalysis.html) [30].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Сравнительный анализ спутниковых данных MODIS для общего влагосодержания атмосферы с
данными аэрологического радиозондирования
Результаты восстановления ОВ по спутниковым данным MODIS неоднократно сопоставлялись с данными измерений ВП в атмосферном столбе наземными микроволновыми радиометрами [31] и данными аэрологических радиозондов [32]. Обусловленное пожарами задымление атмосферы существенно усилило процессы многократного рассеяния солнечного излучения, в том числе в БИК области спектра, и режим работы алгоритма MODIS над ЕТР летом 2010 г. отличался от стандартного. Анализ спутниковых данных для ВП в этих условиях целесообразно предварить их сопоставлением с независимыми локальными измерениями влагосодержания.
Оценки величины ОВ можно получить на основании получаемого радиозондом профиля относительной влажности воздуха f). Интеграль-
Таблица 1. Станции аэрологического радиозондирования, данные которых использовались при анализе
№ п/п № ВМО Станция Широта, N Долгота, E Высота, м
1 02185 Лулеа 65.6° 22.1° 34
2 02365 Сундсвалль 62.5° 17.5° 6
3 11952 Попрад-Гановце 49.0° 20.3° 706
4 12120 Леба 54.8° 17.5° 6
5 12374 Легионово 52.4° 21.0° 96
6 13275 Белград 44.8° 20.4° 203
7 15420 Бухарест 44.5° 26.1° 91
8 16622 Салоники 40.5° 23.0° 4
9 22217 Кандалакша 67.2° 32.4° 25
10 22271 Шойна 67.9° 44.1° 16
11 22845 Каргополь 61.5° 38.9° 126
12 23205 Нарьян-Мар 67.6° 53.0° 12
13 23921 Ивдель 60.7° 60.5° 95
14 23804 Сыктывкар 61.7° 50.9° 116
15 26038 Таллин 59.4° 24.6° 34
16 26063 Санкт-Петербург/Воейково 60.0° 30.7° 78
17 26298 Бологое* 57.9° 34.1° 188
18 26812 Смоленск 54.8° 32.1° 239
19 27730 Рязань* 54.6° 39.7° 158
20 27595 Казань 55.6° 49.3° 116
21 27612 Москва/Долгопрудный 55.9° 37.5° 200
22 28445 Верхнее Дуброво 56.7° 61.1° 290
23 33791 Кривой Рог 48.0° 33.2° 124
24 34122 Воронеж 51.7° 39.3° 104
25 34172 Саратов 51.6° 46.0° 166
26 35229 Актюбинск 50.3° 57.1° 219
27 37054 Минеральные Воды 44.2° 43.1° 313
Примечание. * Станции, данные которых использовались в случае отсутствия данных станции Москва / Долгопрудный.
где ? — температура (°С), Е0 = 6.1121 Па, к0 = = 18.678, к1 = 234.5°С, к2 = 257.14°С.
На рис. 1 приведены величины Ш* по данным дневного (12 иТС) радиозондирования на аэрологических станциях Каргополь, Рязань, Воронеж и Минеральные Воды и величины Ш по спутниковым данным МОЭК (Лдиа/Тегга) для соответствующих пикселей в июле—августе 2010 г. Сравнительный анализ свидетельствует о близости величин Ш* и Ш и согласованности их изменений во времени. Коэффициенты корреляции изменений Ш* и Ш в июле—августе 2010 г. были в пределах 0.83—0.90. Разброс Ш* и Ш частично связа
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.