УДК [551.524.7+551.557+551.571]:551.511.6<<2006>>(662.5)
Структура неоднородностей полей температуры, ветра и влажности в слое тропической тропопаузы и в нижней стратосфере над Западной Африкой (Буркина-Фасо, 2006 г.)
Г. Н. Шур*, Н. М. Ситников*, В. В. Волков*
Приводятся данные о некоторых структурных параметрах мезомасш-табных механизмов турбулентности, играющих заметную роль в тропо-сферно-стратосферном обмене в слое тропической тропопаузы и в нижней стратосфере. Данные получены в ходе международного самолетного эксперимента АММА, проводившегося в Буркина-Фасо (Западная Африка) в августе 2006 г.
Введение
Формирование глобальной атмосферной циркуляции и климата Земли происходит за счет энергии, получаемой от Солнца, прежде всего в тропическом поясе, и процессов ее переноса в атмосфере. Существенную роль в процессе переноса энергии играет стратосферно-тропосферный обмен, механизмы которого еще недостаточно изучены. Между уровнем конвективного равновесия [5] и уровнем радиационного равновесия [7] в тропической зоне располагается слой тропической тропопаузы TTL, в котором активно действуют самые различные механизмы переноса тепла, влаги и химических примесей. В числе этих механизмов волновые процессы и турбулентность, в том числе и мезомасштабная.
В июле — августе 2006 г. в Буркина-Фасо (Западная Африка) был проведен международный эксперимент по проекту AMMA-SCOUT. В эксперименте принимал участие российский стратосферный самолет-лаборатория М-55 "Геофизика", оборудованный широким комплексом научной аппаратуры шести европейских стран-участниц. Самолет мог совершать горизонтальный полет на высоте до 20 км.
В состав научной аппаратуры на борту самолета входили российский термодинамический комплекс ТДК [4] и российский флуоресцентный гигрометр FLASH [2]. Комплекс ТДК работал в интерактивном режиме с самолетной навигационной и спутниковой аппаратурой. С его помощью были получены данные о температуре и ветре на высоте полета с высоким пространственным разрешением. Прибор FLASH позволял измерять отношение смеси водяного пара и воздуха при низкой температуре также с хорошим пространственным разрешением. Полученные в эксперименте дан-
* Центральная аэрологическая обсерватория; e-mail: volkov-vv@mail.ru.
ные позволили оценить структурные параметры некоторых механизмов, играющих заметную роль в тропосферно-стратосферном обмене.
В данной работе приводятся сведения о спектральной структуре неод-нородностей полей температуры, ветра и влажности, о масштабе и дисперсии этих параметров в локальных когерентных структурах, а также о мезо-масштабных турбулентных потоках тепла и влаги в слое тропопаузы и нижней стратосфере.
Эксперимент AMMA-SCOUT
Целью эксперимента AMMA (African Moonson Multidisciplinary Analysis) являлось изучение изменений климата и экосистем Западной Африки в летний муссонный период, в частности, воздействия эмиссии парниковых газов и загрязняющих веществ на климат, уменьшение содержания озона и содержание природных соединений в атмосфере, связанных с западно-африканским муссоном.
Интерес к проблеме связан с тем, что во второй половине XX века происходили заметные межгодовые и квазидесятилетние изменения муссон-ной циркуляции в Западной Африке. Особенно заметным изменением климата Западной Африки был переход от влажных условий 1950-х и 1960-х годов к гораздо более сухим условиям 1970—1990-х. Засухи 1984 и 1998 гг. были вызваны изменениями муссонной циркуляции. С муссонами связаны и многие процессы, происходящие в тропической зоне, в том числе и формирующий глобальную циркуляцию тропосферно-стратосферный обмен. Летние муссоны, как правило, приносят в Западную Африку влажный океанский воздух и способствуют образованию над более теплой сушей очагов конвекции с образованием мощных облачных систем.
Ранее, в 2005 г., в Австралии проводился эксперимент SCOUT. Там над островами Тиви у северного побережья Австралии формируются очаги глубокой конвекции, приводящие к развитию мощной грозовой облачности с образованием горячих башен (так называемых Гекторов), пробивающих тропопаузу и достигающих высоты более 18 км [3]. Эксперимент AMMA явился продолжением эксперимента SCOUT. Местом проведения эксперимента в августе 2006 г. был выбран район Буркина-Фасо, так как в этом регионе по данным спутникового лимбового сканера в последние годы наблюдалась активная конвективная деятельность [6].
Всего с аэродрома Уагадугу было выполнено 5 научных полетов. Кроме самолета М-55 "Геофизика" в эксперименте участвовал самолет "Falcon" (DLR, Германия), также оснащенный широким комплексом научной аппаратуры, измеряющей практически все те же метеовеличины, что и аппаратура М-55, на высоте до 12 км. Совместный анализ данных, полученных с обоих самолетов, позволял изучать работу "тепловой машины" глобальной циркуляции в широком диапазоне высот.
Полеты выполнялись 4, 7, 8, 11 и 13 августа 2006 г. На рис. 1 представлены профили температуры. Каждый профиль построен по данным всего полета, включая горизонтальные площадки и нырки. Этим объясняется многозначность значений температуры, особенно в слое тропопаузы и в стратосфере. Градиент температуры в тропосфере составлял для всех полетов около -0,7°C/100 м, что характерно для тропического пояса и близко к равновесному значению.
Рис. 1. Вертикальные профили температуры в эксперименте АММА 4 (а), 7 (б), 8 (в), 11 (г) и 13 августа (д) 2006 г.
В слое тропической тропопаузы вертикальный градиент температуры претерпевает существенные изменения, включая и изменение знака. Это хорошо видно на рис. 2, где в качестве вертикальной оси использована потенциальная температура. Слой тропической тропопаузы располагается между уровнями потенциальной температуры 350 и 380 К (так называемый уровень радиационного равновесия). Выше этого уровня в стратосфере наблюдается повышение температуры с высотой. На максимальной высоте полета (~20 км) температура превышает минимальную на 20°С и более. Для слоя тропической тропопаузы характерна и горизонтальная неоднородность поля температуры, что хорошо видно на рис. 2в.
Профили скорости ветра представлены на рис. 3. Они приведены для режимов снижения. В полете 4 августа 2006 г. (рис. 3а) под тропопаузой на высоте около 15 км наблюдается струйное течение с максимальной скоростью на оси 50 м/с (180 км/ч). В слое тропической тропопаузы во всех полетах наблюдается изменчивость скорости ветра с высотой в пределах от 10 до 30 м/с, причем в четырех из пяти полетов в нижней части тропопаузы наблюдается велопауза.
Неоднородности температуры, ветра и влажности, измеренные на горизонтальных участках полетов
Чтобы применить статистические методы для анализа структуры неод-нородностей измеряемых метеовеличин на высотах, методикой полетов эксперимента АММА предусматривалось выполнение горизонтальных режимов в основном в слое тропопаузы и нижней стратосфере. Учитывая высокую скорость самолета М-55 (~700 км/ч), это были по существу пространственные разрезы.
90 -60 -30 О 30 Г, °С
-90 -60 -30 0 30 Г, °С -90 -60 -30 0 30 Г, °С
I 1 I 1 I 1 I 1 I -90 -60 -30 0 30 Г, °С
Рис. 2. Распределение температуры в эксперименте АММА.
Горизонтальные линии — границы слоя тропической тропопаузы (ТТЬ).
а—д — даты, указанные на рис. 1.
В горизонтальном полете большой интерес для последующего анализа представляет измерение вертикальных порывов скорости ветра Ж\ Термодинамический комплекс, работающий в интерактивном режиме со штатными измерительными системами самолета, вычисляет Ж' по формуле
Ж' = -(а - ®)У + Шг,
где а — угол атаки набегающего потока, измеренный дифференциальным датчиком давлений ТДК (рад); 0 — угол тангажа, измеренный инерциаль-ной навигационной системой (ИНС) самолета; V — истинная воздушная скорость по ТДК; АпЛ — приращение вертикальной скорости самолета
по данным ИНС.
На рис. 4 представлены фрагменты временных (пространственных) реализаций температуры Т, горизонтальной и и вертикальной скорости ветра Ж и влажности Н20 на горизонтальных участках полета 11 августа 2006 г. для двух участков в слое тропической тропопаузы и двух в стратосфере. В слое тропической тропопаузы пульсации температуры содержат больше мелкомасштабных неоднородностей, чем на границе со стратосферой (уровень радиационного равновесия) и в стратосфере. Структура горизонтального ветра на всех уровнях неоднородна и нестационарна. На уровне потенциальной температуры 491 К (~20 км) видны волны с длиной около 20 км.
Пульсации вертикальной скорости, измеренные на этом уровне, по своей структуре отличаются от вертикальных пульсаций, измеренных на
Рис. 3. Вертикальные профили вектора ветра в эксперименте АММА. а—д — даты, указанные на рис. 1.
остальных горизонтальных участках. Это может быть объяснено тем, что в отличие от пилотирования с зажатыми рулями на остальных режимах, на этой высоте пилоту приходилось для поддержания горизонтального полета маневрировать рулем высоты, создавая вертикальные перегрузки.
Отношение смеси водяного пара на указанных участках находилось в пределах от 3,5 до 4 млн- в слое тропической тропопаузы. В стратосфере наблюдалось некоторое увеличение отношения смеси водяного пара, которое достигало 4,5—5 млн- на высоте 20 км. Структура неоднородности поля влажности на всех участках имеет примерно один и тот же характер. О различиях в структуре неоднородностей будет сказано ниже по результатам вейвлет-анализа.
Наличие горизонтальных участков полета достаточной протяженности (более 100 км) позволило получить статистические характеристики пульсаций измеряемых метеовеличин. На рис. 5 представлены спектры Фурье пульсаций компонентов скорости ветра и температуры для горизонтального режима полета на высоте 20 км. Диапазон волновых чисел к, для которых построены спектры, составляет от 8 • 10-5 до 2 • 10-3, что соответствует диапазону масштабов от 500 м до 12,5 км. Этот диапазон лежит вне пределов колмогоровского инерционного интервала, к тому же, как видно на рис. 4, ни стационарности, ни однородности процессов не наблюдается. В то же время наличие наклона на логарифмических спектральных к
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.