научная статья по теме ВЛАЖНОСТЬ ТРОПИЧЕСКОЙ НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЫ: НАБЛЮДЕНИЯ И АНАЛИЗ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛАЖНОСТЬ ТРОПИЧЕСКОЙ НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЫ: НАБЛЮДЕНИЯ И АНАЛИЗ»

УДК 551.506:551.507

ВЛАЖНОСТЬ ТРОПИЧЕСКОЙ НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЫ: НАБЛЮДЕНИЯ И АНАЛИЗ

© 2010 г. С. М. Хайкин*, В. А. Юшков*, Л. И. Коршунов*, А. Н. Лукьянов*, Ж.-П. Померо**,

Й. Нильсен***, Х. Фомель****

*Центральная аэрологическая обсерватория 141700 г. Долгопрудный, Московская обл., ул. Первомайская, 3 E-mail: sehamic@yandex.ru **Аэрономическая служба, г. Верье-де-Бюсен, Франция ***Датский метеорологический институт, г. Копенгаген, Дания ****Метеорологическая обсерватория им. Ричарда Ассмана, Германия, г. Линденберг Поступила в редакцию 25.09.2008 г., после доработки 25.03.2009 г.

Приведены результаты измерений вертикальных профилей водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере с борта метеорологического шара-зонда при помощи российского оптического флуоресцентного гигрометра FLASH-B, полученные в ходе двух международных полевых кампаний, проведенных в Западной Африке (август 2006 г.) и Центральной Америке (август 2007 г.). Получены 11 вертикальных профилей водяного пара высокого разрешения, позволивших охарактеризовать механизмы, контролирующие влажность в области тропической тропопаузы. Обнаружены слои с повышенной влажностью в нижней стратосфере над Западной Африкой до уровня 450 К потенциальной температуры. Анализ спутниковых карт яркостной температуры, аэростатных измерений озона и аэрозольного рассеяния и траекторное моделирование показывают связь между слоями с повышенной влажностью и явлениями конвективных пробоев тропопаузы, в результате которых холодный и обедненный озоном воздух попадает в нижнюю стратосферу вместе с ледяными частицами, которые, быстро сублимируясь, локально увеличивают концентрацию водяного пара. Сопоставление данных по влажности, полученных в Западной Африке в 2006 г. и Центральной Америке в 2007 г., обнаруживает существенные различия в значениях и вертикальной структуре водяного пара, как в области тропопаузы, так и в средней стратосфере.

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдения за водяным паром в области верхней тропосферы и нижней стратосферы дают наиболее наглядные доказательства того, что воздушные массы проникают в стратосферу главным образом в тропиках [1, 2]. И низкие значения влажности стратосферы, и ее годовая изменчивость свидетельствуют о том, что воздушные массы проходят холодную тропическую тропопаузу, проникая в стратосферу. Тем не менее детали того, как тропосферный воздух в тропиках проникает в стратосферу, вре-меные и пространственные масштабы этого процесса еще активно дискутируются в научной литературе. Было выдвинуто несколько гипотез о том, как и в каких регионах происходит осушение воздуха, проникающего в стратосферу. Гипотеза "стратосферного фонтана" предполагает, что осушение и перенос тропосферного воздуха через тропопаузу происходит главным образом над Индонезией во время зимы в Северном полушарии и над территорией северной части Индии в летний период для Северного полушария [3]. В это время над данными регионами существуют наиболее низкие температуры в тропопаузе и наблюдаются крупномасштабные

образования полупрозрачных перистых облаков [4]. Другие гипотезы, предъявляя более детальные объяснения механизмам ТСО, также были основаны на том, что влажность воздуха, поступающего в стратосферу в тропиках, в большей степени определяется минимальной температурой тропической тропопаузы [5]. Однако открытие отрицательного тренда в значении самой низкой температуры тропической тропопаузы [5, 6] наряду с имевшим место (до 2001 г.) положительным трендом содержания водяного пара в стратосфере [7, 8] заставляет искать альтернативные механизмы ТСО.

Ключевую роль для корректного описания процессов переноса влаги из тропосферы в стратосферу играют высокоточные измерения концентрации водяного пара с высоким пространственным разрешением, которые до недавнего времени являлись дефицитом. Спутниковые наблюдения, имеющие глобальное покрытие, но при этом низкое пространственное разрешение, не способны в какой бы то ни было мере воспроизводить тонкую вертикальную структуру влажности в области тропопаузы.

Как показали результаты самолетных и аэростатных измерений во время недавних полевых кампаний, проведенных во внетропической зоне

конвергенции (Бразилия—2004 [8] и Бразилия— 2005 [9]), сильнейшая конвекция над поверхностью материка, развивающаяся в течение дня, может приводить к частым и сильным выбросам влажного воздуха до уровней 420—440 К, т.е. непосредственно в стратосферу [9, 10]. Данный механизм тропосфер-но-стратосферного обмена может иметь огромное значение в глобальном масштабе, однако требует дополнительных подтверждений. Исследование процессов переноса воздушных масс из тропосферы в стратосферу в тропической области является исключительно актуальной проблемой, так как от достоверности и точности параметризации этих процессов напрямую зависят результаты модельных расчетов климатических изменений под воздействием естественных и антропогенных факторов.

Данная работа посвящена исследованию особенностей вертикального распределения водяного пара в тропической нижней стратосфере по данным баллонных измерений влажности, полученных с помощью российского оптического гигрометра FLASH-B в ходе двух полевых кампаний, проведенных в Западной Африке (август 2006 г.) и Центральной Америке (август 2007 г.).

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Баллонные измерения вертикального распределения концентрации водяного пара проводились в рамках двух международных полевых кампаний: SCOUT-AMMA, проводившейся в г. Ниамей, Нигер (13.6° N, 2.1° E) в августе 2006 г. и TC4, проводившейся в г. Алухуэла, Коста-Рика (10° N, 84.5° W) в августе 2007 г. Измерения влажности были выполнены с помощью оптического флуоресцентного гигрометра FLASH-B [12, 13], разработанного в Центральной аэрологической обсерватории. Гигрометр FLASH-B представляет собой малогабаритный зонд для баллонных измерений влажности в области верхней тропосферы и стратосферы. В приборе реализован флуоресцентный метод измерения влажности [14, 15], основанный на измерении интенсивности флуоресценции возбужденных молекул гидроксила, образующихся в результате облучения молекул воды вакуумным ультрафиолетовым излучением. Интенсивная (1014 фотон/с) малогабаритная водородная лампа, работающая в модуляционном режиме, используется в качестве источника ВУФ излучения в линии Лайман-альфа (121.6 нм). Фотоэлектронный умножитель Hamamatsu R647-P в режиме счета фотонов вместе с узкополосным интерференционным фильтром обеспечивает измерения интенсивности флуоресценции. Для стратосферных условий сигнал флуоресценции пропорционален объемному отношению смеси водяного пара. Коэффициент пропорциональности определяется в лабораторных калибровках. Относительная погрешность измерений не превышает 10%, а вес прибора без батарей питания равен 510 г.

В рамках полевой кампании SCOUT-AMMA, посвященной исследованию влияния глубокой конвекции на состав верхней тропосферы и нижней стратосферы, была проведена серия запусков комбинированного баллонного подвеса, который включал в себя российский гигрометр FLASH-B, совмещенный с радиозондом Vaisala RS-80, озоно-зонд ЕСС-5А, стандартный радиозонд Vaisala RS-92 и двухканальный зонд обратного рассеяния Вайо-мингского университета (США) для измерения аэрозольных частиц и перистых облаков [16]. Всего было проведено семь запусков комбинированного подвеса. Поскольку гигрометр FLASH-B, так же как и зонд обратного рассеяния, может работать только в отсутствие дневного света, запуски проводились в темное время суток. Высота зондирования составляла, как правило, около 30 км. Было получено шесть вертикальных профилей водяного пара, озона, аэрозоля и температуры во время подъема и спуска аэростатов. FLASH-B был расположен в самом низу подвеса в вертикальном положении с направленным вниз объективом. При этом во время подъема выше уровня 90 мБар наблюдается увеличение сигнала гигрометра за счет дегазации водяного пара с технологических поверхностей прибора и оболочки аэростата. Влияние дегазации исчезает непосредственно в момент разрыва оболочки и начала спуска аппаратуры на парашюте, когда объектив гигрометра находится в невозмущенном объеме воздуха. Время отклика гигрометра составляет 0.2 секунды, данные усредняются по 4-секундному интервалу, что соответствует вертикальному разрешению приблизительно 100 м для измерений в стратосфере во время спуска баллонного подвеса.

В рамках полевой кампании TC4 [http://www.es-po.nasa.gov/tc4/] было произведено пять запусков флуоресцентного гигрометра FLASH-B в связке с гигрометром точки инея CFH Колорадского Университета (США) [17], и радиозондом Vaisala RS-92. Было получено пять вертикальных профилей водяного пара и температуры во время подъема и спуска аэростатов, при этом высота зондирования составила в среднем 29 км.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты экспериментов в Африке, 2006 г.

Летний период в Западной Африке характеризуется наличием мощных мезомасштабных конвективных систем (МКС), которые развиваются в зоне внетропической конвергенции над Восточной и Центральной Африкой и перемещаются на запад, при этом их конвективная активность в значительной степени модулируется суточным циклом [18].

На рис. 1 показаны результаты измерения влажности и температуры в верхней тропосфере и стратосфере гигрометром FLASH-B и радиозондом Vaisala RS-92. Сводная информация по каждому из

баллонных экспериментов приведена в табл. 1. Результаты температурного зондирования, представленные на рис. 1, как ансамбль кривых 2, показывают, что "холодная" тропопауза, т.е. область минимальной температуры, располагается в среднем на высоте 16.5 км (штрихпунктирная линия 4 на рис. 1) и средняя температура на этом уровне составляет -79.5° С, варьируя от -77.5°C до -81.5°C. Усредненный по данным шести зондирований профиль влажности (кривая 1 на рис. 1) и диапазон измеренных значений влажности, обозначенный затененной областью на рис. 1, демонстрируют хорошую повторяемость измерений (среднеквадратичное отклонение менее 0.2 млн-1 в стратосфере), что свидетельствует о достоверности измерений оптическим гигрометром. Значения влажности в стра

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.

Показать целиком