ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2011, том 47, № 5, с. 660-668
УДК 551.510.42
ВЛИЯНИЕ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ НА ВЕРТИКАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРОПОПАУЗНОГО ИНВЕРСИОННОГО СЛОЯ В ДАЛЬНЕВОСТОЧНОМ РЕГИОНЕ
© 2011 г. О. А. Букин*, Нгуен Суан Ань**, А. Н. Павлов*, С. Ю. Столярчук*, К. А. Шмирко*
*Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Радио, 5
E-mail: o_bukin@mail.ru **Институт геофизики Вьетнамской академии наук и технологий Ханой, Вьетнам
E-mail: nxuananh05@gmail.com Поступила в редакцию 27.11.2009 г., после доработки 17.03.2011 г.
В статье приведены характеристики лидара и результаты лидарного зондирования высотного распределения озона, которые анализируются совместно с данными сети метеостанций, расположенных вдоль 132 меридиана. Проводится сравнение высотного распределения озона над Приморьем и Японией в зимний период. Проведенный анализ показал наличие связи между субтропическим струйным течением и структурой высотного распределения озона и тропопаузного инверсионного слоя. Эта связь проявляется в том, что область локального максимума высотного распределения озона над тропопаузой находится в верхней части тропопаузного инверсионного слоя, а их ширина зависит от расстояния от ядра субтропического струйного течения. Установлено, что локальный минимум озона в нижней стратосфере соответствует локальному минимуму квадрата частоты Брента—Вяйсяля в том же диапазоне высот в зимний период, когда наблюдается высокая частота перекрытия двух тропопауз. Высказывается предположение, что формирование локального максимума озона и тропопаузного инверсионного слоя может быть обусловлено процессами смешивания в слое соприкосновения стратосферной и тропосферной ячеек циркуляции возле ядра субтропического струйного течения.
Ключевые слова: лидар, зондирование, распределение озона, тропопауза, инверсионный слой, вихревая структура, струйное течение.
Длительное время жизни молекул озона в нижней стратосфере позволяет использовать этот газ в качестве одного из трассеров при изучении процессов переноса воздушных масс в стратосфере и стратосферно-тропосферного обмена. Как общее содержание озона (ОСО) в столбе атмосферы, так и вертикальное распределение озона (ВРО) в нижней стратосфере в значительной степени зависят от динамических факторов, подверженных сезонной изменчивости [1]. Наглядным проявлением сезонной изменчивости режима циркуляции атмосферы может служить местоположение и скорость субтропического и полярного струйного течений в зависимости от широтного термического градиента [2]. При определенных значениях широтного термического градиента может происходить формирование как двойных, так и объединенных струй [3, 4]. На широте расположения станции лидарного зондирования (43° N 132° Е) характер ВРО нижней стратосферы в значительной степени обусловлен сезонными особенностям меридионального транспорта, которые обсуждались в нашей работе [5]. Кроме этого, на ВРО оказывает влияние субтропическое струйное течение (ССТ) в зависимости от его местоположения, интенсивности и процессов взаимодействия ССТ с синоптическими вихрями. В
зависимости от положения ядра ССТ, отделяю -щего область тропической тропопаузы от области среднеширотной тропопаузы, над точкой зондирования могут располагаться разные тропопаузы. В зимний сезон точка зондирования очень часто расположена под двойной тропопаузой, которая образуется при перекрытии тропической и сред-неширотной (или полярной) тропопауз.
К особенностям ВРО над Приморьем [5] относится повышенное содержание озона в нижней стратосфере в зимне-весенний период на высотах порядка 12 км, что соответствует средней высоте расположения оси струйного течения. Изменчивость содержания озона в этом слое стратосферы проявляется не только в сезонном, но и климатическом масштабе. Авторы [6, 7] отмечают, что уменьшение общего содержания озона в 70—80-е годы характеризовалось наиболее сильно выраженным уменьшением содержания озона именно в диапазоне высот 12—15 км, а наметившаяся после 90-х годов тенденция увеличения общего содержания озона в наибольшей степени проявляется тоже в нижней части стратосферы непосредственно над тропопаузой. Присутствие повышенной концентрации озона вблизи тропопаузы способствует усилению температурной инверсии, препятствующей вертикальному обмену воздушными массами. Об
обнаружении локальных максимумов озона в слоях температурных инверсий и поддержке этих инверсий за счет поглощения радиации озоном известно достаточно давно [1]. Сравнительно недавно, благодаря проведению усреднения данных температурного зондирования в системе отсчета относительно высоты тропопаузы, было установлено существование тропопаузного инверсионного слоя (ТИС) [8, 9]. Данный слой расположен на 1—2 км выше тропопаузы и характеризуется повышенной статической устойчивостью по критерию максимума квадрата частоты Брента-Вяй-сяля — № из-за резкого изменения температурного градиента в тропопаузном слое. Причем № увеличивается при усилении процессов смешивания стратосферного озона с тропосферными парами воды [10, 11]. Усилению температурной инверсии способствует разнонаправленное радиационное воздействие озона и паров воды, которые имеют большие вертикальные градиенты над тропопаузой [12]. К попыткам дать теоретическое объяснение воздействия различных динамических факторов на ТИС относятся работы [13—15]. Однако все факторы, определяющие толщину и структуру этого слоя, в настоящее время недостаточно изучены. Одним из таких факторов является динамическое влияние струйных течений.
Цель данной работы заключалась в исследовании влияния струйных течений на структуру ВРО и ТИС, а также на процессы стратосферно-тро-посферного обмена.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ
Станция лидарного зондирования атмосферы расположена на побережье Японского моря (132° Е, 43.3° М). На атмосферу г. Владивостока распространяется действие самого мощного зимнего слоя озона в Северном полушарии. Этот планетарный максимум, простирающийся от ядра Сибирского зимнего антициклона до побережья Японского и Охотского морей, ограничен с юга субтропическим струйным течением, проходящим с запада на северо-восток над островами Японии и играющим ключевую роль в циркуляции воздушных масс нижней стратосферы этого региона.
Наши исследования базировались на совместном анализе динамики вертикального распределения стратосферного озона и стандартных метеопараметров на протяжении 2008—2009 гг. Всего за этот период наблюдений было получено около тысячи высотных профилей озона. Из-за погодных особенностей региона летние измерения проводились нерегулярно. Поэтому подавляющее число измерений было проведено в зимне-весенний период. Если погодные условия позволяли провести зондирование, то ежедневно осуществлялось, как правило, два-три измерения с интервалом около часа. В отдельных случаях количество измерений доходило до 6—8. В помесяч-
ном усреднении использовались данные порядка 60 зондирований.
Для измерения вертикальных профилей озона и коэффициентов обратного рассеяния аэрозоля использовался лидар, в котором измерение концентрации озона осуществляется методом дифференциального поглощения [16]. Метод основан на различном поглощении в атмосфере лазерного излучения с длиной волны 308 нм, которая лежит в полосе поглощения озона, и преобразованного в водородной ячейке за счет вынужденного комбинационного рассеяния излучения с длиной волны 353 нм, которая лежит вне полосы поглощения.
Технические характеристики лидара, разработанного Центром физического приборостроения ИОФ АН РФ, приведены в табл. 1.
Типичная продолжительность измерения одного профиля составляла порядка 30 мин при частоте посылок зондирующих импульсов 50 Гц. При этом точность измерения сигнала изменялась от 2—3 до 10% в нижней стратосфере и достигала 30% на высоте 40 км. Точность измерения 10% является худшей оценкой для случаев, когда область перекрытия двух нижних и двух высотных каналов лидара располагалась выше 16—18 км. Для снижения влияния погрешностей численного дифференцирования, используемого в данном методе восстановления концентрации озона, применялась процедура предварительного сглаживания зарегистрированных сигналов Гауссовым фильтром полушириной 1 км.
Для построения меридиональных вертикальных разрезов ветрового поля, потенциальной температуры, N2 и влажности атмосферы использовались данные 13 станций высотного метеозондирования, полученные нами из базы данных [17]. В табл. 2 приведены координаты местоположения этих станций, расположенных вблизи 132-го меридиана восточной долготы.
На этих станциях два раза в сутки проводятся одновременные измерения. Мы использовали данные зондирования в 12 часов GMT, что соответствовало времени наших лидарных измерений в темное время суток. Таким образом, в месячном усреднении использовалось порядка 30 высотных профилей на каждой станции.
Как отмечалось, тропопаузный инверсионный слой был надежно зарегистрирован благодаря использованию зондов с высокочувствительными датчиками температуры и методике усреднения данных в системе отчета, в которой за нулевой уровень принималась высота расположения тропопаузы в момент зондирования. Данная методика измерений, расчета средних температурных градиентов и N2, исключающая зависимость от высоты расположения тропопаузы, является в настоящее время общепризнанной. Максимальные значения N2 в ТИС, усредненные за длительный период по этой методике, существенно превосхо-
Таблица 1.
Излучатель ВКР-пре- образова- Длина волны зондирующе- Телескоп Каналы регистрации Система регистрации Система отсечки ближ- Пространственное Диапазон высот реги-
тель го излучения ней зоны разрешение страции
ХеС1 Н2 к1 = 308 нм Кассегрен, к\2 = 308 нм 8-каналь- Электроме- 200 м 1-40 км
эксимерный апертура — (озон) ный ханическая в каналах
лазер Энергия к2 = 353 нм 600 мм к34 = 353 нм счетчик фотонов измерения озона 1-40 км
в импульсе — 200 мДж, Длительность импульса — 20 нс Частота посылок — 100 Гц (озон, аэрозоль) к5 = 331 нм (КР азота) к6 = 347 нм (КР водяного пара)
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.