DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 15.08.2011

Материалы

загрузка...

Динамика внетропической тропопаузы Северного полушария

Иванова Анна Рудольфовна, 15.08.2011

 

Анализ изэнтропических траекторий показал, что характерное увеличение озона в постфронтальном воздухе было связано со «старыми» стратосферными вторжениями, когда воздух после опускания с уровней 8-10 км последние 2-3 дня перед приходом на КВНС перемещался в тропосфере.

Форма стримеров, обрисовывающих холодные вторжения и лежащих позади фронтов, высокочувствительна к гидродинамической неустойчивости бароклинных фронтальных зон. В тыловой части волны может развиваться глубокая воронка тропопаузы как результат сильного опускания. В передней части волны картина обратная: эффект зарождающейся теплой несущей полосы приводит к ослаблению нисходящих движений и к диффузии стримера. Зарождение и начальный рост неустойчивых волн малозаметны в поле приземного давления и в то же время исключительно хорошо выражены на спутниковых снимках и картах нижней динамической тропопаузы.

В п. 2.4.2 исследован возможный вклад интрузий стратосферного воздуха в изменчивость приземного озона на Кольском полуострове. Материалом для исследования послужили данные ежечасных измерений ПКО на станции Ловозеро ИФА РАН (68 с.ш., 35 в.д.). Для станции, расположенной на равнинной части Кольского полуострова, сильная циклоническая активность и высокая повторяемость фронтальных процессов может оказывать влияние на изменчивость значений ПКО, приводя к их увеличению в опускающемся с больших высот постфронтальном воздухе. Однако это происходит менее чем в 20% случаев, отчасти из-за преимущественно неглубокой деформации тропопаузы в области ВФЗ. Кроме того, даже при наличии явного опускания стратосферного воздуха в складке тропопаузы над станцией, нивелирование сигнатуры «падение-всплеск» может происходить из-за стока озона, очевидно, вызванного, наличием высокой влажности в течение всего года. Однако зафиксированы случаи, когда воздух, обогащенный озоном, при значительной деформации тропопаузы переносится из складок, расположенных за сотни километров от станции, в процессе горизонтальной адвекции и влияет на сигнатуру ПКО, искажая суточный ход или накладываясь на него.

П. 2.4.3 посвящен анализу стратосферных вторжений, обнаруженных в сериях ПКО, регистрируемых при движении поезда-лаборатории по Азиатской части России в ходе экспериментов TROICA(2-4). Здесь также отмечены случаи как значительной деформации тропопаузы (максимальные углы наклона поверхности 1 pvu достигали 70), так и существенного влияния летней глубокой конвекции, пробивающей тропопаузу. В последнем случае в приземном слое регистрировалось наличие стратосферного воздуха в виде всплесков ПКО, обусловленных переносом озона нисходящими конвективными потоками.

Глава 3. Тропопауза и общее содержание озона

В разделе 3.1 приведены основные сведения о связи характеристик тропопаузы и общего содержания озона. Как известно, в стратосфере содержится 90% всего атмосферного озона, и вертикальный градиент концентрации озона на тропопаузе очень велик. Тесная зависимость между высотой тропопаузы и общим содержанием озона (ОСО) была обнаружена довольно давно - уже в 50-х годах прошлого века при проведении регулярных наблюдений геофизическими обсерваториями (Маховер,1983; Перов и Хргиан, 1980; Хргиан,1989). Коэффициенты корреляции количества озона и высоты тропопаузы всегда оказывались отрицательными, то есть при понижении тропопаузы, как правило, наблюдалось увеличение ОСО. Было обнаружено хорошее согласие квазидвухлетнего цикла изменения высоты тропопаузы с колебаниями ОСО (Salby & Callaghan (2002), Smith & Matthes (2008), Ribera et al (2008)): максимуму высоты тропопаузы в годовом ходе соответствовал минимум ОСО. Глобальный анализ высоты тропопаузы, выполненный по 5-градусным квадратам географической сетки и сопоставленный с данными измерений ОСО со спутника NIMBUS-5 за период 1979-1984 гг., показал высокую корреляцию на синоптических и сезонных масштабах (более 0.6) в обоих полушариях (Schubert & Munteanu, 1988). Установлено, что изменчивость ОСО определяется в основном динамическими процессами, ответственными, в том числе, и за высоту тропопаузы (Груздев, Мохов, 2006).

Представляющие существенный интерес кратковременные колебания ОСО отмечаются как по стационарным, так и по спутниковым наблюдениям, подтверждая, что высокочастотная изменчивость ПВ и озона очень хорошо коррелируют вблизи тропопаузы. Так как основной вклад в ОСО определяется нижней половиной стратосферы, процессы, которые стремятся понизить высоту тропопаузы, стремятся заместить бедный озоном тропосферный воздух богатым озоном стратосферным воздухом, т.е. приводят к увеличению ОСО.

В п.3.2 изучается динамика тропопаузы в случаях резких изменений ОСО (> 100 e.Д. в сутки) в некоторых районах Северного полушария. Исходным материалом послужили данные прибора OMI со спутника Aura, производящего измерения ОСО в каждом квадрате географической сетки с шагом 1 градус по широте и долготе в момент времени, приблизительно соответствующий местному полудню. В отличие от предыдущих исследований, в настоящей работе было проведено пространственно-временное согласование информации о тропопаузе и озоне – сравниваемые величины должны были относиться к одним и тем же квадратам сетки в один и тот же момент времени. Поскольку получение данных о тропопаузе в местный полдень на каждой долготе не представляется возможным, для исследования были выбраны четыре меридиана в полосе 30-700 с.ш., на которых местный полдень (момент измерения ОСО со спутника) совпадает со сроком объективного анализа NCEP (по которому производится расчет тропопаузы). Это 00 , 900 в.д., 1800 и 900 з.д., где местный полдень имеет место в 12 ВСВ, 06 ВСВ, 0 ВСВ и 18 ВСВ соответственно. Данные анализа NCEP имеют то же горизонтальное разрешение, что и спутниковые измерения.

Поскольку измерения ОСО производятся не точно в полдень, а в близкое к нему время, правомерным было расширить область «синхронных» значений, добавив по одному меридиану с шагом 1 градус западнее и восточнее от указанных выше. Таким образом, итоговая выборка для ОСО составила 41 значение вдоль 12 меридианов за каждый из 365 дней 2009 г. Поля тропопаузы, аппроксимируемой изэртелической поверхностью 3.5 pvu, рассчитывались по данным анализа NCEP о температуре, геопотенциале и ветре (всего 179580 одноградусных квадратов сетки).

По данным ежесуточных измерений ОСО за 2009 год был отмечен 3951 квадрат (0.02% общей выборки), где наблюдалось резкое увеличение ОСО в течение суток и 5161 квадрат (0.05% выборки) с резким уменьшением. Чаще всего такие изменения имели место в зимний период с максимумом в феврале, а с июля по сентябрь они практически отсутствовали (табл.1).

Таблица 1

Количество квадратов 1х10, в которых было зафиксировано изменение ОСО более чем на 100 е.Д. в течение суток (+ означает увеличение ОСО, ? уменьшение) в полосе 30-700 с.ш. в 2009 г.

Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

+ 830 1409 644 556 147 3 0 0 0 0 59 276

- 1024 2159 1020 658 13 11 0 1 0 7 66 202

Min ? -194 -171 -158 -157 -114 -140 - -102 - - -114 -132

Max ? 159 188 136 150 122 146 - - - 104 129 228

Максимальное увеличение общего содержания озона в течение суток (+228 е.Д.) было зафиксировано 23-24 декабря вблизи 600 с.ш., 1510з.д. (южное побережье Аляски). Максимальное падение ОСО (-194 е.Д.) наблюдалось 23-24 января в северной Атлантике, к западу от южной оконечности Гренландии (590 с.ш., 330 з.д.). Для каждого случая с |?ОСО| > 100 e.Д. производилось сравнение начального и конечного значения ОСО со средней величиной по широте для данных суток (осреднение по 360 точкам). Например, для апреля в ситуациях ?ОСО< - 100 e.Д. ОСО в начальный момент, как правило, превышало среднее значение на 20-25%, а через сутки оказывалось ниже на 10-12%. В декабре максимальные повышения ОСО, превышающие 200 е.Д., соответствовали ликвидации существующего ранее дефицита ОСО в 60 % и более от среднего значения по широте.

Предварительная оценка корреляции ОСО с высотой тропопаузы в зависимости от широты показала, что для поверхности 3.5 pvu (аналога термической тропопаузы) коэффициенты корреляции оказываются практически везде несколько выше, чем с высотой поверхности 2 pvu (аналогом озонопаузы). Корреляция достигает максимума в широтной полосе 45-500 с.ш. Эти расчеты согласуются с выводами Stohl et al (2003). Для оценки времени отклика ОСО на динамические процессы, управляющие высотой тропопаузы в момент времени t=0, были посчитаны коэффициенты корреляции для разных ?, где ? – временной сдвиг между измерениями ОСО и тропопаузы (от -24 до + 24 ч через 6 ч)

где Y – общее содержание озона, X – высота тропопаузы. Оказалось, что для всех широт и в целом для широтной полосы 30-700 корреляция между ОСО и высотой тропопаузы максимальна при ?=0, т.е. время отклика ОСО на изменение высоты тропопаузы стремится к 0 или, по крайней мере, меньше 6 ч (рис.4).

Рис. 4. Коэффициенты корреляции r между ОСО и высотой динамической тропопаузы (3.5 pvu), наблюдавшейся за ? часов от срока измерения ОСО для 45-500 с.ш.

Всего за 2009 год для составленной выборки синхронных значений ОСО и характеристик тропопаузы наблюдались резкие изменения ОСО в сторону увеличения в 81 случае и в сторону уменьшения - в 145 случаях (под случаем понимается результат измерений в одноградусном квадрате). Экстремальные изменения высоты тропопаузы в течение суток составили при этом -8.9 и 7.2 км.

Анализ случаев резких междусуточных изменений ОСО и наблюдаемых при этом изменений высоты тропопаузы в зависимости от широты был проведен (ввиду небольшого размера выборки) с использованием осреднения данных по 5-градусным широтным полосам. Оказалось, что для данной выборки в 2009 г. отсутствовали случаи резкого уменьшения ОСО южнее 350 и севернее 650 с.ш., в то время как резкое увеличение озона наблюдалось во всем изучаемом широтном диапазоне. 77% случаев резкого сокращения ОСО приходится на 50-650 с.ш.. Между тем, 55% случаев с ?О3 > 100 e.Д. имеют место между 450 и 600 с.ш. Это соответствует диапазону миграции струйного течения умеренных широт (Зверев, 1977), на холодной стороне которого происходит опускание тропопаузы.

По данным 2009 г. было выявлено и проанализировано 13 эпизодов повышения ОСО более чем 100 е.Д. за сутки и 17 эпизодов, в которых наблюдалось столь же резкое уменьшение ОСО. Продолжительность некоторых эпизодов составила несколько суток. Это не означает, что в каждом из квадратов с указанными координатами происходило изменение ОСО со скоростью более 100 е.Д. в сутки в течение всего периода. На самом деле это следствие процесса адвекции тропопаузы вдоль указанных долгот в течение нескольких суток и последовательной регистрации резких изменений ОСО в разных квадратах.

Из отмеченных 13 эпизодов резкого увеличения ОСО в течение суток глубже всего тропопауза опускалась вблизи Гринвичского меридиана – в среднем на 3.8 км. Самыми незначительными средние суточные амплитуды высоты тропопаузы оказались вблизи 1800 д. (2.0 км). Для всех эпизодов в течение суток обязательно были зафиксированы участки сильной деформации тропопаузы (наклоны изэртелической поверхности 3.5 pvu превышали 10).

Анализ конкретного случая в период с 20 по 21 января 2009 г. (сроки 12 ч ВСВ) вблизи Гринвичского меридиана между 32 и 380 с.ш. показал увеличение ОСО в диапазоне от 103 до 122 е.Д. При этом опускание тропопаузы составило от 1.9 до 8.9 км. В начале рассматриваемого эпизода ОСО на широтах 32-370 с.ш. было близко к среднему по широте значению. Через сутки превышение этого среднего значения составило 34-45%.

Анализ карт высоты тропопаузы, аппроксимируемой поверхностью 3.5 pvu обнаружил ее сложную топографию в данном регионе с зонами глубокой деформации, характеризуемыми значительными наклонами. Развивающийся процесс был связан с адвекцией низкой тропопаузы с характерными значениями 7-8 км из полярной области в южные широты. На рис. 5а показана динамика высоты тропопаузы в течение суток на 32 и 370 с.ш. Если в последнем случае тропопауза характеризуется практически монотонным опусканием, то для 320 с.ш., несмотря на общую тенденцию к опусканию, обнаруживаются резкие изменения высоты тропопаузы, связанные с миграцией зон значительных наклонов. По существу, здесь основное опускание тропопаузы (на 7 км) произошло в последние 6 часов – с 13.8 до 6.8 км. Однако и этого периода оказалось достаточно для того чтобы проявился экстремальный суточный прирост ОСО. Данный пример демонстрирует тот факт, что резкое увеличение ОСО в течение суток связано с адвекцией низкой тропопаузы из высоких широт и вторжением богатого озоном стратосферного воздуха на высоты порядка 6 км. Это согласуется с теорией «метеорологических режимов» (Hudson et al, 2003).

Рис. 5. Изменение высоты тропопаузы при резких суточных изменениях ОСО:

а) в период с 20.01 12 ВСВ по 21.01 12 ВСВ на 320 с.ш., 00 д. (?ОСО=105 e.Д.) и на 370 с.ш., 00 д. (?ОСО=102 e.Д.) б) в период с 07.03 18 ВСВ по 08.03 18 ВСВ на 530 с.ш., 900 з.д. (?ОСО=-130 e.Д.) и на 580 с.ш., 900 з.д. (?ОСО=-106 e.Д.)

Из 17 эпизодов резкого уменьшения ОСО случаи наиболее интенсивного уменьшения озона были отмечены вблизи 900 з.д., хотя средняя суточная амплитуда высоты тропопаузы при этом оказывалась минимальной (2.2 км). Максимальная суточная амплитуда высоты тропопаузы (3.4 км) при ?ОСО < - 100 e.Д. наблюдалась вблизи меридианов 0 и 900 в.д.

Для подробного анализа был выбран случай 7-8 марта 2009 г., когда в течение суток происходило значительное уменьшение ОСО в широтном диапазоне 53-580 с.ш. вблизи 900 з.д. (над североамериканским континентом). Максимальное падение ОСО для этого эпизода составило 137 е.Д. Значения ОСО понижались с 430-460 е.Д. до 300-350 е.Д, что соответствовало изменениям в течение суток более чем на 30%. Причем, если в начале эпизода наблюдалось превышение ОСО в сравнении со среднеширотным значением примерно на 9-17%, то через сутки образовался дефицит в размере 12-20%.

Оказалось, что и в данном случае изменение высоты тропопаузы не везде происходило монотонно. На 530, как и на 580 с.ш., тропопауза поднялась с 7.7 км до 10.1 и 10.2 км соответственно. Это согласуется с положением ее в начале эпизода на 10-15% ниже среднеширотного, а в конце – на 10-12% выше. Между тем в течение суток в более южной точке тропопауза испытывала подъем только в течение первых 18 часов, за которым последовало падение, в то время как для северной происходило постепенное увеличение высоты тропопаузы в течение суток (рис.5б). Амплитуда изменений высоты тропопаузы для первой и второй точек отличаются почти вдвое (5.2 и 2.7 км соответственно).

?$?????

+ было обусловлено повышенное содержание ОСО в сравнении со среднеширотными значениями. В то же время ложбине тропопаузы, продвинувшейся далеко на юго-запад, соответствует гребень на западе, где высота тропопаузы превышает 11.5 км, с довольно крутыми склонами. В результате адвекции высокой тропопаузы на северо-восток в течение суток этот гребень разрушается, оставив на этой долготе «остров» относительно высоких значений как раз между 53 и 580 с.ш. Севернее 580 с.ш., где резкие изменения ОСО не были отмечены, обнаруживается зона значительных наклонов тропопаузы.

Следует отметить, что случаи резких междусуточных колебаний ОСО как в ту, так и в другую сторону, часто связаны с развитием одного процесса. Так, эпизоды, относящиеся к одному и тому же периоду времени, можно обнаружить среди случаев как резкого увеличения, так и резкого уменьшения ОСО. Например, адвекция низкой тропопаузы на юг вблизи Гринвичского меридиана привела сначала к экстремальному увеличению ОСО с 20 по 21 января в южных широтах, в то время как адвекция к северу высокой тропопаузы в системе сопутствующего гребня выявила экстремальное уменьшение ОСО на этой же долготе на следующий день. Для случая первой декады марта, рассмотренного выше, в последующие сутки в ходе эволюции высотной ложбины дефицит озона ликвидировался.

Таким образом, анализ эпизодов резких колебаний ОСО показал, что они связаны с изменением высоты тропопаузы вследствие адвекции последней в системах волновых движений высотной фронтальной зоны, а также с эволюцией объектов синоптического масштаба в умеренных широтах. Эти процессы сопровождаются сильной деформацией тропопаузы (наклонами, превышающими 1 градус). Резкое увеличение (уменьшение) ОСО в течение суток может наблюдаться на фоне немонотонного изменения высоты тропопаузы при общей ее тенденции к понижению (повышению).

Глава 4. Динамика характеристик тропопаузы в полярных широтах

В п.4.1. излагается постановка задачи и описываются используемые данные. В последнее время, в связи с проблемой глобального потепления климата, поднимается вопрос об изменении положения тропопаузы. Существует мнение, что самым явным индикатором таких изменений должны стать полярные зоны (Bracegirdle et al, 2008; Lu et al, 2008). В то же время Seidel & Randal (2006) утверждают, что внетропическая тропопауза гораздо более чувствительна к изменением температуры стратосферы, чем тропическая, а тренды тропопаузы обнаруживают более высокую корреляцию с температурой стратосферы, нежели с температурой тропосферы.

При изучении тропопаузы в полярных широтах возникает большая проблема неопределенности из-за изрядной «слоистости» тропосферы, вызванной наличием большого количества инверсий. Это позволяет идентифицировать две или даже три тропопаузы, соответствующие определению (WMO, 1957), в полярных широтах. Тем не менее, применять в этих широтах «динамический» вариант тропопаузы при приближении к полюсу проблематично (из-за расчета горизонтальных производных в выражении для относительной завихренности по данным реанализа с шагом 2.50). Кроме того, как показали расчеты давления на уровне динамической тропопаузы, полученные результаты сильно зависят от используемых данных в полярной области (напр., реанализа NCEP/NCAR и объективного анализа Гидрометцентра России). Поэтому было решено провести исследование на базе радиозондовой информации, поступающей со всех аэрологических станций, расположенных севернее 600 с.ш., для определения самой нижней термической тропопаузы в полярной зоне Северного полушария за период с 1 января 1990 г. по 31 декабря 2007 г. Таких станций оказалось всего 58, причем 33 из них находятся за полярным кругом.

Качество аэрологического материала для этих станций существенно различалось. Прежде чем приступить к обработке обширного и неоднородного материала, было решено отработать методику исследований на качественных данных. Поэтому на первом этапе были проанализированы материалы радиозондирования станции Барроу, расположенной на северном побережье Аляски (71.300 с.ш., 156.780 з.д.) и работающей по программе высокоширотной обсерватории Глобальной службы атмосферы. Особой задачей, решенной попутно, явилось формирование 18-летних рядов сообщений из «сырых» аэрологических сводок и разработка процедуры контроля качества информации.