Текст книги "Тропопaузa и мaксимaльный ветер нaд территорией Кaзaхстaнa"

A. В. Чередниченко
Тропопaузa и мaксимaльный ветер нaд территорией Кaзaхстaнa

ПРЕДИСЛОВИЕ

В пособии проанализированы данные о распределении различных характеристик полярной и тропической тропопауз, синоптические ситуации, обуславливающие их экстремальные характеристики. Выбор характеристик тропопаузы и анализ результатов по возможности выполнен применительно к обслуживанию авиации. Однако эти данные представляют интерес и для других областей народного хозяйства. Так, например, данные о мощности слоя тропопаузы и разности температур на его границах необходимы при исследовании процессов обмена примесями между тропосферой и стратосферой [24, 27, 36], прогнозе конвективной облачности [36] и т.д.

В таблицах приложения помещены среднемесячные, среднесезонные и экстремальные значения характеристик тропопаузы и максимального ветра по 14 аэрологическим станциям Казахстана. Пособие, таким образом, является, по сути, климатическим справочником по тропопаузе и максимальному ветру над Казахстаном, ее также можно рассматривать как монографию по этой проблеме.

Авторы благодарят магистров Смирнову Анюту и Пивненко Юлю за проделанную большую техническую работу при подготовке рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

Слой тропопаузы представляет большой научный и практический интерес, особенно при метеорологическом обеспечении авиации.

Структура тропопаузы – это мгновенный снимок с динамических процессов, происходящих между тропопаузой и стратосферой. Мощность слоя тропопаузы, распределение температур в ее слое наряду с другими данными являются ценной информацией для понимания происходящих метеорологических процессов и установления закономерностей. На важную роль тропопаузы в общей циркуляции атмосферы указывается в [35, 56-58] и др.

Практическое приложение данных о тропопаузе тоже велико. Поэтому структуре тропопаузы уделяется большое внимание, в том числе по линии ВМО.

Интерес к тропопаузе, как, впрочем, и к любому другому направлению исследований, не оставался постоянным. В шестидесятые годы появился целый ряд основополагающих работ, таких как [2, 4, 12, 13, 17, 27, 30-33, 45-48 и др.], благодаря которым физика образования тропопаузы и её роль в общей циркуляции атмосферы были достаточно глубоко изучены. Затем на длительное время интерес к тропопаузе упал, чему в значительной степени способствовало и то, что в аэрологии был осуществлён переход на автоматическую обработку радиозондовых подъёмов, при которых заметная часть информации о тропопаузе пропала. Это было обусловлено значительным упрощением алгоритма выбора тропопаузы и её особых точек по сравнению с ручной обработкой. В настоящее время интерес к тропопаузе снова вырос, что связано с её ролью в атмосфере как основного задерживающего слоя между тропосферой и стратосферой, препятствующего перемещению субстанции между ними и вообще росту научного интереса к верхним слоям атмосферы.

Тропопаузе над Казахстаном до шестидесятых-семидесятых годов прошлого века тоже уделялось мало внимания. Заметный вклад в её исследование внесли Маслова Т.В. [29], а также один из авторов данного пособия, защитивший кандидатскую диссертацию по тропопаузе и максимальному ветру над территорией Казахстана и написавший монографию аналогичного названия. Ожидалось, что со временем сеть зондирования расширится, появятся новые методы, что позволит изучить тропопаузу более детально. Однако за прошедшие годы число аэрологических станций на территории Казахстана сократилось с 15 до 8, увеличилось число пропусков наблюдений. Кроме того, вместо прежних четырёх сроков наблюдений станции были переведены на двухразовое зондирование, что исключило возможность изучать суточные колебания характеристик тропопаузы.С другой стороны, интерес к тропопаузе растёт, её изучение включено в программу курса для магистров «Физика верхних слоёв атмосферы». В связи с этим было решено взять за основу статистические данные за прошлый период, включающий данные наблюдений 14 станций Казахстана за четыре срока. Материал, однако, был заново переработан и пересмотрен в свете новейших исследований в области стратосферно-тропосферных связей. Кроме того, информация была дополнена требованиями по выбору тропопаузы, дающими материал для более глубокого понимания физики тропопаузы.

ГЛАВА I
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРОПОПАУЗЕ

§ 1. Характеристика используемого материала, оценка точности и достоверность данных

Работа выполнена по материалам температурно-ветрового зондирования на сети аэрологических станций Казахстана за 1966-1970 годы в сроки 03 и 15 часов московского времени, а при необходимости – за все четыре срока. Распределение станций по территории показано на рис. 1.

Рис. 1. Расположение пунктов зондирования

Материалы этого периода наблюдений наиболее полные и однородные из всех имеющихся. В данных каждой станции отсутствует в среднем не более 5 наблюдений в год. При этом случаев отсутствия зондирования за несколько сроков подряд почти нет.

Известно, что для получения надежных среднемесячных данных о высоте итемпературе тропопаузы достаточно 150-200 случаев наблюдений, т.е. в 2-1,5 раза меньше, чем использовано [30]. За меру точности средних значений основных характеристик тропопаузы принята средняя квадратическая ошибка

где δ_x – среднее квадратическое отклонение соответствующей характеристики;

n– число наблюдений.

Ошибки вычисления средних месячных значений характеристик тропопаузы для всех станций не превышают для высоты 0,03-0,06 км, для давления 1±2 мб, для температуры 0,1-0.4 °C. Следовательно, ошибкивычисления существенно меньше ошибок измерений.

Следует отметить, однако, что полученные данные о высоте и температуре тропической тропопаузы в зимний период для большей части и территории не имеют достаточной надежности из-за малого числа случаев наблюдений.

§ 2. Определение уровня и характера типа тропопаузы

Тропопаузой называют слой, отделяющий тропосферу от стратосферы.

В то времякак тропосфера характеризуется сравнительно большими устойчивыми положительными градиентами, а стратосфера – слабыми как положительными, так и отрицательными градиентами, для слоя тропопаузы характерно резкое непостоянство температурных градиентов, как по величине, так и по знаку.

§ 3. Определение уровня тропопаузы

Критерии для определения уровня и характера тропопаузы, рекомендованы Всемирной метеорологической организацией (ВМО).

Указания ВМО предназначены для того, чтобы максимально стандартизировать условия выбора уровня и типа тропопаузы разными исследователями в разных регионах. Это позволяет сравнивать результаты [59] и др.

Ранее уровень и характер тропопаузы определялись с помощью анализа хода кривой температуры на графике обработки радиозондов. В настоящее время такие радиозонды не используются, однако, в данном случае важен не тип радиозонда, а ход кривой температуры, который подвергается анализу, не важно, какая кривая температуры у Вас имеется.

При определении уровня тропопаузы необходимо иметь в виду следующее:

1. Уровень тропопаузы определяется независимо от того, является ли он особой точкой по температуре или нет. Необходимо, чтобы средний вертикальный градиент температуры между уровнем тропопаузы и любым уровнем, расположенным выше в пределах двух километров, не превышал 2 °C/км, т. е. он может быть равен +2 °C/км, либо меньше +2 °C/км, в частности, он может быть равен нулю или любому отрицательному значению. Уровень, удовлетворяющий этому критерию, расположенный ниже поверхности 500 мб, может быть тропопаузой только в случае, если он удовлетворяет еще трем условиям, указанным в пунктах «а», «б», «в» на стр. 21 кода КН‐04.

Если разность между конечной высотой зондирования, полученной при обработке, и уровнем тропопаузы меньше 2 км, то в этом случае между уровнем тропопаузы и всеми более высокими уровнями средний вертикальный градиент температуры также не должен превышать 2 °C/км.

2. В тексте в соответствии с терминологией ВМО, введен так называемый средний вертикальный градиент температуры. Он определяется как разность температуры на границах слоя, деленная на толщину слоя. Для толщины слоя в 1 км средний вертикальный градиент численно равен разности температур на границах слоя. Средний вертикальный градиент в слое 2 км численно равен разности температур на границах этого слоя, деленной на два. Таким образом, средний вертикальный градиент температуры определяется независимо от хода кривой температуры внутри слоя (внутри слоя могут быть инверсии, изотермии или резкие изломы кривой температуры).

3. Для того, чтобы определить, действительно ли между предполагаемым уровнем тропопаузы и любым уровнем, лежащим выше него в пределах двух километров, средний вертикальный градиент температуры не превышает 2 °C/км, предлагается следующий графический способ.

Порядок определения уровня тропопаузы рассмотрим на примере рис. 2.

На кривой температуры графика обработки намечается предполагаемый уровень тропопаузы, а затем исследуется, удовлетворяет ли этот уровень критериям выбора тропопаузы. Для этого на кривой высоты находится момент времени, соответствующий верхней границе 2-километрового слоя выше предполагаемого уровня тропопаузы. Для этого момента времени наносится точка со значением температуры на 4° ниже, чем значение температуры на уровне предполагаемой тропопаузы. Нанесенная точка соединяется пунктирной линией с точкой температуры на уровне тропопаузы. Эта линия называется демаркационной (на рис. 2 демаркационные линии A1Д₁и A2Д₂). Демаркационная линия является дополнительной кривой температуры со средним вертикальным градиентом 2 °C/км в слое толщиной 2 км, которая отделяет зону температуры со средним вертикальным градиентом больше 2 °C/км от зоны со средним вертикальным градиентом равным и меньше 2 °C/км.

Если демаркационная линия, не пересекая кривую температуры, располагается выше и левее ее или совпадает с кривой температуры полностью или частично, то в этом случае средний вертикальный градиент температуры между предполагаемым уровнем тропопаузы и любым уровнем в пределах 2 км выше тропопаузы будет равен или меньше 2 °C/км, а предполагаемый уровень будет искомым уровнем тропопаузы. Если демаркационная линия пересекает кривую температуры или проходит ниже и правее ее, то предполагаемый уровень не будет уровнем тропопаузы.

На рис. 2 точка А₁не будет являться уровнем тропопаузы, поскольку построенная демаркационная линия A1Д₁ пересекает кривую температуры. Это указывает на то, что в пределах 2 кмвыше предполагаемого уровня тропопаузы имеются слои со средним вертикальным градиентом больше 2 °C/км.

На кривой температуры диаграммной ленты намечается предполагаемый уровень тропопаузы и исследуется, удовлетворяет ли он критериям выбора тропопаузы. Для этого определяется значение температуры на предполагаемом уровне тропопаузы обычным способом. Понизив найденное значение температуры на 4 °C, находят значение температуры, соответствующее верхней границе 2-километрового слоя выше предполагаемого уровня тропопаузы.

Демаркационная линия проводится только тогда, когда нет полной уверенности в том, что средний вертикальный градиент температуры выше предполагаемого уровня тропопаузы в пределах 2 км не превышает 2 °C/км. При этом следует иметь в виду, что в слое 2 км над тропопаузой могут быть слои с большими положительными градиентами температуры, вычисленными обычным способом, принятым при обработке, причем толщина этих слоев может быть меньше и больше 1 км, а демаркационная линия будет показывать на протяжении 2 км средний вертикальный градиент температуры равный или меньше 2 °C/км. Например, на рис. 2 в слоетолщиной 0,52 км градиент температуры равен 0,480/100 м (4,8 °C/км).

В случаях наличия инверсии или изотермии выше предполагаемого уровня тропопаузы на протяжении не менее 2 км надобность в построении демаркационной линии отпадает.

4. Если выше уровня 500 мб наблюдается постепенное падение температуры с высотой (заметных изломов кривой температуры нет), то за уровень тропопаузы принимается высота, между которой и всеми вышележащими уровнями на протяжении 2 км средний вертикальный градиент температуры равен или меньше 2 °C/км. В этом случае для нахождения уровня тропопаузы вначале выбираетсяуровень, выше которого средний вертикальный градиенттемпературы в слое 2 км равен или меньше 2 °C/км.

Рис. 2. Определение уровня тропопаузы

Затем в километровом слое ниже и выше этого анализируемого уровня исследуется кривая температуры с целью определения более точной высоты тропопаузы, выше которой средний вертикальный градиент температуры равен или меньше 2 °C/км.

5. Если на любом расстоянии выше первой тропопаузы имеется слой или несколько слоев, в которых температура с высотой понижается, то это указывает на необходимость исследования наличия второй и более высоких тропопауз. Исследование начинается с определения среднего вертикального градиента температуры в слое 1 км, в котором температура с высотой понижается. При этом следует иметь в виду, что слой с понижением температуры может быть меньше 1 км, но средний вертикальный градиент температуры определяется в слое 1 км. Если средний вертикальный градиент температуры между нижним уровнем километрового слоя, в котором температура с высотой понижается, и всеми более высокими уровнями в этом слое будет больше 3 °C/км, то это свидетельствует о том, что над первой тропопаузой может располагаться вторая тропопауза. Нижняя граница этого километрового слоя может совпадать с уровнем, от которого начинается понижение температуры с высотой, или располагаться выше него, в пределах слоя с понижением температуры. Этот слой толщиной не менее 1 км со средним вертикальным градиентом более 3 °C/км может быть определен при помощи демаркационной линии таким же способом, как и при нахождениях уровней тропопаузы. При этом демаркационная линия строится только для слоя толщиной 1 км.

Аналогично определяются более высокие тропопаузы.

§ 4. Определение типа тропопаузы

После нахождения уровня тропопаузы приступают к определению типа тропопаузы.

Для определения типа тропопаузы необходимо:

1. Вычислить средние вертикальные градиенты температуры в слоях толщиной 1 км выше и ниже уровня тропопаузы и найти разность этих градиентов.

2. Определить наличие уровня значительного изменения вертикального градиента температуры вблизи уровня тропопаузы, для чего вычисляют средние вертикальные градиенты температуры в слое толщиной 1 км выше и ниже предполагаемого уровня значительного изменения вертикального градиента температуры и находят разность этих градиентов.

3. Если наблюдалась сложная тропопауза (имеется несколько уровней тропопаузы), то характер (тип) тропопаузы для каждого уровня определяется аналогично приведенным выше типам.

При этом необходимо иметь в виду следующее:

а) Изменение среднего вертикального градиента температуры считается значительным, если происходит изменение его более чем на 3°/км.

б) Уровень значительного изменения вертикального градиента температуры обязательно должен быть особой точкой по температуре.

в) Для определения типа тропопаузы во внимание принимаются только те уровни значительного изменения градиента температуры, которые лежат в непосредственной близости от уровня тропопаузы. Этот уровень должен быть не более чем на 2 км ниже уровня тропопаузы и не более чем на 3 км выше уровня тропопаузы.

г) Разность средних вертикальных градиентов температуры в дальнейшем изложении будем называть изменением вертикального градиента температуры на уровне тропопаузы или на уровне значительного изменения градиента.

Ниже даем пояснение по определению типов тропопаузы с приведением рисунков, на кривой температуры которых отмечены:

– буквой А – уровень тропопаузы;

– буквой Б – уровень значительного изменения градиента температуры выше уровня тропопаузы;

– буквой В – уровень значительного изменения градиента температуры ниже уровня тропопаузы;

– пунктирами – границы километровых слоев с указанием в этих слоях значений средних вертикальных градиентов температуры и их разности.

Тропопауза относится к нулевому типу в случае, когда выполняются одновременно следующие три условия:

– На уровне тропопаузы изменение среднего вертикального градиента температуры превышает 3 °C/км.

– Выше уровня тропопаузы (но не более чем в 3 км над ней) имеется уровень Б значительного изменения среднего градиента температуры больше 3 °C/км, который является нижней границей инверсии или слоя с увеличением интенсивности инверсии.

– Выше уровня Б обязательно в первом километровом слое имеется отрицательный средний вертикальный градиент температуры.

Наличие уровня значительного изменения среднего градиента температуры ниже тропопаузы во внимание не принимается.

На рис. 3 приведен нулевой тип тропопаузы. Вычисленные средние градиенты температуры в километровых слоях и их разности показывают, что на уровне тропопаузы имеется значительное изменение среднего градиента (градиент изменился на 3,7 °C/км), уровень Б является уровнем значительного изменения среднего градиента температуры (градиент изменяется на 5,6 °C/км) и выше него в первом километровом слое получен отрицательный средний градиент температуры.

Если на уровне тропопаузы наблюдается значительное изменение градиента, а выше тропопаузы на протяжении 3 км нет уровня значительного изменения градиента температуры, выше которого имеется отрицательный средний вертикальный градиент температуры, то тропопауза относится к первому, второму, третьему или четвертому типам тропопаузы в зависимости от значений вертикального градиента температуры в километровом слое выше и ниже уровня тропопаузы.

В этих случаях ниже уровня тропопаузыможет быть уровень значительного изменения среднего градиента температуры больше 3 °C/км, который для определения типа тропопаузы во внимание не принимается.

Рис. 3. Нулевой тип тропопаузы

Первый и третий типы тропопаузы характеризуются обязательным наличием инверсии выше уровня тропопаузы и отрицательным значением среднего вертикального градиента температуры в первом километровом слое выше тропопаузы при значительном изменении среднего вертикального градиента температуры на уровне тропопаузы. При этом нижняя граница инверсии совпадает с уровнем тропопаузы или располагается выше него в пределах первого километрового слоя.

Если в слое толщиной 1 км ниже уровня тропопаузы средний вертикальный градиент температуры равен или больше 5 °C/км, то такая тропопауза относится к первому типу.

При наличии в слое толщиной 1 км ниже уровня тропопаузы среднего вертикального градиента температуры менее 5 °C/км тропопауза относится к третьему типу. Таким образом, 1-й тип от 3-го отличается только величиной градиента в слое 1 км ниже тропопаузы.

Пример тропопаузы первого типа приведен на рис. 4, на котором вычисленные значения градиента температуры показали, что на уровне тропопаузы имеется значительное изменение градиента температуры (градиент изменился на 8,5 °C/км). Ниже тропопаузы градиент равен 5 °C/км,а выше тропопаузы имеется инверсия с градиентом –3,5 °C/км. Руководствуясь этими признаками, тропопаузу следует отнести к первому типу. На рис. 5 приведен пример определения третьего типа тропопаузы для случая, когда нижняя граница инверсии не совпадает с уровнем тропопаузы.

Второй и четвертый типы тропопаузы характеризуюся нулевыми или незначительными положительными значениями (от нуля до 2 °C/км включительно) среднего вертикального градиента температуры в первом километровом слое выше уровня тропопаузы при значительном изменении градиента температуры на уровне тропопаузы.

При этом нижняя граница изотермии или слоя с незначительными положительными градиентами температуры совпадает с уровнем тропопаузы или располагается выше него в пределах первого километрового слоя.Если в слое толщиной 1 км ниже уровня тропопаузы средний градиент температуры равен или больше 5 °C/км, то тропопауза относится ко второму типу.

При наличии в слое толщиной 1 км ниже уровня тропопаузы среднего вертикального градиента температуры менее 5 °C/км тропопауза относится к четвертому типу. На рис. 6 приведен второй тип тропопаузы, где на уровне тропопаузы (точка А) имеется значительное изменение градиента температуры, равное 6 °C/км, ниже тропопаузы градиент больше 5 °C/км и равен 6 °C/км, а выше тропопаузы наблюдается изотермия. Таким образом, 2-й тип от 4-го отличается только величиной градиента в слое 1 км ниже тропопаузы.

Рис. 4. Первый тип тропопаузы

Рис. 5. Третий тип тропопаузы

Рис. 6. Второй тип тропоппаузы

Если на уровне тропопаузы не наблюдается значительного изменения среднего вертикального градиента температуры, то в этом случае тропопауза кодируется пятым, шестым или седьмым типом в зависимости от наличия уровня значительного изменения среднего вертикального градиента температуры выше или ниже уровня тропопаузы.

Пятый тип тропопаузы. Если на уровне тропопаузы изменение среднего вертикального градиента температуры незначительное, т.е. равно или меньше 3 °C/км, а выше уровня тропопаузы (на расстоянии не более 3 км) наблюдается уровень значительного изменения среднего градиента температуры, то тропопауза относится к пятому типу. На рис. 7 приведен пятый тип тропопаузы, так как на уровне тропопаузы изменение среднего градиента незначительно и равно 1,8 °C/км,а выше тропопаузы имеется уровень со значительным изменением среднего градиента температуры (точка Б) и равным 8,6 °C/км.

Рис. 7. Пятый тип тропопаузы

Шестой тип тропопаузы. Если на уровне тропопаузы изменение среднего вертикального градиента температуры незначительно (равно или меньше 3 °C/км), а уровень значительного изменения среднего градиента температуры расположен ниже тропопаузы, но не ниже 2 км от уровня тропопаузы, то тропопауза относится к шестому типу.

На рис. 8 приведен шестой тип тропопаузы, где на уровне тропопаузы изменение среднего градиента температуры незначительно и равно 1,5 °C/км, а ниже тропопаузы имеется уровень со значительным изменением среднего градиента температуры, равным 4,9 °C/км.

Когда на уровне тропопаузы значительного изменения среднего градиента температуры нет, но одновременно наблюдаются оба уровня значительного изменения градиента температуры и выше (до 3 км включительно) и ниже (до 2 км включительно) уровня тропопаузы, то:

– тропопауза относится к пятому типу, если величина изменения среднего градиента температуры больше на уровне Б выше тропопаузы;

– тропопауза относится к шестому типу, если величина изменения среднего градиента температуры больше на уровне В ниже тропопаузы;

– тропопауза относится к шестому типу, если величина изменения среднего градиента температуры будет одинаковой на обоих уровнях выше и ниже уровня тропопаузы.

Седьмой тип тропопаузы. Если на уровне тропопаузы изменение среднего градиента температуры равно или меньше 3°/км, а ни выше, ни ниже тропопаузы нет уровня значительного изменения среднего градиента, то тропопауза относится к седьмому типу.

Пример седьмого типа тропопаузы дан на рис. 9, из которого видно, что ни на уровне тропопаузы и вблизи него нет значительного изменения среднего градиента температуры.

Рис. 8. Шестой тип тропопаузы

Рис 9. Седьмой тип тропопаузы

Восьмым типом кодируется тропопауза в случае, если разность высот между взятым уровнем тропопаузы и конечной высотой зондирования, принятой при обработке, менее 2 км, так как в этом случае уровень и тип тропопаузы достоверно определить нельзя.

Девятым типом кодируется тропопауза в случае, если она не подходит ни к одному из перечисленных типов, что маловероятно.

Тропопауза, соответствующая седьмому типу, часто встречается в полярных широтах во время полярной ночи, когда в стратосфере отсутствует источник тепла в виде слоя активных фотохимических реакций (слой ФАР) из-за отсутствия поступления солнечной энергии.

Вопрос точности измерений, применяемыми в настоящее время радиозондами метеорологических элементов на высотах, близкихк тропопаузе, в данной работе специально не исследовался. Но по данным [14,25,53,54] точность измерения не ниже: высоты 30-40 м, давления – 2 мб, температуры 0,5 °C, скорости ветра 2 м, относительной влажности 5 %.