Анализ роли океана и атмосферы в их взаимодействии в зонах действия

среднеширотных циклонов на основе спутниковых

СВЧ-радиометрических и судовых измерений

А.Г. Гранков, А.А. Мильшин

Фрязинская часть Института радиотехники и электроники РАН,

141190 г. Фрязино Московской обл., пл. Введенского

E-mail: [email protected]; [email protected]

Приведены результаты анализа возможностей использования данных спутниковых СВЧ-радиометрических (микроволновых) измерений для изучения значимости (вклада) различных параметров атмосферы, определяющих интенсивность ее теплообмена с поверхностью океана в зонах действия среднеширотных циклонов. Рассмотрены, в первую очередь, те процессы в системе океан-атмосфера и их характеристики, которые, служат первоначальными источниками возмущений теплового баланса в системе и, одновременно, оказывают сильное влияние на интенсивность ее собственного СВЧ-излучения.

В работе использованы данные судового эксперимента АТЛАНТЭКС-90 с помощью НИСП В. Бугаев, Муссон и Волна в Ньюфаундлендской энергоактивной зоне, ставшего заключительным в изучении процессов крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы в зонах Северной Атлантики, проведенного в рамках программы Разрезы.

Проблема первичности роли океана (либо атмосферы) в их взаимодействии на различных пространственных и временных масштабах давно является важным предметом исследований для специалистов, работающих в области физики океана и атмосферы [1-4]. Эта проблема сама по себе сложна;

еще более сложной задачей является использование данных спутниковых измерений для анализа вклада различных составляющих теплового и динамического взаимодействия в системе океан-атмосфера (СОА), поскольку интенсивность собственного радиотеплового (инфракрасного) излучения земной поверхности, измеряемого спутниковыми радиометрическими радиометрами соответственно, в СВЧ- и ИК-диапазонах, является лишь косвенной характеристикой тепловых процессов на границе раздела системы. На наш взгляд, для решения этой проблемы, наиболее эффективно могут быть использованы данные спутниковых СВЧрадиометрических измерений, если их приурочить к хорошо изученным на протяжении последних десятилетий традиционными судовыми средствами энергоактивным зонах океанов (ЭАЗО). Например, такие известные энергоактивные зоны Северной Атлантики как Ньюфаундлендская, НорвежскоГренландская, Гольфстримская ЭАЗО, влияющие на погодные изменения и климатические тенденции в Европе и на европейской территории в России, могут служить своего рода полигонами для тестирования возможностей изучения тепловых процессов на границе раздела океана и атмосферы, поскольку они характеризуются значительными контрастами тепловых и радиотепловых характеристик СОА.

Интенсивные горизонтальные движения в атмосферном пограничном слое (АПС) в этих зонах в периоды активной циклонической деятельности резко и, что очень важно, дружно (практически, по всем горизонтам) меняют его тепловые свойства, изменяют тепловой баланс между поверхностью океана и атмосферой, и тем самым служат, источниками возбуждения (генерации) вертикальных тепловых потоков на границе раздела СОА. В то же время, это приводит к изменениям температурных и влажностных характеристик АПС (1000– 1500м) - как раз в этом слое формируется поле собственного излучения СОА. Именно так можно объяснить прямую связь между часто наблюдаемыми в различных экспериментах СВЧ-излучательными характеристиками СОА и тепловыми потоками на границе раздела системы (см. рис.1).

2. Будем исходить в дальнейшем из установленного нами в [5] факта, что крупномасштабные горизонтальные вариации энергетических характеристик АПС ЕАПС (в виде потоков массы, тепла и влаги) служат источником возмущений вертикальных турбулентных тепловых потоков qhe на границе раздела СОА и, одновременно, интенсивности собственного излучения системы (ее яркостной температуры Тя). Этот подход будем использовать здесь в узком смысле, когда области влияния источников тепловых и динамических возмущений в СОА рассматриваются как локальные лишь в точечных областях океана, Т приуроченных, например, к координатам Я расположения судов погоды; данные измерений в этих точках можно сравнивать либо с результатами моделирования яркостной температуры СОА, ЕАПС рассчитанных на основе результатов судовых (океанографических, метеорологических и аэрологических) измерений, либо с данными спутниковых измерений.

qh, qe В качестве количественного критерия (приоритета) того или иного параметра СОА по Рис. отношению к другим мы будем учитывать величину его опережения во времени по отношению к вариациям других, а именно, будем оценивать этот параметр как источник возмущений в системе, а поведение других - как их отклик на воздействие источника.

3. В рамках этих представлений определим роль различных параметров СОА в формировании взаимосвязи между характеристиками собственного СВЧ-излучения системы и интенсивностью тепло- и влагообмена океана и атмосферы в синоптическом диапазоне временных масштабов. Для этой цели аппроксимируем среднесуточные потоки суммарного тепла qhe на стационарной фазе эксперимента АТЛАНТЭКС-90 их оценками, построенными в виде линейных комбинаций яркостной температуры СОА в различных участках спектра, и вычисленными на основе судовых измерений температуры поверхности океана Тп, скорости ветра V, температуры приводного воздуха Та и общего влагосодержания атмосферы Q.

При этом будем использовать методику поочередного исключения (нейтрализации) того или иного параметра СОА для выяснения его вклада одновременно в процессы теплообмена и излучения, а количественным критерием вклада будет служить величина невязки (расхождения) d между судовыми и спутниковыми оценками тепловых потоков (см. табл. 1).

Таблица 1. Величина ошибки аппроксимации потоков суммарного тепла как функции яркостной температуры СОА в диапазоне длин волн 5.6мм - 3.2см для различных радиационных моделей Длина волны, Невязка, Вт/м d d_Tп d_V d_Tа d_Q 5.6мм 27.8 27.8 28.2 48.5 27. 8мм 26.6 26.8 27.3 27.0 37. 1.35см 27.0 27.2 28.4 27.5 35. 1.6см 26.1 26.3 27.8 26.5 35. 3.2см 34.2 34.2 30.2 34.3 39. Подробные сведения о судовых измерительных средствах и объеме выполненных измерений в этот период приведены в [4], отметим только, что измерения параметров, определяющих интенсивность тепло- и влагообмена между поверхностью океана и атмосферой проводились с частотой в 1 час, а частота аэрологических зондирований атмосферы, очень важная для корректных расчетов яркостной температуры СОА, составляла 6 часов.

Здесь (в таблице): d - учтены синоптические вариации всех основных параметров СОА (Тп, Та, V, Q);

d_Tп - исключено влияние температуры поверхности океана Тп; d_V - исключено влияние скорости приводного ветра V; d_Tа - исключено влияние температуры приводного воздуха Tа(0); d_Q - исключено влияние общего влагосодержания атмосферы Q.

Рис. 2. Результаты анализа отклика потоков суммарного тепла qhe на границе СОА и яркостной температуры системы Тя (б) на длинах волн 5.9мм и 1.35см на изменения энтальпии АПС J_1000 при прохождении циклона в районах местоположения НИСП В.Бугаев (а) и Муссон (б) Результаты, приведенные в табл.1, указывают на важную роль атмосферных параметров, в первую очередь параметров, Та и Q в формировании взаимосвязи между интенсивностью тепло- и влагообмена и собственным СВЧ-излучением СОА в синоптическом диапазоне временных масштабов, которая проявляется наиболее отчетливо в области резонансного поглощения молекулярного кислорода и линии водяного пара атмосферы. Этот вывод подтверждается также результатами исследования взаимосвязи яркостной температуры СОА Tя на длинах волн 5.9мм и 1.35см с теплосодержанием (энтальпией) АПС J_1000 в слое 1000м и потоками суммарного тепла qhe в районах расположения НИСП В. Бугаев, Муссон и Волна в период 8-13 апреля в Ньюфаундлендской ЭАЗО - на рис. 2 приведен пример для судов В. Бугаев (2а) и Муссон (2б). Из иллюстрации видно, что существует задержка на несколько часов (доли суток) отклика потоков суммарного тепла на границе АПС и, одновременно, яркостной температуры СОА на вариации энтальпии АПС – именно такова инерция тепловых процессов в слоях атмосферы, происходящих за счет горизонтальных движений тепловых потоков в атмосфере, которые, формируют вертикальные тепловые и электромагнитные потоки энергии, наблюдаемые в средних широтах Северной Атлантики.

4. Из представленных на рис. 2 результатов следует, что контрасты яркостной температуры СОА в районе проведения эксперимента АТЛАНТЭКС-90, характеризующимся интенсивной горизонтальной циркуляцией атмосферы (в частности, сильными адвективными потоками тепла и влаги), значительно превышают вариации яркостной температуры СОА, обусловленные процессами вертикального переноса тепла и влаги, которые согласно теоретическим оценкам составляют всего несколько градусов Кельвина [5].

Основываясь на данных [4], мы можем объяснить этот факт резкой сменой холодных масс воздуха более теплыми (либо, наоборот) в АПС за счет интенсивного горизонтального переноса тепла и влаги, что обусловливает возбуждение с некоторой задержкой во времени как вертикальных турбулентных тепловых так и, одновременно, электромагнитных потоков в СОА, вариации которых отчетливо регистрируются спутниковыми СВЧ-радиометрами в резонансных областях поглощения радиоволн в областях водяного пара и молекулярного кислорода атмосферы.

5. Об этой закономерности свидетельствуют также следующие примеры.

А. Результаты сопоставления кинетической энергии горизонтальных потоков движения в АПС и яркостной температуры СОА в зонах циклонической деятельности океана.

Данные, приведенные на рис. 3, свидетельствуют о том, что в средних широтах Северной Атлантики доминирующим фактором формирования характеристик собственного СВЧ-излучения в энергоактивных зонах СОА и определяющим их связь с тепловыми потоками на границе раздела системы, служит интенсивный горизонтальный перенос энергии в атмосфере, обусловленный среднеширотными циклонами.

Из этого также следует, что существует принципиальная возможность использования данных спутниковых СВЧ-радиометрических измерений для анализа не только граничных значений тепловых потоков, но и для определения самих характеристик горизонтального переноса тепла в атмосфере как первичного фактора, определяющего энергетику системы океан-атмосфера.

Рис. 3. Результаты сопоставления вариаций кинетической энергии потоков движения в АПС (1) и яркостной температуры СОА (2) в период прохождения циклона 8-13 апреля 1990г. в районе Б. Результаты анализа реакции яркостной температуры СОА на прохождение среднеширотных циклонов.

В данном случае мы оценим связь модельных оценок яркостной температуры Tя, в участках спектра = 0.59 и 1.35см, рассчитанными на основе данных океанографических, метеорологических и аэрологических измерений, и оценками тепловых потоков qhe, полученных с НИСП "В.Бугаев" и "Муссон" в эксперименте АТЛАНТЭКС-90 в период прохождения мощного среднеширотного циклона (8-13 апреля 1990г.).

Теоретически искомая зависимость описывается уравнением Дюамеля (разновидностью классического уравнения Вольтерра 1-го рода типа свертки):

Здесь мы приведем, полученные в [7] некоторые оценки степени консервативности АПС, т.е. временной задержки отклика яркостной температуры СОА, на возмущения ее тепловых свойств в синоптическом диапазоне временных масштабов в районах местоположения НИСП В.Бугаев и Муссон, следуя развитому в [6] алгоритму аналитической аппроксимации для определения функции отклика r(t) из этого уравнения (см. рис.4).

Основным результатом этого анализа является подтверждение установленного в [5] факта задержки отклика яркостной температуры на 12-18 часов по отношению к вариациям тепловых потоков в районах прохождения среднеширотных циклонов.

Рис. 4. Расчет функции отклика яркостной температуры СОА r(t), к вертикальным турбулентным тепловым потокам суммарного тепла qhe (размерность - K Вт/м Роль задержки отклика яркостной температуры СОА на вариации тепловых потоков также иллюстрируют приведенные в табл. 2 результаты регрессионного анализа между временными рядами параметров Tя на длинах волн 0.59 и 1.35см и параметром qhe для судна "Муссон" - значения коэффициентов корреляции R и невязки d между ними.

Таблица 2. Влияние сдвига t между временными рядами яркостной температуры СОА на волнах 0.59 см (1), и 1. см (2) и тепловых потоков на корреляцию R и невязку d (НИСП "Муссон") 6. Приведенные данные, оформленные в тезисном виде, сами за себя говорит об основных результатах, которые мы хотели бы сформулировать в этой статье. Часть их приведена в [5], однако, здесь хочется отметить следующие особенности, свойственные синоптическим временным масштабам:

1) в Северной Атлантике горизонтальные атмосферные движения в атмосфере, вызванные среднеширотными циклонами, определяют энергетику АПС и, одновременно, яркостную температуру СОА, измеряемую в резонансной области поглощения (излучения) молекулярного кислорода ~ 5мм и резонансной линии водяного пара 1.35см;

2) задержки отклика яркостной температуры СОА в этих спектральных областях на прохождение среднеширотных циклонов Северной Атлантики свидетельствуют о важной роли как самой атмосферы во взаимодействии с поверхностью океана (как физической субстанции) так и яркостной температуры атмосферы (как количественного индикатора взаимодействия);

3) даже незначительное (на 1-2 часа) смещение при сопоставлении временных рядов параметров Tя и qhe может исказить результаты анализа их взаимосвязи на синоптических масштабах; поэтому, учет этого фактора важен для валидации спутниковых СВЧ-радиометрических оценок тепловых потоков, полученных на основе данных судовых измерений.

1. Барнетт Т.П. Роль океанов в глобальной климатической системе. В кн.: Изменения климата (ред. Дж.

Гриббин), Ленинград, Гидрометеоиздат, 1980, с. 209-237.

2. Марчук Г.И., Дымников В.П., Курбаткин Г.П., Саркисян А.С. Роль океана в короткопериодных колебаниях климата и программа "РАЗРЕЗЫ" // Итоги науки и техники. Атмосфера, океан, космос – программа "Разрезы". Т. 6 - ВИНИТИ, 1986. с. 6-29.

3. Лаппо С.С., Гулев С.К., Рожденственский А.Е. Крупномасштабное тепловое взаимодействие в системе океан-атмосфера и энергоактивные зоны мирового океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 336с.

4. Гулев C.К., Колинко, Лаппо С.С. Синоптическое взаимодействие океана и атмосферы в средних широтах.

С.-Петербург, 1994, 320с.

5. Гранков А.Г., Мильшин А.А. Взаимосвязь радиоизлучения системы океан-атмосфера с тепловыми и динамическими процессами на границе раздела. М.: Физматлит, 2004, 168с.

6. Гущин Ю.Г., Гранков А.Г., Лопашов Н.В. Метод синтеза оптимальных линейных цепей фильтрующего типа: Межвузовский Тематический Научный Сборник ЛЭТИ, Вып. 1 (Вопросы обработки сигналов):

Изд.: Ленинград, 1976, с.21-23.

7. Гранков А.Г., Мильшин А.А., Солдатов В.Ю. Анализ радиояркостного отклика системы океан-атмосфера на вариации поверхностных тепловых потоков: Труды международного симпозиума "Инженерная экология-2005". Москва, 2005, с.27-31.