книги из ГПНТБ / Гайгеров С.С. Исследование синоптических процессов в высоких слоях атмосферы

с едиными основными вихрями, занимающими значительную часть полушария, и периферийными вихрями несколько меньшего мас­

В результате рассмотрения приведенных в этой главе средних данных выясняется общая характеристика сезонных и широтных изменений термического режима и циркуляции.

С помощью средних карт установлены в предварительном по­ рядке долготные изменения температуры и геопотенциала изоба­ рических поверхностей, оказавшиеся наиболее значительными зи­ мой (в январе) в верхней стратосфере на поверхности 2 мб. Дол­ готные вариации обусловлены в основном развитием алеутского антициклона и сдвигом центра циклонического вихря в европей­ ский сектор Арктики. Полученные величины долготных изменений температуры соизмеримы с сезонными и широтными вариациями. Асимметрия термического режима и циркуляции находит выраже­ ние в не менее значительном различии средней скорости ветра над Европейским и Американским континентами.

Средние характеристики строения и циркуляции мезосферы дают сглаженное представление, отличающееся от колебаний тем­ пературы и скорости ветра в конкретных случаях. Особенно зна­ чительная изменчивость метеорологических параметров отмечается в полярных и умеренных широтах в холодную часть года.

Современные теоретические представления объясняют средние сезонные различия на основе циркуляции квазигоризонтальных меридиональных вихревых потоков между областями энергетиче­ ских источников и стоков, образуемых дифференциальным нагре­ ванием и излучением в различных областях тропосферы, страто­ сферы и мезосферы.

Крупномасштабные изменения параметров верхней атмосферы находят объяснение в планетарных волнах, распространяющихся зимой в мезосферу и отфильтровывающихся летом восточными стратосферными ветрами. Мезосферные вариации меньшего мас­ штаба объясняются влиянием гравитационных волн и приливов.

Связи Земля—тропосфера—стратосфера—мезосфера, по-види­ мому, выражаются в том, что волновые процессы разных масшта­ бов, проникающие из тропосферы в мезосферу, в определенных ус­ ловиях усиливаются в относительно неустойчивой мезосфере, где плотность мала. Наложение вихрей различного масштаба и при­ роды объясняет возмущенный характер мезосферы (в этом смысле сходной с тропосферой) и трудность ее исследования. С другой стороны, в мезосфере и нижней термосфере могут быть собствен­ ные источники колебаний атмосферных параметров, возбуждае­ мых, например, суточным ходом солнечного нагревания.

Г л а в а IV

С И Н О П Т И Ч Е С К И Й А Н А Л И З П Р О Ц Е С С О В В В Е Р Х Н Е Й С Т Р А Т О С Ф Е Р Е И Н И Ж Н Е Й М Е З О С Ф Е Р Е С Е В Е Р Н О Г О П О Л У Ш А Р И Я

1. КАРТЫ ВЫСОКИХ УРОВНЕЙ

Синоптические методы исследования атмосферы применяются для все более высоких уровней. В связи с этим приходится возвра­ щаться к вопросу, какая система карт имеет больше преимуществ: карты барической топографии или синоптические карты постоян­ ных высот.

Напомним, что в качестве доводов в пользу построения карт барической топографии обычно приводят неудобство карт посто­ янных высот, заключающееся в зависимости уравнения геострофи­ ческого ветра от плотности:

давления. В результате этого возникает необходимость использо­ вать отдельную градиентную линейку для каждого стандартного уровня. В случае карт барической топографии это неудобство уст­ раняется, так как градиент давления принимает вид

где Н — геопотенциальная высота изобарической поверхности. Формула геострофического ветра имеет вид

Однако преимущества построения карт барической топографии не становятся очевидными при переходе к высотам верхней стра­ тосферы и мезосферы. Можно даже указать на некоторые досто­ инства синоптических карт одинаковой высоты [208].

построения карт. Однако температурные данные радиозондирова­ ния в средней стратосфере нельзя считать достаточно точными, причем ошибки возрастают с высотой. При анализе карт бариче­ ской топографии стратосферных уровней выявляются резкие изме­

эти колебания отмечаются на пограничных участках между госу­ дарствами, где наблюдения производятся радиозондами различных систем. Иногда такие случаи встречаются в пределах одной страны в виде «пестроты» резко различающихся значений, когда применяется несколько систем радиозондирования, имеющих спе­ цифические систематические или случайные погрешности.

На значительные радиационные погрешности в измерениях температуры ра­ диозондами было обращено внимание еще в период подготовки в МГГ при международных сравнениях радиозондов, проводившихся в Швейцарии в 1956 г. [93]. В результате проведенных сравнительных исследований принимались меры как по улучшению конструктивных особенностей датчиков температуры (в том числе и их радиационных свойств), так и по разработке системы поправок на ра­ диационный перегрев датчика. Поскольку на достигаемых радиозондами высотах суточный ход температуры мал [105, 106], основным критерием для вывода ра­ диационных поправок является сравнение дневных и ночных температурных из­ мерений [94, 72, 291].

В пунктах зондирования СССР уже давно вводятся поправки на дневной радиационный перегрев датчика температуры. При переходе радиозондовой сети от биметаллического датчика температуры к полупроводниковому терморезистору и при увеличении высоты зондирования стало проявляться переохлаждение чув­ ствительного элемента.

Теоретические и лабораторные исследования терморезисторов, используемых в радиозондах, показывают, что существенные ошибки могут быть вызваны ин­ фракрасным излучением на стратосферных уровнях выше поверхности 10 мб. По­ этому возникает поправка, являющаяся функцией измеренной температуры, ко­ торая на аэрологической сети США вводится в ночные данные, так же как в результаты дневных наблюдений, уже исправленные на влияние солнечной ра­ диации. Эта поправка на поверхности 5 мб составляет при температуре —30° С около 4° С [291, 365].

Аналогичные результаты получены для радиозондовых терморезисторов ММТ-1 и ММТ-6. При этом, как выяснено авторами [233], металлизация поверх­ ности терморезистора сводит к минимуму переохлаждение датчика за счет соб­ ственного излучения (рис. 52).

Таким образом, до усовершенствования имеющихся термодатчиков при ис­ пользовании высотных данных радиозондирования приходится учитывать значи­ тельное занижение температуры радиозондами.

При использовании радиозондовых данных для синоптического анализа про­ цессов в стратосфере следует учитывать также, что данные о ветре при радио­ локационном прослеживании оказываются более точными, чем при наблюдениях с помощью радиотеодолита [139, 140].

Остановимся на сравнении данных радиозондирования и ракетного зонди­ рования. В табл. 22 приведены результаты сопоставления по измерениям в тем­ ное время суток на высотах от 10 до 30 км во время рейса научно-исследова­ тельского судна «А. И. Воейков».

Как видно из табл. 22, после учета инерционных погрешностей радиозонда РКЗ - 2 средние величины разностей температур по радиозонду и ракете М-100 до высоты 26 км практически равны нулю. Выше 26 км температуры по радиозонду более низкие, чем по ракете, что связано с переохлаждением терморезистора вследствие теплового излучения.

^Таблица 22

Сопоставление значений температуры по радиозондам и по ракетным измерениям

П р и м е ч а н и е . Здесь Т3 — температура по радиозондам, Тр — температура по ракетным измерениям, Т3 — Тр — средние разности, AT — случайные разности (средние абсолютные отклонения от средних), JV —число случаев, ДГ И —инер­ ционные погрешности радиозонда РКЗ-2, (Т3 — Г р ) — АГИ — остаточная раз­ ность.

Нкм

,30

*20

10

Рис. 52. Радиационное выхолаживание терморезистора ММТ-1

Средняя разность радиозондовых и ракетных терморезисторных данных на сопоставимых высотах для систем зондирования США составляет в среднем около 2° С на высоте 30—33 км и возрастает до 10° С на высоте 38—40 км [402]. Радиозондовый датчик ML-419 переохлаждается вследствие теплового излучения значительно сильнее по сравнению с бусинковым терморезистором диаметром

При использовании радиозондовых данных на картах АТ5 и АТ2 необходимо учитывать занижение температуры радиозондами, однако размеры поправок можно оценить, если известно, какими приборами проводились измерения.

Чтобы проиллюстрировать сказанное, на рис. 53 приведен участок средней карты АТ5 за июль. На летних картах особенно удобно сопоставлять различные системы измерений, так как изотермы (и изогипсы) представляют собой концен-

Рис. 53. Участок средней карты АТ5 за июль.

Усл. обозначения см. рис. 41а.

трические окружности. Радиозондовые измерения обнаруживают заниженные температуры, отклоняющиеся от значений по изотермам, проведенным по ра­ кетным данным, на —4, —17° С. Появление больших отклонений объясняется сум­ марным влиянием радиационных и инерционных ошибок, погрешностей опреде­ ления высоты, встречающихся у приборов, не приспособленных к высотным измерениям (например, радиозонд A-22-IV). При анализе данных высоких подъе­ мов радиозондов сети США преимущество отдается тем станциям, где высота определялась по зондам с гипсометром (а не мембранным датчиком давления).

Как видно на рис. 53, данные о ветре по высоким подъемам радиозондов не обнаруживают больших отклонений по направлению и скорости и в целом

229]. Геофизический институт Берлинского университета организо­ вал систематическое составление и публикацию карт различных уровней для северного полушария, включая карты 10 мб, а в по­ следние годы включая карты поверхности 5 мб [250]. Бюро погоды США с помощью ЭВМ строит карты АТю и проводит их объектив-

ный анализ [290]. В Институте гидрометеорологической информации (ВНИИГМИ МЦД) (б. НИИАК.) осуществлена климатологическая обработка и научный анализ данных до уровня 10 мб [213, 214, 73, 215]. Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) провел подобное исследование для Арктики и Антарктики [79, 78, 50].

Создание метеорологической ракетной сети в Северной Аме­ рике и прилегающих частях океанов позволило систематически строить карты поверхностей 5, 2 и 0,4 мб для этого района запад­ ного полушария [289, 290, 318, 412, 413, 414, 416].

Радиозондовые данные, использующиеся Бюро погоды США для карт АТ5, подготавливаются машинным методом. В программу вводятся результаты радио­ зондирования для поверхностей 7, 5, 4 и 3 мб в виде перфокарт. Предусмотрено введение температурных поправок на перегрев и переохлаждение термодатчика в зависимости от высоты Солнца [349]. Выходные значения включают все данные для карты за неделю, в том числе термический ветер и горизонтальные темпе­ ратурные градиенты для слоев 7—5, 7—4 и 5—4 мб. На рабочую карту АТ5 на­ носится температура, геопотенциальная высота, ветер и термический ветер. Пу­

турного профиля путем уменьшения амплитуд быстрых колебаний по вертикали. Геопотенциальная высота определяется в два этапа. Первоначально определяется временная тенденция поля геопотенциала по проанализированной карте нижеле­ жащей поверхности, и эта тенденция распространяется на поле геопотенциала вышележащей поверхности, но за предшествующий срок. По проэкстраполированным таким образом высотам выбирается температура. Затем по найденной температуре слоя, используя барометрическую формулу, вычисляют искомую вы­ соту изобарической поверхности. Учитывая обращение температуры в слое стратопаузы, среднюю температуру слоя между поверхностями 2 и 0,4 мб подсчи­ тывают через каждый километр. Наконец, по составляющим ветра определяется результирующий ветер и термический ветер для слоя толщиной 6 км.

При анализе карт изотермы проводятся с учетом термического ветра, а изо­ гипсы — с учетом изменения средней температуры слоя по сравнению с пред­ шествующими картами и контролируются по полю ветра, по наклону изобариче­ ских поверхностей и временным разрезам (ход температуры и высот изобари­ ческих поверхностей на выбранных станциях).

Карты поверхностей 5, 2 и 0,4 мб, составляемые для Северной Америки и прилегающих океанических районов, представляют большой интерес, однако си­ ноптические процессы в этих слоях атмосферы охватывают полушарие.

Д л я построения карт барической топографии высоких уровней в масштабе северного полушария необходима значительно большая сеть станций ракетного зондирования на континентах, организация ракетных наблюдений на судах в океане [352]. Однако в ЦАО имеется некоторый опыт построения средних ме­

При построении высотных карт учитывалась методика, применяемая в Ги­ дрометцентре СССР и Бюро погоды США. Исходными данными служили мате­ риалы ракетных наблюдений и высоких подъемов радиозондов.

Основными параметрами, измеряемыми на ракетной сети, являются темпе ратура и ветер. В тех случаях, когда в табличных данных ракетного зондиро­

рассчитать таблицы толщин слоев между главными изобарическими поверхно­

ности, для которой строится карта. Тогда целесообразно провести экстраполяцию температурной кривой или геопотенциальных высот с учетом тенденции изме­ нения термобарического поля в данном районе. В случае применения экстрапо­

исходных данных для экстраполяции являлись проанализированные карты по­ верхности 10 мб, на которых уже осуществлены необходимые сглаживания и от­ браковка результатов высотного зондирования. По мере роста максимальных высот зондирования появляется материал для регулярного построения карт по­ верхности 5 мб, и, таким образом, улучшается перспектива для высотного си­ ноптического анализа.

В качестве первого приближения для построения карт в 1965—1967 гг. нами использовалась модель CIRA 1965, разработанная Гровсом [265]. Подробные дан­ ные о температуре в зависимости от широты по этой модели в целом хорошо со­ гласуются с результатами наблюдений по крайней мере в пределах стратосферы. При построении, например, средних месячных карт из таблиц CIRA 1965 выби­ рался вертикальный градиент температуры для середины месяца и широт тех точек карты, где требовалось производить экстраполяцию. По проэкстраполированной кривой находилась средняя температура слоя между поверхностями пу­ тем последовательных приближений, а также разность высот этих поверхностей. Предварительные величины искомых геопотенциальных высот изобарической по­ верхности находились путем суммирования с высотами нижележащей поверх­ ности. Найденные таким образом величины наносились на карту и сопоставля­ лись с наблюденными значениями. Во всех случаях, кроме явно ошибочных дан­ ных, наибольший вес придавался результатам наблюдений. Экстраполированные геопотенциальные высоты и температуры учитывались как вспомогательные при анализе карты вместе с полем ветра. Описанный метод экстраполяции приме­ нялся также для построения индивидуальных карт.

Во многих случаях, в том числе и зимних, экстраполяция оказывалась по­ лезной при условии коррекции по фактическим данным ракетных и радиозон­ довых наблюдений. Однако при резких изменениях градиент заметно отличается от модельного, что относится в первую очередь к случаям среднезимних потеп­ лений [57]. Исходя из этого, в настоящей работе мы приводим в основном карты, построенные без использования экстраполяции с помощью градиента CIRA 1965. Это стало возможным в связи с некоторым увеличением количества ракетных наблюдений и ростом максимальной высоты радиозондирования.

В этой работе приводятся месячные карты, построенные по средним данным за ряд лет, месячные карты за отдельные годы, а также карты для конкретных ситуаций. Последние относятся главным образом к тем случаям, когда имелись ракетные данные советских станций. Большую помощь в анализе карт оказы­ вали временные разрезы и пространственно-временные разрезы по судовым ра­

зистору (этот вопрос подробно рассмотрен в главе I ) позволило лучше согласо­ вать результаты наблюдений, и упомянутая асимметрия практически не обна­ руживается.

В качестве другой особенности анализа летних карт следует упомянуть по­ явление южных компонентов ветра на картах 2 и 0,4 мб. Если бы при анализе этим ветрам придавался полный вес, то вместо циркумполярного антициклона с концентрическими изогипсами были бы представлены изогипсы, ориентирован­ ные с юго-востока на северо-запад, образующие спирали около центра высокого давления, расположенного над севером Европы [291]. Эта особенность, отмечен­ ная ранее [351], была изучена по данным ракетных ветровых наблюдений за несколько летних сезонов. Выяснилось, что меридиональные ветры вызываются суточными приливами, достигающими максимума около полудня местного вре­ мени [387]. Большинство пусков сети ракетного зондирования США производится около полудня по местному времени. Поэтому ветровые данные, используемые для синоптических целей, должны исправляться на влияние приливного компо­ нента.

Значительно больше проблем возникало при анализе карт для холодного пе­ риода года, когда происходят довольно быстрые изменения термобарических полей. Тем не менее с помощью совместного анализа временных разрезов и по­ следовательных карт во многих случаях удавалось выяснить крупномасштабные особенности зимних процессов и в условиях крайне редкой сети.

Еще не было серьезных попыток определить оптимальную разрешающую спо­

широтах сезонность в стратосфере и большей части мезосферы выражена значи­ тельно больше, чем в тропосфере и нижней стратосфере. Поэтому летом (июнь, июль, первая половина августа) в умеренной и полярных областях, по-видимому, можно ограничиться меньшей плотностью сети и меньшей частотой зондиро­ вания, чем в остальную часть года. В середине зимы и в переходные сезоны плотность сети и частота пусков ракет должны быть максимальны.

4. СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ РАКЕТ И СПУТНИКОВ ДЛЯ АНАЛИЗА КАРТ БАРИЧЕСКОЙ ТОПОГРАФИИ

Как хорошо известно (см. предыдущий раздел), основной про­ блемой, возникающей при составлении карт высоких уровней по ракетным данным и их анализе, является недостаточная густота сети станций ракетного зондирования и малая частота наблюде­ ний. Спектральные измерения со спутников дают информацию о термическом состоянии слоев стратосферы и нижней мезосферы. Между интенсивностью энергии излучения, измеряемой CIRS и SCR, и средней температурой (или толщиной) излучающих слоев стратосферы и нижней мезосферы существует тесная корреляцион­

На рис. 54 эти значения приведены в центре области холода и низ­ кой радиации над севером Канады (Дг = 24км), а также в центре области тепла и высоких значений радиации над Алеутскими ост­ ровами (Дг=26,5 км). Используя полученное таким образом поле относительного геопотенциала, путем графического сложения с по­ лем геопотенциала нижележащей изобарической поверхности, в нашем случае поверхности 100 мб, можно (в первом приближе-

Рис. 54. Карта восходящего потока инфракрасного излучения [эрг/(см2 • ср) см - '] по данным 8-го канала SIRS за сутки 9 февраля 1972 г.

нии) получить карту поверхности 2 мб. Эта карта затем уточня­ ется по данным ракетных наблюдений геопотенциала и ветра. На рис. 55 штриховыми линиями изображена часть изогипс пер­ вого приближения. Уточненное положение изогипс указано сплош­ ными линиями. Аналогично с помощью информации 7-го канала SIRS и канала А радиометра SCR могут быть построены карты барической топографии поверхностей 5 и 0,4 мб соответственно.

Как указано в работе [294], температуры на данной изобариче­