ГЛАВА I. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ТРОПОПАУЗЫ
Тропопауза является переходным слоем в атмосфере, своеобразной границей раздела между тропосферой и стратосферой. Процессы и явления, происходящие вблизи тропопаузы, оказывают существенное воздействие на метеорологические и геофизические процессы в атмосфере.
Известно, что состояние тропопаузы является отражением изменений в глобальной климатической системе. В связи с последними данными об изменении климата актуальность вопроса исследования тропопаузы не вызывает сомнения.
Широкий спектр научных работ связан с изучением свойств и особенностей тропопаузы, в том числе с обнаружением факторов, провоцирующих изменения ее параметров [1-3]. Тем не менее поведение тропопаузы над территорией РФ, ее структура, изменчивость, особенности распределения требуют более детального изучения.
Среди проводимых в последнее время исследований этого слоя российскими учеными следует особо выделить работу А.Р. Ивановой [4], в которой приводится подробное описание определений тропопаузы согласно различным критериям. Существенным вкладом в изучение динамики внетропической тропопаузы Северного полушария является диссертация А.Р. Ивановой [5].
Известно, что тропопауза является мощным задерживающим слоем, препятствующим вертикальному переносу аэрозолей и водяного пара. Процесс переноса сквозь тропопаузу имеет большое практическое значение, поэтому роль тропопаузы в процессе вертикального переноса подвергалась тщательному изучению с момента ее открытия.
За последние двадцать лет климатические характеристики тропопаузы изменились и продолжают изменяться, о чем свидетельствуют различные научные исследования. Стоит сказать, что усовершенствовались и методы получения и обработки климатологических данных, существенно расширились возможности анализа данных. Поэтому состояние параметров тропопаузы требует более подробного рассмотрения и постоянного мониторинга с использованием современных технологий, в особенности над территорией России, где качественный анализ климатологии тропопаузы практически не ведется или ведется в малом масштабе. Занимаясь исследованиями этого атмосферного переходного слоя, необходимо учитывать многие климатологические вопросы, в том числе распределение тропопаузы над земным шаром, ее закономерности и особенности строения в различных географических зонах Земли. Следует отметить, что, анализируя характеристики тропопаузы над территорией РФ, нужно принимать во внимание большую протяженность ее территории, а также наличие обоих географических типов тропопаузы.
1.1 Радиозондирование атмосферы.
Радиозондирование представляет более четкие показатели конкретных контактных измерений термодинамических характеристик атмосферы на высотах от уровня земли до 35…40 км. Эти сведения содержат данные о вертикальных профилях температуры, влажности, скорости и направлении ветра, также о давлении воздуха на данных уровнях. Для получения информации в атмосферу выпускаются в вольный полёт маленькие лёгкие измерительные приборы, снабжённые датчиками разных климатических характеристик и радиопередатчиком. Подобные приборы, которые называются радиозондами, поднимаются до огромных высот при помощи особых латексных шаров (оболочек), которые наполняются лёгким газом – водородом либо гелием [6].
Выпускаются радиозонды сразу во всём мире два раза в день в 00:00 и 12:00 мирового времени.
Процесс радиозондирования производится при помощи информационно-измерительных систем, которые были, основаны на методе определения пространственных координат радиозонда и включающих, не считая самого радиозонда разные устройства для приёма и обработки данных. В текущее время в большом количестве государств мира употребляются спутниковые навигационные системы зондирования. На аэрологической сети Федеральной службе по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды используются системы радиозондирования, которые были основаны на радиолокационном принципе определения координат радиозонда.
1-ый в мире удачный выпуск радиозонда был произведён доктором П.А. Молчановым 30 января 1930 г. в Павловской обсерватории под Ленинградом [7–9]. С этого дня началось бурное развитие радиозондирования атмосферы, как в нашему государству, так и за границей.
Применение радиозондов дало возможность сделать оперативную аэрологическую сеть, а потом новый способ трёхмерного изучения атмосферных действий, ставший основой прогнозирования погоды и исследовательских работ в области физики атмосферы.
Для расчётов прогнозов погоды как синоптическими, так и гидродинамическими методами используются данные о текущем состоянии атмосферы и различные прогностические модели. Текущее состояние атмосферы определяется на основе различных видов наблюдений, в том числе наземных, воздушных, морских и спутниковых. При этом ключевую роль играют данные радиозондирования атмосферы.
Радиозонд предназначен для вертикального зондирования атмосферы с целью получения температуры, относительной влажности, скорости и направления ветра, а также атмосферного давления от земной поверхности до высот 25-30 км. Наряду с этим использование данных радиозондирования позволяет оценить высоты нижней и верхней границ облаков, высоту тропопаузы [10].
Метод радиозондирования состоит в том, что к выпущенному в свободный полет шару, наполненному водородом, подвешивается радиозонд. При этом шар-зонд, в отличие от шара-пилота, может иметь длину окружности в наполненном состоянии до 600 см. Приемники метеорологических элементов управляют в радиозонде сигналами легкого коротковолнового передатчика. При подъеме радиозонд автоматически посылает кодированные радиосигналы, соответствующие показаниям датчиков.
Эти данные содержат информацию о вертикальных профилях температуры, влажности, скорости и направлении ветра, а также о давлении воздуха на заданных уровнях.
Для получения информации в атмосферу выпускаются в свободный полёт небольшие лёгкие измерительные приборы, снабжённые датчиками различных метеорологических параметров и радиопередатчиком.
Такие приборы, называемые радиозондами, поднимаются до больших высот с помощью специальных латексных шаров (оболочек), наполняемых лёгким газом – водородом или гелием.
Процесс радиозондирования осуществляется с помощью информационно-измерительных систем, основанных на каком-либо способе определения пространственных координат радиозонда и включающих кроме самого радиозонда различные устройства для приёма и обработки информации.
1.2. Исследование высоты тропопаузы в России.
В действительности очень часто тропопауза проявляется в инверсии температуры, и нижняя граница этой инверсии, где температура имеет минимальное значение для всего прозондированного слоя, является, в то же время и нижней границей тропопаузы. Но нередко, кроме первого слоя инверсии на уровне тропопаузы, встречаются несколько выше и другие слои инверсии, на нижней границе которых температура еще более низкая, чем у первого слоя инверсии. В таких случаях нижняя граница тропопаузы, определенная по характеристической поверхности (точке), будет находиться выше фактической высоты начала тропопаузы [11].
В настоящее время при обработке и кодировании данных радиозондирования для определения нижней границы тропопаузы приняты следующие критерии;
1) понижение температуры с высотой сменяется изотермией или слоем, в котором градиент равен или меньше 0,2 °С на 100 м;
2) понижение температуры с высотой сменяется изотермией, переходящей в инверсию;
3) понижение температуры с высотой сменяется инверсией.
В общем высота тропопаузы, определяется как высота не менее 5 км, начиная с которой температурный градиент становится равным или близким к нулю (отличается от него на 0,2 °С на 100 м и менее) либо меняет знак. За верхнюю границу тропопаузы, или начало стратосферы, принимают уровень устойчивого перехода к изотермии или небольшим по абсолютному значению вертикальным градиентам температуры (0,2 °С на 100 м). Толщина тропопаузы бывает самой различной. Иногда наблюдается непосредственный переход от тропосферы к стратосфере и тогда тропопауза представляет собой как бы поверхность разрыва между воздушными массами тропосферы и стратосферы. Но чаще всего тропопауза является переходным слоем толщиною от нескольких сот метров до нескольких километров со сложной термической структурой. В зависимости от вида кривой стратификации выделяется несколько типов тропопаузы [11].
I тип – при переходе из тропосферы в стратосферу не наблюдается промежуточного слоя: падение температуры характерное для тропосферы, сменяется на изотермию;
II тип - значительное падение температуры в тропосфере сменяется уменьшением температурного градиента и переходом в хорошо выраженную инверсию.
Слой атмосферы от 11 до 12,5 км, в котором кривая, показывающая распределение температуры с высотой, характеризуется резким изменением температурного градиента, можно принять за слой тропопаузы. В данном случае слой тропопаузы как бы делится поверхностью минимальных температур на два слоя: нижний слой, называемый часто, по определению И.А. Клемина, верхней возмущенной тропосферой, и верхний слой, называемый субстратосферой [12].
За нижнюю границу тропопаузы в рассматриваемом примере нужно принимать нижнюю границу возмущенной тропосферы, поскольку вертикальный градиент температуры здесь равен 0,2 °С на 100 м — тропопауза имеет большую вертикальную мощность (иногда несколько километров) с весьма неравномерным изменением температуры высотой.
Нередко наблюдаются еще более сложные типы тропопаузы, когда можно говорить не об одной, а о двух или трех тропопаузах. Первые два типа встречаются чаще всего в умеренных широтах в холодное полугодие. Тип более характерен для теплого полугодия. Вообще тип тропопаузы наблюдается обычно тогда, когда на уровне тропопаузы происходит вынос теплых масс тропического воздуха. В связи с этим в южных широтах в большинстве случаев встречается сложная структура тропопаузы. Для руководства в практической работе необходимо, однако, иметь в виду следующее обстоятельство. Указанная выше величина вертикального градиента температуры в 0,2 °С на 100 м как один из критериев для определения нижней границы тропопаузы является чисто условной [11].
Опыт показывает, что за нижнюю границу тропопаузы правильнее брать не только слой с градиентом температуры < 0,2 °С на 100 м, но вообще слой верхней возмущенной тропосферы, начало которого характеризуется заметным уменьшением падения температуры с высотой, но сам градиент температуры по абсолютному значению может превышать 0,2 °С на 100 м, т. е. иметь порядок 0,4-0,57 °С на 100 м.
Поведение тропопаузы над территорией РФ, её структура, изменчивость, влияние нате или иные явления и процессы требуют более детального изучения, поскольку проводимые в последнее время исследования этого слоя российскими учёными не относятся непосредственно к вопросам климатологии тропопаузы.
Несомненным ценнейшим вкладом в понимание природы тропопаузы и в исследование структуры полей ее характеристик является цикл классических трудов З.М. Маховера. Учёный впервые систематизировал основные сведения о тропопаузе, обобщив в своей монографии [2] результаты работ советских и зарубежных исследователей, проводимых до 1983 года.
За последние двадцать лет изменились климатические характеристики тропопаузы и продолжают изменяться, о чём свидетельствуют различные научные исследования. Стоит сказать, что усовершенствовались и методы получения и обработки климатологических данных, существенно расширились возможности анализа данных. Поэтому состояние параметров тропопаузы требует более подробного рассмотрения и постоянного мониторинга с использованием современных технологий, в особенности над территорией России, где качественный анализ климатологии тропопаузы практически не ведётся или ведётся в малом масштабе.
