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 δx – 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.
