22
Влагосодержание тропосферы над пунктом наблюдения Усть-Баргузин
М.Г. Дембелов
Институт физического материаловедения СО РАН, г. Улан-Удэ
М.Е. Овдин
Аннотация
Исследуется влагосодержание тропосферы над пунктом наблюдения Усть-Баргузин в период с 2013 по 2017 г. Для изучения влагосодержания тропосферы используются данные приземных метеорологических измерений, а также вертикальных атмосферных профилирований, выполненных методами радиозондирования и спутниковой локации полярно-орбитальной системы КОЛА. Результаты вертикальных профилирований позволяют получать метеорологические данные на разных высотных уровнях. Выявлена регрессия зависимости значений средневзвешенной температуры по упругости водяного пара от значений приземной температуры воздуха для пункта Усть-Баргузин по данным зондирований за 2013-2017 гг. Рассчитываются параметры полной тропосферной зенитной задержки, которая является суммой «сухой», или гидростатической, и «влажной» компонент. По значениям последней определяется количество суммарного водяного пара и количество потенциально возможной осаждаемой воды над пунктом наблюдения. Рассмотрена возможность получения исходных данных для создания новых численных моделей тропосферной зенитной задержки и суммарного осаждаемого водяного пара для задач метеорологии.
Ключевые слова: метеорологические данные, вертикальное зондирование атмосферы, показатель преломления, тропосферная задержка, влагосодержание.
Abstract
Moisture Content of the Troposphere Above the Observation Point Ust-Barguzin M. G. Dembelov
Institute of Physical Materials Science SB RAS, Ulan-Ude
M. E. Ovdin Institute of Physical Materials Science SB RAS, Ulan-Ude
Joint Directorate of Barguzin State Natural Biosphere Reserve and Transbaikal National Park, Ust-Barguzin
The moisture content of the troposphere above the point of observation of Ust- Barguzin in the period from 2013 to 2017 is considered. To study the moisture content of the troposphere, the data of surface meteorological measurements as well as vertical atmospheric profiling carried out by radiosonde and satellite soundings of the NOAA polar-orbital system are used. Results of vertical profiling allow obtaining meteorological data at different altitude levels. The regression of the dependence of the values of the weighted «mean temperature” on the aqueous tension on the values of the surface air temperature for Ust-Barguzin according to soundings for 2013-2017 is revealed. The parameters of the total zenith tropospheric delay (ZTD) which is the sum of «dry» or hydrostatic (ZHD) and «wet» (ZWD) components are calculated. The values of ZWD determine the amount of integrated water vapor (IWV) and the amount of potentially precipitated water (PW) above the observation point. The possibility of obtaining initial data for creating new numerical models of zenith tropospheric delay and integrated precipitated water vapor for meteorological problems is considered.
Keywords: meteorological data, vertical sounding of the atmosphere, refractive index, tropospheric delay, moisture content.
атмосферное профилирование радиозондирование спутниковая локация
Введение
В последние два десятилетия наблюдается заметное сокращение атмосферных осадков на территории Северного Китая, Монголии и Забайкалья [Атмосферные блокингив Западной ... , 2018]. В течение данного периода отмечается пониженный уровень водостока р. Селенги, основного поставщика водной массы в оз. Байкал, а также повышенный уровень пожарной опасности в лесных массивах. Одной из причин такого явления может быть следствие глобального изменения климата. Цель исследования заключается в определении годовой динамики уровня влагосодержания тропосферы надпос. Усть-Баргузин как ключевым пунктом наблюдения на территории Забайкальского национального парка на основе метеорологических данных.
Большое внимание в данной работе уделено полному содержанию атмосферного водяного пара, который играет важную роль в качестве основного климатического параметра в динамике тепловых процессов в атмосферных и гидрологических циклах в локальном и глобальном масштабах. Сложное распределение облаков и дождевых осадков обусловлено быстрой изменчивостью содержания водяного пара в нижней части атмосферы. Температура и влажность, как правило, немонотонно изменяются с высотой. Количественная оценка содержания атмосферного водяного пара определяется в суточном ходе по параметру влажной тропосферной зенитной задержки (ZWD).Параметр ZWDможно выделить из полной тропосферной зенитной задержки (ZTD), учитывая дополнительно только барометрические данные в пункте наблюдения. В летнее время при высоком влагосодержании и высокой температуре воздуха значения ZWDпринимают максимальные и наиболее вариабельные значения [Хуторова, Хуторов, Тептин, 2018]. Количество водяного пара в атмосфере над пунктом наблюдения определяется в виде вертикально интегрированной массы водяного пара в расчете на единицу площади (IWV).Соответствующая параметру IWVосаждаемая вода определяется в виде колонки жидкой воды (PW,мм) [Диагностика содержания атмосферного ... , 2015; Bevis, Businger, Chriswell, 1994].
В районе пос. Усть-Баргузин под эгидой Аэрологической службы Росгидромета выполняются в целом регулярные запуски метеорологических зондов на высоту до 40 км. Отметим, что запуски метеозондов иногда происходят через продолжительные технические перерывы. Так, отсутствие данных по радиозондированиям в Усть-Баргузине наблюдалось с 28 мая 2017 г. по 28 февраля 2018 г. В настоящее время радиозонды остаются наиболее достоверным средством получения метеорологических данных в условном вертикальном столбе. Новым альтернативным методом получения вертикальных метеоданных является использование современного инструментального комплекса ATOVSна базе полярно-орбитальных спутников NOAA. Для определения высотных изменений давления, температуры и упругости водяного пара практически в любой точке планеты появилась возможность применения новых космических технологий [Кашкин, 2013; Кашкин, Владимиров, Клыков, 2014].
Индекс рефракции и тропосферная зенитная задержка
При использовании высокоточных спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO) обнаруживаются погрешности позиционирования, связанные с задержкой навигационных сигналов в ионосфере, стратосфере, тропопаузе и тропосфере. Задержка сигналов в нижней части атмосферы, которая является нейтральной, называется тропосферной задержкой. В случае зенитного направления сигнала задержка называется тропосферной зенитной задержкой (ZTD). Скорость распространения сигнала cзависит от коэффициента преломления среды nв нейтральной атмосфере: c= c0/n, где c0 - скорость света в вакууме.
Индекс рефракции в тропосфере (N) подчиняется закону аддитивности и записывается в виде суммы «сухой» и «влажной» компонент [Smith, Wein- traub, 1953]:
где п - коэффициент преломления; к = 77,6 - первая рефракционная константа, К/мбар (1 мбар = 102 Н/м2); к2 = 3,73-105 - вторая рефракционная константа, К2/мбар; Т - абсолютная температура, К; р - атмосферное давление, мбар; e- упругость водяного пара, мбар.
Здесь индекс рефракции для сухого воздуха, зависящий от изменений температуры и дав-ления воздуха, - индекс рефракции для водяного пара.
На рисунке 1 показан годовой ход приземных параметров N, NDRYиNWETдля пос. Усть-Баргузин за 2017 г. «Влажная» компонентаNWETвносит существенно меньший вклад в определение индекса рефракции (коэффициент преломления), особенно в зимний период. «Сухая» компонентаNDRYсоставляет значительную часть индекса рефракции.
Рис. 1. Значения N, NDRYи NWETпо месяцам 2017 г. для пос. Усть-Баргузин
Формула (1) определяет индекс рефракции Ы, если известны температура, давление и упругость водяного пара в пункте наблюдения. Из формулы для N следует, что 2ТЕ> также является суммой «сухой» ^НП) и «влажной» (ZWD) составляющих. Полная задержка пути сигнала от ОР8-спутника до приемной антенны равна разности геометрического расстояния и реального пути сигнала в атмосфере:
Следовательно, компоненты зенитной задержки могут быть получены посредством интегрирования по вертикальному профилю соответствующих индексов рефракции: -
где к3 - высота расположения пункта наблюдения над уровнем моря, №ОКТ,
Nшт - зависимые от высоты индексы рефракции сухого воздуха и водяного пара. Отметим, что интегрирование для водяного пара может быть ограничено верхней частью тропосферы, т. е. примерно до 11 000-12 000 м, а для сухого воздуха интегрирование может быть продолжено в область тропопаузы и нижней стратосферы.
Для расчета параметров 2ИЕ> и ZWD по приземным метеоданным наиболее точной и обоснованной является модель Саастамоинена [Баа81:атотеп, 1972]:
Здесь (ц, ) 1 0, 00266 cos 2ц 0, 00028 SS
f h =- -h, где ц - географическая широта расположения приемника в градусах; hS- высота приемника над уровнем моря, км. Для пункта Усть-Баргузин знаменательf (ц,hS)в формулах (4) и (5) равен приблизительно 1,0005, и в расчетах ZHD и ZWD этим множителем можно пренебречь.
Суммарный водяной пар и осаждаемая вода в тропосфере
Текущее значение «сухой» компоненты ZHD может быть достаточно точно рассчитано с использованием значений приземного давления по формуле (4), учитывая приближение /(ф, к3) » 1. При обработке первичных измеренных ОРБ-данных учитываются поправки, связанные с неоднородностью нижней части атмосферы в виде тропосферной зенитной задержки ZTD [Каш-кин, 2013]. В этом случае для выявления текущего значения «влажной» составляющей ZWD достаточно вычесть значение «сухой» компоненты из измеренного значения ZTD: ZWD = ZTD -- ZHD . При наличии приземных метеорологических данных значение ZWD рассчитывается непосредственно по формуле (5). В качестве примера на рис. 2 показаны графики годовых изменений полной тропосферной зенитной задержки ZTD и ее компонент ZHD и ZWD, рассчитанных для пункта наблюдения Усть-Баргузин за 2017 г.
Рис. 2. Годовой ход рассчитанных по метеоданным значений 2ТБ, ХИБ и для пункта наблюдения Усть-Баргузин за 2017 г.
Выражение входящее в формулу (1), вставим в фор-мулу (3) для параметра ZWD:
В работах [Диагностика содержания атмосферного … , 2015; GPS meteorology: remote … , 1992; Geodesybyradiointerferometery … , 1985], посвященных тематике влагосодержания, описывается параметр средневзвешенной температуры по упругости водяного параTmнад пунктом наблюдения:
Для нормальных атмосферных условий, учитывая формулу (7) и соотношение , де сWV - плотность водяного пара, кг/м3, RW» 4, 6 - газовая постоянная для водяного пара, Дж·К-1кг-1, формулу (6) можно записать в виде
Здесь - суммарный водяной пар в килограммах в расчете на единицу площади. Осаждаемая вода определяется в виде колонки жидкой воды PW, м. Имеет место соотношениеPW = IWV/ с, где с - плотность жидкой воды, кг/м3.
Формула (8) дает возможность определять над пунктом наблюдения суммарный водяной пар (1ЖУ), а также потенциальный уровень осаждаемой воды в тропосфере (РЖ). В теплое время года количество суммарного водяного пара имеет максимальное значение в тропосфере. Измеряемые величины 2ТЕ> практически пропорциональны в летнее время уровню влагосодер-жания над пунктом наблюдения. Поэтому имеется возможность использования в задачах метеорологии значений тропосферной задержки, получаемых в результате обработки первичных данных постоянных ОРБ/ГЛОНАСС-измерений, для изучения вариативности влагосодержания нижней части атмосферы.
Вертикальные профили температуры воздуха
Наиболее громоздким при нахождении значений суммарного водяного пара 1ЖУ по данным «влажной» компоненты тропосферной задержки является нахождение значений средневзвешенной температуры по упругости водяного пара по приземным данным температуры воздуха. Для расчета по формуле (7) необходимо знание данных по температуре и упругости водяного пара в вертикальном столбе.
Помимо запусков метеозондов для определения вертикальных профилей температуры, давления и относительной влажности воздуха в настоящее время активно используются современные космические технологии с помощью инструментального комплекса ЛТОУБ на полярно-орбитальных спутниках КОЛЛ [Кашкин, 2013; Кашкин, Владимиров, Клыков, 2014]. При отсутствии облачности сканирующий спектрофотометр, входящий в комплекс ЛТОУБ, позволяет определять профили метеорологических данных до высоты 40 км над поверхностью Земли (http://ready.arl.noaa.gov).
На рисунке 3 а, б показаны сравнительные графики измеренных вертикальных профилей температуры, полученных для разных сезонных условий над пунктом наблюдения Усть-Баргузин по данным запусков радиозондов Аэрологической службой Росгидромета и по данным зондирования спутниками КОЛЛ. Наблюдается достаточно хорошее соответствие полученных результатов, которые могут быть использованы для целей определения рефракционных параметров тропосферы.
На рисунке 4 приведены линейная (Тт = 43 + 0,83- Т) и квадратичная (Тт = 431 - 2,05- Т + 0,0053-Т2) регрессии соотношений приземной температуры (Т) и средневзвешенной температуры (Тт) по упругости водяного пара. Регрессии выявлены по данным 2715 вертикальных зондирований атмосферы за период с 2013 по 2017 г. и рассчитаны по формуле (7) для пос. Усть- Баргузин. Показано, что средневзвешенная температура до высоты нижней части стратосферы может быть определена по данным приземной температуры воздуха.
Рис. 3. Сравнения высотных температурных профилей, полученных методами радиозондирования и спутникового зондирования КОДА 6 марта (а) и 6 июня 2018 г. (б)
Рис. 4. Соотношение параметров Т и Тт, выявленных по данным метеорологических зондирований над пос. Усть-Баргузин с 2013 по 2017 г.
Численные результаты
Используя метеорологические данные для пункта наблюдения Усть- Баргузин,находящиеся в свободном доступе в сети интернет
(http://www.rp5.ru), мы выполнили расчеты полной тропосферной зенитной задержки ZT.D, а также ее «сухой» 2ИВ и «влажной» ZWD компонент по формулам Саастамоинена (4)-(5) за 2013-2017 гг. Для определения суммарного водяного пара по формуле (8) использовались рассчитанные регрессии для средневзвешенной температуры по упругости водяного пара (см. рис. 3). Для квадратичного варианта регрессии СКО температурных данных несколько меньше, чем для линейной регрессии.