Климатические характеристики полей длинноволновой радиации в свободной атмосфере

Зайцева, Нина Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Климатические характеристики полей длинноволновой радиации в свободной атмосфере
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Климатические характеристики полей длинноволновой радиации в свободной атмосфере"

На правах рукописи

Зайцева Нина Александровна

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕЙ ДЛИННОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ В СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЕ

Специальность 25.00.30 - метеорология, климатология,

агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва - 2003 г.

Работа выполнена в Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета.

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

Александр Самуилович Гинзбург

доктор географических наук Александр Николаевич Золотокрылин

доктор географических наук, профессор Александр Викторович Кислов

Ведущая организация: Главная геофизическая обсерватория

им. А.И. Воейкова

Защита состоится "31" С-кт 2003 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.002.046 04 при Институте географии Российской академии наук по адресу: 119017, Москва, Старомонетный пер, д. 29, зал заседаний, факс (095)-959-00-33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просьба направлять в адрес Совета.

Автореферат разослан" Я/" с су 2003 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета __ .

Кандидат географических наук (Л/ чцА.г<<л \ Г.М. Николаева

20332

№ и з

Введение

Длинноволновая (ДВ) радиация является основным фактором потери тепла системой Земля-атмосфера, а также одним из важных механизмов перераспределения энергии в свободной атмосфере, формирующих поле температуры. Перенос ДВ радиации является одной из причин не-адиабатичности атмосферных процессов, поэтому для решения многих задач физики атмосферы необходимы данные о распределении потоков ДВ радиации как на земной поверхности, так и в атмосфере. Однако теоретические расчеты потоков ДВ радиации сложны и недостаточно точны из-за отсутствия информации о распределении поглощающих субстанций атмосферы. Даже сейчас, при наличии сверхмощных ЭВМ расчеты поля длинноволновой радиации достаточно успешно проводятся только для безоблачных условий и некоторых типов облаков.

Основная часть коротковолновой радиации трансформируется на границах раздела сред (атмосфера - подстилающая поверхность, границы облачности). В атмосфере могут наблюдаться значительные эффекты ослабления коротковолновой радиации за счет влияния озона, аэрозоля или других факторов, но это влияние можно учесть введением средних характеристик. Трансформация же длинноволновой радиации происходит в самой атмосфере, причем в основном в тропосфере.

В связи с интенсивным развитием теоретических исследований процессов атмосферной циркуляции имеется острая потребность в количественных обобщениях данных о радиации, что нашло соответствующее отражение в решении Международной ассоциации метеорологии и физики атмосферы (МАМФА, 1986) о разработке стандартной радиационной атмосферы, а также в организации долгосрочных и широкомасштабных программ исследований климата - таких как Всемирная программа исследований климата (ВПИК, 1984-1990) и Советской программы климатологии облачности и радиации (СПКОР, 1986-1992).

РОС к ,11 н.мальнаГ

БИГ Т-'ОТЕКА 3

(..!)-. грбург

200 5> К

Отсутствие простых и надежных методов расчета потоков радиации стимулировало развитие экспериментальных методов изучения длинноволновой радиации в свободной атмосфере. Для этого используются' 1) аэростатный метод; 2) самолетный метод; 3) метод искусственных спутников; 4) метод актинометрических радиозондов. Основными недостатками аэростатных и самолетных методов являются ограниченность их применения условиями погоды, а также невозможность получения статистически значимых рядов наблюдений. Информация с искусственных спутников Земли дает надежные статистические характеристики поля только уходящей, т.е. направленной вверх радиации, но интерпретировать эти результаты, а также изучать трансформацию поля радиации в атмосфере на этом материале невозможно.

Важным достижением явилась разработка актинометрических радиозондов, предназначенных для измерения потоков и баланса длинноволновой (область 3 -30 мкм) радиации в ночное время. Советский актиномет-рический радиозонд АРЗ, разработанный в середине 1960-х гг., в течение более двух десятилетий (1962-1985 гг.) выпускался на 15 станциях на территории бывшего СССР, на научно-исследовательских судах в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах и в Антарктиде. Накоплен обширный материал наблюдений, позволивший исследовать процессы переноса ДВ радиации в свободной атмосфере на разных широтах, в различных сезонах года и при разных условиях облачности.

Актуальность данной работы определяется тем, что длинноволновая радиация является мощным фактором потери тепла системой Земля-атмосфера, а также одним из важных факторов перераспределения энергии в свободной атмосфере, формирующих поле температуры. Полученные в данной работе данные прямых измерений ДВ радиации необходимы для учета радиационных факторов в задачах анализа и прогноза состояния атмосферы и развития численного моделирования физических процессов в атмосфере.

Целью работы является выявление закономерностей пространственного распределения и временных вариаций поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере до высоты 25-30 км в разных географических и синоптических условиях на основе широкомасштабного экспериментального изучения процессов переноса тепловой радиации, построение эмпирической модели радиационной атмосферы и получение статистически достоверных данных о потоках и притоках ДВ радиации на разных уровнях и радиационных характеристиках облаков различных форм.

Основная задача заключалась в получении статистически достоверных многолетних рядов данных актинометрического радиозондирования. Для решения поставленной задачи в 1960-1980-х гг. автором была проведена работа по внедрению метода актинометрического радиозондирования на станциях радиозондирования на территории бывшего СССР, на научно-исследовательских судах и в Советских антарктических экспедициях: разработаны методические указания, организован сбор и обработка результатов актинометрического радиозондирования, осуществлена их архивация и статистическая обработка. На собранном материале выполнен анализ пространственно-временной изменчивости поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере в различных географических регионах при разных состояниях атмосферы.

Основные научные результаты и новизна исследования. В представленной работе впервые обобщены результаты актинометрического радиозондирования, выполненного на протяжении свыше 15 лет на сети актинометрического радиозондирования на территории бывшего СССР, на научно-исследовательских судах в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах и в Антарктиде, что позволило решить проблему получения достоверных данных прямых измерений притока тепла за счет ДВ радиации.

Собран и обработан огромный материал экспериментальных данных о распределении потоков длинноволновой радиации на разных широтах и разных временных масштабах. Выявлены и описаны закономерности про-

странственно-временной изменчивости характеристик ДВ радиации в свободной атмосфере. Рассчитаны статистические характеристики полей длинноволновой радиации, опубликованные в трех выпусках справочников.

Построена модель стандартной радиационной атмосферы (длинноволновая радиация), исследована область применимости ее в различных синоптических условиях и показано, что модель может быть использована для восстановления полей ДВ радиации в широком диапазоне атмосферных условий

Получены данные прямых измерений притоков ДВ радиации к различным слоям атмосферы и радиационные характеристики облаков различных форм.

Практическое значение результатов диссертационной работы состоит в том, что полученные в ней данные прямых измерений потоков и притоков ДВ радиации в свободной атмосфере неоднократно использовались и могут далее использоваться при построении алгоритмов аналитических и прогностических задач физики атмосферы, в анализе процессов лучистого теплообмена в атмосфере. Они используются для апробации теоретических расчетов аналогичных характеристик и при градуировке радиационной аппаратуры, предназначенной для измерения тепловой радиации. Эмпирическая модель может использоваться для получения ос-редненных по времени или по территории значений потоков теплового излучения.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в организации и реализации программ актинометрического радиозондирования, методическом руководстве работой станций АРЗ в бывшем СССР, на НИС и в Антарктиде, проведении анализа полученных результатов, построении алгоритмов обработки первичных материалов и статистической обработки данных АРЗ для получения справочных данных.

На защиту выносятся полученные автором закономерности пространственного распределения и временных вариаций потоков и притоков длинноволновой радиации практически в глобальном масштабе, построенная в работе эмпирическая модель радиационной атмосферы, данные прямых измерений притоков ДВ радиации к различным слоям атмосферы и радиационные характеристики облаков различных форм.

Апробация работы. Результаты настоящей работы докладывались по ходу ее выполнения на всесоюзных совещаниях по атмосферной оптики и актинометрии: шестом (Тарту, 1966 г.), седьмом (Ленинград, 1968 г.), восьмом (Томск-Новосибирск, 1970 г), девятом (Рыльск, 1972 г.), десятом (Киев, 1974 г), одиннадцатом (Таллинн 1980 г.), двенадцатом (Иркутск, 1988 г.); на первой (Тбилиси, 1967 г.) и второй (Москва, 1973 г.) конференциях по аэрологии, на межведомственных семинарах по радиационному теплообмену в гг. Москве, Киеве, Тарту и Ленинграде, международных симпозиумах по радиации Международной ассоциации метеорологии и физики атмосферы (1976-1996 гг.) и конференциях Всемирной метеорологической организации (1980 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано в общей сложности около 50 научных статей в центральных научных журналах: Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана, Метеорология и гидрология, в сборниках статей и монографиях, трудах всесоюзных совещаний и конференций, международных симпозиумов по радиации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения и списка литературы (134 отечественных и зарубежных публикаций) Объем рукописи 192 страниц, в том числе 34 рисунка и 25 таблиц.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛИННОВОЛНОВОЙ (ДВ) РАДИАЦИИ В АТМОСФЕРЕ

В случае отсутствия экспериментальных данных необходимая информация добывается теоретическим путем. Самый оптимальный путь теоретического решения задачи переноса радиации с целью определения притока тепла к слою - последовательное решение ее для монохроматической радиации с последующим интегрированием. Такое решение требует очень большого времени счета даже на современных ЭВМ, поэтому чаще расчет теплового излучения делается через построение функции пропускания, т е. через упрощенные приближенные методы расчета Однако на практике теоретические расчеты весьма сложны

При описании поля теплового излучения в задачах физики атмосферы и метеорологии используется интегральная функция пропускания (ИФП) диффузного излучения, которая сложнее зависит от температуры, чем функция пропускания солнечного излучения Кроме аналогичной в обоих случаях зависимости коэффициентов поглощения от температуры среды, для теплового излучения существует еще зависимость весовой функции (функции Планка) от температуры излучающего слоя или поверхности.

Более точные спектральные методы расчета позволяют проследить тонкие радиационные эффекты, однако они становятся неоправданно громоздкими, когда нужно определить изменение радиационного режима атмосферы в глобальных динамических задачах при изменении полей температуры, влажности и облачности. Недостаток сведений об облачности и использование "черного" приближения делает спектральные методы расчета в облачной атмосфере еще менее оправданными, чем в безоблачной.

При расчетах ИФП неизбежно принимается ряд допущений и ограничений, поскольку полный набор монохроматических функций получить

практически невозможно в силу отсутствия требуемой для этого информации. Результаты сравнения теоретических оценок, проведенного в 19791980 гг., показали, что расхождения односторонних потоков Р4} составляют около 1%, эффективного потока - 5%, а разности в притоках - до 10-20%.

Расчеты теплового излучения в облачной атмосфере осложняются тем, что авторы вынуждены принимать облачный слой однородным и "черным", что далеко не всегда соответствует реальным условиям. Таким образом, хотя теоретически построение точных формул переноса ДВ радиации в атмосфере возможно, практические расчеты требуют введения ряда упрощений, что существенно ухудшает точность теоретических расчетов. Кроме того, ни «локальные», ни «осредненные» модели не учитывают рассеяние теплового излучения.

При изучении закономерностей пространственно-временной изменчивости поля ДВ радиации для учета ее энергетического эффекта в моделях или практических расчетах в основном решаются следующие задачи-1) вычисление осредненных по времени или по территории значения потоков излучения; 2) вычисление потока излучения в конкретном пункте под или над облачным слоем в фиксированный момент времени; 3) исследование статистических характеристик поля теплового излучения в зависимости от статистических характеристик облачности.

В ряде международных документов, связанных с Программой Исследования Глобальных Атмосферных Процессов (ПИГАП), представлена последовательность методов описания поля теплового излучения, начиная от подробных спектральных расчетов и кончая заданием средних многолетних данных. Наиболее разработан и практически применим в моделях общей циркуляции (МОЦ) метод решения уравнения теплового излучения при введении интегральной функции пропускания (ИФП).

Выполненный в работе обзор методов расчета показывает, что в настоящее время разработан ряд достаточно удовлетворительных по точно-

сти методов, которые, однако, обладают ограниченной применимостью и не могут использоваться для оценок потоков ДВ радиации в конкретных ситуациях.

Отсутствие возможности получать характеристики ДВ радиации теоретически стимулировало развитие экспериментальных методов Задача эксперимента по определению теплового эффекта длинноволнового излучения в атмосфере сводится к одновременному измерению лучистых потоков, приходящих из всех направлений в пределах сферы в широком спектральном диапазоне теплового излучения (3-30 мкм) Экспериментальные исследования теплового излучения атмосферы ведутся с поверхности Земли, из космоса с искусственных спутников Земли и непосредственно в самой атмосфере при помощи актинометрических радиозондов и с борта самолетов и аэростатов.

Впервые (в 1950-е годы) радиационные измерения в свободной атмосфере начали проводить сотрудники Центральной аэрологической обсерватории с борта пилотируемых аэростатов, для чего использовалась стандартная актинометрическая аппаратура В результате этих исследований В Г. Кастров и С.С. Гайгеров, исследуя термическую трансформацию движущегося воздуха, впервые указали на значительную роль радиационных факторов, влияющих на изменение температуры воздуха Позднее В.И Шляхов выполнил в 1952-1954 гг. большую серию ночных аэростатных полетов, в которых измерялись раздельно восходящий и нисходящий потоки ДВ радиации и баланс (эффективное излучение). Эти измерения позволили впервые понять некоторые физические процессы, происходящие в атмосфере. В частности, причину различия вертикальных градиентов потоков радиации удалось объяснить различием в весах источников излучения, формирующих оба потока.

Полеты свободных аэростатов с наблюдателем на борту имеют серьезный недостаток, связанный с ограниченностью высоты подъема и трудностью учета влияния корпуса аэростата на измеряемые потоки. Бою

лее надежные данные получаются на автоматических аэростатах. Однако этот метод, как и пилотируемых аэростатов, дорог для массового применения и не может дать статистически обеспеченных рядов наблюдений.

Для изучения поведения потоков солнечной и тепловой радиации в свободной атмосфере в качестве платформы для подъема приборов в атмосферу неоднократно использовались также самолеты. Опыт самолетного зондирования оказался успешным для изучения солнечной радиации, но достичь удовлетворительной точности измерения потоков тепловой радиации с самолета не удалось из-за сильного влияния корпуса самолета на показания приборов.

Актинометрические радиозонды (АРЗ) представляют собой не только достаточно точные, но и наиболее дешевые приборы для широкомасштабных исследований поля радиации в свободной атмосфере. Простота конструкции и методики эксплуатации в сочетании с достаточной точностью измерений наблюдаемых величин позволяют успешно решать с помощью этого прибора многие геофизические задачи.

ГЛАВА 2. АКТИНОМЕТРИЧЕСКОЕ РАДИОЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ НА СЕТИ АРЗ, НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ СУДАХ (НИС) И В АНТАРКТИДЕ

Первые актинометрические радиозонды были созданы в 1950-х годах в США, ФРГ и Японии. В Центральной аэрологической обсерватории актинометрический радиозонд был успешно испытан в 1963-64 гг. и назван АРЗ-ЦАО.

Актинометрический радиозонд АРЗ-ЦАО состоит из радиометра -датчика длинноволновой радиации, и радиозонда. Радиометр представляет собой цилиндр, внутри которого находятся две зачерненные приемные пластины и три отражающих экрана из алюминиевой фольги. Для защиты приемных поверхностей от внешнего обдува и воздействия наружного воздуха имеются полиэтиленовые экраны.

Этот радиометр является актинометрической приставкой к обычному радиозонду типа РКЗ. Общий вид АРЗ-ЦАО показан на рис. 1 В кожухе радиозонда размещаются радиопередатчик, коммутирующее устройство и батарея питания, датчики температуры (терморезистор ММТ-1) и влажности (пленочный датчик) размещаются на корпусе.

Рис. 1 Общий вид актинометрического радиозонда АРЗ-ЦАО

Радиозонд АРЗ-ЦАО обеспечивает измерения в следующих диапазонах' температуры от 50 до -80°С, относительной влажности от 10 до 100% при температуре от 35 до 60°С, потоков длинноволновой радиации от 0 до 490 Вт/м2 Давление рассчитывается по данным о высоте полета радиозонда и температуре и влажности воздуха с помощью барометрической формулы.

Теория радиометра построена на решении уравнения теплового баланса каждой из приемных поверхностей с учетом радиационных свойств чернения и пропускания полиэтилена Построены удобные для практического применения формулы, с помощью которых измеренные температуры приемных поверхностей и воздуха преобразуются в значения восходящего потока ДВ радиации (е1), нисходящего (е4') и их разности - баланса, иначе -эффективного излучения ДВ радиации системы Земля-атмосфера (В)

Разность эффективных излучений на верхней и нижней границах слоя воздуха дает возможность вычислить скорость радиационного изменения температуры воздуха или радиационное выхолаживание/нагревание 6Т№ в °С/ч.

Система Земля-атмосфера охлаждается, теряя тепло в мировое пространство в основном за счет длинноволнового излучения. Однако во многих случаях в отдельных слоях атмосферы имеет место радиационное нагревание Чаще всего это слои под облаками или в мощных облаках, потому что облака обладают хорошей излучательно-поглощательной способностью в ДВ области спектра и существенно увеличивают встречное (нисходящее) излучение атмосферы.

Достоверность результатов измерений, анализируемых в диссертации, подтверждается данными лабораторных и полевых испытаний АРЗ, проведенных разработчиком радиозонда Г.Н. Костяным при участии автора работы, а также данными нескольких международных сравнений.

Оценка точности измерения восходящего и нисходящего потоков ДВ радиации производилась разработчиками теоретически путем изучения зависимости коэффициентов, входящих в уравнения баланса приемных поверхностей, от теплопроводности воздуха при разных условиях температуры и давления. Экспериментально радиометр АРЗ проверялся в наземных условиях как обычный радиометр по ледяной полусфере и черному телу. В результате было установлено, что среднеквадратичная ошибка измерения еп для реальных условий полета составляет не более 2-4 Вт/мг при условии соблюдения методики проверки радиометра перед выпуском и методики проведения наблюдения и обработки результатов

Для проверки работы в реальных условиях полета выпускались спаренные радиозонды По результатам спаренных выпусков АРЗ среднее отклонение показаний двух радиозондов было менее 1 Вт/м2, максимальное отклонение не превышало 4 Вт/м2. Среднеквадратичное отклонение по ет для пары зондов было не более 3,5 Вт/м2 в тропосфере и 0,7 Вт/м2 -

в стратосфере. Среднеквадратичная ошибка определения скорости радиационного изменения температуры воздуха равна 0,007 °С/ч. Таким образом, для решения широкого класса задач физики атмосферы точность определения радиационных параметров в свободной атмосфере с помощью радиозонда АРЗ является вполне достаточной.

Актинометрическое радиозондирование атмосферы в бывшем СССР было начато в 1961-1962 гг., а после отработки методики эксплуатации АРЗ в 1963 г. организована сеть актинометрического радиозондирования В таблице 1 даны названия пунктов сети АРЗ в алфавитном порядке с указанием синоптического индекса, высоты каждой станции над уровнем моря и год начала работы.

В 1966 году выпуски АРЗ были организованы в Антарктиде на станциях Молодежная, Беллинсгаузен и Восток. В 1965-66 гг. актинометрическое радиозондирование проводилось в Тихом океане на борту первых судов погоды "Воейков" и "Шокальский", впоследствии выпуски АРЗ проводились на научно-исследовательских судах Росгидромета в Атлантическом океане в 1966, 1969, 1971, 1972 и 1974 годах и в Индийском - в 1977 и 1979 гг.

Таблица 1.

Наземные станции сети АРЗ на территории бывшего СССР Название станции Син. индекс Высота над Начало рабо-

ур. м., м ты

Аральское море 25-746 56 1965

(Аральск)

Куйбышев (Безенчук) 28-900 44 1965

Владивосток (Сад-Город) 31-960 138 1963

Ленинград (Воейково) 26-063 4 1965

Москва (Долгопрудный) 27-612 187 1963

Киев 33-345 179 1963

Минск 26-850 234 1963

Мурманск 22-113 46 1963

Петропавловск-Камч. 32-540 7 1966

Рига 26-422 3 1965

Ростов-на-Дону 34-731 77 1963

Свердловск (В. Дуброво) 28-440 237 1963

Ташкент 38-457 428 1963

Тбилиси 37-549 490 1965

Южно-Сахалинск 32-150 31 1967

В итоге накоплен обширный материал (около пятнадцати тысяч выпусков АРЗ), который дал возможность исследовать закономерности пространственно-временной изменчивости полей ДВ радиации в свободной атмосфере практически в глобальном масштабе. В результате статистической обработки получены таблицы значений термодинамических и радиационных параметров на стандартных барических уровнях: высоты Н м, температуры воздуха /°С, относительной влажности и%, восходящего потока ДВ радиации е1 Вт/м2, нисходящего потока е'1 Вт/м2, радиационного баланса системы Земля-атмосфера В Вт/м2 и скорости радиационного изменения температуры воздуха 6Т/6х °С/ч. По этим данным были рассчитаны средние годовые и средние сезонные значения всех параметров на стандартных барических уровнях, выбраны максимальные и минимальные значения и определены их среднеквадратические отклонения. Полученные данные опубликованы в трех выпусках справочников.

Справочные данные могут использоваться для оценки значений радиационного баланса на разных уровнях в атмосфере, для включения в схемы численного анализа состояния атмосферы при моделировании процессов, протекающих в атмосфере, и решении и ряда других задач.

ГЛАВА 3. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЫ НАД ТЕРРИТОРИЕЙ БЫВШЕГО СССР

Большой объем полученных данных позволил вычислить и проанализировать средние многолетние значения восходящего (ет) и нисходящего (е*) потоков в средних широтах (территория бывшего СССР). На рис 2 представлены вертикальные профили этих величин (е\ е*' и В) вместе со стандартными параметрами атмосферы (РС и и%).

Рл

Рис. 2. Вертикальные профили средних многолетних значений параметров актинометрического радиозондирования (ет, е1, В, ГС и и%) по данным сети АРЗ на территории бывшего СССР.

Анализ вертикальных профилей обнаружил подобие вертикального хода кривых, отражающих изменения с высотой отдельных величин Наличие подобия дает основание рассчитать средние многолетние вертикальные профили радиационных характеристик, обладающие высокой репрезентативностью для всей территории. Средние профили показаны на рисунке сплошными линиями.

Среднее годовое значение е* у поверхности земли составляет 343 Вт/м2, его индивидуальные значения колеблются в пределах от 391 до 307 Вт/м2 (± 10-14 % от средней по всей территории величины) В тропосфере до уровня 200 гПа восходящий поток систематически уменьшается с высотой, причем это уменьшение в нижнем километровом слое тропосферы незначительно. На уровне 200 гПа среднее е* равно 187 Вт/м2, разброс

индивидуальных величин составляет от 171 до 197 Вт/м2 (5-8% от средней величины). В стратосфере восходящий поток изменяется незначительно и колеблется в пределах 174-195 Вт/м2, выше уровня 100 гПа в стратосфере наблюдается систематическое незначительное увеличение е* с высотой Среднеквадратичные отклонения величины ет меняются с высотой от 1518% у земли до 10-13% - в стратосфере.

Средние вертикальные профили нисходящего потока длинноволновой радиации (е1) обнаруживают те же закономерности вертикального хода, что и ет, но со значительно большими вертикальными градиентами (рис. 2). Среднее годовое значение е1 у земли равняется 327 Вт/м2 и изменяется от станции к станции от 363 до 288 Вт/м2, что составляет 11-12% от средней по территории за год величины. Вертикальный градиент еА в нижней тропосфере в 1.5-2 раза превышает вертикальный градиент е*, но в верхней тропосфере (в слое 500-200 гПа) уменьшается и лишь незначительно превышает градиент вертикальных изменений ет. На уровне 200 гПа среднее годовое значение е1 равно 84 Вт/м2 и колеблется от 78 до 91 Вт/м2 (±8% от средней величины). В стратосфере значения нисходящего потока равняются 56-63 Вт/м2. Здесь наблюдается незначительное, но систематическое уменьшение с высотой с градиентом 0.7-1.4 Вт/м2 на 1 км, причем колебания в1 в различных пунктах малы и не превышают 6% от средней величины. Столь незначительное колебание нисходящего потока в стратосфере является весьма примечательным фактом, свидетельствующим об однородности состава атмосферы на больших высотах. Среднеквадратичные отклонения е4 составляют ±15-25% в тропосфере и 1419% в стратосфере.

Эффективное излучение системы "земная поверхность-атмосфера" (В) (рис. 2) систематически увеличивается в тропосфере и стратосфере Согласно средним многолетним данным, по всем станциям сети АРЗ В у земли равно 18 Вт/м2 и изменяется от -100% до +55% от средней величины. Наибольшие вертикальные изменения В отмечаются в тропосфере до уровня 300 гПа. На уровне 200 гПа В равно 102 Вт/м2 и изменяется в пределах ±10-11%. В стратосфере величина В возрастает до 140 Вт/м2 (отклонения составляют ±10%).

Анализ профиля dT/dx показывает, что атмосфера в целом выхолаживается. При этом в нижней тропосфере в слое 1000-900 гПа dT/dx. = - 0.03 °С /ч, в основной толще от 900 до 400 гПа dT/dt лежит в пределах -0.035-0.04 °С/ч, около тропопаузы (300-200 гПа) величина dT/dx. уменьшается до -0.12 °С/ч и только в стратосфере в слое 30-10 гПа наблюдается систематическое увеличение скорости радиационного изменения температуры до -0.25 °С/ч. Пониженные значения dT/dx у земли объясняются тем, что слой 1000-900 гПа является в большинстве случаев подоблачным, а облака уменьшают радиационное выхолаживание и в отдельных случаях нагревают атмосферу под ними. Подобное явление имеет место также вблизи тропопаузы.

Поле длинноволновой радиации, как и большинство других метеорологических параметров атмосферы, испытывает регулярные изменения в течение года. На рис. 3 представлены летние и зимние средние вертикальные профили параметров t, и, е\ е\ В и dT/dx для двух станций (такие же были построены для каждой из 15-ти), а на рис. 4 - кривые сезонных изменений параметров ef и еА.

I_I_1_I_I-1-

■О 50 100 и % 0 0,2 е Вт/м*

Рис. 3. Средние многолетние летние (пунктир) и зимние (сплошные линии) профили параметров Г, и, е\ е\ В и с177с1т станций Киев (1) и Владивосток (2).

Максимальные величины восходящего и нисходящего потоков радиации, а также а большинстве случаев и эффективного излучения системы Земля-атмосфера наблюдаются летом, а минимальные - зимой. В среднем, В летом на 42 Вт/м2 больше, чем зимой. Амплитуда сезонных вариаций е1 убывает с высотой значительно быстрее, чем ет Выявлена значительная устойчивость годовых амплитуд величин потоков радиации от года к году.

Рис. 4. Сезонные изменения восходящего (а) и нисходящего (б) потоков длинноволновой радиации на станциях Рига (1), Киев (2) и Владивосток (3) на различных барических уровнях.

Восходящий поток вблизи поверхности Земли целиком определяется излучением земной поверхности и, следовательно, величина ет в нижнем (приземном и пограничном) слое атмосферы везде соответствует ее температуре. В летнее время она находится в пределах от 355 до 440 Вт/м2, зимой et уменьшается примерно в 1.5 раза и изменяется от 235 до 340 Вт/м2. В зимнее время изменения е* от станции к станции становятся больше, чем летом, так как горизонтальные градиенты температуры подстилающей поверхности зимой также больше, чем летом, и снежный по-

кров залегает не повсеместно. На уровне 50 гПа ( в средней стратосфере) ег летом меняется по территории от 183 до 213 Вт/м2, а зимой - в пределах от 154 до 182 Вт/м2 Таким образом, летом в стратосфере ет и его изменения от станции к станции в два раза меньше, чем у земли (около 0.5 е*0) Зимой в стратосфере восходящий поток составляет около 0.6 ег0 и лежит в пределах от 154 до 182 Вт/м2.

Вертикальные градиенты восходящего потока у^ зимой (в сухой и холодной атмосфере) меньше, чем летом (в более теплой и влажной атмосфере): средний градиент ув* в тропосфере летом равен 16-22 Вт/м2 на 1 км, а зимой - только 7-15 Вт/м2 на 1 км.

Нисходящий поток е1, характеризующий встречное излучение в различных воздушных массах, в летнее время у земли изменяется в пределах 345-405 Вт/м2, а зимой - 214-314 Вт/м2. Максимальные величины е1 у земли отмечаются на южных станциях (Тбилиси, Ростов, Киев), а также на станциях, где наблюдается значительная повторяемость облаков. В стратосфере на уровне 50 гПа летом е4 изменяется в пределах от 57 до 73 Вт/м2, а зимой - от 53 до 70 Вт/м2.

Как и в среднегодовом профиле (см. выше), вертикальный градиент е1 почти во всех случаях превосходит вертикальный градиент е*, при этом вертикальные изменения в4, летом происходят быстрее, чем зимой. Так, в нижней тропосфере уе; летом равен 28 Вт/м2 на 1 км, а зимой - 21 Вт/м2 на 1 км. Однако до уровня 35 км слои с систематическим увеличением е4 с высотой не обнаруживаются ни в зимний, ни в летний период.

Эффективное излучение системы Земля-атмосфера (В) отрицательно и летом у земли изменяется по территории от 15 до 35 Вт/м2. Зимой величина В0 лежит в пределах от 3,5 до 21 Вт/м2. На большинстве станций на всех уровнях в атмосфере В летом больше, чем зимой, и только на приморских дальневосточных станциях (Владивосток, Петропавловск-Камчатский и Южно-Сахалинск) В в тропосфере почти не изменяется от

лета к зиме (рис. 3), а в Южно-Сахалинске в нижней тропосфере зимние значения В даже больше летних на 15-28 Вт/м2 С высотой эффективное излучение возрастает и летом, и зимой.

На рис. 4 показаны сезонные изменения е' и е* и их годовые амплитуды. Максимальные амплитуды ег -142 и 163 Вт/м2, соответственно, наблюдаются во Владивостоке и Аральске Значительные амплитуды отмечаются и на других континентальных станциях: Свердловск и Безенчук. На станциях, расположенных в более умеренном климате, годовая амплитуда уменьшается и ее минимальное значение, равное 94 Вт/м2, отмечено в Риге. Таким образом, максимальная разность годовых амплитуд (Дет) у земли составляет 70 Вт/м2, с высотой Де* уменьшается, и уже на уровне 250 гПа (под тропопаузой) максимальная разность равна лишь 19-20 Вт/м2.

Так же, как и Де\ амплитуда нисходящего потока убывает с высотой, причем значительно быстрее. У земли максимальные значения Де4, также отмечаются в Аральске (147 Вт/м2) и во Владивостоке (153 Вт/м2), а минимальные - в Минске, Риге и Тбилиси (77-80 Вт/м2) Особенности муссонно-го климата выявляются еще отчетливее. Так, на уровне 100-300 гПа на трех дальневосточных станциях ДеА в два с лишним раза больше, чем на других станциях, и выравнивается лишь на уровне 150-200 гПа. В стратосфере летние значения нисходящего потока становятся меньше, чем зимние. Это явление никак нельзя считать случайным. Отрицательные разности "лето-зима" наблюдаются также на целом ряде станций, расположенных на юге (в Минске, Ростове, Аральске и Тбилиси).

Отмеченная особенность сезонного хода величины нисходящего потока является следствием сезонных изменений интенсивности поглощения радиации в нижней стратосфере. Поскольку на рассматриваемых высотах основным поглощающим газом является озон, то сезонным вариациям нисходящего потока должны соответствовать изменения мощности

озонного слоя, в частности, оптическая масса озона летом должна быть меньше, чем зимой. Озонометрические данные вполне согласуются с таким выводом.

Анализ пространственных вариаций средних многолетних характеристик поля длинноволновой радиации проводился путем построения карт по данным станций, расположенных на Европейской территории бывшего СССР. Анализ этих карт выявил четкую связь изолиний е' и е* с рядом географических и климатических особенностей территории Отчетливо проявляется влияние морского климата: изолинии ет в районе Прибалтики имеют меридиональное направление Влияние Черного и Каспийского морей сказывается в заметном уменьшении горизонтального градиента ет южнее 52° с.ш.

Связь климата с полем ДВ радиации особенно заметна при сравнении данных, полученных на станциях, лежащих на одной широте, например, станций Рига и Свердловск. Станция Рига имеет гораздо более мягкий климат, чем Свердловск, и значение ег для этой станции на 32 Вт/м2 превышает величину е* станции Свердловск Обнаруживается четкая связь восходящего потока ДВ радиации с температурой воздуха в тропосфере (970 и 500 гПа). В стратосфере эта связь ослабевает - на уровне 100 гПа ход изолиний ет более соответствует изотермам нижележащих уровней Изолинии восходящего потока радиации сохраняют широтный ход до больших высот, но горизонтальные градиенты е* с высотой заметно ослабевают Еще более отчетливо эта связь проявляется на сезонных картах. Горизонтальные градиенты ет, в среднем, зимой больше, чем летом.

Анализ данных учащенных (через 2-3 ч) выпусков АРЗ показывает, что в безоблачных условиях в течение ночи в тропосфере и в стратосфере сохраняются слои уменьшения или увеличения радиационного выхолаживания.

Сопоставление профилей температуры Тр, влажности ир % и потоков радиации е\ и е* приводит к выводу, что профили е' и е1 наилучшим образом коррелируют с температурой воздуха, поэтому была предпринята попытка найти простые зависимости вида ер = f (е0), ер = f {Т0) или ер = f{Tp), где индекс нуль означает наземное значение, а индекс р - значение соответствующего параметра на изобарическом уровне р. Величина хр = вр/а 74 показала хорошее совпадение значений хр для разных станций, а также весьма своеобразный ход ее в атмосфере (рис. 5).

Р. та р+ еТ

Рис. 5. Профиль хр = в атмосфере по данным 4-х разных станций.

Исходя из характера полученных кривых, в атмосфере выделены три слоя: 1) р = 1000 300 гПа (тропосфера); 2) р = 300 + 150 гПа (тропопауза); 3) р = 150 + 10 гПа (стратосфера). В результате получены следующие эмпирические уравнения: I. Восходящий поток.

el, = 698-[2,65 - 0,36 lg р - 0,061 (ig р)2] стГг р =1000 + 300 гПа. el, = 698-(0,675 + 0,333 Ig р) СТР

р = 300 + 150 гПа el = 698[0,62 + 0,932 lg р - 0,265 (lg р)2] оТ; р = 150 + 10 гПа

II. Нисходящий поток.

е* = 698 (0,158 + 0,26 lg р) оТ' р = 1000 + 300 гПа. е1р1 = 698[0,35 + 0,38 lg р + 0,03 (lg pf] aT'p р = 300 + 150 гПа < =698(0,15 + 0,20 lgp)< р= 150 + ЮгПа

Независимая проверка показала удовлетворительное согласование вычисленных и измеренных значений е\ и е1г Максимальное расхождение не превышает 7%.

Профили (рис. 2, 3), а также полученные зависимости ер = f (оТ') предлагаются в качестве модели стандартной актинометрической атмосферы для длинноволновой радиации. Параметры стандартной актинометрической атмосферы могут использоваться при оценке энергетического бюджета атмосферы, а также для вычисления климатологических характеристик поля длинноволновой радиации

Анализ связи потоков ДВ радиации с синоптическими условиями показывает, что при сплошной облачности и в ясные ночи изменение е* в зимнее время не превышает ± 5-7%, а в случаях переменной облачности может достигать ± 10-12% за 2-4 часа. И в зимнее и в летнее время перенос ДВ радиации испытывает значительное влияние облачности. Во всех случаях, когда наблюдается увеличение облачности до значительной, эффективное излучение уменьшается на 56-70 Вт/м2. Межсуточная изменчивость потоков ДВ радиации при резкой смене условий облачности может достигать 50-100%. Наиболее активными в радиационном отноше-

нии являются слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака, что объясняется их большой водностью и значительным вертикальным развитием, в нижней части этих облаков В почти всегда отрицательно.

ГЛАВА 4. ПОТОКИ ДЛИННОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ НАД ОКЕАНАМИ

В первых рейсах НИС акгинометрическое радиозондирование проводилось на меридиональных разрезах в Тихом и Атлантическом океанах Меридиональный ход радиационных потоков обнаруживает много сходных черт - минимум эффективного излучения в зоне тропической конвергенции вследствие большой влажности воздушных масс и большой повторяемости облаков, максимумы эффективного излучения в областях субтропических антициклонов. Наибольший горизонтальные градиенты потоков наблюдаются на 10-х и 40-х параллелях. Заметно влияние материков, особенно в тропической Атлантике при выносах пыли из пустыни Сахара. Заметно также влияние холодных течений, над которыми В уменьшается Величина ег у поверхности полностью определяется температурой воды, т.к. излучательная способность воды в этой области спектра близка к единицу. При типичной температуре воды в экваториальных широтах (25-28 °С) приземные величины ег максимальны и равны 450-480 Вт/м2

Выполненный в 1974 г. Атлантический Тропический Эксперимент ПИГАП (АТЭП), в котором выпуски АРЗ выполнялись на 10 судах СССР, дал уникальный массив данных, который позволил оценить временные изменения поля ДВ радиации и выполнить статистическую обработку полученных данных. По результатам анализа выделены следующие эмпирические модели: экваториальная общая, экваториальная безоблачная, общая тропическая, безоблачная тропическая и облачная тропическая Для каждой из них были вычислены средние потоки с коэффициентами изменчивости. На рис. 6 показаны профили эффективного излучения для этих

(

моделей, а в таблице 2 представлены типичные значения радиационного выхолаживания в разных слоях атмосферы.

Рис. 6. Вертикальные профили эффективного излучения для разных эмпирических моделей тропической атмосферы.

Таблица 2.

Радиационное выхолаживание разных слоев атмосферы (°С/сутки)

Модель

Слой, гПа 970-800 Экватор, общая -1,56 Экватор. Безолач. -1,21 Тропич. Общая -0,76 Тропич. безобл. -1,24 Тропич. облачная -0,49

800-600 -1,33 -1,24 -0,97 -1,15 -0,86

600-400 -1,65 -1,45 -1,30 -1,56 -1,21

400-200 -1,06 -1,06 -1,15 -0,83 -1,24

200-150 -1,30 -1,14 -1,01 -1,10 -0,94

900-500 -1,46 -1,22 -0.96 -1,21 -1,17

В 1977 и 1979 гг выпуски АРЗ проводились в Индийском океане, что дало возможность оценить изменчивость ДВ радиационных потоков в условиях муссонной циркуляции В начальной стадии и в период "взрыва" муссона короткопериодная (10-24 ч ) изменчивость потоков ДВ радиации в районе Индийского океана значительно больше, чем в аналогичных условиях в Атлантическом и Тихом океанах. Облачность в ВЗК здесь намного активнее, поэтому отмечались случаи, когда в тропосфера нагревалась, а не выхолаживалась Отмечены случаи мощных плотных перистых облаков, под слоем которых наблюдалось радиационное нагревание в среднем

Рис 7. Вертикальные профили В в безоблачной атмосфере и при наличии кучево-дождевой облачности (по данным, полученным в эксперименте Муссон-77).

от 2 до 5 "С/сутки. О значительной радиационной активности облаков в этом регионе свидетельствует рис. 7.

Средние оценки потери тепла и радиационного выхолаживания тропосферы для некоторых характерных условий состояния атмосферы в зон<» летнего муссона следующие- безоблачно и малооблачно - 153 Вт/м2 (1,43 °/сутки), плотные перистые облака или облака среднего яруса - 119 Вт/м2 (1,1 "/сутки), кучево-дождевые облака - 70 Вт/м2 (0,65 °/сутки), а в тех случаях, когда верхняя граница СЬ достигала тропопаузы - 35 Вт/м2 (0,32 "/сутки).

ГЛАВА 5. ДЛИННОВОЛНОВАЯ РАДИАЦИЯ В АТМОСФЕРЕ АНТАРКТИДЫ

В формировании климата Антарктиды радиационный режим подстилающей поверхности, а также атмосферы над ней играет решающую роль Эта роль особенно велика для внутриконтинентальных районов, где вторжения морских воздушных масс редки и вследствие этого температура подстилающей поверхности и прилегающих к ней слоев воздуха почти целиком определяется радиационными факторами Радиационный режим Антарктиды обладает особенностью, которая свойственна только заполярным районам и заключается в том, что во время полярной ночи приток солнечной радиации отсутствует и круглосуточно остается только длинноволновая атмосферная радиация, излучаемая более теплыми воздушными массами, притекающими из умеренных широт.

Первые измерения ДВ радиации были выполнены в 1958-1961 гг В И Шляховым Ставилась задача - определить радиационное нагревание и охлаждение атмосферы над куполом и прибрежными районами и измерить радиационные характеристики атмосферы и подстилающей поверхности Проводились вертикальные зондировки до высоты 5 км и горизон-

тальные полеты (разрезы) на различных высотах над куполом и над морем. Эти наблюдения дали возможность впервые оценить порядок величин потоков и баланса ДВ радиации и радиационной температуры подстилающей поверхности Антарктиды. Было найдено, что величина баланса ДВ радиации (В) значительно изменяется в прибрежной зоне и постепенно уменьшается по абсолютной величине, приближаясь к нулю над глубинными районами континента. Баланс радиации в ночное время отрицателен и увеличивается с высотой, наибольшие значения градиента при этом были обнаружены в слое от 3 до 4 км; ниже и выше этого слоя градиент несколько меньше и составляет 5-6 Вт/м2 на 1 км. Нисходящий поток в этом слое уменьшается с высотой с градиентом около 17 Вт/м2 на 1 км. В соответствии с вертикальным профилем радиационного баланса средние величины радиационного выхолаживания в слое от 0.2 до 5 км составили 0.05 и 0.06 °С/ч.

Актинометрическое радиозондирование в Антарктиде было организовано в 1966 г. В течение трех зимних сезонов (1966-1969 гг.) выпуски ак-тинометрических радиозондов проводились на станции Молодежная В 1969 г. актинометрическое радиозондирование было перенесено на ст Беллинсгаузен (1970-1972 гг.) Позднее выпуски АРЗ проводились в 1981 г одновременно на трех станциях: Восток, Новолазаревская и Мирный.

Появившиеся в 1966-1972 гг. данные АРЗ позволили проследить вертикальные изменения потоков ДВ радиации не только во всей тропосфере, но и в стратосфере. Уже первые данные АРЗ показали, что в антарктической атмосфере процессы переноса ДВ радиации несколько отличаются от условий умеренных широт. Особенно заметными являются отличия нисходящего потока (е;) и, соответственно этому, эффективного излучения системы Земля-атмосфера (В) Причиной существенных различий в профилях е4 являются разные условия формирования температурного режима и разные радиационные свойства воздушных масс. Данные аюинометрического радиозондирования позволили оценить роль облач-

зо

ности, которая оказалась очень большой. Здесь нисходящий поток в облачные дни у поверхности Земли составляет 245-265 Вт/м2, тогда как в безоблачные дни - всего 190-210 Вт/м2

По данным АРЗ были вычислены средние профили радиационных характеристик для каждой антарктической станции за все годы проведения выпусков АРЗ и за каждый год отдельно. Так как АРЗ выпускаются только в темное время суток, выпуски АРЗ выполнялись только в зимнее полугодие С целью изучения полугодового хода поля ДВ радиации были вычислены средние месячные величины. На станции Молодежная имеется отчетливый полугодовой ход, а на станции Беллинсгаузен значения потоков ДВ радиации от месяца к месяцу меняются слабо.

Над куполом в нижней атмосфере в течение всего года сохраняется глубокий минимум восходящих потоков, особенно сильный зимой (до 105 Вт/м2) Встречное излучение зимой не превосходит 87-112 Вт/м2 (в Мирном и на Молодежной 225-230 Вт/м2). Зимой поле эффективного излучения в средней и верхней тропосфере почти безградиентно Это свидетельствует о том, что атмосфера, лишенная притока тепла, не выхолаживается.

Основное влияние на характер вертикального распределения потоков ДВ радиации оказывает температура подстилающей поверхности, инверсии воздуха и облачность Мощные инверсии воздуха существенно уменьшают эффективное излучение, данные измерений показывают, что инверсия с глубиной 3-5 °С обусловливает понижение В на 7-10 Вт/м2.

Тесная связь между температурой воздуха и потоками на различных уровнях и консервативный характер изменения потоков дают возможность получить уравнения стандартной радиационной атмосферы для условий Антарктиды, используя в качестве входных параметров температуру воздуха Т, и давление р, на различных уровнях. Для этого было проведено исследование функции ху, =е,Т/о74и и получены следующие уравнения: для 1000 гПа 2: р 2.300 гПа

е/ = (0.067 (др, + 0.39Ъ)-оТ?

ер/ = (-0.064 1д2р, + 0.447 1др, - 0.007)оТ,.14 ДЛЯ 300 гПа > р > 100 гПа

ер,т = (0.671 1д2р, + 2.7 1др, 3.300)-стТ,4 в^ = (-2.1 1д2р; + 8.4 1др, - 8.4).оТи4 Сопоставление измеренных значений потоков с величинами, восстановленными с помощью этих формул, показало, что, в среднем, расхождения между ними составляют от 2 до 13%, с высотой они увеличиваются Таким образом, для условий антарктической атмосферы данные АРЗ позволили построить эмпирические уравнения для вычисления потоков ет и е1 и получить достоверные оценки эффективного излучения как на отдельных уровнях, так и для системы "Земля-атмосфера" в условиях прибрежных районов Антарктиды.

Анализ данных АРЗ, полученных в облачных условиях, показывает, что антарктические облака оказывают существенное влияние на величину эффективного излучения. Так, при сплошной облачности значения В на уровне тропопаузы могут изменяться от 60 до 105 Вт/м2. Наиболее значительное понижение В (60-65 Вт/м2) по сравнению с безоблачными условиями наблюдается при условиях многоярусной облачности или при облаках N3 с вертикальной протяженностью более 3-3.5 км. При облаках Эс, Ас, и Аэ при толщине слоев не менее 1 5-2 0 км и высоте верхней границе не ниже 3.0-3.5 км эффективное излучение В на уровне тропопаузы (70-85 Вт/м2) составляет 60-70% от таких же величин при ясном небе Такое же соотношение сохраняется и в стратосфере.

Экспериментальные исследования, выполненные для условий умеренных и тропических широт, в основном подтвердили результаты теоретических исследований и показывают следующее:

- внутри плотного облака градиенты восходящего и нисходящего потоков совпадают, в результате чего выполняется равенство уе^/уе1 = 1;

- внутри плотного облака совпадают градиенты температуры воздуха и эффективной температуры, рассчитанной по е4, и ег (Гэфф = 1/о(е4Т), т.е. в пределах облака сохраняется соотношение Т3фф./ГВ0ЗД = 1;

- внутри плотного облака формируется характерный профиль эффективного излучения 6: у нижней границы отмечается резкое уменьшение Б, а у верхней - возрастание с высотой, что обуславливает значительные изменения радиационного изменения температуры (нагревания и выхолаживания, соответственно). Внутри облака выполняется равенство с!б/с1р = 0. Данные АРЗ позволяют определять границы и мощность облачного слоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного многолетнего (1962-1985 гг.) крупномасштабного (территория бывшего СССР, Тихий, Атлантический и Индийский океаны, Антарктида) эксперимента по измерению потоков и притоков длинноволновой радиации в атмосфере от поверхности Земли до высот 25-30 км методом акгинометрического радиозондирования решена важная проблема получения достоверных прямых данных о переносе ДВ радиации в свободной атмосфере. Собран и проанализирован обширный материал, позволивший получить статистически обеспеченные ряды данных и вычислить надежные климатические характеристики полей ДВ радиации в свободной атмосфере на разных уровнях, разных широтах и в различных синоптических условиях.

Актинометрические радиозонды (АРЗ) представляют собой не только достаточно точные, но и наиболее дешевые приборы для широкого исследования глобального поля ДВ радиации в свободной атмосфере Простота конструкции и методики эксплуатации радиозонда и достаточная точность определения всех параметров позволяют успешно решить с помощью этого прибора многие геофизические задачи. Сеть актинометри-

ческого радиозондирования, выполнявшая регулярные выпуски АРЗ, существовала только в бывшем СССР.

Для каждой из 15 аэрологических станций на территории бывшего СССР впервые рассчитаны средние многолетние величины потоков ДВ радиации на стандартных барических уровнях и параметры их изменчивости Вертикальные профили радиационных параметров по многолетним данным оказались подобными по всем станциям сети большого географического района. Локальные особенности проявляются лишь в смещении профиля на постоянную для данного пункта величину, а также в незначительных нерегулярных вариациях. По каждому из параметров зондирования' восходящий поток нисходящий поток е\ эффективное излучение В (величина обратная балансу радиации) и скорость радиационного изменения температуры воздуха с!77ск) рассчитаны средние вертикальные профили.

Средний профиль отражает основные закономерности изменения поля ДВ радиации с высотой. Рассчитаны характерные значения вертикальных градиентов радиационных потоков в различных слоях атмосферы. Восходящий поток уменьшается с высотой медленнее, чем нисходящий, вследствие чего их разность - эффективное излучение системы земная поверхность - атмосфера, с высотой возрастает. Основная трансформация радиационного поля происходит в атмосфере.

По осредненному профилю эффективного излучения рассчитаны средние величины притоков ДВ радиации и скорости радиационного изменения температуры воздуха в различных слоях атмосферы. В среднем за год, на всех уровнях имеет место радиационное выхолаживание, но неравномерное В основной толще тропосферы оно равно 0.035-0 040 °С/ч, в нижней тропосфере (1000-900 гПа) сШск уменьшается до 0.030 °С/ч, около тропопаузы - до 0.012 °С/ч, и только в стратосфере наблюдается систематическое увеличение радиационного выхолаживания с высотой.

Рассмотрены межгодовые изменения поля ДВ радиации В тропосфере колебания нисходящего потока от года к году не превышает 10%, колебания восходящего потока и эффективного излучения несколько больше, но и они не превышают 15-20% Обнаружена несомненная связь между изменениями поля ДВ радиации и вариациями атмосферной циркуляции от года к году. В поле ДВ радиации обнаруживается сезонная периодичность с почти постоянной амплитудой. Амплитуда сезонных изменений восходящего и нисходящего потока с высотой заметно уменьшается, а сезонные изменения эффективного излучения, наоборот, с высотой возрастают Главная причина этого явления в том, что амплитуда сезонных изменений в нисходящем потоке убывает с высотой значительно быстрее, чем в восходящем. Годовые амплитуды величин потоков радиации устойчивы от года к году, сдвиг по фазе с высотой не наблюдается. Понятно, что вертикальные изменения ет и е1 летом происходят быстрее, чем зимой.

Сопоставление потоков радиации с температурой и влажностью воздуха приводит к выводу, что профили ет и ех наилучшим образом коррелируют с температурой воздуха на данном уровне. Построенная по данным АРЗ актинометрическая модель атмосферы для длинноволновой радиации имеет трехслойную структуру, соответствующую слою тропосферы, зоне тропопаузы и нижней стратосфере. Другими словами, радиационная структура обнаруживает подобие с температурной стратификацией. Подобной аналогии следовало ожидать ввиду выявленной тесной связи термического и радиационного полей. Однако менее очевиден, но статистически подтвержден вывод о том, что коэффициент серости в пределах

каждого из слоев радиационной модели имеет определенное характерное для этого слоя приближенно постоянное значение

Параметры стандартной актинометрической атмосферы могут быть использованы как для изучения энергетического бюджета атмосферы, так и для вычисления климатологических характеристик поля ДВ радиации. Эффективное излучение всей системы "земная поверхность-атмосфера" в целом за год изменяется значительно меньше, чем составляющие баланса ДВ радиации - восходящий и нисходящий потоки Это значит, что ДВ радиация дает примерно постоянный вклад в изменение температуры воздуха в течение всего года, что и надо учитывать в математических моделях и долгосрочном прогнозе погоды.

Меридиональный ход радиационных потоков над океанами обнаруживает много сходных черт - минимум эффективного излучения в зоне тропической конвергенции вследствие большой влажности воздушных масс и большой повторяемости облаков, максимумы В - в областях субтропических антициклонов Наибольшие горизонтальные градиенты потоков наблюдаются на 10-х и 40-х параллелях.

В океанографических экспериментах Программы исследования глобальных атмосферных процессов (1972-1979 гг) собрано около 1400 выпусков АРЗ над океанами. Выполненный над океанами статистический и физический анализ временной и пространственной изменчивости ДВ радиации показал исключительное своеобразие процессов переноса ДВ радиации в тропиках Построены эмпирические радиационные модели для тропической атмосферы.

го баланса в колебания температуры. Наименьшие значения радиационного баланса могут быть при весьма больших амплитудах колебаний давления, но малых по амплитуде колебаний температуры Радиационный баланс имеет также малые амплитуды колебаний при больших амплитудах колебаний температуры, но малых по амплитуде колебаний давления. Получены данные, свидетельствующие о том, что радиационные эффекты наиболее выражены в нижней тропосфере и в стратосфере. Роль радиации в формировании термического поля верхней тропосферы и нижней стратосферы незначительна.

Анализ данных АРЗ в разных синоптических ситуациях позволил получить характерные значения потоков и притоков радиации для разных типов облаков. При сплошной облачности и в ясные ночи изменение восходящих потоков ДВ радиации в зимнее время не превышает ±5-7%, а в случаях переменной облачности может достигать ±10-12% за 2-4 часа. И в летнее, и в зимнее время облачность определяющим образом влияет на перенос ДВ радиации в атмосфере. Во всех случаях, когда наблюдается увеличение облачности до значительной, эффективное излучение в стратосфере уменьшается на 55-70 Вт/м2. Зимой изменчивость восходящего потока несколько меньше, чем летом. Межсуточная изменчивость потоков ДВ радиации при резкой смене условий облачности может достигать 50100%. И зимой и летом в условиях неустойчивой облачности поле ДВ радиации претерпевает значительные изменения

Наиболее активными в радиационном отношении являются слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака, что объясняется их большой водностью и значительным вертикальным развитием. В нижней части этих облаков эффективное излучение почти везде отрицательно. Характерно, что при облаках всех видов сезонные различия потоков и эффективного излучения меньше, чем в безоблачной атмосфере Уменьшение годовых амплитуд наблюдается и на уровне тропопаузы и в стратосфере и это озна-

чает, что облака сглаживают сезонные вариации радиационного поля во всей толще атмосферы.

Проанализирована изменчивость полей ДВ радиации в Антарктиде -области глобального стока тепла. Получены оценки средних величин потоков ег и е1, В и радиационного выхолаживания. Показано существенное отличие излучательной способности облаков в Антарктиде от излучения абсолютно черного тела. Выявлена и аппроксимирована связь между излучательной способностью и температурой облаков, которая может быть использована в расчетах характеристик излучения атмосферы при облачном небе Впервые для Антарктиды получены статистически обеспеченные климатические характеристики ДВ радиации с учетом облаков Поле ДВ радиации в районе антарктического побережья формируется в основном под влиянием облачности, а в центральной Антарктиде - под влиянием стратификации атмосферы. Облачность и инверсии температуры способствуют возникновению очага радиационного выхолаживания, достигающего 2-3 °С/сутки в слое 1-3 км. Вклад облачности в изменчивость потоков ДВ радиации превышает 50%. Возрастание интенсивности межширотного обмена от лета к зиме обусловливает соответствующее увеличение изменчивости ДВ радиации.

Список литературы, опубликованной по теме диссертации

1. Изменение поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере в течение 7-10 часов. - Труды ЦАО, 1966, вып. 70, с. 41-57, (соавтор Г.Н Костяной).

2. Меридиональное изменение поля длинноволновой радиации в атмосфере над Тихим океаном. - Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1966, т. II, № 12, с. 1235-1252, (с оавтор Г.Н. Костяной).

3. Акгинометрическое радиозондирование атмосферы над Атлантическим океаном. - Метеорология и гидрология, 1967, № 4, с. 97-101, (соавторы В.Ф. Белов, Г.Н. Костяной, В.И. Шляхов).

4 Временное изменение поля длинноволновой радиации в летний период. -Труды ЦАО, 1969, вып. 83, с. 47-55, (соавтор Г.Н. Костяной).

5 Широтные и временные изменения поля длинноволновой радиации в центральной части Тихого океана. - Труды ЦАО, 1969, вып. 83, с. 38-46, (соавтор Г.Н. Костяной).

6 Предварительные результаты исследования поля длинноволновой радиации в Антарктиде. - Метеорология и гидрология, 1971, № 5, с. 30-36, (соавторы В.Ф. Белов, Г.Н. Костяной, В.И. Шляхов).

7 Средние многолетние характеристики поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере (по данным сети АРЗ). - Метеорология и гидрология,1971, № 7, с. 35-42, (соавтор Г.Н. Костяной).

8 Температурно-ветровое и актинометрическое радиозондирование атмосферы в Атлантическом океане от 50°с.ш. до 50°ю.ш. - Труды Советской антарктической экспедиции, 1971, ААНИИ, том 57 "Четырнадцатая Советская антарктическая экспедиция (сезонные исследования 1968/69 гг.)", с 196-211, (соавтор H.H. Казакова).

9 Меридиональный разрез атмосферы в Атлантическом океане по 30° з.д - Труды Советской антарктической экспедиции, 1971, ААНИИ, том 57 "Четырнадцатая Советская антарктическая экспедиция (сезонные исследования 1968/69 гг.)", с. 212-221, (соавтор H.H. Казакова).

10. Радиационные потоки и озон в атмосфере. - Труды ЦАО, "Аэрология-1970", 1971, с. 153-166, (соавторы А.С Бритаев и В.И. Шляхов)

11.0 трансформации поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере. - Труды ГГО, 1972, вып. 276, с 62-70, (соавтор В.И. Шляхов).

12. Модель стандартной радиационной атмосферы (длинноволновая радиация). - Метеорология и гидрология, 1973, № 12, с 24-34, (соавтор Г.Н. Костяной, В.И. Шляхов).

13. Пространственно-временные характеристики поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере - Метеорология и гидрология, 1974, № 4, с. 67-75, (соавтор Г.Н. Костяной и В.И. Шляхов).

14 Поле длинноволновой радиации в свободной атмосфере (справочные данные). Московское отделение Гидрометеоиздата, М., 1974, 146 с.

15. Длинноволновая радиация - индикатор синоптической эволюции. - Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1966, т. II, № 12, с. 1235-1252, (соавтор И.М. Кравченко и В.И. Шляхов).

16. Особенности распределения потоков длинноволновой радиации в экваториальной Атлантике летом 1972 г. - Метеорология и гидрология, 1975, № 2, с. 88-98, (соавтор Т.М. Краснова).

17. Область применения модели стандартной актинометрической атмосферы. - Сборник докладов "Радиационные процессы в атмосфере и на земной поверхности" (Труды VII Всесоюзного совещания по актинометрии и атмосферной оптике), 1974, Л., Гидрометеоиздат, с. 62-66.

18. Анализ поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере над Антарктидой. - Сборник "Антарктика", 1976, вып. 15, М, Наука, с. 30-42, (соавтор В.И. Шляхов).

19. Изменчивость полей длинноволновой радиации на полигонах АТЭП. -Труды Междуведомственной экспедиции ТРОПЭКС-74, 1976, т. I "Атмосфера", Л., Гидрометеоиздат, с. 542-549.

20. Вертикальные профили потоков радиации в районе АТЭП - Vertical profiles of LW radiation fluxes in the GATE area. - GATE Report N 14, 1975, "Preliminary Scientific Results of GATE", vol. 1, JSMG, January 1975, pp. 304309.

21. Изменчивость полей длинноволновой радиации в свободной атмосфере на полигонах АТЭП (по данным акгинометрических радиозондов). -Сборник 'Тезисы докладов на Междуведомственном симпозиуме по первым научным результатам исследования атмосферы в международном Атлантическом тропическом эксперименте ТРОПЭКС-74", 1975, Обнинск, 1975, с. 89-92.

22. Оценка величины и вертикального распределения влажности по измерениям интегральной тепловой радиации - Сборник 'Тезисы докладов на Междуведомственном симпозиуме по первым научным результатам исследования атмосферы в международном Атлантическом тропическом эксперименте ТРОПЭКС-74", 1975, Обнинск, 1975, с. 93-95.

23. Акгинометрическое радиозондирование атмосферы в СССР - Radi-ometersounding in USSR. - IRS-1976 "Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium (FRG, 1976)", 1977, Science Press, USA, pp. 414-416, (соавторы Г.Н. Костяной и В.И. Шляхов).

24 Пространственно-временная изменчивость полей ДВ радиации на полигонах АТЭП-74 - Spatial and temporal variability of the LW Radiation fields on the GATE-74 area". - IRS-1976 "Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium (FRG, 1976)", 1977, Science Press, USA, pp. 530532, (соавтор Г.Н. Костяной и В.И Шляхов).

25 Результаты многолетних исследований длинноволновой радиации в атмосфере Антарктиды. - Сборник "Антарктика", 1978, вып. 17, М, Наука, с. 75-81, (соавтор В.И. Шляхов).

26. О сравнениях актинометрических радиозондов СССР и ФРГ, выполненных в АТЭП-74. - - Метеорология и гидрология, 1977, № 8, с. 91-95, (соавтор Х.П Фимпел).

27 Актинометрическое радиозондирование атмосферы. - Труды ЦАО, 1976, вып. 117, с. 138-146.

28. Атмосферный аэрозоль и его влияние на перенос излучения (к итогам советско-американского аэрозольно-радиационного эксперимента). - 1978, гл. 2, Л., Гидрометеоиздат, с. 32-40, (в составе коллектива авторов под общей редакцией К.Я. Кондратьева).

29. Влияние облачности на потоки длинноволновой радиации в атмосфере. -Труды ЦАО, 1978, вып. 133, с. 25-32.

30 Особенности лучистого теплообмена в тропиках по данным актино-метрического радиозондирования в экспедиции ТРОПЭКС-74 (АТЭП). -Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1979, т. 15, № 2, с. 154-166, (соавтор Е.М. Фейгельсон).

31. Пространственно-временная изменчивость потоков и притоков длинноволновой радиации в условиях муссонной циркуляции. - Сборник "Метеорологические исследования", 1979, № 25, М., "Советское радио", с. 5765.

32. Потоки теплового излучения в тропической атмосфере. - Препринт ИФА АН СССР, 1979, М., Астрономический совет АН СССР, 55 е., (соавторы Г.Н. Костяной, Е.М Фейгельсон и Н.С Филиппова).

33 Исследование радиационных процессов в тропосфере - Сборник "ПОЛЭКС-Север-76", 1979, ч. 1, Л., Гидрометеоиздат, с. 194-206, (соавтор В.И. Шляхов, И.М Кравченко и В.И. Куракин).

34. Радиационные процессы в атмосфере и на земной поверхности. -Сборник "Материалы X Всесоюзного совещания по актинометрии", 1979, Л., Гидрометеоиздат, 274 е., (научный редактор Сборника совместно с В.И. Шляховым).

35 Радиационные модели тропической Атлантики. - Сборник 'Тезисы докладов Международной конференции по научным результатам АТЭП", 1980, Киев, с. 45-48, (соавторы Е.М. Фейгельсон и Г.Н. Костяной).

36. Длинноволновая радиация в атмосфере Антарктиды. - Сборник "Исследования климата Антарктиды", 1980, Л., Гидрометеоиздат, с. 27-33, (соавтор В.И. Шляхов).

37. Результаты многолетних исследований тепловой радиации в атмосфере Антарктиды - Climatic characteristics of long-wave radiation in the Antarctic Atmosphere. - IRS-1980 "Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium (USA, 1980)", 1980, Fort-Collins, USA, pp. 376-379, (соавтор В.И. Шляхов).

38. Средние профили аэрологических параметров в свободной атмосфере над Индийским океаном - Mean profiles of aerological parameters in free atmosphere over the Indian ocean. - Summer MONEX Field Phase Research (Part B), GARP, FGGE Operations, 1980, Report, vol. 9, pp. 56-61, (соавторы P.M. Вильфанд и M.A. Батхан).

39. Исследование длинноволновой радиации в пограничном слое атмосферы. - Сборник "Тезисы докладов XI Всесоюзного совещания по актинометрии", 1980, ч. IV, "Радиационная энергетика", с. 62-64, (соавтор В.И. Шляхов).

40. Радиационные модели тропической атмосферы. - Сборник 'Тезисы докладов XI Всесоюзного совещания по актинометрии", 1980, ч. IV, "Радиационная энергетика", с. 69-72, (соавторы Г.Н. Костяной и Е.М. Фейгельсон).

41 О возможности определения радиационных притоков по данным АРЗ. -Сборник 'Тезисы докладов XI Всесоюзного совещания по актинометрии", 1980, ч. IV, "Радиационная энергетика", с. 84-88, (соавторы Т.Н. Горбунова, Л.Р. Дмитриева-Арраго и Л.В. Самойлова).

42. Радиация в облачной атмосфере - 1981, Л., Гидрометеоиздат, 280 е., (в составе авторов гл. 13 и 16, редактор глав 15-16).

43 Средние профили аэрологических параметров в период эксперимента МОНЭКС-79 - Mean profiles of aerological parameters during experiment MONEX-79. - 1980, GARP International Conference on Preliminary FGGE Data Analysis, 1980, Bergen, Norway, 23-27 June 1980, Geneva, pp 377-389, (соавторы P M. Вильфанд и M.A. Батхан)

44 Тепловая радиация в условиях муссонной циркуляции - Long-Wave Radiation under Monsoon Circulation - International Conference on the Preliminary Results of FGGE, Talahassee, USA, January 1981, pp 121-127

45 Пространственно-временная изменчивость длинноволновых радиационных потоков и притоков тепла в условиях муссонной циркуляции -Сборник "Метеорологические исследования", 1981, № 24 "Эксперимент МУССОН-77", М , Наука, с 52-58

46 Результаты многолетнего и судового актинометрического радиозондирования применительно к задачам климата - Сборник "Материалы XII Всесоюзного совещания по актинометрии", 1984, Иркутск, ч I, "Радиационная энергетика", с. 78-81

47 Влияние перистых облаков на перенос длинноволновой радиации в тропосфере и стратосфере - Influence of Cirrus Clouds on the Long-Wave Radiation in the troposphere and stratosphere - IRS-88, Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium "Current Problems in Atmospheric Radiation", 1989, A Deepak Publ, France, Lille, pp 107-109

48. Экспериментальные исследования радиационного режима в свободной атмосфере (раздел 84 в главе 8 книги "Атмосфера") - Справочник "Атмосфера", 1991, с 176-179

49 История развития радиозондирования в СССР - Historical Developments in Radiosonde Systems in the Former Soviet Union. - Bulletin of American Meteorological Society, 1993, vol 74, N 10, October 1993, pp 1893-1900

50 Длинноволновая радиация как возможный индикатор воздействия авиации на атмосферу - Long-Wave Radiation as a Possible Indicafor of the Aviation Impact - Proceedings of International Colloquium "Impact of Aircraft Emissions upon the Atmosphere", 1996, France, Paris, ONERA, October 1996, vol II, pp 659-662

51 Длинноволновая радиация в атмосфере над земным шаром - LongWave Atmospheric Radiation over the Globe - IRS-96: "Current Problems in Atmospheric Radiation", 1997, Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium, A. Deepak Publ, USA, Fairbanks, Alaska, pp 742-744

Подп. в печать 24.09.03 Обьем 2.5 п.л. Тираж 150 экз. Заказ 45 ВНИРО. 107140, Москва, В. Красносельская, 17

РНБ Русский фонд

2005-4 20332

0 9 и HT Ш

Содержание диссертации, доктора географических наук, Зайцева, Нина Александровна

Введение

Глава 1 Обзор методов исследования длинноволновой (ДВ) радиации в атмосфере

1.1. Теоретические исследования переноса ДВ радиации в атмосфере

1.2. Методы расчета тепловой радиации в атмосфере

1.3. Экспериментальные исследования потоков ДВ радиации в атмосфере

Глава 2 Актинометрическое радиозондирование атмосферы на сети АРЗ, научно-исследовательских судах и в Антарктиде

2.1 Актинометрический радиозонд АРЗ-ЦАО

2.2. Точность измерения потоков и притоков ДВ радиации с помощью АРЗ

2.3. Сеть актинометрического радиозондирования СССР.

2.4. Справочные данные АРЗ

Глава 3 Климатические характеристики радиационных параметров свободной атмосферы над территорией бывшего СССР

3.1. Средние многолетние характеристики

3.2. Сезонные изменения полей ДВ радиации

3.3. Пространственная изменчивость полей ДВ радиации

3.4. Суточный ход ДВ радиации в атмосфере

3.5. Модель стандартной радиационной атмосферы (длинноволновая радиация)

Глава 4 Потоки длинноволновой радиации над океанами

4.1. Меридиональные изменения

4.2. Изменчивость полей ДВ радиации в свободной атмосфере на полигонах АТЭП-74 и МОНЭКС

4.3. Статистические характеристики поля теплового излучения в центральной Атлантике

4.4. Результаты многолетнего и сетевого актинометрического радиозондирования применительно к задачам климата

Глава 5 Длинноволновая радиация в атмосфере Антарктиды

5.1. Экспериментальные наблюдения ДВ радиации в советских антарктических экспедициях (САЭ)

5.2. Результаты многолетних исследований ДВ радиации в атмосфере Антарктиды

5.3. Статистические характеристики полей ДВ радиации в Антарктиде

5.4. Модель стандартной радиационной атмосферы в условиях Антарктиды

5.5. Влияние облаков на перенос ДВ радиации в

Антарктиде

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Климатические характеристики полей длинноволновой радиации в свободной атмосфере"

Основой энергетики земной атмосферы является лучистый теплообмен. Радиация - единственный вид энергии, посредством которого осуществляется обмен между климатической системой и внешним пространством. Это - основной физический фактор, приводящий к возникновению циркуляции атмосферы и океанических течений. Вместе с тем, влияние антропогенной нагрузки на климат также осуществляется через радиационные процессы, поэтому в задачах долгосрочного прогноза погоды, общей циркуляции атмосферы, теории климата и ряда других необходимо учитывать радиацию. Для этого нужны данные об альбедо системы, пропускании и поглощении атмосферой солнечного и теплового излучения, а также эффективный поток излучения, дивергенция которого является радиационным выхолаживанием или нагреванием слоя или системы. Необходимо знать связи между указанными радиационными характеристиками, оптическими величинами, непосредственно их определяющими, оптически и ра-диационно активными составляющими атмосферы и полями метеорологических элементов. В связи с интенсивным развитием теоретических исследований процессов атмосферной циркуляции ощущается острая потребность в количественных обобщениях данных по радиации, что нашло соответствующее отражение в решении Международной ассоциации метеорологии и физики атмосферы (МАМФА, 1986) о разработке стандартной радиационной атмосферы, а также в организации долгосрочных и широкомасштабных программ исследований климата - таких как Всемирная программа исследований климата (ВПИК, 1984) и Советской программы климатологии облачности и радиации (СПКОР, 1986-1992).

В земной атмосфере, представляющей собой определенную термодинамическую систему, первичным источником энергии служит солнечная радиация. Отсюда все атмосферные процессы являются лишь различными формами превращения солнечной энергии в системе "земная поверхность -атмосфера". Первым звеном в цепи таких процессов является взаимодействие солнечной радиации (область 0.3-3.0 мкм) с атмосферой, через которую она проходит почти невозмущенной (потери происходят лишь за счет молекулярного рассеяния и частичного поглощения) и земной поверхностью, где она поглощается почти полностью. В результате атмосфера приобретает энергию главным образом в форме тепла, явного или скрытого. Излучение земной поверхности и его преобразование в атмосфере формируют потоки длинноволновой радиации (область 3.0-30 мкм).

Вследствие сферичности и вращения Земли и окружающей ее атмосферы, а также неоднородности поверхности приток тепла происходит неравномерно. В неоднородном температурном поле под действием силы тяжести возникают барические градиенты, приводящие в движение слои атмосферного воздуха. Возникающие движения различных масштабов, модифицированные трением и отклоняющей силой вращения, переносят и изменяют поля других метеорологических величин, включая источники и стоки атмосферной радиации.

Можно ли, опираясь лишь на известные физические законы, теоретически описать радиационное поле земной атмосферы? Современный уровень знаний не позволяет ответить на этот вопрос утвердительно. Причина заключается в том, что атмосферный перенос, существенно преобразующий поле радиации, по своему характеру является турбулентным и, в силу этого, не может быть описан исчерпывающим образом с помощью динамических (в противоположность статистическим) законов. Это означает, что поле радиации в атмосфере, в большой степени определяемое характером атмосферных движений, является стохастическим. Описание такого поля возможно лишь с помощью статистических параметров, значения которых определяются из наблюдений.

Свойственная атмосферным полям изменчивость, зависимость их состояния от времени суток, сезона и географического расположения в полной мере характерна также и для радиационного поля, поэтому задача экспериментального определения радиационных характеристик атмосферы могла бы быть решена на основе регулярно действующей планетарной сети станций, плотность которой должна соответствовать естественной изменчивости радиационных полей и не только у поверхности, но и непосредственно в атмосфере. Одна из важнейших проблем метеорологии -учет неадиабатичности процессов, формирующих общую циркуляцию атмосферы, в части, касающейся радиации, может быть успешно решена лишь путем использования полуэмпирических схем и методик статистической параметризации с максимальным использованием экспериментальных данных.

Оценка эффектов неадиабатичности может быть осуществлена на основе измерений потоков и баланса длинноволновой радиации, осуществляемых системой, контролирующей балльность облачности. Пространственная адекватная картина распределения ДВ радиации позволяет построить реальное поле энергетическое поле атмосферы и его эволюцию во времени. Экспериментальные данные подобного рода уточняют начальное состояние атмосферы, знание которого необходимо для прогноза. Очевидно, что обычно используемые в прогностических схемах климатологические данные о распределения характеристик в исходных энергетических полях уступают по точности экспериментально наблюденным распределениям в конкретный момент времени. Решение проблемы получения мгновенных данных об энергетическом поле атмосферы означало бы путь к созданию научных основ средне- и долгосрочного прогноза погоды и предвычисле-ния долговременных изменений климата. В настоящее время решение таких задач осуществляется на основе математического моделирования, эффективность которого определяется точностью и степенью полноты данных об эмпирических параметрах, в частности, радиационных. В свете этого, инструментальные наблюдения радиационного поля в атмосфере приобретают фундаментальное значение. Совершенствование и развитие инструментальной базы и осуществление наблюдений с целью определения эмпирических параметров составляют те ключевые проблемы, решение которых является необходимым условием для дальнейшего уточнения научных представлений и их эффективного приложения.

Актуальность данной работы определяется необходимостью изучения поля радиации, как одного из основных факторов, нарушающих адиабатичность атмосферных процессов. Наиболее важными задачами метеорологической науки являются задачи создания методов долгосрочного прогнозирования состояния атмосферы и моделирования процессов общей циркуляции атмосферы, в которых используются гидротермодинамические и физико-статистические методы. Успешное решение этих задач во многом определяется необходимостью учета наряду с другими факторами всех видов притоков тепла и, в частности, притоков тепла вследствие переноса лучистой энергии в атмосфере. В то же время успешному решению задачи учета радиационных процессов в численных схемах прогноза погоды препятствует исключительная их сложность и недостаточная изученность.

Проблема энергетики атмосферных процессов является одной из центральных проблем метеорологии. Для исследования физических закономерностей , определяющих крупномасштабные динамические и энергетические процессы в атмосфере, усовершенствования методов прогноза погоды и изучения климата необходимы данные о лучистом теплообмене и методы его расчета. Поэтому начало активных исследований с целью создания численных методов анализа и прогноза погоды (1970-е) ознаменовалось большим вниманием к теплообмену и появлением практических работ по общей циркуляции атмосферы с включением конкретных видов теплообмена, в частности, лучистого. Без учета влияния радиации невозможно построение сколько-нибудь корректной схемы численного прогноза погоды. Наиболее сложным в этих схемах является учет неадиабатичности атмосферных процессов, поэтому успешному решению этой задачи в теоретическом плане препятствует исключительная сложность процессов переноса излучения в свободной атмосфере.

Длинноволновая радиация является единственным мощным фактором потери тепла системой Земля-атмосфера, а также одним из важных факторов перераспределения энергии в свободной атмосфере, формирующих поле температуры. Перенос длинноволновой радиации является одной из причин неадиабатичности атмосферных процессов, однако теоретические расчеты переноса длинноволновой радиации сложны и недостаточно точны из-за отсутствия информации о распределении поглощающих субстанций атмосферы. Даже сейчас, при наличии сверхмощных ЭВМ расчеты поля длинноволновой радиации достаточно успешно проводятся только для безоблачных условий и некоторых типов облаков (слоистые с неограниченной протяженностью облачных слоев по горизонтали).

Отсутствие простых и надежных методов расчета потоков радиации привело к развитию экспериментальных методов изучения длинноволновой радиации в свободной атмосфере. Наиболее активно эти работы развивались в 1960-1970-х годах прошлого века. Для этого используются: 1) аэростатный метод; 2) самолетный метод; 3) метод искусственных спутников; 4) метод актинометрических радиозондов. Основными недостатками аэростатных и самолетных методов являются ограниченность их применения условиями погоды, а также невозможность получения статистически значимых рядов наблюдений. Информация с искусственных спутников Земли дает надежные статистические характеристики поля только уходящей, т.е. направленной вверх радиации, но интерпретировать эти результаты, а также изучать трансформацию поля радиации в атмосфере на этом материале невозможно.

Важным достижением 1960-х гт. явилась разработка актинометриче-ских радиозондов, предназначенных для измерения потоков и баланса длинноволновой (область 3 -30 мкм) радиации в ночное время. Советский актинометрический радиозонд АРЗ был создан и успешно испытан в начале 1960-х и уже через несколько лет в стране была создана вначале экспериментальная сеть из 3-5-ти станций актинометрического радиозондирования, а затем организована более обширная сеть из 15 станций на территории бывшего СССР. В 1970-1980-х, радиозонды АРЗ выпускались не только на сети, но и на судах погоды в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах и в Антарктиде. Накоплен обширный материал наблюдений, позволивший исследовать закономерности изменения длинноволновой радиации в свободной атмосфере на разных широтах, в различных сезонах года и при разных условиях облачности.

Цель настоящей работы заключается в получении статистически достоверных экспериментальных данных о строении изменчивости полей ДВ радиации в свободной атмосфере, основанных на результатах многолетней работы по сбору и обобщению данных актинометрического радиозондирования на территории бывшего СССР, в полярных регионах, над океанами и результатах анализа полученных данных. Результатами работы являются описание основных закономерностей пространственного распределения и временных вариаций поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере практически в глобальном масштабе, построение эмпирической модели радиационной атмосферы и данные о радиационных характеристиках облаков различных форм.

В 1960-1980-х, автором была выполнена работа по организации сети актинометрического радиозондирования: разработка методических указаний "Методика эксплуатации актинометрического радиозонда АРЗ", вып. 42, Москва, 1971 г., регулярное методическое руководство станциями, включающее также проведение методических инспекций и рабочих семинаров; проверку качества поступающих с сети материалов, их архивация и статистическая обработка. В результате этой работы выполнен анализ пространственно-временной изменчивости поля ДВ радиации в свободной атмосфере в глобальном масштабе, получены статистически достоверные климатические характеристики потоков и притоков длинноволновой радиации, опубликованные в трех выпусках справочников, построена эмпирическая модель стандартной радиационной атмосферы для длинноволновой радиации и проверена ее работоспособность для различных условий. Результаты работы опубликованы в центральных отечественных и международных журналах.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе дается обзор методов исследования длинноволновой радиации в атмосфере. Кратко описаны экспериментальные исследования потоков длинноволновой радиации в атмосфере, упомянуты теоретические исследования переноса длинноволновой радиации в атмосфере и выполнен анализ методов расчета тепловой радиации в атмосфере.

Вторая глава описывает историю развития актинометрического радиозондирования (АРЗ) атмосферы в СССР: организацию регулярно действующей сети АРЗ на территории бывшего СССР, выпусков актиномет-рических радиозондов на научно-исследовательских судах и в Антарктиде. Дано описание прибора АРЗ, приведены оценки точности измерения потоков и притоков ДВ радиации с помощью АРЗ-1. На основе созданного архива многолетних измерений потоков ДВ радиации получены и опубликованы справочные данные (3 тома) о полях длинноволновой радиации в свободной атмосфере над территорией бывшего СССР.

В третьей главе анализируются климатические характеристики радиационных параметров свободной атмосферы. Представлены средние многолетние характеристики, предложена эмпирическая модель стандартной радиационной атмосферы, построены карты, иллюстрирующие пространственную изменчивость полей ДВ радиации. Отдельно анализируется связь потоков ДВ радиации с облаками различных форм.

Глава 4 посвящена изложению результатов анализа распределения потоков ДВ радиации над океанами: Меридиональные изменения, изменчивость полей ДВ радиации в свободной атмосфере на полигонах АТЭП-74 (Атлантический океан) и МОНЭКС-79 (Индийский океан), построены радиационные модели тропической атмосферы над океанами.

В пятой главе анализируется длинноволновая радиация в атмосфере Антарктиды. Описана последовательность проведения экспериментальных наблюдения ДВ радиации в советских антарктических экспедициях и приведены результаты многолетних исследований ДВ радиации в атмосфере Антарктиды, показаны статистические характеристики полей ДВ радиации в Антарктиде.

Работа завершается заключением, в котором резюмируются основные результаты проведенного исследования и формулируется ряд проблем, еще не получивших своего исчерпывающего решения, которые автор, в виду их актуальности рекомендует в качестве первоочередных задач возрождающейся инструментальной метеорологии.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Зайцева, Нина Александровна

Заключение

В заключение подведем итоги выполненному в диссертации анализу климатических характеристик полей длинноволновой радиации в свободной атмосфере (тропосфере и нижней стратосфере), полученных главным образом методом актинометрического радиозондирования.

Необходимость изучения поля радиации определяется тем, что это один из основных факторов, нарушающих адиабатичность атмосферных процессов. Отсутствие простых и надежных методов расчета потоков и притоков радиации привело к развитию экспериментальных методов изучения длинноволновой радиации в свободной атмосфере, одним из которых является актинометрическое радиозондирование. В отличие от аэростатных и самолетных методов актинометрические радиозонды позволяют осуществлять регулярные наблюдения и получать статистически обеспеченные ряды наблюдений.

В период с 1962 по 1985 гг. организован и осуществлен уникальный долговременный и крупномасштабный эксперимент по измерению потоков и притоков длинноволновой радиации в атмосфере от поверхности Земли до высот 25-30 км. Созданный в Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета актинометрический радиозонд (разработчик прибора -к.ф.-м.н. Г.Н. Костяной) был внедрен на 15 аэрологических станциях на территории бывшего СССР, на советских судах погоды и на трех антарктических -станциях в Антарктиде. Собран обширный материал, позволивший получить статистически обеспеченные ряды данных и вычислить надежные климатические характеристики полей ДВ радиации на разных уровнях, разных широтах и в различных синоптических условиях.

Актинометрические радиозонды (АРЗ) представляют собой не только достаточно точные но и наиболее дешевые приборы для широкомасштабного исследования глобального поля ДВ радиации в свободной атмосфере. Простота конструкции и методики эксплуатации радиозонда и достаточная точность определения всех параметров позволяют успешно решить с помощью этого прибора многие геофизические задачи. Сеть актинометрического радиозондирования, выполнявшая регулярные выпуски АРЗ, существовала только в бывшем СССР.

Для каждой из 15 аэрологических станций сети АРЗ на территории бывшего СССР впервые рассчитаны средние многолетние величины потоков ДВ радиации на стандартных барических уровнях и параметры их изменчивости. Вертикальные профили радиационных параметров по многолетним данным оказались подобными по всем станциям сети большого географического региона. Локальные особенности проявляются лишь в смещении профиля на постоянную для данного пункта величину, а также в незначительных нерегулярных вариациях. По каждому из параметров зондирования: восходящий поток et, нисходящий поток el, эффективное излучение В (величина обратная балансу радиации) и скорость радиационного изменения температуры воздуха d77ck) рассчитаны средние вертикальные профили. Средний профиль позволил установить основные закономерности систематического изменения поля ДВ радиации с высотой, рассчитать характерные значения вертикальных градиентов радиационных потоков в различных слоях атмосферы. Восходящий поток уменьшается с высотой медленнее чем нисходящий, вследствие чего их разность - эффективное излучение системы "земная поверхность - атмосфера", с высотой возрастает. Основная трансформация радиационного поля происходит в атмосфере.

По осредненному профилю эффективного излучения рассчитаны средние скорости радиационного изменения температуры воздуха в различных слоях атмосферы. В среднем за год на всех уровнях имеет место радиационное выхолаживание, но неравномерное. В основной толще тропосферы оно равно 0.035-0.040 °С/ч, в нижней тропосфере (1000-900 гПа) dr/dx уменьшается до 0.030 °С /ч, около тропопаузы - до 0.012 °С /ч, и только в стратосфере наблюдается систематическое увеличение радиационного выхолаживания с высотой.

Оценены межгодовые изменения поля ДВ радиации. В тропосфере колебания нисходящего потока от года к году не превышает 10%, колебания восходящего потока и эффективного излучения несколько больше, но и они не превышают 15-20%. Обнаружена несомненная связь между изменениями поля ДВ радиации и вариациями атмосферной циркуляции от года к году. В поле ДВ радиации обнаруживается сезонная периодичность с почти постоянной амплитудой. Амплитуда сезонных изменений восходящего и нисходящего потока с высотой заметно уменьшается, а сезонные изменения эффективного излучения, наоборот, с высотой возрастают. Главная причина этого явления в том, что амплитуда сезонных изменений в нисходящем потоке убывает с высотой значительно быстрее, чем в восходящем. Годовые амплитуды величин потоков радиации очень устойчивы от года к году, сдвиг по фазе с высотой не наблюдается. Понятно, что вертикальные изменения еТ и е-l летом происходят быстрее, чем зимой.

На всех дальневосточных и южных станциях обнаружено "обращение" амплитуд сезонных изменений нисходящего потока в стратосфере. Летом он оказывается меньше, чем зимой. Причиной этого "обращения" скорее всего является "обращенный" годовой ход общего содержания озона в стратосфере. Так как оно убывает в направлении от полярных широт к тропическим, то на южных и дальневосточных станциях в силу региональных особенностей атмосферной циркуляции в летнее время - вторжения тропических воздушных масс - содержание озона летом и его излучение должно быть меньше, чем зимой.

Сопоставление потоков радиации с температурой и влажностью воздуха приводит к выводу, что профили еХ и е-l наилучшим образом коррелируют с температурой воздуха на данном уровне. Построенная по данным

АРЗ радиационная модель атмосферы для длинноволновой радиации имеет трехслойную структуру, соответствующую слою тропосферы, зоне тропопаузы и нижней стратосфере. Другими словами, радиационная структура обнаруживает подобие с температурной стратификацией. Подобной аналогии следовало ожидать ввиду выявленной тесной связи термического и радиационного полей. Однако менее очевиден, но статистически подтвержденный вывод о том, что коэффициент серости в пределах каждого из слоев радиационной модели имеет определенное характерное для этого слоя приближенно постоянное значение.

Параметры стандартной актинометрической атмосферы могут быть использованы как для оценки энергетического баланса атмосферы, так и для вычисления климатологических характеристик поля ДВ радиации. Эффективное излучение всей системы земная поверхность-атмосфера в целом за год изменяется значительно меньше, чем составляющие баланса ДВ радиации - восходящий и нисходящий потоки. Это значит, что ДВ радиация дает примерно постоянный вклад в изменение температуры воздуха в течение всего года, что и надо учитывать в математических моделях и долгосрочном прогнозе погоды.

Меридиональный ход радиационных потоков над океанами обнаруживает много сходных черт - минимум эффективного излучения в зоне тропической конвергенции вследствие большой влажности воздушных масс и большой повторяемости облаков, максимумы эффективного излучения имеют место в областях субтропических антициклонов. Наибольшие горизонтальные градиенты потоков наблюдаются на 10-х и 40-х параллелях, выявлено значительное влияние облаков.

Радиационные притоки тепла необходимы для сопоставления с другими формами теплообмена при оценке энергетического состояния атмосферы. Полученные соотношения между элементами атмосферной циркуляции и радиационного баланса показывают, что чем больше колебания радиационного баланса, тем меньше влияние колебаний давления на колебания температуры и тем больше вклад самих колебаний радиационного баланса в колебания температуры. Наименьшие значения радиаицонного баланса могут быть при весьма больших амплитудах колебаний давления, но малых по амплитуде колебаний температуры. Радиационный баланс имеет также малые амплитуды колебаний при больших амплитудах колебаний температуры, но малых по амплитуде колебаний давления. Получены данные, свидетельствующие о том, что радиационные эффекты наиюо-лее выражены в нижней тропосфере и в стратосфере. Рль радиации в формировании термического поля верхней тропосферы и нижней стратосферы незначительна.

В океанографических экспериментах Программы исследования глобальных атмосферных процессов (1972-1979 гг.) собрано около 1400 выпусков АРЗ над океанами. Выполненный над океанами статистический и физический анализ временной и пространственной изменчивости ДВ радиации показал исключительное своеобразие процессов переноса ДВ радиации в тропиках. Построены эмпирические радиационные модели для тропической атмосферы.

Анализ данных АРЗ в разных синоптических ситуациях позволил получить характерные значения потоков и притоков радиации для разных типов облаков. При сплошной облачности и в ясные ночи изменение восходящих потоков ДВ радиации в зимнее время не превышает ±5-7%, а в случаях переменной облачности может достигать ±10-12% за 2-4 часа. И в летнее и в зимнее время облачность определяющим образом влияет на перенос ДВ радиации в атмосфере. Во всех случаях, когда наблюдается увеличение облачности до значительной, эффективное излучение в стратосфере уменьшается на 55-70 Вт/м2. Зимой изменчивость восходящего потока несколько меньше, чем летом. Межсуточная изменчивость потоков ДВ радиации при резкой смене условий облачности может достигать 50

100%. И зимой и летом в условиях неустойчивой облачности поле ДВ радиации претерпевает значительные изменения.

Наиболее активными в радиационном отношении являются слоисто-дождевые и кучево-дождевые-облака, что объясняется их большой водностью и значительным вертикальным развитием. В нижней части этих облаков эффективное излучение почти везде отрицательно. Характерно, что при облаках всех видов сезонные различия потоков и эффективного излучения меньше, чем в безоблачной атмосфере. Уменьшение годовых амплитуд наблюдается и на уровне тропопаузы и в стратосфере и это означает, что облака в целом сглаживают сезонные вариации радиационного поля во всей толще атмосферы.

Проанализирована изменчивость полей ДВ радиации в Антарктиде -области глобального стока тепла. Получены оценки средних профилей потоков и радиационного выхолаживания. Показано существенное отличие излучательной способности облаков в Антарктиде от излучения абсолютно черного тела. Выявлена и аппроксимирована зависимость между излучательной способностью и температурой облаков, которая может быть использована в расчетах излучения атмосферы при облачном небе. Впервые для Антарктиды получены статистически обеспеченные климатические характеристики ДВ радиации. Поле ДВ радиации в районе антарктического побережья формируется в основном под влиянием облачности, а в центральной Антарктиде - под влиянием стратификации атмосферы. Облачность и инверсии температуры вызывают возникновение очага радиационного выхолаживания, достигающего 2-3 °С /сутки в слое 1-3 км. Вклад облачности в изменчивость потоков ДВ радиации превышает 50%. Возрастание интенсивности межширотного обмена от лета к зиме обусловливает соответствующее увеличение изменчивости ДВ радиации.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Зайцева, Нина Александровна, Москва

1. Барашкова Е.П. Некоторые закономерности вертикального распределения восходящего длинноволнового излучения. // Труды ГГО, 1968 г., вып 221.

2. Белинский В.А. Опыт измерения компонент радиационного баланса в свободной атмосфере. //Труды ЦАО, 1947 г., вып. 2.

3. Белов В.Ф., Зайцева Н.А., Костяной Т.Н., Шляхов В.И. Актинометрическое радиозондирование атмосферы над Атлантическим океаном // Метеорология и гидрология, 1967, № 4, с. 97-101.

4. Белов В.Ф., Зайцева Н.А., Костяной Г.Н., Шляхов В.И. Предварительные результаты исследования поля длинноволновой радиации в Антарктиде. // Метеорология и гидрология, 1971, № 5, с. 30-36.

5. Блинова Е.Н. Состояние и ближайшие задачи гидродинамической теории климата и долгосрочного прогноза погоды // Известия АН СССР, Серия геофизическая, 1964, № 1.

6. Бритаев А.С., Зайцева Н.А., В.И. Шляхов Радиационные потоки и озон в атмосфере. Труды ЦАО, "Аэрология-1970", 1971, с. 153-166.

7. Борисенков Е.П. Вопросы энергетики атмосферных процессов // Л., Гидрометеоиздат, 1960, 283 с.

8. Гаевский В.Л. Профиль потоков длинноволновой радиации в облаках. //В сб. "Исследование облаков, осадков и грозового электричества", 1961 г., Изд-во АН СССР.

9. Гайгеров С.С., Кастров В.Г. Исследование термической трансформации движущегося воздуха по результатам полетов свободных аэростатов. // Труды ЦАО, 1952, вып. 6.

10. Гайгеров С.С., Кастров В.Г. Результаты научных наблюдений в длительном полете свободного аэростата 25-28 октября 1950 г. // 1953 г., вып. 10.

11. Гайгеров С.С., Кастров В.Г. Некоторые обобщения относительно термической трансформации воздуха на основании полетов свободных аэростатов. // Труды ЦАО, 1954 г., вып. 13.

12. Гинзбург А.С. Расчет потоков теплового излучения по материалам экспедиции АТЭП. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1979 г., т. 15, №3.

13. Гинзбург А.С., Костяной Г.Н., Мулламаа Ю.-А.Р. Предварительная радиационная модель облачной атмосферы (тепловое излучение и кучевые облака). // Москва, АН СССР, препринт, 1977, 50 с.

14. Гинзбург А.С., Нийлиск Х.Ю. Сравнение различных методов расчета поля длинноволновой радиации. // В кн.: Теплообмен в атмосфере., М., Наука, 1972.

15. Гинзбург А.С., Фейгельсон Е.М. Приближенные методы расчета потоков и притоков тепла в тропосфере // Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1970, т.6, № 5.

16. Гинзбург А.С., Фейгельсон Е.М. Параметризация лучистого теплообмена в моделях общей циркуляции атмосферы. // В кн. "Физика атмосферы и проблема климата", 1980 г., М., Наука.

17. Голубицкий Б.М., Москаленко М.И. Функции спектрального пропускания в полосах паров Н20 и С02. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1968 г., т. 3, № 3, с. 346-359.

18. Горбунова Т.Н., Дмитриева-Арраго Л.Р., Зайцева Н.А., Самойлова Л.В. О возможности определения радиационных притоков по данным АРЗ. // В Сб. "Тезисы докладов XI Всесоюзного совещания по актинометрии", 1980, ч. IV, "Радиационная энергетика", с. 84-88.

19. Градус JI.M., Нийлиск Х.Ю., Фейгельсон Е.М. Построение функции пропускания атмосферы для учета длинноволнового радиационного притока в задачах динамической метеорологии // Сборник "Актинометрия и оптика атмосферы", 1968, Таллин, Валгус, с. 143-157.

20. Градус Л.М., Нийлиск Х.Ю., Фейгельсон Е.М. Интегральная функция пропускания для облачных условий. // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1968 г., т. 4, № 4, с. 397-413.

21. Гуди P.M. Атмосферная радиация // М., Мир, 1966.

22. Гусев A.M. Тепловой баланс Антарктики. // В сб. Антарктика, 1962, АН СССР, с. 12-17.

23. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. // М., Наука, 1967 г.

24. Долгин М.И. О влиянии температуры на формирование потоков длинноволновой радиации в атмосфере Антарктиды. // Проблемы Арктики и Антарктики, 1984, вып. 58, с. 72-76.

25. Долгин М.И., Зайцева Н.А., Розанов Е.В. Чувствительность длинноволновой радиации в атмосфере Антарктиды к изменению некоторых формирующих ее параметров. // Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1986, т. 22, № 1, с. 17-23.

26. Евсеева М.Г., Михайлова В.Е., Подольская Э.Л., Терещенко В.Г. Расчет интегральной функции пропускания для водяного пара и исследование ее зависимости от давления и температуры. // Труды ЛГМИ, 1974 г., вып. 49, с. 143-158.

27. Завьялова И.Н. О режиме облачности Антарктиды. // Труды ААНИИ, 1976, т. 328, с. 152-176.

28. Зайцева Н.А. Актинометрическое радиозондирование атмосферы. -Труды ЦАО, 1976, вып. 117, с. 138-146.

29. Зайцева Н.А. Влияние облачности на потоки длинноволновой радиации в атмосфере. Труды ЦАО, 1978, вып. 133, с. 25-32.

30. Зайцева Н.А. Пространственно-временная изменчивость потоков и притоков длинноволновой радиации в условиях муссонной циркуляции. // В Сб. "Метеорологические исследования", 1979, № 25, М., "Советское радио", с. 57-65.

31. Зайцева Н.А. Пространственно-временная изменчивость длинноволновых радиационных потоков и притоков радиации в условиях муссонной циркуляции. // В сб. "Метеорологические исследования", 1981, М., Наука, № 24 "Эксперимент Муссон-77", с. 52-58.

32. Зайцева Н.А. Результаты многолетнего и судового актинометрического радиозондирования применительно к задачам климата. Сборник "Материалы XII Всесоюзного совещания по актинометрии", 1984, Иркутск, ч. I, "Радиационная энергетика", с. 78-81.

33. Зайцева Н.А. Особенности структуры свободной атмосферы и полей ДВ радиации над океанами в условиях муссонной циркуляции. // В сб. "ПГЭП", JL, Гидрометеоиздат, 1985, т. 8 "Общая циркуляция атмосферы и численный эксперимент по данным ПГЭП", с. 125-129.

34. Зайцева Н.А. Аэрология (учебник для гидрометеорологических техникумов). // Д., Гидрометеоиздат, 1991.

35. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н. Меридиональное изменение поля длинноволновой радиации в атмосфере над Тихим океаном. // Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1966, т. II, № 12, с. 1235-1252.

36. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н. Изменение поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере в течение 7-10 часов. // Труды ЦАО, 1966, вып. 70, с. 41-57.

37. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н. Широтные и временные изменения поля длинноволновой радиации в центральной части Тихого океана. Труды ЦАО, 1969, вып. 83, с. 38-46.

38. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н. Временное изменение поля длинноволновой радиации в летний период. Труды ЦАО, 1969, вып. 83, с. 47-55.

39. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н. Методика эксплуатации актинометрического радиозонда АРЗ Методические указания ЦАО, Москва, 1971, вып. 42, 120 с.

40. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н. Поле длинноволновой радиации в свободной атмосфере (Справочные данные), Московское отделение Гидрометеоиздата, Москва, 1974 г., 147 с.

41. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н., Шляхов В.И. Средние многолетние характеристики поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере (по данным сети АРЗ). // Метеорология и гидрология, 1971, № 7, с. 35-42.

42. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н., Шляхов В.И. Модель стандартной радиационной атмосферы (длинноволновая радиация). // Метеорология и гидрология, 1973, № 12, с. 24-34.

43. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н., Шляхов В.И. Пространственно-временные характеристики поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере. // Метеорология и гидрология, 1974, № 4, с. 67-75.

44. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н., Фейгельсон Е.М. Радиационные модели тропической атмосферы. Сборник "Тезисы докладов XI Всесоюзного совещания по актинометрии", 1980, ч. IV, "Радиационная энергетика", с. 69-72.

45. Зайцева Н.А., Костяной Г.Н., Фейгельсон Е.М., Филиппова Н.С. Потоки теплового излучения в тропической атмосфере. Препринт ИФА АН СССР, 1979, М., Астрономический совет АН СССР, 55 с.

46. Зайцева Н.А., Кравченко И.М., Куракин В.И., Шляхов В.И. Исследование радиационных процессов в тропосфере. // В Сб. "ПОЛЭКС-Север-76", 1979, ч. 1, Л., Гидрометеоиздат, с. 194-206.

47. Зайцева Н.А., Кравченко И.М., Шляхов В.Т. Длинноволновая радиация индикатор синоптической эволюции. - Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1966, т. II, № 12, с. 1235-1252.

48. Зайцева Н.А., Краснова Т.М. Изменчивость полей длинноволновой радиации на полигонах АТЭП. // Труды Межведомственной экспедиции ТРОПЭКС-74, Л., Гидрометеоиздат, 1976, т. 1 Атамосфера, с. 542-549.

49. Зайцева Н.А., Краснова Т.М. Особенности распределения потоков длинноволновой радиации в Экваториальной Атлантике летом 1972 г. (по данным актинометрического радиозондирования) // Метеорология и гидрология, 1975, № 2, с. 88-98.

50. Зайцева Н.А., Фейгельсон Е.М. Особенности лучистого теплообмена в тропиках по данным актинометрического радиозондирования в экспедиции Тропэкс-74 (АТЭП). // Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана, 1979, т. 15, № 2, с. 154-168.

51. Зайцева Н.А., Фимпел Х.П. О сравнениях актинометрических радиозондов СССР и ФРГ, выполненных в период АТЭП-74 // Метеорология и гидрология, 1977, № 8, с. 91-95.

52. Зайцева Н.А., Шляхов В.И. Анализ поля длинноволновой радиации в свободной атмосфере над Антарктидой. // В Сб. "Антарктика", 1976, вып. 15, М, Наука, с. 30-42.

53. Зайцева Н.А., Шляхов В.И. Результаты многолетних исследований длинноволновой радиации в атмосфере Антарктиды. // В Сб. Антарктика (Основные итоги изучения Антарктики за 20 лет), 1978, М., Наука, вып. 17, с. 75-82.

54. Ивлев JI.C. Аэрозольная модель атмосферы. // В Сб. ЛГУ "Проблемы физики атмосфере", 1969 г., вып. 7.

55. Кондратьев К.Я. Лучистый теплообмен в атмосфере // Л., Гидрометоиздат, 1956, 356 с.

56. Кондратьев К.Я. Актинометрия // 1965, Л., Гидрометеоиздат, 357 с.

57. Кондратьев К.Я., Гаевская Г.Н., Никольский Г.А. Аэростатные исследования радиационного баланса системы "земная поверхность -атмосфера". // Космические исследования, 1963 г., т. 1, вып. 3.

58. Кондратьев К.Я., Гаевская Г.Н., Никольский Г.А. Вертикальный профиль радиационного баланса и его составляющих в свободной атмосфере в дневное время. // В Сб. "Искусственные спутники Земли", 1962 г. Изд. АН СССР.

59. Кондратьев К.Я., Нийлиск Х.Ю. Некоторые результаты теоретических расчетов углового распределения теплового излучения Земли как планеты в реальных условиях // Труды ГГО, 1964, вып. 166, с. 47-60.

60. Кондратьев К.Я., Орленко Л.Р., Рабинович Ю.И., Тер-Маркарянц Н.Е., Шляхов В.И. Комплексный энергетический эксперимент (КЭНЭКС). // Бюллетень ВМО, 1970, т. XIX, № 4.

61. Косарев А.Л., Мазин И.П., Шметер С.М. Сравнение некоторых микрофизических характеристик облаков разных географических районов. // В сб. "Вопросы физики облаков", Л., Гидрометеоиздат, 1978, с. 113-134.

62. Костяной Г.Н. Актинометрический радиозонд // Метеорология и гидрология, 1963, № 7.

63. Костяной Г.Н. Актинометрический радиозонд (теория прибора и точность измерений) //Труды ЦАО, 1969, вып. 84.

64. Костяной Г.Н., Курилова Ю.В. О радиационных свойствах облачности. // Труды ЦАО, 1969, вып. 70, с. 56-68.

65. Костяной Г.Н., Нийлиск Х.Ю. Сравнение измеренных и рассчитанных значений потоков длинноволновой радиации в атмосфере. // Тр. ЦАО, 1973, вып. 83, с. 56-68.

66. Костяной Г.Н., Тарасенко Д.А. Об изменении поля длинноволновой радиации вблизи тропопаузы. // Труды ЦАО, 1966, вып. 73.

67. Костяной Г.Н., Шляхов В.И. Международные сравнения актинометрических радиозондов // Метеорология и гидрология, 1967, № 5, с. 99-104.

68. Курилова Ю.В. О возможностях метеорологической интерпретации длинноволновой радиации. // Труды ММЦ, 1965, вып. 8.

69. Логвинов К.Т. Метеорологические параметры стратосферы. // Л., Гидрометеоиздат, 1970, 213 с.

70. Марков М.Н., Мерсон Я.И., Шамилев М.Р. Исследование поля теплового излучения стратосферы и тропосферы в ИК области спектра с геофизических аэростатов. // "Космические исследования", 1963 г., т. 1, вып. 2.

71. Марков М.Н., Мерсон Я.И., Шамилев М.Р. Сезонные вариации поля теплвого излучения Земли и атмосферы в ИК области спектра. // "Космические исследования", 1965 г., т. 3, вып. 2.

72. Маршу нова М.С. Условия формирования и характеристики радиационного климата Антарктиды. // Л., Гидрометеоиздат, 1980, 211 с.

73. Маршунова М.С., Долгин М.И. Исследования облачности в Антарктиде с помощью актинометрического радиозондирования. // Материалы XII Всесоюзного совещания по актинометрии, 1984, Иркутск, с. 75-77.

74. Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория климатов. // Гостехиздат, 1939 г.

75. Мохов И.И., Петухов В.К. Параметризация уходящей длинноволновой радиации для климатических моделей. // М., Препринт ИФА АН СССР, 1978 г., 34 с.

76. Нийлиск Х.Ю. Оценка влияния температурной зависимости функции пропускания атмосферы на результаты расчетов теплового излучения в земной атмосфере// Сборник "Исследования по физике атмосферы", 1964, ИФА АН ЭССР, № 5, с. 10-23.

77. Нийлиск (Арст) Х.Ю. Некоторые вопросы уточнения теоретических расчетов тепловой радиации атмосферы от погрешности исходных метеорологических данных. // В сб. "Радиация в атмосфере", 1969 г., ИФА АН ЭССР, Тарту.

78. Нийлиск Х.Ю., Саммел Л.Э. Интегральная функция пропускания атмосферы для расчетов поля теплового излучения в тропосфере. // В кн. "Таблицы радиационных характеристик атмосферы", Тарту, 1969 г., с. 128.

79. Перрен-де-Бришамбо Ш. Солнечное излучение и радиационный обмен в атмосфере. // М., Мир, 1966 г.

80. Поле длинноволновой радиации в свободной атмосфере (Справочные данные за 1976-1982 гг.). // Л. Гидрометеоиздат, 1990, т. 3, 200 с.

81. Поле длинноволновой радиации в свободной атмосфере (Справочные данные за 1968-1975 гг.). // Л. Гидрометеоиздат, 1987, т. 2, 370 с.

82. Пятненков Б.А. Радиационный баланс и радиационные изменения температуры в тропосфере Антарктического побережья. // Труды ААНИИ, 1965, т. 273, с. 187-205.

83. Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхности (под ред. К.Я. Кондратьева). // Л., Гидрометеоиздат, 1969, 324 с.

84. Радиация в облачной атмосфере (ред. Е.М. Фейгельсон). // JL, Гидрометеоиздат, 1981, 280 с.

85. Решетов В.Д., Маклакова Н.А., Демидова Е.И., Кубарева С.П. Периодическая изменчивость метеорологических элементов в атмосфере. // Труды ЦАО, 1971 г., вып. 94.

86. Русин Н.П. Метеорологический и радиационный режим Антарктиды. // 1961 г., Л., Гидрометеоиздат. 447 с.

87. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. // Л., Гидрометеоиздат, 1977,351 с.

88. Фейгельсон Е.М. Радиационные процессы в слоистообразных облаках. // М., Наука, 1964 г., 231 с.

89. Фейгельсон Е.М. Радиационный приток тепла в атмосфере. // Изв. АН СССР, Сер. Геофиз.,, 1964 г., № 10, с. 1539-1551.

90. Фейгельсон Е.М. Лучистый теплообмен и облака. // Л., Гидрометеоиздат, 1970, 230 с.

91. Хргиан. А.Х. Физика атмосферы. //Л., Гидрометеоиздат, 1970 г.

92. Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона. // 1969 г., Л. Гидрометеоиздат.

93. Шехтер Ф.Н. Некоторые вопросы радиационного теплообмена в облачной атмосфере. // Труды ГТО, 1966 г., вып. 187, с. 82-103.

94. Шифрин К.С. Перенос тепловой радиации в облаках. // Труды ГГО, 1955, вып. 46(108), с. 34-59.

95. Шляхов В.И. Исследование баланса длинноволновой радиации в тропосфере. // Л., Гидрометеоиздат, 1956 г.

96. Шляхов В.И. О минимальных температурах в Антарктиде. // Метеорология и гидрология, 1958, № 4.

97. Шляхов В.И. Методика измерения баланса радиации с самолета. // Информационный бюллетень САЭ, 1960, № 21, с. 7-12.

98. Шляхов В.И. Результаты актинометрического зондирования атмосферы в Антарктиде. // В сб. Антарктика, 1963, АН СССР, с. 120-125.

99. Businger I.A. and Kuhn P.V. On the observation of total and net radiation // Journal of Meteorology, 1960, vol. 17.

100. Businger I.A., Kuhn P.V. On the observation of total and net radiation. // Journ of Met., 1960, vol. 65, N 11.

101. Gille J.C. and Kuhn P.M. The International Radiometersonde Intercomparison Programme (1967-1971). WMO Technical Note No. 128, 1973, Geneva.

102. Kamaguchi O. Effective infrared emissivity of clouds in Antarctica. // Nat. Met. Inst, of Polar Research, 1983, Special Issue, N 29, p. 70-77.

103. Katuyama A.A. A simplified scheme for computation radiative transfer in the atmosphere. // Tech. Rep., 1972, N 6, Dept. Met. UCLA.

104. Kuhn P.M. Accuracy of the airborne economical radiometer // Monthly Weather Review, 1961, N 8.

105. Kuhn P.M. Radiometersonde observations of infrared flux emissitivity of water vapor// Journal of Applied Meteorology, 1963, vol. 2, N 3.

106. Kuhn P.M. International radiometersonde intercomparison // WMO Bulletin, 1965, vol. XIV.

107. Many A., Sreedhatan C.R., Srinivasan V. Measurements of infrared radiative fluxes over India. // Journ of Geoph. Res., 1965, vol. 70, N 18.

108. McCormick R.A. On estimation of the minimum possible surface temperature at the south pole. // Monthly Weather Review, 1958, vol. 86, N 1.

109. McClatchev R.A. Optical properties of the atmosphere. // AFCRL Environmental research papers, 1972, N 411, 108 p.

110. Mtiller H.G. Radiation measurements in the free atmosphere during the IGY and IGC. // Annals of IGY, 1964, vol. 32.

111. The Radiation Sub-Programme for the GARP Atlantic Tropical Experiment. GATE Report, 1973, N 4, October.

112. Riehl H. Radiation Measurements over the Caribbean Sea during the Autumn of 1960. //Journ. of Geoph. Res., 1962, vol. 67, N 10.

113. Rodgers C.D., Walshaw C.D. The computation of infrared cooling rate in planetary atmospheres. // Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 1966, vol. 92, N 391, pp. 67-92.

114. Zaitseva N.A. Vertical profiles of LW radiation fluxes in the GATE area. -GATE Report N 14, 1975, "Preliminary Scientific Results of GATE", vol. 1, JSMG, January 1975, pp. 304-309.

115. Zaitseva N.A., Kostyanoy G.N., Shlyakhov V.I. Radiometersounding in the USSR. // IRS-1976 "Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium (FRG, 1976)", 1977, Science Press, USA, pp. 414-416.

116. Zaitseva N.A., Shlyakhov V.I. Climatic characteristics of long-wave radiation in the Antarctic Atmosphere. IRS-1980 "Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium (USA, 1980)", 1980, Fort-Collins, USA, pp. 376-379.

117. Zaitseva N.A. Long-Wave Radiation under Monsoon Circulation. -International Conference on the Preliminary Results of FGGE, Talahassee, USA, January 1981, pp. 121-127.

118. Zaitseva N.A. Historical Developments in Radiosonde Systems in the Former Soviet Union. Bulletin of American Meteorological Society, 1993, vol. 74, N 10, October 1993, pp. 1893-1900.

119. Zaitseva N.A. Long-Wave Radiation as a Possible Indicator of the Aviation Impact. // Proceedings of International Colloquium "Impact of Aircraft Emissions upon the Atmosphere", 1996, France, Paris, ONERA, October 1996, vol. II, pp. 659-662.

120. Zaitseva N.A. Long-Wave Atmospheric Radiation over the Globe. IRS-96: "Current Problems in Atmospheric Radiation", 1997, Volume of extended abstracts of International Radiation Symposium, A. Deepak Publ., USA, Fairbanks, Alaska, pp. 742-744.

Информация о работе

Зайцева, Нина Александровна
доктора географических наук
Москва, 2003
ВАК 25.00.30

Диссертация

Климатические характеристики полей длинноволновой радиации в свободной атмосфере - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы