Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Особенности вертикального распределения водяного пара в арктической стратосфере по данным оптического гигрометра

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Особенности вертикального распределения водяного пара в арктической стратосфере по данным оптического гигрометра"

На правах рукописи

ХАЙКИН Сергей Михайлович

ОСОБЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АРКТИЧЕСКОЙ СТРАТОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ ОПТИЧЕСКОГО ГИГРОМЕТРА

25.00.29 - "физика атмосферы и гидросферы"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Долгопрудный 2005

Работа выполнена в ГУ «Центральная аэрологическая обсерватория».

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Юшков Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ларин Игорь Константинович

кандидат физико-математических наук Невзоров Анатолий Николаевич

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН

Защита состоится «26 » июля 2005 г. в 11 час. на заседании диссертационного совета К 327.010.01 при Центральной аэрологической обсерватории по адресу: г. Долгопрудный Московской обл., ул. Первомайская д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Центральной аэрологической обсерватории.

Автореферат разослан 26 июня 2005 г.

Учёный секретарь диссертационного совета К 327.010.01

кандидат географических наук Н.А. Безрукова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена усовершенствованию флуоресцентного гигрометра FLASH-B1 для аэростатных измерений влажности в верхней тропосфере и стратосфере и исследованию особенностей вертикального распределения водяного пара в Арктической стратосфере по данным, полученным при помощи гигрометра. Исследовательская часть работы выполнена на основе экспериментального лабораторного материала и по данным аэростатного зондирования Арктической атмосферы гигрометром FLASH-B.

Актуальность темы.

Водяной пар, являясь парниковым газом, воздействует на радиационный и температурный режим атмосферы и ее химический состав. В отсутствие водяного пара температура земной поверхности была бы на 32 К ниже существующей. Вклад водяного пара в парниковый эффект зависит не только от его общего содержания но и от его вертикального распределения.

Чрезвычайно важным является изучение долговременных изменений концентрации водяного пара. Обнаруженный по данным многолетних аэростатных наблюдений положительный тренд водяного пара в стратосфере не подтверждается спутниковыми наблюдениями. Между тем, увеличение ■ концентрации водяного пара в стратосфере может иметь серьёзные последствия на эволюцию стратосферы и являться свидетельством серьезных климатических изменений. Например, в работе Ванга2 делается вывод о том, что удвоение содержания водяного пара в стратосфере приведёт к увеличению средней температуры земной поверхности на 1К.

Стандартные радиозондовые измерения влажности, как правило, ограничены тропосферными высотами, в то время как спутниковые и наземные дистанционные измерения не обладают достаточным разрешением и являются надёжными только на высотах более 20 км. Контактные измерения водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере представляют сложную

1 FLASH-B - FLuorescent Advanced Stratospheric Hygrometer for Balloon

2 Wang W.C., Y.L. Yung, A A. Lacis T. Mo, //anWJl^rM^u^hMecK rtuetii Man-Made Pertubations of Trace Gases. Science, 1976, V. 194| '

С О®

техническую задачу из-за его низких концентраций в стратосфере и высокого градиента в области тропопаузы. Аэростатные гигрометры, способные измерять концентрацию водяного пара в этой области, в большинстве своём представляют собой крупногабаритные, дорогостоящие и сложные в применении приборы. С этой точки зрения, разработанный в Центральной аэрологической обсерватории и усовершенствованный автором малогабаритный аэростатный гигрометр FLASH-B, может служить наиболее приемлемым средством для изучения вертикального распределения влажности в верхней тропосфере и стратосфере.

Цель работы

Целью работы является исследование особенностей вертикального распределения водяного пара в зимней Арктической стратосфере, а также усовершенствование флуоресцентного аэростатного гигрометра FLASH-B для его массового изготовления и эксплуатации.

Поставленные цели достигались путём решения следующих задач:

1. Усовершенствование и доработка гигрометра:

• доработка и оптимизация оптической системы флуоресцентного гигрометра;

• разработка программного обеспечения для приёма телеметрической информации и обработки полётных данных флуоресцентного гигрометра;

• исследование характеристик бортовых источников вакуумного ультрафиолетового излучения для флуоресцентного гигрометра;

• определение констант скорости дезактивации возбуждённых молекул гидроксила для рабочего спектрального диапазона гигрометра (306 -310 нм).

2. Оценка погрешности измерения влажности флуоресцентным гигрометром.

3. Проведение аэростатных измерений водяного пара флуоресцентным гигрометром;

4. Сравнение гигрометра FLASH-B с гигрометром NOAA1 и микроволновым радиометром MIAWARA2 по данным международной полевой кампании LAUTLOS3;

5. Анализ полученных данных о вертикальном распределении водяного пара, включая модельные представления.

Научная новизна работы

1. Получены новые данные о вертикальном распределении водяного пара в зимней Арктической стратосфере. Анализ данных измерений FLASH-B и модельных расчётов позволил объяснить особенности вертикального распределения водяного пара вне, внутри и на границе полярного стратосферного циклона.

2. Определены особенности вертикального распределения водяного пара в зимний период для сравнительно «теплой» стратосферы и для экстремально низких температур в период существования полярных стратосферных облаков в Арктическом циклоне.

3. Получены оценки погрешности измерений гигрометром и намечены пути их уменьшения. Установлено по данным одновременных измерений, что расхождение между показаниями приборов FLASH-B и NOAA лежит в пределах заявленных погрешностей.

4. Для ограниченного (306-310 нм) спектрального диапазона флуоресценции определены константы скорости дезактивации возбужденных молекул гидроксила.

Практическая ценность работы

1. Усовершенствована технология сборки и настройки гигрометра с контролируемыми параметрами его оптических характеристик. Разработанный пакет программ трассировки лучей в оптической части

1 NOAA - National Atmospheric and Oceanic Administration, CLUA

2 MIAWARA - Middle Atmospheric WAter vapour RAdiometer, UiseHuapiu

' LAUTLOS-WA WAP - LAPBIAT Upper Tropospheric and LOwer Stratospheric Water Vapour VAhdation Project

гигрометра позволил применить пластиковые линзы, что в целом позволяет понизить вес, габариты и стоимость прибора.

2. Расширен высотный диапазон применения гигрометра, который с учетом полученных новых значений констант скорости дезактивации достигает 35 км.

3. Разработанный программный пакет HygroFLASH позволяет производить прийм, обработку, запись и графическую визуализацию данных измерений гигрометра FLASH-B в полностью автоматическом режиме непосредственно во время проведения аэростатного эксперимента.

4 Полученный массив данных о вертикальном распределении водяного пара может быть использован:

• как справочные данные по влажности Арктической стратосферы для

холодной и тёплой зимы для воздушных масс вне и внутри стратосферного циклона;

• для валидации климатических моделей и спутниковых данных;

• для изучения стратосферно-тропосферного обмена.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается хорошим согласием данных измерений гигрометра FLASH-B с данными измерений .гигрометра NOAA и радиометра MIAWARA, полученными в ходе проведения международной кампании сравнений. Процедура калибровки с использованием лабораторного гигрометра точки росы MBW-373L обеспечивает заданную влажность не хуже, чем ±0,1 °С по точке инея в диапазоне - 95 .. 20 °С.

Результаты исследований, полученные в работе, в целом согласуются с ранее опубликованными результатами.

Личный вклад автора

Автором лично были выполнены следующие работы:

• разработка программного комплекса для расчёта и оптимизации оптической системы гигрометра FLASH-B, а также расчёт усовершенствованной оптической системы;

• проведение лабораторных экспериментов и расчетов по улучшению технических характеристик гигрометра FLASH-B, включая оценку погрешности его измерений;

• разработка программного комплекса для приёма телеметрической информации и обработки полётных данных гигрометра;

• подготовка аппаратуры и участие в международной полевой кампании по сравнению аэростатных гигрометров и радиозондов, а также обработка и сравнительный анализ полученных данных;

• проведение анализа полученных данных о влажности Арктической стратосферы.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа вертикального распределения влажности внутри, вне и

на границе стратосферного циклона в условиях «тёплой» стратосферы (зима 2004 г.), а также в условиях экстремально низких температур в период существования полярных стратосферных облаков (зима 2005 г.).

2. Результаты сравнений гигрометра FLASH-B с гигрометром точки инея NOAA и микроволновым радиометром MIAWARA.

3. Анализ и оценка погрешности измерений гигрометром FLASH-B и рекомендации по улучшению его метрологических характеристик.

4. Усовершенствованная и оптимизированная оптическая система флуоресцентного гигрометра (применение линз Френеля, геометрия расположения оптических элементов), а также программный комплекс для приёма и обработки данных гигрометра в режиме реального времени.

Апробация работы и публикации

Основные результаты исследований по теме диссертации были доложены и обсуждались; на 3-ей Генеральной Ассамблее SPARC (г. Виктория, Канада, 2004 г.), на 4-ой всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии» (Москва, 2004), на XIX международном симпозиуме по озону (г. Кос, Греция, 2004), на Генеральной Ассамблее Европейского геофизического общества (г. Вена, Австрия, 2005), на VIII всероссийской конференции молодых

учёных «Состав атмосферы и электрические процессы» (Москва, 2004), на IX всероссийской конференции молодых учёных "Состав атмосферы и электрические процессы" (Борок, 2005), на международном симпозиуме по водяному пару в ВТНС (г. Ланкастер, Англия, 2005)

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах в Центральной аэрологической обсерватории, Институте физики атмосферы РАН и Институте прикладной физики РАН.

Основные результаты работы отражены в 12 научных публикациях. Список публикаций приводится в конце автореферата.

Структура н объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Диссертация включает 155 страниц текста, в том числе 39 рисунков и 11 таблиц и приложения на 10 страницах. Список литературы содержит 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основанные цели диссертационной работы, обоснована актуальность темы диссертации, ей научная новизна и практическая ' ценность.

В первой главе объясняется роль водяного пара в атмосферных процессах, главным образом, в области верхней тропосферы и нижней стратосфере. Приводится описание контактных методов и современных аэростатных приборов для измерения влажности в атмосфере. Подчёркивается, что контактные измерения водяного пара в наиболее важной, с точки зрения исследования стратосферно-тропосферного обмена, области - верхней тропосфере и нижней стратосфере представляют сложную техническую задачу из-за его низких концентраций в стратосфере и высокого градиента в области тропопаузы.

Во второй главе подробно рассмотрен флуоресцентный метод измерения влажности в атмосфере и описан прибор, построенный на этом методе -оптический флуоресцентный гигрометр FLASH-B.

Гигрометр FLASH-B, разработанный в Центральной аэрологической обсерватории представляет собой малогабаритный аэростатный прибор для измерения влажности в верхней тропосфере и стратосфере. Принцип действия гигрометра основан на измерении флуоресценции возбужденного гидроксила, образующегося в результате фотодиссоциации молекул воды под воздействием Lyman-a излучения (121,6 нм). В качестве источника Lyman-a излучения в гигрометра используется водородная лампа.

Приведены описания конструкции прибора, его оптической и электронной систем, системы передачи данных, а также отдельных компонентов прибора. Рассмотрены различные методы лабораторной калибровки гигрометра, подробно описан метод калибровки, применяемый в настоящее время. Приведены результаты исследования характеристик водородных ламп для флуоресцентного гигрометра

Произведена оценка констант скорости дезактивации возбуждённых молекул гидроксила для рабочего спектрального диапазона гигрометра (306 -310 нм). Сравнение полученных результатов с оценками, выполненными по другой методике, и с литературными данными даёт удовлетворительное согласие. Полученные значения констант были использованы для определения поправки для формулы пересчёта сигнала флуоресценции в отношение смеси водяного пара на высотах больше 25 км.

Рассмотрены варианты реализации оптической системы гигрометра. Разработанный автором программный комплекс, предназначенный для расчёта оптической системы гигрометра, позволил оптимизировать взаимное расположение оптических элементов прибора с целью увеличения точности фокусировки излучения флуоресценции на фотокатод при заданном расположении области флуоресценции. Рассчитанная при помощи данного программного комплекса комбинированная оптическая система из двух пластиковых и одной кварцевой линзы позволяет понизить вес, габариты и стоимость прибора.

Проведён анализ источников погрешности измерений гигрометра. Оценки показали, что основной вклад даёт случайная погрешность измерений (8,19%), которая проявляется как при калибровке гигрометров, так и в полёте. Наиболее весомой составляющей случайной погрешности является разброс значений сигнала в кадре данных (6%), который обусловлен шумом ФЭУ и электроники. Систематическая погрешность калибровки составила 0,76%. Суммарная погрешность гигрометра для диапазона высот 7-25 км составила 9%. Определены возможные пути уменьшения погрешности.

В третьей главе рассмотрены особенности и дано описание техники проведения аэростатных экспериментов с гигрометром FLASH-B. Приведено описание радиотелеметрической системы передачи данных, рассмотрены и проанализированы различные схемы аэростатного подвеса и типичные результаты аэростатных экспериментов. Приведено описание программного пакета для приёма и обработки данных аэростатного эксперимента.

Разработанный автором программный пакет HygroFLASH позволяет производить приём, обработку, запись и графическую визуализацию данных измерений гигрометра FLASH-B в полностью автоматическом режиме непосредственно во время проведения аэростатного эксперимента. Методы обработки и фильтрации данных, применяемые в программе, позволяют эффективно обнаруживать ошибочные данные, возникающие в результате ошибок радиотелеметрии.

Четвёртая глава посвящена сравнению данных измерений флуоресцентного гигрометра с данными других приборов, полученных в ходе проведения международной полевой кампании сравнений LAUTLOS-WAWAP. Целью кампании LAUTLOS было проведение сравнений существующих аэростатных приборов для измерения влажности стратосферы и тропосферы, а также получение новых высокоточных данных о влажности стратосферы в Арктическом регионе. С помощью гигрометра FLASH-B было голучено 11 вертикальных профилей водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере. В сравнении принимали участие различные аэростатные приборы и радиозонды, в том числе флуоресцентный гигрометр FLASH-B, гигрометр точки инея NOAA. Наряду с аэростатными измерениями во время кампании

проводились дистанционные измерения водяного пара в диапазоне высот 20..60 км с помощью наземного микроволнового радиометра MIAWARA. Кампания проводилась в январе-феврале 2004 года в г. Соданюола, Финляндия (67,4° с.ш., 26,6° в.д.). Следует заметить, что такие интенсивные измерения вертикального распределения влажности в Арктическом регионе осуществлялись впервые.

Сравнение данных одновременных измерений гигрометров FLASH-B и NOAA в высотном диапазоне 7-25,8 км по данным 6 аэростатных экспериментов (рис. 1) показало, что:

- среднее расхождение между показаниями гигрометров FLASH-B и NOAA по всему высотному диапазону сравнений (7 .. 25,8 км) за исключением области артефакта NOAA (8,8.. 11,8 км) составляет 7,18%;

- сильное занижение показаний

Сравнение данных уменьшенного

вертикального разрешения, полученных с помощью гигрометров FLASH-B и NOAA/CU-CFH с данными дистанционных измерений радиометром MIAWARA в диапазоне высот 20 ..26 км показало, что:

- завышение показаний ЫОАА в диапазоне высот 22 25,8 км обусловлено остаточным влиянием загрязнения (контаминации) и недостаточным быстродействием контроллера.

стратосферных высотах (11,8 .. 25,8 км) составляет 4,93%, а на тропосферных (7 ..8,8 км)-9,43%;

ЫОАА в диапазоне 8,8 .. 11,8 км вызвано особенностями работы кошроллера гигрометра ЫОАА при переключении режима работы;

среднее расхождение на

-30 -20 -ю о 10 20 30 расхождение (FLASH-NOAAyNOAA, %

Рис. 1 Профили относительного расхождения между данными гигрометров FLASH-B и NOAA для каждого из 6 одновременных измерений влажности, я профиль среднего расхождения.

- относительное расхождение между данными FLASH-B и MIAWARA и их среднеквадратичное отклонение составляют в среднем по всему высотному диапазону перекрытия -0,33% и 7,66% соответственно

- коэффициент корреляции между данными FLASH-B и MIAWARA составляет 0,84.

Использование одновременных измерений наземным радиометром MIAWARA и аэростатным гигрометром FLASH-B позволило получить единый профиль вертикального распределения водяного пара в диапазоне 0 .. 60 км, что представляет несомненный интерес дня моделирования атмосферных процессов, включая процессы радиационного обмена.

Сравнение данных измерений FLASH-B в тропосфере с данными приборов NOAA/CU-CFH, FN, Vaisala RS-92 и Snow White показало, что поправка, учитывающая предпоглощение ВУФ излучения в тропосфере, позволяет при определённых метеоусловиях расширить высотный диапазон измерений гигрометра F^ASH-B до 3-4 км.

В шгтой главе приведены результаты исследования вертикального распределения водяного пара в Арктической стратосфере по данным, полученным при помощи оптического гигрометра FLASH-B в январе - феврале 2004 г на севере Финляндии (в рамках кампании LAUTLOS) и в зимние месяцы , 2005 г. над о. Шпицберген.

За время проведения полевой кампании LAUTLOS, 1раница стратосферного циклона, определяемая по значению нормированного градиента потенциальной завихренности, дрейфовала относительно места, в котором проводилось аэростатное зондирование. Среди 11 профилей водяного пара, измеренных при помощи гигрометра FLASH-B, 3 профиля были получены вне зоны действия стратосферного циклона, и 4 - внутри циклона. Остальные 4 профиля были получены на границе циклона.

Построены характерные профили влажности стратосферы для этого периода для воздушных масс внутри и вне арктического стратосферного циклона (рис. 2). Достоверность этих данных подтверждается хорошим согласием с данными, полученными при помощи гигрометра точки инея NOAA.

Известно, что за счет окисления метана в верхней стратосфере отношение смеси водяного пара в стратосфере увеличивается с высотой. Поэтому нисходящие потоки в стратосферном циклоне, связанные с неадиабатическим оседанием воздушных масс, приводят к повышенным значениям отношения

Рис. 2 Усредненные профили водяного пара, по измерениям вне циклона и внутри циклона, полученным при помощи гигрометра FLASH-B в период с 29 января по 25 февраля 2004 года в ходе кампании LAUTLOS. Тонкие бледные кривые на рисунке с форматом, аналогичным усредненным профилям означают профили, участвовавшие в получении усредненных профилей.

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 6.0 Объёмное отношение смеси водяного пара, или*1

Полученные экспериментальные данные, приведенные на рис. 2, показывают, что отношение смеси водяного пара 5 млн"1 соответствует высоте 18 км внутри стратосферного циклона и 25 км вне циклона. Принимая во внимание, что только нисходящие потоки внутри стратосферного циклона определяют высотный градиент влажности на стратосферных уровнях, легко оценить, что с ноября 2003 года по февраль 2004 года оседание воздушных масс достигло в среднем 6-7 км.

Проведено сравнение данных измерений гигрометра FLASH-B с данными Европейского бюро среднесрочных прогнозов (ECMWF), а также с результатами расчета вертикальных профилей водяного пара по полулагранжевой модели MIMOSA на основе данных ECMWF. Сравнение показало, что данные ECMWF и результаты расчета профилей влажности при помощи модели занижены на I

смеси водяного пара внутри циклона (рис. 2).

27 г-

млн'1 по сравнению с данными измерений выше уровня 400 К, что соответствует относительному расхождению 20%. Несмотря на способность модели MIMOSA воспроизводить динамическую структуру стратосферного профиля водяного пара, существенное занижение влажности в исходных данных ECMWF вносит большую ошибку в модельные расчёты. Занижение влажности стратосферы в данных ECMWF может привести к заметным ошибкам в вычислении скорости радиационного нагрева и в оценках потенциального объёма полярных стратосферных облаков. Таким образом, данное исследование подчёркивает необходимость проведения дальнейших высокоточных измерений влажности в полярной стратосфере для валидации и улучшения климатических моделей.

Рассмотрены структурные особенности вертикальных профилей водяного пара. Слоистость или возникновение локальных максимумов и минимумов в профиле стратосферной влажности может быть вызвана неоднородной адвекцией в области с высоким горизонтальным градиентом влажности (например, вблизи границы стратосферного циклона), гравитационными волнами или дегидрацией (удаление водяного пара), вызванной образованием и оседанием ледяных частиц, и репарацией в нижних слоях в результате таяния и испарения этих частиц. Следует заметить, то) температуры в стратосфере внутри полярного циклона в январе-феврале 2004 года значительно превышали пороговые значения для образования облаков с ледяными частицами.

Профиль водяного пара, полученный на границе стратосферного циклона 17.02.2004 (рис. 3) характеризуется наличием слоёв, амплитуда которых примерно соответствует разнице в значении влажности внутри и вне циклона, что сразу вызывает предположение о различном происхождении воздушных масс, прибывающих в точку измерения (неоднородной адвекции).

Для проверки этой гипотезы с помощью траекгорной модели и данных ECMWF был построен вертикальный профиль потенциальной завихрённосги, которая использовалась как трассёр, определяющий принадлежность воздушных масс к стратосферному циклону (рис. 3).

<Н

Потенциальная зааихр1нностъ, м* с-1 кг'1 К 1(Г*

О 50 100 150 200

Опммаииа см «см ««дяим» паря, млн''

Локальные максимумы в профилях водяного пара и потенциальной завихрённости хорошо совпадают. Это говорит о том, что на этих высотах располагались циклонические воздушные массы, которые отразились на профиле влажности в виде локальных максимумов на высотах 18 км, 22 км и 26 км. Таким образом, в данном случае вертикальная структура профиля водяного пара была сформирована динамическими процессами.

Зимой 2004/05 года, в отличие от предыдущей зимы, стратосферный циклон был очень интенсивен, и внутри циклона наблюдались обширные области с аномально низкими для арктической стратосферы температурами. Это сопровождалось образованием полярных стратосферных облаков (ПСО). Аэростатные измерения водяного пара с помощью гигрометра FLASH-B и лидарные измерения обратного рассеяния проводились с арктической станции в Ню-Алесунде (78,9 0 с.ш., 11,9 0 в.д.).

В вертикальном профиле водяного пара, полученном 6 января 2005 г., на высотах 19-22 км наблюдается уменьшение отношения смеси на 0,5 - 1 млн-1, а на высотах 18-19 км - некоторое увеличение (рис. 4). Анализ данных температуры и обратного рассеяния для времени зондирования не обнаружил наличия ПСО с ледяными частицами. Между тем анализ температуры воздушной массы, приходящей" в точку измерений вдоль изоэтроиических обратных траекторий, построенных при помощи траекторией модели и данных

ЕСМ№Р показал, что за 9 дней до зондирования температура опускалась на 2 К ниже точки инея, что, очевидно, сопровождалось образованием ледяных частиц. Это послужило причиной наблюдаемого локального минимума в профиле водяного пара от 6.01.2005.

з 4 s 6 т Отношение смеси водяного пара, млн

Рис. 4 Вертикальный профиль водяного пара, полученный с помощью FLASH-B 6 января 2005 г. на ст. Ню-Алесунд

2 3 А 5 6 7 Отношение смеси водяного пара, млн

Рис. 5 Вертикальный профиль

водяного пара, полученный с

помощью FLASH-B 26 января 2005 г.

на ст. Ню-Алесунд

Профиль водяного пара, полученный 26.01.2005 имеет 3 локальных минимума в области 19 ..22,5 км (рис.5). Анализ данных температуры, обратного рассеяния и объёмной деполяризации для времени зсндирования обнаружил наличие трёх слоёв ПСО в этой области. Процессы образования ПСО сопровождались конденсацией водяного пара, что по всей вероятности, послужило причиной наблюдаемых локальных минимумов в профиле водяного пара. Анализ температуры воздушной массы, приходящей в точку измерений показал, что охлаждение воздушной массы, располагающейся в высотной области 18 .. 22 км, ниже точки инея на 1 - 2 °С произошло за 10-15 часов до момента измерения профиля влажности и, соответственно лидарных измерений. Таким образом, в отличие от случая 6 января, когда температура в стратосфере была недостаточна для образования ледяных частиц, и локальный минимум

объяснялся, как следствие образования ледяных частиц за 9 дней до зондирования, 26 января измерения влажности проводились непосредственно в присутствии ПСО П типа, образовавшихся за несколько часов до эксперимента.

В заключении формулируются основные результаты диссертационной работы:

1. Произведено усовершенствование оптического флуоресцентного гигрометра FLASH-B для измерений водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере.

а) Разработан программный пакет, позволивший оптимизировать существующую оптическую систему гигрометра и рассчитать усовершенствованную оптическую систему, построенную на пластиковых линзах Френеля.

б) Разработан программный комплекс HygroFLASH, предназначенный для приёма, обработки, записи и графической визуализации данных измерений гигрометра в полностью автоматическом режиме непосредственно во время проведения аэростатного эксперимента.

в) Сконструирована лабораторная установка для исследования характеристик источников вакуумного ультрафиолетового излучения и проведены её испытания. Предложена методика проверки пригодности водородных ламп для работы в составе гигрометра.

г) Произведена оценка констант скорости дезактивации возбужденных молекул гидроксила для отдельно взятых полос в спектре флуоресценции ОН*. Полученные результаты были использованы для определения поправки для данных гигрометра на высотах больше 25 км.

2. Проведены оценки погрешности измерений гигрометра FLASH-B. С учетом погрешности калибровки относительная погрешность измерений гигрометра в высотном диапазоне 7 .. 25 км составляет 9%. Показано, что основной вклад даёт случайная погрешность измерений (8,19%), которая проявляется как при калибровке гигрометров, так и в полёте. Предложена поправка в метод обработки данных, позволяющая расширить высотный диапазон измерений гигрометра.

3. Проведена серия аэростатных экспериментов с участием гигрометра FLASH-В. Получены новые высокоточные данные по вертикальному распределению водяного пара в зимней Арктической стратосфере.

4. Впервые произведён сравнительный анализ данных одновременных аэростатных измерений влажности гигрометрами FLASH-B и NOAA, а также дистанционных измерений влажности радиометром MLAWARA. Получен единый профиль вертикального распределения водяного пара в диапазоне 0 .. 60 км. Показано, что:

а) среднее расхождение между показаниями гигрометров FLASH-B и NOAA по всему высотному диапазону сравнений (7 .. 25,8 км) за исключением области артефакта NOAA (8,8 .. 11,8 км) составляет 7,18%, а на стратосферных высотах (11,8 .. 25,8 км) - 4,93%,. Результаты взаимной валидации двух приборов создали основы для их широкого использования по координированным программам наблюдений;

б) относительное расхождение между данными FLASH-B уменьшенного вертикального разрешения и данными MIAWARA, а также их среднеквадратичное отклонение составляют в среднем по всему высотному диапазону перекрытия (20 ..26 км) -0,33% и 7,66% соответственно. Коэффициент корреляции между данными FLASH-B и MIAWARA составляет 0,84.

5. Объяснены особенности вертикального распределения водяного пара вне, внутри и на границе полярного стратосферного циклона, а также в присутствии полярных стратосферных облаков. Проведены оценки неадиабатического оседания воздушных масс внутри стратосферного циклона по полученным профилям влажности. Выполнено сравнение данных FLASH-B с данными ECMWF, а также с результатами расчёта по полулагранжевой модели MIMOSA. Показано, что:

- на высоте 20 км разница в значении отношения смеси водяного пара вне и внутри стратосферного циклона может достигать ~1 млн'1 и увеличивается с высотой;

- слоистая структура в вертикальном профиле влажности, полученного на границе стратосферного циклона, вызвана неоднородной адвекцией

воздушных масс, что указывает на динамическую природу образования этих слоев;

- неадиабатическое оседание воздушных масс внутри арктического стратосферного циклона в период с ноября 2003 г. по февраль 2004 г. составило в среднем 5-6 км;

- слоистая структура профиля влажности в условиях низких температур и в

присутствии полярных стратосферных облаков обусловлена конденсацией водяного пара или дегидрацией воздушной массы;

- данные ECMWF и результаты расчёта профилей влажности при помощи модели MIMOSA занижены в среднем на 20% по сравнению с данными измерений выше уровня 400 К;

слоистая струетура профиля влажности на границе циклона воспроизводится моделью, но занижение влажности в исходных данных ECMWF вносит большую ошибку в модельные расчёты. Это подчёркивает необходимость проведения дальнейших высокоточных измерений влажности в полярной стратосфере для валидации и улучшения климатических моделей.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

1. Юшков В.А., Лукьянов А.Н., Хайкин С.М., Коршунов Л.И., Нюбер Р, Мюллер М., Киро Е., Киви Р., Фомель X., Сасано Я., Накане X., Вертикальное распределение водяного пара в Арктической стратосфере по данным полевой кампании LAUTLOS в январе-феврале 2004 года // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 2005, Т. 41, № 4 с. 1-9.

2. Khaykin S., Yushkov V., Korshunov L., Lukyanov A., Voemel H., Kyro E., Neuber R.. Kivi R, Water vapour vertical distribution inside, outside and at the edge of the polar vortex over Sodankyla, Finland in winter 2004 during LAUTLOS-WAWAP campaign, Proc. of the SPARC 3rd General Assemly, Victoria, British Columbia, Canada, August 2004, p. 130

3. Lukyanov A., Neuber R„ Muller M., Kyro E„ Kivi R., Yushkov V., Korshunov L., Khaykin S. and Karpetchko A., Stratospheric water vapour laminae over Sodankyla in winter 2004 during LAUTLOS campaign, Proc. of the SPARC 3rd General Assemly, Victoria, British Columbia, Canada, August 2004, p. 128.

4. Kivi R., Kyro E., Paukkunen A., Voemel H., Yushkov V., Lukyanov A., Khaykin S , Neuber R, and Muller M. Stratospheric and Upper Tropospheric water vapor observations at Sodankyla, Finland, Proc. of the SPARC 3rd General Assemly, Victoria, British Columbia, Canada, August 2004, p. 145.

5. Юшков В.А, Лукьянов A.H., Ситников H.M., Ситникова В.И., Хайкин С.М., Улановский А.Э., Мюллер Э., Нубер Р. Водяной пар в стратосфере как индикатор динамических и химических процессов И Физические проблемы экологии - труды 4-ой всероссийской научной конференции, Москва, МГУ, 2004, с. 34

6. Хайкин С.М., Юшков В.А, Лукьянов А.Н., Коршунов Л.И., Киви Р., Киро £., Фомель X. Исследование особенностей распределения водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере при помощи оптического флуоресцентного гигрометра. // Состав атмосферы и электрические процессы - труды VIII всероссийской конференции молодых учёных, Москва, 2004, с.20.

7. С.М.Хайкин Некоторые особенности распределения водяного пара в зимней арктической стратосфере // Состав атмосферы и электрические процессы - труды VIII всероссийской конференции молодых учёных, Борок, 2004, с.ЗО.

8. Deuber В, Haefele А, Feist D.G., Kämpfer N, Yushkov V, Lukyanov A, Khaikin S , Korshunov L„ Kivi R, Kyrö E., Vömel H Water Vapour Profiles from the Ground to the Mesosphere: Inter-comparison of Ground-based Microwave Remote Sensing Technique and Balloon-borne Hygrometers during the LAUTLOS Campaign // OZONE: Proc. of the XX Quadrennial Ozone Symposium ed. By C. Zerefos, Kos, Greece, 2004 V.2 P. 967-948.

9. Deuber В., Haefele A., Feist D.G., Martin L., Kampfer N.. Nedoluha G.E., Yushkov V. Khaykin S., Kivi R. and Middle Atmospheric Water Vapour Radiometer - MIAWARA: Validation and first results of the LAUTLOS / WA WAP campaign // J. Geophys. Res., принято в печать, 2005.

10. Karpetchko A., Lukyanov A , Kyro E, Voemel., Paukkunen A Khaikin S. Kivi R. Transport of the water vapour in the winter Arctic lowermost stratosphere during LAUTLOS campaign in Sodankyla, Finland II Proc. of the EGU General Assembly - 2005, European Geosciences Union, 2005, Geophysical Research Abstracts, V.7 , P. 07183.

11. Müller M., Fierli F, Yushkov V., Lukyanov A , Khaykin S., and Hauchecorne A Stratospheric water vapour in the Arctic: measurements and analysis // Proc. of the EGU General Assembly - 2005, European Geosciences Union, 2005, Geophysical Research Abstracts, V.7 , P. 02664.

12. Kivi R., Kyrö E, Dörnbrack A., Vömel H, Paukkunen A , Yushkov V,Lukyanov A , Khaykin S., Neuber R , Müller M. Stratospheric and Upper roposphericWater Vapor Observations in Sodankylä // Proc. of the EGU General Assembly - 2005, European Geosciences Union, 2005, Geophysical Research Abstracts, V.7 , P. 09757.

Хайкнн Сергей Михайлович

ОСОБЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АРКТИЧЕСКОЙ СТРАТОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ ОПТИЧЕСКОГО ГИГРОМЕТРА

Автореферат

Подписано в печать 10.06.05.Формат 60*90. Печать офсетная. Усл. печать, л. 1.2 тираж 70 экз.

Московский физико-технический институт (государственный университет). 141700, г. Долгопрудный, Институтский пер. 9.

»13091

PH Б Русский фонд

2006-4 9717

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Хайкин, Сергей Михайлович

Введение.

Глава 1. Роль водяного пара в атмосферных процессах и методы его измерения

1.1 Роль водяного пара в атмосферных процессах.

1.2 Обзор применяемых методов измерения влажности в атмосфере с использованием шар-зондов и аэростатов.

1.2.1 Гигрометры точки инея (конденсационные гигрометры).

1.2.2 Флуоресцентные гигрометры.

1.2.3 Подстраиваемые лазерно-диодные гигрометры.

1.2.4 Радиозондовые датчики влажности.

1.3 Резюме и выводы к главе 1.

Глава 2. Оптический флуоресцентный гигрометр FLASH-B

2.1 Флуоресцентный метод измерения влажности.

2.2 Общее описание и конструкция гигрометра FLASH-B.

2.2.1 Электронный блок.

2.2.2 Электронный фотоумножитель и интерференционный светофильтр.

2.3 Оптическая система гигрометра: расчёт и варианты реализации.

2.3.1 Юстировка оптической системы.

2.3.2 Расчёт оптической системы в разных вариантах реализации.

2.4 Водородная лампа.

2.4.1 Исследование стабильности и мониторинг водородных ламп.

2.5 Калибровка гигрометра.

2.6 Оценка констант скорости дезактивации.

2.7 Расчёт погрешности измерений гигрометра FLASH-B.

2.7.1 Погрешность калибровки.

2.7.2 Разброс значений в кадре данных.

2.13 Суммарная погрешность гигрометра.

2.8 Выводы к главе 2.

Глава 3 Техника аэростатных экспериментов с гигрометром FLASH-B

3.1 Система передачи данных.

3.2 Аэростатный подвес и схема аэростатного эксперимента.

3.3 Программное обеспечение аэростатных экспериментов.

3.4 Выводы к главе 3.

Глава 4 Сравнение гигрометра FLASH-B с гигрометром NOAA и микроволновым радиометром MIAWARA по данным полевой кампании LA UTLOS- WA WAP.

4.1 Полевая кампания LAUTLOS-WAVVАР.

4.2 Сравнение данных измерений FLASH-B и NOAA.

4.2.1 Задержка отклика гигрометра NOAA и её влияние на результаты сравнения.

4.3 Сравнение данных измерений микроволнового радиометра MIAWARA с данными аэростатных экспериментов.

4.4 Измерения влажности гигрометром FLASH-B в тропосфере.

4.5 Выводы к гдаве 4.

Глава 5. Особенности вертикального распределения водяного пара в зимней арктической стратосфере по данным FLASH-B.

5.1 Вертикальное распределение водяного пара внутри и вне стратосферного циклона по данным измерений FLASH-B в январе-феврале 2004 г.

5.1.1 Полярный стратосферный циклон 2003/04 года.

5.1.2 Анализ результатов измерений.

5.1.3 Результаты моделирования полей потенциальной завихренности.

5.2 Сравнение данных FLASH-B с модельными расчётами.

5.3 Структурные особенности профилей водяного пара.

5.3.1 Слоистая структура профиля стратосферной влажности на границе циклона.

5.3.2 Вертикальные профили водяного пара в присутствии полярных стратосферных облаков.

5.3.2.1 Полярные стратосферные облака и дегидрация.

5.3.2.2 Результаты измерений и анализ.

5.4 Выводы к главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Особенности вертикального распределения водяного пара в арктической стратосфере по данным оптического гигрометра"

Диссертационная работа посвящена усовершенствованию флуоресцентного гигрометра FLASH-B для аэростатных измерений влажности в верхней тропосфере и стратосфере и исследованию особенностей вертикального распределения водяного пара в Арктической стратосфере по данным, полученным при помощи гигрометра. Исследовательская часть работы выполнена на основе экспериментального лабораторного материала и по данным аэростатного зондирования Арктической атмосферы гигрометром FLASH-B.

Актуальность темы.

Водяной пар, являясь парниковым газом, воздействует на радиационный и температурный режим атмосферы и ее химический состав. В отсутствие водяного пара температура земной поверхности была бы на 32 К ниже существующей 1]. Вклад водяного пара в парниковый эффект зависит не только от его общего содержания но и от его вертикального распределения [2].

В связи с неоднородностью распределения водяного пара, связанной с атмосферной динамикой, а также наличием его фазовых переходов, существуют различные противоречивые гипотезы, объясняющие климатические изменения и отличающиеся знаком обратной связи между содержанием водяного пара и парниковым эффектом [3,4]. Хотя повышение температуры должно приводить к увеличению влажности и потеплению (парниковый эффект), не совсем ясно, приведёт ли это потепление к дальнейшему повышению влажности вследствие испарения (положительная обратная связь), или поднимающиеся тёплые воздушные массы будут осушаться (отрицательная обратная связь).

В этой связи чрезвычайно важным является изучение долговременных изменений концентрации водяного пара. Обнаруженный по данным многолетних аэростатных наблюдений положительный тренд водяного пара в стратосфере не подтверждается спутниковыми наблюдениями [5]. Между тем, увеличение концентрации водяного пара в стратосфере может иметь серьёзные последствия на эволюцию стратосферы и являться свидетельством серьезных климатических изменений [6]. Например, в работе [7] делается вывод о том, что удвоение содержания водяного пара в стратосфере приведёт к увеличению средней температуры земной поверхности на 1К.

Стандартные радиозондовые измерения влажности, как правило, ограничены тропосферными высотами, в то время как спутниковые и наземные дистанционные измерения не обладают достаточным разрешением и являются надёжными только на высотах более 20 км [5]. Контактные измерения водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере представляют сложную техническую задачу из-за его низких концентраций в стратосфере и высокого градиента в области тропопаузы. Аэростатные гигрометры, способные измерять концентрацию водяного пара в этой области, в большинстве своём представляют собой крупногабаритные, дорогостоящие и сложные в применении приборы. С этой точки зрения, разработанный в Центральной аэрологической обсерватории и усовершенствованный автором малогабаритный аэростатный гигрометр FLASH-B, может служить наиболее приемлемым средством для изучения вертикального распределения влажности в верхней тропосфере и стратосфере. Цель работы

Целью работы является исследование особенностей вертикального распределения водяного пара в зимней Арктической стратосфере, а также усовершенствование флуоресцентного аэростатного гигрометра FLASH-B для его массового изготовления и эксплуатации.

Поставленные цели достигались путём решения следующих задач: 1. Усовершенствование и доработка гигрометра:

• доработка и оптимизация оптической системы флуоресцентного гигрометра;

• разработка программного обеспечения для приёма телеметрической информации и обработки полётных данных флуоресцентного гигрометра;

• исследование характеристик бортовых источников вакуумного ультрафиолетового излучения для флуоресцентного гигрометра;

• определение констант скорости дезактивации возбуждённых молекул гидроксила для рабочего спектрального диапазона гигрометра (306 -310 нм).

2. Оценка погрешности измерения влажности флуоресцентным гигрометром.

3. Проведение аэростатных измерений водяного пара флуоресцентным гигрометром;

4. Сравнение гигрометра FLASH-B с гигрометром NOAA1 и микроволновым радиометром MIAWARA2 по данным международной полевой кампании LAUTLOS3;

5. Анализ полученных данных о вертикальном распределении водяного пара, включая модельные представления.

Научная новизна работы

1. Получены новые данные о вертикальном распределении водяного пара в зимней Арктической стратосфере. Анализ данных измерений FLASH-B и модельных расчётов позволил объяснить особенности вертикального распределения водяного пара вне, внутри и на границе полярного стратосферного циклона.

2. Определены особенности вертикального распределения водяного пара в зимний период для сравнительно «теплой» стратосферы и для экстремально низких температур в период существования полярных стратосферных облаков в Арктическом циклоне.

3. Получены оценки погрешности измерений гигрометром и намечены пути их уменьшения. Установлено по данным одновременных измерений, что

1 NOAA - National Atmospheric and Oceanic Administration, США

2 MIAWARA - Middle Atmospheric WAter vapour RAdiometer, Швейцария

3 LAUTLOS-WAVVAP - LAPBIAT Upper Tropospheric and LOwer Stratospheric Water Vapour VAlidation Project расхождение между показаниями приборов FLASH-B и NOAA лежит в пределах заявленных погрешностей.

4. Для ограниченного (306-310 нм) спектрального диапазона флуоресценции определены константы скорости дезактивации возбужденных молекул гидроксила.

Практическая ценность работы

1. Усовершенствована технология сборки и настройки гигрометра с контролируемыми параметрами его оптических характеристик. Разработанный пакет программ трассировки лучей в оптической части гигрометра позволил применить пластиковые линзы, что в целом позволяет понизить вес, габариты и стоимость прибора.

2. Расширен высотный диапазон применения гигрометра, который с учетом полученных новых значений констант скорости дезактивации достигает 35 км.

3. Разработанный программный пакет HygroFLASH позволяет производить приём, обработку, запись и графическую визуализацию данных измерений гигрометра FLASH-B в полностью автоматическом режиме непосредственно во время проведения аэростатного эксперимента.

4. Полученный массив данных о вертикальном распределении водяного пара может быть использован:

• как справочные данные по влажности Арктической стратосферы для холодной и тёплой зимы для воздушных масс вне и внутри стратосферного циклона;

• для валидации климатических моделей и спутниковых данных;

• для изучения стратосферно-тропосферного обмена.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается хорошим согласием данных измерений гигрометра FLASH-B с данными измерений гигрометра NOAA и радиометра MIAWARA, полученными в ходе проведения международной кампании сравнений. Процедура калибровки с использованием лабораторного гигрометра точки росы MBW-373L обеспечивает заданную влажность не хуже, чем ± 0,1 °С по точке инея в диапазоне - 95 . 20 °С.

Результаты исследований, полученные в работе, в целом согласуются с ранее опубликованными результатами.

Личный вклад автора

Автором лично были выполнены следующие работы:

• разработка программного комплекса для расчёта и оптимизации оптической системы гигрометра FLASH-B, а также расчёт усовершенствованной оптической системы;

• проведение лабораторных экспериментов и расчетов по улучшению технических характеристик гигрометра FLASH-B, включая оценку погрешности его измерений;

• разработка программного комплекса для приёма телеметрической информации и обработки полётных данных гигрометра;

• подготовка аппаратуры и участие в международной полевой кампании по сравнению аэростатных гигрометров и радиозондов, а также обработка и сравнительный анализ полученных данных;

• проведение анализа полученных данных о влажности Арктической стратосферы.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа вертикального распределения влажности внутри, вне и на границе стратосферного циклона в условиях «тёплой» стратосферы (зима 2004 г.), а также в условиях экстремально низких температур в период существования полярных стратосферных облаков (зима 2005 г.).

2. Результаты сравнений гигрометра FLASH-B с гигрометром точки инея NOAA и микроволновым радиометром MIAWARA.

3. Анализ и оценка погрешности измерений гигрометром FLASH-B и рекомендации по улучшению его метрологических характеристик.

4. Усовершенствованная и оптимизированная оптическая система флуоресцентного гигрометра (применение линз Френеля, геометрия расположения оптических элементов), а также программный комплекс для приёма и обработки данных гигрометра в режиме реального времени.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Хайкин, Сергей Михайлович

Основные результаты диссертационной работы, можно сформулировать следующим образом:

1. Произведено усовершенствование оптического флуоресцентного гигрометра FLASH-B для измерений водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере. а) Разработан программный пакет, позволивший оптимизировать существующую оптическую систему гигрометра и рассчитать усовершенствованную оптическую систему, построенную на пластиковых линзах Френеля. б) Разработан программный комплекс HygroFLASH, предназначенный для приёма, обработки, записи и графической визуализации данных измерений гигрометра в полностью автоматическом режиме непосредственно во время проведения аэростатного эксперимента. в) Сконструирована лабораторная установка для исследования характеристик источников вакуумного ультрафиолетового излучения и проведены её испытания. Предложена методика проверки пригодности водородных ламп для работы в составе гигрометра. г) Произведена оценка констант скорости дезактивации возбужденных молекул гидроксила для отдельно взятых полос в спектре флуоресценции ОН*. Полученные результаты были использованы для определения поправки для данных гигрометра на высотах больше 25 км.

2. Проведены оценки погрешности измерений гигрометра FLASH-B. С учётом погрешности калибровки относительная погрешность измерений гигрометра в высотном диапазоне 7 . 25 км составляет 9%. Показано, что основной вклад даёт случайная погрешность измерений (8,19%), которая проявляется как при калибровке гигрометров, так и в полёте. Предложена поправка в метод обработки данных, позволяющая расширить высотный диапазон измерений гигрометра.

3. Проведена серия аэростатных экспериментов с участием гигрометра FLASH-B. Получены новые высокоточные данные по вертикальному распределению водяного пара в зимней Арктической стратосфере.

4. Впервые произведён сравнительный анализ данных одновременных аэростатных измерений влажности гигрометрами FLASH-B и NOAA, а также дистанционных измерений влажности радиометром MIAWARA. Получен единый профиль вертикального распределения водяного пара в диапазоне 0 . 60 км. Показано, что: а) среднее расхождение между показаниями гигрометров FLASH-B и NOAA по всему высотному диапазону сравнений (7 . 25,8 км) за исключением области артефакта NOAA (8,8 . 11,8 км) составляет 7,18%, а на стратосферных высотах (11,8 . 25,8 км) - 4,93%,. Результаты взаимной валидации двух приборов создали основы для их широкого использования по координированным программам наблюдений; б) относительное расхождение между данными FLASH-B уменьшенного вертикального разрешения и данными MIAWARA, а также их среднеквадратичное отклонение составляют в среднем по всему высотному диапазону перекрытия (20 .26 км) -0,33% и 7,66% соответственно. Коэффициент корреляции между данными FLASH-B и MIAWARA составляет 0,84.

5. Объяснены особенности вертикального распределения водяного пара вне, внутри и на границе полярного стратосферного циклона, а также в присутствии полярных стратосферных облаков. Проведены оценки неадиабатического оседания воздушных масс внутри стратосферного циклона по полученным профилям влажности. Выполнено сравнение данных FLASH-B с данными ECMWF, а также с результатами расчёта по полулагранжевой модели MIMOSA. Показано, что:

- на высоте 20 км разница в значении отношения смеси водяного пара вне и внутри стратосферного циклона может достигать ~1 млн'1 и увеличивается с высотой;

- слоистая структура в вертикальном профиле влажности, полученного на границе стратосферного циклона, вызвана неоднородной адвекцией воздушных масс, что указывает на динамическую природу образования этих слоев; неадиабатическое оседание воздушных масс внутри арктического стратосферного циклона в период с ноября 2003 г. по февраль 2004 г. составило в среднем 5-6 км;

- слоистая структура профиля влажности в условиях низких температур и в присутствии полярных стратосферных облаков обусловлена конденсацией водяного пара или дегидрацией воздушной массы;

- данные ECMWF и результаты расчёта профилей влажности при помощи модели MIMOSA занижены в среднем на 20% по сравнению с данными измерений выше уровня 400 К;

- слоистая структура профиля влажности на границе циклона воспроизводится моделью, но занижение влажности в исходных данных ECMWF вносит большую ошибку в модельные расчёты. Это подчёркивает необходимость проведения дальнейших высокоточных измерений влажности в полярной стратосфере для валидации и улучшения климатических моделей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Хайкин, Сергей Михайлович, Долгопрудный

1. Harries J.E. The greenhouse Earth: A view from Space // Q.J.R. Meteorol. Soc., 1996, V. 122, №532, P. 799-818.

2. Kley D., Rassell J.M. and Phillips C. SPARC assessment of upper tropospheric and stratospheric water vapour // WCRP 113, WMO/TD No. 1043, 2000, SPARC Rep. No. 2. 312 pp.

3. Lindzen R.S. Some coolness concerning global warming // Bull. Am. Meteorol Soc., 1990, № 71, P. 288-289.

4. Rind D., Chiou E. W., Chu W. Positive water vapor feedback in climate models confirmed by satellite data // Nature, 1991, №349(6309), P. 500-503.

5. Shindel D. Climate and ozone response to increased stratospheric water vapour //Geophys. Res. Lett., 2001, V. 28, №8, P. 1551-1554

6. Wang W.C., Y.L. Yung, A. A. Lacis T. Mo, Hansen J.E. Greenhouse Effects due to Man-Made Pertubations of Trace Gases. Science, 1976, V.194, №4266, P. 685-690.

7. Solomon S. Progress towards quantitative understanding of Antarctic ozone depletion // Nature, 1990, №347, P.347-353.

8. Stohl A., Bonasoni P.,Cristofanelli P., Collins W et al. Stratosphere-troposphere exchange: A review and what we have learned from STACCATO // J. Geophys. Res., 2003, V. 108, № D12, P. 8516-8531.

9. Mote P. W., RosenlofK.H., Mclntyre M.E. et al. An atmospheric tape recorder: The imprint of tropical tropopause temperatures on stratospheric water vapor// J. Geophys Res., 1996, V. 101, P. 3989-4006.

10. Yl.Randel W.J., WuF., Oltmans S.J., Rosenlof K., Nedoluha G.E. Interannual Changes of stratospheric water vapor and correlations with tropical tropopause temperatures // J. Atmos. Sci., 2004, V. 61, №17, P. 2133-2148.

11. Forster P.M. and Shine K.P. Stratospheric water vapour changes as a possible contributor to observed stratospheric cooling // Geophys. Res. Lett, 1999, V. 26, №21, P. 3009-3321.

12. LeTexier H., Solomon S. and Garcia R.R. The role of molecular hydrogen and methane oxidation in the water vapour budget of the stratosphere, // Q.J.R. Meteorol. Soc., 1988, V. 114, №480, P.281-295.

13. Dlugokencky E.J., Steele L.P., Lang P. M. and Masarie K.A. The growth rate and distribution of atmospheric methane // J. Geophys. Res., 1994, V. 99, № D8, P. 17021-17043.

14. Wexler A. and Wildhack W.A. Humidity and Moisture, III: Fundamentals and standarts // Proc. 1963 Int. Symp. On Humidity and Moisture, Washington D.C., Reinolds Publishing Corporation, New-York, 1965.

15. SonntagD. Addvancement in the field of hygrometry // Meteorol. Zeitschrift, N.F.3, 1994, P. 44-51.

16. Wiederhold P.R. Water vapor measurement // Marcel Dekker Inc., New York, ISBN 0-8247-9319-6, 1997.

17. Brewer A. W. Work carried out on the Fortress aircraft allotted to H.A.F. for meteorological duties // MRP #169, Upper Air Section, Meteorological Research committee,14 February, 1944.

18. Brewer A. W. Condensation trails // Weather, 1946, №1, P. 34-40.

19. Oltmans S.J. Measurements of water vapor in the stratosphere with a frost point hygrometer // Proc. 1985 Int. Symp. on Moisture and Humidity, Washington D.C., Instrument Society of America, 1985, P. 251-258.

20. Voemel H., Oltmans S. J., Hofmann D. J., Deshler T. and Rosen J. M. The evolution of the dehydration in the Antarctic stratospheric vortex // J. Geophys. Res., 1995, V. 100, № D7, P. 13919-13926.

21. Mastenbrook H.J., Dinger J.E. The measurements of water vapor distribution in the stratosphere // U.S. Naval Research Lab. Rep. 5551, Washington D.C., Nov 1961.

22. Ovarlez J. A two temperature calibration system measurement and control in science and industry.// Proc. 1985 Int. Symp. on Moisture and Humidity, Washington D.C., Instrument Society of America, 1985, P. 235-241.

23. Ovarlez J. Stratospheric water vapour measurement in the tropical zone by means of a frostpoint hygrometer onboard long-duration balloons. // J. Geophys. Res., 1991,V.96,P. 15541-15545.

24. Ovarlez J., Ovarlez H. Teitelbaum H. In-situ water vapour measurements, a case study of dry mechanism of the tropical stratosphere // Quart. J. Roy. Meteorol Soc., 1996, №122, P. 1447-1458.

25. Ovarlez J. and Ovarlez H., Stratospheric water vapour content evolution during EASOE // Geophys Res. Lett., 1994, V.21, №13, P.1235-1238.

26. Ovarlez J., VanVelthoven P. Comparison of water vapor measurements with data retrived from ECMWF analysis during the POLINAT experiment // J.Appl. Meteorol., 1997, V.36, P.1329-1335.

27. Schmidlin F.J. Relative humidity measurements from a chilled-mirror technique flown on low cost radiosonde // Proc. of the American Meteorological Society meeting, Dallas, January 1999, P. 25

28. Kley D. and Stone E.J. Measurement of water vapor in the stratosphere by photodissociation with Ly-alpha (121,6 nm) light. // Rev. Sci. Instrum., 1978, V.49, P.691-697.

29. Bertaux J.-L. and Dellanoy A. Vertical distribution of H20 in the stratosphere as determined by UV fluorescence in-situ measurements // Geophys. res. Lett., 1978. V.5, P.1017-1020.

30. Buck A.L. The variable path Lyman-alpha hygrometer and its operating characteristics // Bull. M. Meteorol Soc., 1976, V.57, P.l 113-1118.

31. Khaplanov M., Gumbel J., Willhelm N. and Witt J. Hygrosonde A direct measurement water vapor in the stratosphere and mesosphere // Geophys Ress. Lett., 1996, V.23, P.1645-1648.

32. Kley D. Stone E.J., Henderson W A., Drummond J. W., Harrop W.J., Schmeltecopf A.L., Thompson T.L. and Winkler A.H. In-situ measurement of the mixing ratio of water vapor in the stratosphere // J. Atmos. Sci., 1979, V.36, P.2513-2524.

33. Kley D. Ly-alpha absorption cross-section of H20 and 02 I IJ Atmos. Chem., 1984, №2, P. 203-221.

34. WeinstockE.M., Schwab J.J., NeeJ.B., Schwab M.J., Anderson J.G. IIA cryogenically cooled photofragment fluorescence instrument for measuring stratospheric water vapor. // Rev. Sci. Instrum., 1990, №61, P. 1413-1432.

35. Zoger M. et al. Fast in-situ stratospheric hygrometer: A new family of balloon-borne and airborne Lyman-alpha photofragment fluorescence hygrometers//J. Geophys. Res., 1999a, V.104, P.1807-1816.

36. Webster C.R., Menziens R.T., Hinkley E.D. Infrared laser absorption: theory and application I I Laser remore chemical analysis, chapter 3, ed. by Meazures R.M., John Wiley, New York 1988.

37. Herriot D.R., Kogelnik H. and Kompfher R. Off-axis paths in spherical visual resonators // Appl. Opt., 1964, №3, P. 523-526.

38. Vay S.L. et al, Troposheric water vapor measurements over North Atlantic during Subsonic Assessment Ozone and Nitrogen Oxide Experiment (SONEX) in. Geophys. Res., 2000, V.105, P. 3745-3756.

39. Sachse G. W., Hill J.F., Wade L.O., Perry M.G. Fast response, high precision carbon monoxide sensor using a tunable diode laser absorption technique // J.Geophys Res., 1987, V.92., P.2071-2081.

40. WMO. Measurements of upper air temperature, pressure and humidity. Guide to meteorological instruments and methods of observation. Chapter 12, 1996, WMO №8, Sixth edition, Geneva, P. I.12-1-I.1232.

41. Elliot W.P. and Gaffen D.J. On the utility of radiosonde humidity achieves for climate studies // Bull. Amer. Meteorol. Soc., 1991, V.72, P. 1507-1520.

42. Schmidlin F.J. andIvanov A. Radiosonde relative humidity sensor performance: the WMO intercomparison, Sept. 1995. Preprint volume. 10th Symp. on meteorological observations and insrumentation, Amer. Meteor. Soc., 1998, P.68-71.

43. Showalter A.K. State-of-the-art survey on the application of hygrometry to meteorology. // Humidity and Moisture: Measurement and Control in Science and Industry, 1965, V.2 Application E.J. Amdur, ed; Reinholds publishing corp., New-York, P.441-445.

44. Gaffen D.J. Historical changes in radiosonde instruments and practice // WMO Geneva, Instruments and observing methods report №50,1993, WMO/TD-No.541, P. 123.

45. Antikainen V. and Paukkunen A. Studies on improving humidity measurements in radiosondes // Instruments and observing methods, WMO Geneva, 1994, P.137-141.

46. Miloshevich L.M., Voemel. H., Paukkunen A., Heymsfield and Oltmans S.J. Characterizations and correction of relative humidity measurements from Vaisala RS80-A radiosondes at cold temperatures // J. Atmos. Oceanic. Technol., 2001, V.16, P.135-156.

47. Sakai, Y., Sadaoka Y., Matsuguchi M.I Humidity sensors based on polymer thin films // Sens. Actuators, 1998, № B49 , P.185-197.

48. Matsuguchi, M., Umeda S., Sadaoka Y. and Sakai Y. Characterization of polymers for a capacitive-type humidity sensor based on water sorption behavior // Sens. Actuators, 1998, № B49, P.179-185.

49. Leiterer U., Dier H., Naebert T. Improvements in Radiosonde Humidity Profiles Using RS80/RS90 Radiosondes of Vaisala // Contr. Atmos. Phys., 1997, V.70, P. 319-333

50. Nagel D., Leiterer U., Dier H., Kats A., ReichardtJ. and Behrendt A. High Accuracy Humidity Measurements Using the Standardized Frequency Method with a Research Upper-Air Sounding System // Meteorol. Z., 2001, V.10, №5, P.395-405.

51. Soden B.J. and Lanzante J.R. An assessment of satellite and radiosonde climatologies of upper-tropospheric water vapor// J. Climate, 1996, V.9, 1235-1250.

52. Ross R.J. and Gaff en D.J. Comment on "Widespread tropical drying from 1979 to 1995", by Schroeder and McGuirk// Geophys. Ress. Lett, 1998, V.25, P. 4357- 4358.

53. Terenin A.N and Neiumin H. G. Photodissociation of molecules in Schumann ultraviolet// Nature, 1934, V. 134, № 3381, P. 255

54. Becker K.H., Ph.D. thesis, Univ. Of Bonn, BRD, 1964

55. T. Carrington,, J. Chem. Phys, 1968, V.49., P.2012

56. Kley D., Ph.D. thesis, Univ. Of Bonn, BRD, 1967

57. Kley D. and WelgeKH., J. Chem. Phys., 1968, V.49, P.2870

58. Brophy J.H., Silver J.A. and Kinsley J.L., Chem. Phys. Lett., 1974, V. 28, P.418.

59. Crosley D.R. and Lengel R.K., J. Quant Spectrosc. Radiat, Trans., 1975, V.15, P. 579.

60. Dellanoy A., Development d'un hygrometre stratospherique a fluorescence ultra-violette, Ph.D. thesis // L'Universite Pierre et Marie Curie, Paris, 1979

61. Sullivan J.O., Holland A.C. NASA report CR-371, 1968.

62. Ogawa M, J. Geophys. Res.,, 1968, V.73, P.6759.

63. Buck A., Lyman-alpha radiation source with high spectral purity // Appl. Opt., 1976, V.16, P.2634-2638.

64. Varier G. Ëxperiment on the interaction of Ly-alpha radiation and atomic hydrogen, Appl. Opt., 1967, V.6, №1, P. 167-171.

65. Gumbel J., Khaplanov M. and Witt G. Fluorescense and collisional energy transfer in OH // Report AP-34, Department of meteorology, Stokholm University, 1997, 39 p.

66. Hardy В., Mutter D. Relative humidity uncertainty analysis using dew/frost point measurements // RH systems technical report,www.rhsystems.net/ papers/Uncert.pdf, 5 p.

67. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. — 2-е изд. // М: Высш. шк., 1989., С.384.

68. Buck A. L. New equations for computing vapor pressure and enhancement factor // J. Appl. Meteorol., 1981, V.20, P. 1527-1532.

69. Deuber В. and Kampfer N. Minimized Standing Waves in Microwave Radiometer Balancing Calibration // Radio Science, 2004, V.19 (RSI009), P. 29-43.

70. Deuber В., Kampfer N. and Feist D.G. A new 22-GHz Radiometer for Middle Atmospheric Water Vapour Profile Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2004, V.42, №5, P. 974984.

71. Godson W. L. The representation and analysis of vertical distribution of ozone // J. Roy. Meteorol. Soc., 1962, V.88, P. 229-232.

72. Calisesi Y., Stubi R., KampferN. and Viatte P. Investigation of systematic uncertainties in Brewer-Mast ozone soundings using observations from a ground-based microwave radiometer // J. Atmos. and Oceanic Technol., 2003, V.20, №11, P.1543-1551.

73. Lait L. R. An alternative form for potential vorticity // J. Atmos. Sci., 1994, V.51 №12, P. 1754-1759.

74. Hanson D. R. and Mauersberger K. Laboratory studies of the nitric acid trihydrate: implications for the south polar stratosphere // Geophys. Res. Let., 1988, V. 15, №8, P. 855-858.

75. Tuck A.F et al. Stratospheric cloud processed air and potential vorticity in the northern hemisphere lower stratosphere at mid-latitudes during winter // J. Geophys. Res., 1992, V. 97, № D8, P. 7883-7904.

76. Лукьянов А.Н., Юшков В. А., Накане X., Акиоши X. Траекторная химическая модель нижней стратосферы // Изв. РАН Физика атмосферы и океана, 2000, том 36, № 6, с. 823-830.

77. Kanzawa Н. ed. ILAS correlative measurement plan // NIES technical report, 1997, F-105- '97/NIES, 178 pp.

78. Mutter M., Fierli F., Yushkov V., Lukyanov A., Khaykin S. et al. Stratospheric Water Vapor in the Arctic: Measurements and Modelling // J. Geophys . Res. In press 2005.

79. Schiller C., Engel A., Schmidt U., Borchers R., and OvarlezJ. The partitioning of hydrogen species in the Arctic winter stratosphere: Implications for microphysical parameters. // J. Geophys. Res., 1996, V.101, P. 14489-14493.

80. Ovarlez, J., Velthoven P. van, Sachse G., Vay S., Schlager H., and Ovarlez H. Comparison of water vapor measurements from POLINAT 2 with ECMWF analyses in high-humidity conditions // J. Geophys. Res., 2000, V.105, P.3737-3744.

81. ECMWF Newsletter No.82, ed. by Peter White, 1998, www.ecmwf.int/publications/newsletters/.

82. Simmons A. J., XJntch A., Jakob C., Kattberg P., and Unden P. Stratospheric water vapour and tropical tropopause temperatures in ECMWF analyses and multi-year simulations. // Q. J. R. Meteorol. Soc., 1999, V.125, P.353-386.

83. Marti J., Mauersberger K. A survey and new measurements of ice vapor pressure at temperature between 170 ad 250 К // Geophys. Res. Let., 1993, V.20, P.363-366.

84. Sutton R. T., Maclean H., Swinbank R., O 'Neill A. and Taylor F. W. High-resulution stratospheric tracer fields estimated from satellite observations using Lagrangian trajectory calculations // J. Atmos. Sci., 1994, V. 51, №20, P. 2995-3005.

85. Muller M., Neuber R., Fierli F., Hauchecorne A., Vomel H. and Oltmans S.J. Stratospheric water vapour as tracer for Vortex filamentation in the Arctic winter 2002/2003 // Atmos. Chem. Phys., 2003, V.3, P.1991-1997.

86. Ravishankara A. R. and Hanson D. R. Differences in the reactivity of type I polar stratospheric clouds depending in their phase // J. Geophys. Res., 1996, V.101, P.3 885-3890.

87. WaibelA. E., Peter, T., Carslaw K. S., OelhafH., Wetzel G., Crutzen P. J., Poschl U., Tsias A., Reimer E., and Fischer H. Arctic ozone loss due to denitrification // Science, 1999, V.283, P.2064-2069.

88. Fahey D.W., Gao R.S., Carslaw K.S., Kettleborough J., Popp P.J., Northway M.J., HolecekJ.C., Ciciora, S.C., etal. The detection of large HN03-containing particles in the winter Arctic stratosphere // Science, 2001,1. V.291, P. 1026-1031.

89. Tabazadeh A., ToonO.B., GaryB.L., Bacmeister J.T., andSchoeberl M.R. Observational constraints on the formation of type la polar stratospheric clouds // Geophys. Res. Lett., 1996, V.23, P. 2109-2112.

90. Larsen N., Knudsen B.M., Rosen J.M., Kjome N.T., Neuber R., andKyro E. Temperature histories in liquid and solid polar stratospheric cloud formation .//J. Geophys. Res., 1997, V.102, P.23505-23517.

91. Toon O.B.;Browell E. V., Kinne S., and Jordan J. An analysis of lidar observations of polar stratospheric clouds // Geophys. Res. Lett., 1990, V.17, P.393-396.

92. Gobbi G.P., Di Donfrancesco G., and Adriani A.: Physical properties of stratospheric clouds during the Antarctic winter of 1995 // J. Geophys. Res., 1998, V.103, P. 10859-10873.

93. Tabazadeh et al. Formation and implications of ice particle nucleation in the stratosphere. // Geophys.Res.Let., 1997, V.24, P.2007-2010.

94. Schiller C., et al., Dehydration in the Arctic stratosphere during the SOLVE/THESEO-2OOO campaigns // J. Geophys. Res., 2002, V. 107, № D20, P.3682-3693, doi: 10.1029/2001JD000463, 2002.

95. Voemel H., Rummukainen M., Kivi R., Karhu J., Turunen T., Kyro E., Rosen J., Kjome N. and Oltmans S. Dehydration and sedimentation of ice particles in the Arctic stratospheric vortex // Geophys. Res. Lett., 1997, V.24, P.795-798.

96. Kelly KK etal. Dehydration in the lower Antarctic stratosphere during late winter and early spring, 1987 // J. Geophys. Res., 1989, V.94, P.l 131711357.

97. Nedoluha G., et alPOAM III measurements of dehydration in the Antarctic lower stratosphere // Geophys. Res. Lett., 2000, V.27, P. 1683- 1686.

98. FaheyD. W., Kelly К.К., Kawa S.R., TuckA.F., Loewenstein M., ChanK.R. and Heidt L.E. Observations of denitrification and dehydration in the winter polar stratosphere//Nature, 1990, V.344, P.321-324.

99. Stowasser M. et al., Simultaneous measurements of HDO, H20, and CH4 with MIPAS-B: Hydrogen budget and indication of dehydration inside the polar vortex//J. Geophys. Res., 1999, V.104, P. 19213-19225.

100. Ovarlez J., and Ovarlez H., Water vapour and aerosol measurements during SESAME and the observation of low water vapour content layers // Air Pollut. Rep. 56, Polar Stratospheric Ozone Comm. of Eur. Commun., Luxemberg, 1995, P.205-208.

101. Hintsa E. et al., Dehydration and denitrification in the Arctic polar vortex during the 1995-1996 winter// Geophys. Res. Lett., 1998, V.25, №4, P.501- 504.

102. BieleJ., Tsias A., Luo B.P., Carslaw K. S., Neuber R., Beyerle G., and Peter T. Non-equilibrium coexistence of solid and liquid particles in Arctic stratospheric clouds // J. Geophys. Res., 2001, V.106, P.22991-23007.