Пространственно-временная изменчивость показателя преломления воздуха в тропической зоне северо-западной части Тихого океана Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551. 510

Н.И. Павлов, С.В. Замышляев, В.М. Зуев, Д.Е. Иванова

ПАВЛОВ Николай Иванович - доктор географических наук, профессор кафедры безопасность жизнедеятельности в техносфере Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected], ЗАМЫШЛЯЕВ Сергей Витальевич - старший преподаватель кафедры экологии (Дальневосточная сельскохозяйственная академия, Уссурийск), ЗУЕВ Виктор Михайлович - инженер по технике безопасности (ТЭЦ-2, Владивосток), ИВАНОВА Дарья Евгеньевна - студентка Школы экономики и менеджмента (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).

© Павлов Н.И., Замышляев С.В., Зуев В.М., Иванова Д.Е., 2012

Пространственно-временная изменчивость показателя преломления воздуха

в тропической зоне северо-западной части Тихого океана

Исследуются особенности пространственной изменчивости показателя преломления воздуха в тропической зоне северо-западной части Тихого океана с использованием данных зондирования атмосферы. Ключевые слова: пространственно-временная изменчивость, показатель преломления, воздух, тропическая зона, северо-западная часть, Тихий океан.

Spatial and temporal variability refractive index of air in the tropical north- western Pacific Ocean. Nikolai I. Pavlov, Daray E. Ivanova (Far Eastern Federal University, Vladivostok), Sergey V. Zavushlayev (Far Eastern Academy of Agriculture, Ussuriisk), Viktor M. Zuev (TEC-2, Vladivostok).

Features of spatial variability of an indicator of refraction of air in a tropical zone of a northwest part of the Pacific Ocean with use of data of sounding of the atmosphere.

Key words: existential variability, refraction indicator, air, tropical zone, northwest part, Pacific Ocean.

Цель статьи - рассчитать показатель преломления воздуха над тропической зоной северо-западной части Тихого океана по данным морских экспедиций Дальневосточного регионального научно-исследовательского гидрометеорологического института (ДВНИГМИ), выяснить особенности распределения показателя преломления воздуха в инверсионных слоях атмосферы.

Степень влияния атмосферы как среды, в которой распространяются электромагнитные волны, можно учесть с помощью показателя преломления воздуха. Ошибка измерения координат источника излучения электромагнитных волн существенно зависит от особенностей пространственно-временной изменчивости данного показателя. Основное значение имеет неоднородность распределения показателя преломления с высотой, что обусловливает рефракцию радиоволн [1, 2].

Расчет показателя преломления над исследуемым районом по данным морских экспедиций ДВНИГМИ производился по формуле Смита-Вейнтрауба [3]

77,6 ( е \

N = (Р + 4810 —); (1)

где Р - давление воздуха в гПа, Т - абсолютная температура воздуха по шкале Кельвина, Е - парциальное давление водяного пара в гПа.

Продифференцировав (1) по Z, получим

dN dz

yn = - — = 77,6

Р (y - Y) + 4810 f Ye - 2Y

T 2 a ' ' T 2 ^ e T

(2)

где УК - вертикальный градиент показателя преломления, Уа - адиабатический градиент температуры воздуха, У - вертикальный градиент температуры воздуха, Уе - вертикальный градиент упругости водяного пара.

В атмосфере Уа ~ 1 °С/100 м - постоянная величина. Вертикальный градиент упругости водяного пара обычно имеет положительное значение. Сильно колеблется и изменяет свой знак только вертикальный градиент температуры воздуха.

При изотермии У= 0, а при инверсии У< 0.

Таким образом, вертикальный градиент показателя преломления воздуха имеет максимальные значения в инверсионных слоях атмосферы. Чем мощнее инверсия, тем больше градиент показателя преломления

воздуха. При неустойчивой стратификации, когда вертикальный градиент температуры воздуха может быть больше ее адиабатического градиента, первый член в уравнении (2) будет иметь отрицательное значение.

В этих случаях градиент показателя преломления воздуха будет иметь наименьшее значение, а в некоторых случаях (при сверхадиабатических градиентах температуры воздуха) - и отрицательные значения.

Траектория радиолуча в атмосфере существенно зависит от градиента показателя преломления вдоль трассы. На распространение радиоволн большое влияние оказывают температурные инверсии, а также аномальные перепады влажности воздуха. В инверсионных слоях с интенсивной сверхрефракцией образуются волноводы, в области которых происходит «захватывание» радиоволн [1, 2].

Наибольшие вертикальные градиенты показателя преломления воздуха встречаются в морском тропическом воздухе. Градиент показателя преломления в нижнем стометровом слое в основном определяет потери на рассеяние в системах дальней тропосферной связи. Сильные инверсии температуры и влажности воздуха являются причиной больших вертикальных градиентов показателя преломления. Вариации рефракции радиоволн ярко выражены в зоне холодного полярного фронта с большими горизонтальными градиентами температуры воздуха [2].

Задерживающие слои наблюдаются в областях антициклонов, в пассатных потоках, на северной и южной границах внутритропической зоны конвергенции (ВЗК), на периферии тайфунов, в областях холодного гидрологического «следа» тайфунов, в зонах аппвеллинга вод.

Для периферии тайфунов характерно наличие инверсионных слоев. При приближении к центру тайфуна инверсии исчезают, и влажный воздух (относительная влажность 90% и более) распространяется до высоты 10 км. При наличии инверсионного слоя относительная влажность 80-100% наблюдается под слоем инверсии.

Наиболее мощный слой влажного воздуха наблюдается в восточной части тайфуна. Воздух с относительной влажностью 70% распространяется в нижнюю стратосферу до высоты 20 км. В зонах нисходящих вертикальных движений изогиста 70% достигает высоты лишь 3-4 км. В поле относительной влажности на периферии тайфунов хорошо заметны инверсионные слои, где относительная влажность уменьшается до 30-40%. Выше и ниже инверсионных слоев относительная влажность достигает 90% в июле-сентябре, т.е. в сезон наибольшей активности тайфунов и максимального прогрева тропических океанических вод. Наибольшее значение общего влагосодержания 60 кг/м и более наблюдаются преимущественно в Филиппинском море, где имеет место наибольшая интенсификация тайфунов и откуда берут начало супертайфуны с давлением в центре 90 гПа и менее.

В начальной стадии развития тайфуна относительная влажность 100% в центральных районах ТЦ (тропического циклона) распространяется до уровня 800 гПа, а влажность 90% - до уровня 500 гПа. Далее она постепенно уменьшается и на уровне 200 гПа становится равной 15% . В зрелой стадии развития тайфуна влажность 100% распространяется до уровня 500 гПа. На уровне 200 гПа влажность равна 20% . В этой стадии ТЦ наблюдаются и экстремальные значения общего влагосодежания, достигающие 65-70 кг/м2.

При большом влагосодержании в слое 0-10 км (65-70 кг/м2 ) в пограничном слое атмосферы (0-2 км) содержится около 50% общего влагосодержания. В более сухой атмосфере (общее влагосодержание 32-36 кг/м2) в слое 0-2 км содержится 60-70% общего влагосодержания.

В ВЗК тропической депрессии и тыловой части тайфуна среднее значение общего влагосодержания составляет 57-58 кг/м2. В передней части тайфуна общее влагосодержание увеличивается до 61 кг/м2. В пассатной волне общее влагосодержания составляет 54 кг/м2. В пассатных потоках на южной периферии субтропического антициклона среднее влагосодержание уменьшается до 45 кг/м2. Заметное уменьшение влагосодержания отмечается в следе тайфунов. Так, в следе тайфуна Виржиния, по данным экспедиции «Тай-фун-78» общее влагосодержание составило 47 кг/м2. Вследствие подъема холодных глубинных вод океана выхолаживание приводного слоя атмосферы было настолько интенсивным, что в следе тайфуна образовался радиационный туман. В колебаниях влагосодержания отчетливо прослеживается четырехсуточная волна.

При приближении тайфуна к побережью происходит процесс вторжения сухого воздуха с азиатского континента в тайфун, что является одной из причин его заполнения. Сухой воздух, вторгающийся в северо-западный и западный секторы тайфуна, подавляет конвекцию и вызывает асимметрию в распределении облачности и осадков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вяльцева Э.Е. Изменчивость коэфициента преломления атмосферы для УВК в пограничном слое // Метеорология и гидрология. 1972. № 2. С. 8-14.

2. Пахомов Л.А., Пинус Н.З., Шметер С.М. Аэрологическое исследование изменчивости коэффициента преломления атмосферы для ультракоротких радиоволн. М.: Гидрометиоиздат, 1960.

3. Tuston J.D., Bennetes D.A., Farmer S.F.G. An introduction to radio ducting.-Meteorological Magazine. 1988. Vol. 117. Р. 245-254.