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

Краткое описание

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...5

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

1.1 Роль водяного пара в атмосферных процессах...11

1.2 Обзор применяемых методов измерения влажности в атмосфере с использованием шар-зондов и аэростатов...15

1.2.1 Гигрометры точки инея (конденсационные гигрометры)...18

1.2.2 Флуоресцентные гигрометры...20

1.2.3 Подстраиваемые лазерно-диодные гигрометры...23

1.2.4 Радиозондовые датчики влажности...25

1.3 Резюме и выводы к главе 1...28

Глава 2. Оптический флуоресцентный гигрометр FLASH-B

2.1 Флуоресцентный метод измерения влажности...30

2.2 Общее описание и конструкция гигрометра FLASH-B...35

2.2.1 Электронный блок...38

2.2.2 Электронный фотоумножитель и

интерференционный светофильтр...42

2.3 Оптическая система гигрометра: расчёт и варианты реализации...44

2.3.1 Юстировка оптической системы...45

2.3.2 Расчёт оптической системы в разных вариантах реализации...46

2.4 Водородная лампа...49

2.4.1 Исследование стабильности и

мониторинг водородных ламп...53

2.5 Калибровка гигрометра...56

2.6 Оценка констант скорости дезактивации...60

2.7 Расчёт погрешности измерений гигрометра FLASH-B...65

2.7.1 Погрешность калибровки...65

2.7.2 Разброс значений в кадре данных...68

3

2.7.3 Суммарная погрешность гигрометра...69

2.8 Выводы к главе 2...71

Глава 3 Техника аэростатных экспериментов с гигрометром FLASH-B

3.1 Система передачи данных...74

3.2 Аэростатный подвес и схема аэростатного эксперимента...76

3.3 Программное обеспечение аэростатных экспериментов...80

3.4 Выводы к главе 3...86

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-WAVVAP...88

4.2 Сравнение данных измерений FLASH-B и NOAA...90

4.2.1 Задержка отклика гигрометра NOAA и её влияние на результаты сравнения...95

4.3 Сравнение данных измерений микроволнового радиометра MIAWARA с данными аэростатных экспериментов...98

4.4 Измерения влажности гигрометром FLASH-B в тропосфере...102

4.5 Выводы к главе 4...104

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...107

5.1.1 Полярный стратосферный циклон 2003/04 года...107

5.1.2 Анализ результатов измерений...108

5.1.3 Результаты моделирования полей

потенциальной завихренности...112

5.2 Сравнение данных FLASH-B с модельными расчётами...114

5.3 Структурные особенности профилей водяного пара...118

4

5.3.1 Слоистая структура профиля стратосферной влажности на границе циклона...119

5.3.2 Вертикальные профили водяного пара в присутствии полярных стратосферных облаков...123

5.3.2.1 Полярные стратосферные облака и дегидрация...124

5.3.2.2 Результаты измерений и анализ...126

5.4 Выводы к главе 5...135

Заключение...138

Список литературы...141

Приложения...154

Введение

ВВЕДЕНИЕ

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

8

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 ± ОД °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.

10

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.

11

Глава 1

РОЛЬ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССАХ И

МЕТОДЫ ЕГО ИЗМЕРЕНИЯ

В этой 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.

1.1 Роль водяного пара в атмосферных процессах

Вода встречается в атмосфере в трех своих фазах и является исключительно важной ее составляющей. Состояние атмосферы в большой степени зависит от содержания в ней воды и состояния, в которой она находится в атмосфере, при этом, содержание воды заметно меняется во времени и пространстве. Пространственное распределение и изменение во времени содержания водяного пара в атмосфере, особенно в области верхней тропосферы и нижней стратосферы (ВТНС), влияет на радиационные, динамические и химические процессы в атмосфере.

Во-первых, водяной пар, являясь доминирующим газом в атмосфере, создающим парниковый эффект, оказывает сильное влияние на радиационный баланс планеты. Во-вторых, конденсация водяного пара обеспечивает существенное накопление тепла в атмосфере, поэтому распределение водяного пара сильно влияет на динамику атмосферы. Таким образом, тщательное исследование водяного пара необходимо для точных предсказаний процессов циркуляции в атмосфере. В-третьих, водяной пар является источником радикала гидроксила ОН, который имеет непосредственное влияние на многие химические циклы, как в тропосфере, так и в стратосфере. ОН в частности и окислы водорода в целом (НОх = НО + НО2) участвуют в важном каталитическом цикле регулирования

12

производства и разрушения озона, а также влияет на продолжительность жизни таких компонент атмосферы, как СО и CFL».

Всемирная Программа Исследования Климата (WCRP — World Climate Research Programme), подчёркивая важность изучения водяного пара в области ВТНС, особо отмечает следующие моменты [2]:

1) текущие данные по глобальному, региональному и сезонному распределению водяного пара в области ВТНС не обладают достаточной точностью, необходимой для валидации климатических моделей;

2) вопрос о наличии временного тренда в концентрации водяного пара остаётся открытым, поэтому необходимо всестороннее рассмотрение долговременных изменений концентрации водяного пара с привлечением накопленных контактных и спутниковых рядов данных измерений

3) водяной пар является одним из важнейших парниковых газов, и вопрос -какова величина и знак обратной связи водяного пара и глобального потепления до сих пор остаётся актуальным.

Следует особо отметить, что концентрация озона зависит от влажности стратосферы. Эта зависимость вызвана несколькими факторами. Водяной пар играет важную роль в газофазных реакциях в средней стратосфере и в формировании полярных стратосферных облаков (ПСО) в нижней стратосфере. Положительный тренд стратосферного водяного пара (на сегодняшний день пока не объяснённый) усиливает ОН-цикл разрушения озона и увеличивает площадь существования ПСО. Гетерогенная химия на поверхности ПСО в основном определяет скорость газофазного разрушения озона в зимне-весенний период в высоких широтах [8]. Таким образом, стратосферная влажность также воздействует на термическую и динамическую структуру стратосферы через своё влияние на озон. Отрицательный тренд озона и положительный тренд водяного пара обуславливают отрицательный температурный тренд в стратосфере [6].

13

Стратосферная влажность в основном контролируется процессами окисления метана и переносом влажного воздуха из тропосферы. Проникновение тропосферного водяного пара в стратосферу в основном происходит в тропических широтах. Глубокая конвекция в тропиках является одним из механизмов такого переноса. Ранее предполагалось, что тропическая тропопауза действует как "холодная ловушка", осушающая поднимающийся воздух до значений насыщения, соответствующих температуре тропопаузы [9]. В пользу этого предположения говорит также и наличие сезонной зависимости стратосферной влажности от температуры тропопаузы ("tape-recorder" эффект) [10]. Однако наблюдаемые значения влажности в стратосфере ниже значений, соответствующих температуре тропопаузы. Таким образом, механизмы переноса тропосферной влажности в стратосферу, как и другие аспекты стратосферно-тропосферного обмена не совсем ясны и требуют дальнейшего изучения.

Поскольку водяной пар играет большую роль в радиационных и химических процессах в атмосфере, важной задачей на сегодняшний день является изучение долговременного изменения концентрации водяного пара в стратосфере. Анализ данных аэростатного зондирования в средних широтах за последние 20 лет обнаружил увеличение отношения смеси водяного пара .в стратосфере на 20% [11]. Более ранние измерения показывают увеличение концентрации на 50%, с 1950-х годов, когда начали проводиться регулярные измерения концентрации водяного пара в стратосфере [2]. Однако наиболее длительная серия регулярных измерений получена при помощи аэростатного зондирования в Боулдере, США (40° с.ш.) с использованием гигрометра точки инея NOAA-CMDL с 1981 по 2000 гг. [11]. Анализ данных этих измерений показал наличие положительного тренда- около 1% или 0,05 млн'1 в год на диапазоне высот 16-28 км. В то же время, спутниковые данные, полученные при помощи прибора HALOE на более ограниченном по времени материале наблюдений (с 1991 по 2004 гг.)

14

не подтверждают наличие положительного тренда стратосферного водяного пара [12].

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 1 К. В работе [13] говорится, что наблюдаемые изменения в концентрации стратосферной части водяного пара могут привести как к повышению температуры тропосферы, сравнимой с теми значениями, которые ожидаются от увеличения концентрации СО2, так и, соответственно, к дальнейшему выхолаживанию стратосферы.

Как известно, существует несколько источников происхождения водяного пара в стратосфере: окисление метана [14,15], процессы переноса из тропосферы через тропическую тропопаузу [16], а также изоэнтропический перенос из тропосферы в стратосферы в субтропических широтах [9].

Тропическая тропопауза с ее низкими температурами является естественным барьером для проникновения водяного пара в стратосферу. Обнаруженный отрицательный тренд в значении самой низкой температуры тропической тропопаузы [17] должен способствовать осушению стратосферы, что не подтверждается наблюдениями [12]. Увеличение влажности стратосферы в субтропических широтах по данным наблюдений в Боулдере, США не может быть объяснено только окислением стратосферного метана, концентрация которого также увеличивается [18].

Следует особо подчеркнуть, что контактные измерения водяного пара в наиболее важной с точки зрения исследования стратосферно-тропосферного обмена области - верхней тропосфере и нижней стратосфере представляют

15

сложную техническую задачу из-за его низких концентраций в стратосфере и высокого градиента в области тропопаузы.

Спутниковые наблюдения влажности стратосферы в целом дают представление о широтном и высотном распределении водяного пара. Однако низкое вертикальное (несколько километров) разрешение не позволяет получать информацию о тонкой структуре вертикального распределения водяного пара, которая служит важным индикатором стратосферных " процессов, таких как дегидрация, дифференциальная адвекция, неадиабатическое опускание воздушных масс в полярном циклоне, стратосферно-тропосферный обмен. Радиозондовые же измерения влажности обычно ограничиваются тропосферными высотами.

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

Измерения содержания водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере - чрезвычайно сложная задача. Концентрация водяного пара в стратосфере в сотни раз меньше, чем в тропосфере и имеет высокий градиент в области тропопаузы. К тому же, пространственная и временная изменчивость водяного пара в стратосфере сравнительно мала, поэтому даже незначительные изменения концентрации требуют внимательного рассмотрения. А это, в свою очередь, предъявляет высочайшие требования к точности измерений.

На сегодняшний день не существует прибора, способного производить измерения на всём диапазоне высот с достаточной точностью, и охватом во времени и пространстве. Однако спектр применяемых методов достаточно широк. На рис. 1.1 показаны высотные диапазоны, на которых работают наиболее важные из применяемых методов измерения влажности.

Стратопауза

Тропопауза ¦

16

Контактное зондирование

-¦ ¦-

Дистанционное зондирование

А

г

о.

в о

s i

И 4

о Й

н и

о. 1 эесце

Гнгро 1

о О

Наземное, самолётное и Спутниковое баллонное зондирование зондирование

а.

- ч.. SS

а о

oJL

Рис. 1.1 Высотный диапазон измерений влажности существующими методами.

Чрезвычайно важной, но технически очень сложной задачей является лабораторная калибровка гигрометров - приборов для контактного измерения водяного пара. Это обусловлено сложностью воспроизведения стратосферных условий в лаборатории. Эталонными гигрометрами служат гравиметрические гигрометры и высокоточные генераторы влажного газа, работающие по принципу насыщения воздуха над поверхностью льда или воды при заданной температуре. Обзор этих методов, разработанных в середине XX века, приведён в работах [19,20 и 21]. Зачастую в качестве эталонов используются гигрометры точки инея.

В данной главе рассмотрены контактные (in-situ) методы измерения водяного пара, и представлены наиболее известные аэростатные гигрометры и радиозондовые датчики влажности. Дистанционные приборы, в том числе приборы спутникового базирования перечислены в приложении 1. Подробный обзор дистанционных методов измерения водяного пара дан в работе [2].

17

Контактные измерения водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере (ВТНС) проводятся уже в течение 60 лет и впервые были описаны в работах [22,23]. Среди них, наиболее важными являются: метод определения точки инея, абсорбционный и флуоресцентный методы, а также инфракрасный абсорбционный метод, применяемый в подстраиваемых лазерных спектрометрах.

Одной из важнейших проблем, связанных с контактными измерениями НгО является т.н. «контаминация», т.е. загрязнение измерительного объёма или камеры водяным паром, десорбированным с технологических поверхностей прибора или аэростатной оболочки. Для избежания этого эффекта применяются различные методы, например, подогрев стенок измерительной камеры и заборного отверстия, высокая скорость воздушного потока через прибор, а также конструкции открытого типа.

Преимуществом контактных методов измерений по сравнению с дистанционными методами является их высокая точность и пространственное разрешение Калибровка контактных приборов может регулярно осуществляться в лаборатории или в полёте, и возможные инструментальные дрейфы легко обнаружимы. Поэтому контактные приборы часто применяются в качестве эталонных для валидации дистанционных приборов спутникового базирования.

В качестве единицы измерения влажности в стратосфере принято использовать отношение смеси водяного пара (по объёму) — ju т.е. отношение объёма водяного пара к объёму сухого воздуха. Эта безразмерная величина выражается в миллионных долях (млн"1), или, в международном обозначении - ppmv (сокращение по первым буквам от parts per million by volume). Естественно, при этом, что 1 млн"1 равна 10"6.

Список литературы