CC BY
34
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
значений трансформации ДПЭ в зависимости от сезона. Для сравнения были специально подобраны атмосферные вихри, развивающиеся на одной и т ой же территории (в бассейне рр. Шилка и Аргунь), но в разные сезоны года (январь и июнь). Как видим, сезонные различия для всего исследуемого слоя составляют -3,8 Вт/м2.
Исходя из изложенных представлений о термодинамике антициклонов понятна и другая физико-географическая зависимость, выявленная в результате исследования. Установлено, что существуют некоторые различия в скорости диссипации ДПЭ за счет длинноволновой радиации для антициклонов, развивающихся над океанической поверхностью и над континентом. Так, барические образования, формирующиеся над континентами в зимний период времени, имеют значительно более высокую скорость диссипации ДПЭ, чем барические образования, развивающиеся над незамерзающей акваторией океанов зимой. Обратная зависимость наблюдается в летний период. Антициклоны над относительно холодным океаном имеют большую скорость диссипации ДПЭ, чем антициклоны над прогретым континентом.
Выводы. Несмотря на незначительный вклад радиационных процессов в формирование скорости трансформации Д ПЭ в антициклонических вихрях (не более - 2 Вт/м2), установлено, что скорости диссипации существенно зависят от сезона и физико-географических условий развития атмосферного вихря. Полученные значения диссипации хорошо согласуются с теоретическими представлениями о динамике развития антициклонических вихрей и должны быть учтены при оценке энергетического баланса этих барических образований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калинин Н.А. Энергетика циклонов умеренных широт. Пермь: Изд-во Перм. унта, 1999. 192 с.
2. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. Спб.: Гидрометеоизадт, 2000. 780 с.
3. Марчук Г.И., Кондратьев К.Я., Козодеров В.В. Радиационный баланс Земли: ключевые аспекты. М.: Изд-во АН СССР, 1988. 221 с.
4. Подольская Э.М., Ривин И.Г. Коррекция интегральной функции пропускания
в длинноволновой области спектра // Изв. АН СССР. ФАО. 1988. Т. 24, № 8.
С. 883-886.
Поступила в редакцию 18.06.05.
N.A. Kalinin, A.L. Vetrov
The estimation of the transformation of the available potential energy in consequence of the long-wave radiation in anticyclones
The feature of the transformation of the available potential energy in consequence of the long-wave radiation in anticyclones of North hemisphere (2000 y.) is studied. It is shown that in the anticyclones preponderates dissipation of the available potential energy in consequence of the long-wave radiation. The intensity of the dissipation of the available potential energy depended from a season and geographical conditions are established.
Калинин Николай Александрович Ветров Андрей Леонидович
ГОУ ВПО «Пермский государственный университет»,
614990, Россия, Пермь, ул. Букирева, 15,
E-mail: [email protected]
Усредненные по площади антициклонов значения генерации ДПЭ вследствие длинноволновой радиации, Вт/м2
Слой, гПа
1 января 2000 г. 0 ч (МСВ)
1000-925 925-850 850-700 700-500 500-400 1000-400
-1,8 -1,1 -0,6 -0,3 -0,3 -4,1
1 июня 2000 г. 0 ч (МСВ)
0 -0,1 -0,1 0 -0,1 -0,3
Прежде всего, необходимо обратить внимание на полученные отрицательные значения генерации ДПЭ, которые свидетельствуют об убыли потенциальной энергии в рассматриваемых барических образованиях. Таким образом, можно констатировать, что для антициклонов характерна диссипация ДПЭ. Как видим, величина диссипации ДПЭ невелика и не превышает -2 Вт/м2. Результаты исследования однозначно свидетельствуют
о сезонной зависимости значений диссипации ДПЭ в антициклонических вихрях. Наибольшая диссипация ДПЭ за счет длинноволновой радиации наблюдается в зимний период времени (-4,1 Вт/м2 во всем слое исследования, приведены данные для январского случая). В летний период времени величина диссипации ДПЭ крайне низка (не превышает -0,5 Вт/м2). Такое сезонное различие связано с разным тепловым режимом нижней тропосферы, который существенно зависит от сезона года. Наибольшая устойчивость атмосферы характерна для зимнего сезона, когда потенциально более холодные воздушные массы за счет радиационного выхолаживания земной поверхности скапливаются в нижней части тропосферы. Это состояние соответствует максимальной диссипации ДПЭ, поскольку ДПЭ характеризует потенциальную неустойчивость атмосферы, способную реализоваться в кинетическую энергию. В летний же сезон устойчивость атмосферы нарушается радиационным прогревом поверхности земли и пограничного слоя атмосферы, поэтому в антициклонах летом отмечается минимальная скорость диссипации ДПЭ. Понятно, что антициклоны в принципе не могут выступать в качестве барических образований, в которых происходит генерация ДПЭ, поскольку в этих атмосферных вихрях благодаря динамическим факторам всегда преобладает устойчивая стратификация атмосферы с преимущественно однородным полем температуры. Однако длинноволновая радиация оказывает влияние на скорость диссипации в антициклоне, уменьшая ее или увеличивая в зависимости от сезона. Рассмотренные предположения подтверждаются сравнением значений диссипации в нижнем полуторакилометровом слое атмосферы (до поверхности 850 гПа, см. табл.). На этот слой приходятся основные различия
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Рдл(х,х1,у) =(0,4599+0,1966у)ехр(-0,1982х) + +(0,2211+0,0316у)єхр(-2,0715х)+0,0908єхр(-13,284х1),
где х = 4т , х = , т , У = 1 -2,074т~ при тс < 0,00115 кг/м2
1 ^0,01906 + т
и тс > 0,00115 кг/м2;
т — эффективная поглощающая масса водяного пара, кг/м2; тс — эффективная поглощающая масса углекислого газа, кг/м2.
Эффективная поглощающая масса водяного пара определялась на основе интегрирования данных по массовой доле водяного пара методом трапеций. В свою очередь, массовая доля водяного пара определялась посредством использования известного соотношения между давлением насыщенного водяного пара и температурой воздуха [2]. Если в этом соотношении вместо температуры воздуха использовать температуру точки росы, то полученное по данной зависимости значение будет представлять собой парциальное давление водяного пара, которое и необходимо для расчета массовой доли водяного пара по данным объективного анализа. Объемное содержание углекислого газа на всех высотах было принято равным 0,03 %, что позволило рассчитать на всех высотах массовую долю углекислого газа, а затем и эффективную поглощающую массу углекислого газа тоже методом трапеций.
Потоки радиации в безоблачных слоях атмосферы рассчитывались, а внутри облачного слоя определялись путем линейной интерполяции между значениями на границах облака. Информация о наличии и протяженности облачного слоя была получена на основе анализа вертикального распределения влажности. Слой в атмосфере считался облачным, когда его фактическая относительная влажность превышала величину критического значения относительной влажности или равнялась ей. Критическое значение относительной влажности составляет 80 % для слоев 950 - 800 гПа (облака нижнего яруса), 70 % для слоев 800 - 500 гПа (облака среднего яруса) и 60 % для слоев 500 - 300 гПа (облака верхнего яруса) [3].
Генерация ДПЭ вследствие длинноволновой радиации в барических системах умеренных широт определяется произведением коэффициента эффективности полной потенциальной энергии на величину лучистого притока тепла
Методика определения коэффициента эффективности полной потенциальной энергии, который характеризует интенсивность генерации Д ПЭ за счет неадиабатических источников тепла в барических образованиях умеренных широт, предложена НА. Калининым [1].
Для получения общих представлений о характере притока тепла за счет длинноволновой радиации его значения усреднялись по площади антициклонов.
Результаты и их обсуждение. Д ля анализа особенностей трансформации ДПЭ вследствие длинноволновой радиации были построены и проанализированы пространственновременные разрезы четырех антициклонов умеренных широт в пяти слоях атмосферы между изобарическими поверхностями 400, 500, 700, 850, 925, 1000 гПа (см. табл.).
УДК 551.515.1:551.511.3 Н.А. Калинин, А.Л. Ветров
ОЦЕНКА ТРАНСФОРМАЦИИ ДОСТУПНОЙ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ДЛИННОВОЛНОВОЙ РАДИАЦИИ В АНТИЦИКЛОНАХ *
Исследуются особенности трансформации доступной потенциальной энергии вследствие длинноволновой радиации в антициклонах Северного полушария (2000 г.). Показано, что в антициклонах преобладает диссипация доступной потенциальной энергии за счет длинноволновой радиации. Установлено, что интенсивность диссипации доступной потенциальной энергии в антициклоне зависит от сезона и физико-географических условий.
Ключевые слова: антициклон, энергия, трансформация, длинноволновая радиация.
Введение. Процессы перераспределения лучистых притоков тепла в атмосфере играют не последнюю роль в возникновении и эволюции барических образований умеренных широт. Как известно, длинноволновая радиация является вторым по значимости (после фазовых переходов водяного пара) неадиабатическим источником тепла. Цель работы заключается в определении количественных характеристик
пространственного распределения генерации доступной потенциальной энергии (ДПЭ) вследствие притока длинноволновой радиации в антициклонах умеренных широт.
Данные и методика исследования. В качестве исходных данных для расчета притока длинноволновой радиации использовались поля
объективного анализа Гидрометцентра России за 0 и 12 ч Международного согласованного времени (МСВ). В ходе исследования было рассмотрено 4 антициклона Северного полушария (июль 2000 г.). Все расчеты производились в изобарической системе координат, позволяющей
использовать для анализа полученных результатов карты барической
топографии.
Исследование притока тепла за счет длинноволновой радиации в антициклонах осуществлялось путем параметризации инфракрасной радиации на основе интегральных функций пропускания. Интегральные функции пропускания имеют смысл отношений радиации, поступающей к слою и выходящей из него. В качестве поглощающих субстанций в исследовании рассматривались водяной пар и углекислый газ. Для расчета интегральных функций пропускания (Рдл) были использованы аналитические выражения, полученные для длинноволновой области спектра [4]:
Работа выполнена при поддержке программы «Университеты России» (проект УР 08.01.240).
