Восстановление температуры воздуха у морской поверхности при холодных вторжениях: возможности микроволнового радиометра AMSU-A

Количественными характеристиками теплового взаимодействия океана и атмосферы являются турбулентные потоки явного и скрытого тепла. Для их определения широко используется аэродинамический метод, основанный на полуэмпирических формулах, так называемых «балк-формулах». Входными параметрами, используемыми при параметризации потоков, являются скорость приводного ветра, температура поверхности воды, температура и влажность воздуха у морской поверхности. Более точные оценки потоков существенно улучшают результаты численного моделирования как общей циркуляции атмосферы, так и погодных систем, в частности, холодных вторжений, регулярно наблюдаемых над северными морями.
Холодное вторжение (ХВ) представляет собой быстрое распространение полярной/арктической воздушной массы в более низкие широты, сопровождаемое сильным ветром (10 – 25 м/с). Продвижение сухого холодного воздуха над относительно теплой морской поверхностью вызывает интенсивный теплообмен между океаном и атмосферой и формирование мезомасштабных атмосферных вихрей, представляющих опасность для транспортных и рыбопромысловых операций на море.
В работе исследуется взаимосвязь яркостной температуры Тя, измеренной микроволновым радиометром AMSU-A со спутников серии NOAA, с температурой воздуха у морской поверхности при холодных вторжениях над Беринговым морем. AMSU-A представляет собой 15-канальный микроволновый радиометр, сканирующий поперек трека в диапазоне углов визирования ± 48°. К изменениям характеристик нижней тропосферы наиболее чувствителен 4 канал, принимающий излучение Земли на частоте f = 52.8 ГГц на вертикальной поляризации. Модельные расчеты Тя(52.8) были выполнены для 3170 радиозондов, полученных на 3 островных станциях в Беринговом море (о. Св. Павла, о. Шемья и о. Уналашка). Полученный массив позволил оценить чувствительность Тя(52.8) к вариациям скорости приводного ветра W, паросодержания атмосферы V, водозапаса облаков Q, вертикальных профилей температуры и влажности воздуха в нижней тропосфере (до 3 км). Из-за турбулентного перемешивания в пограничном слое атмосферы последние имеют тесную связь с температурой (ta) и влажностью (qa) воздуха у морской поверхности, используемыми в балк-формулах для расчета турбулентных потоков тепла и влаги. Результаты показывают, что вариации средней температуры нижней тропосферы могут быть выделены из измерений Тя(52.8) только при аккуратном учете вклада вариаций параметров Q, W и V в изменчивость Тя. Так, например, изменение водозапаса облаков на 0.1 кг/м2, что типично для ХВ, приводит к вариациям Тя(52.8) более чем на 1 К.
Из архива данных лаборатории выбрано три случая наиболее продолжительных ХВ над Беринговым морем, для которых был сформирован массив сопряженных по пространству и времени данных. Массив содержит значения Тя(52.8) по измерениям AMSU-A со спутников NOAA-15, 16, 18 и METOP-A, водозапаса Q, восстановленные по измерениям радиометров SSM/I со спутников F 16, 17 министерства обороны США и AMSR-E со спутника Aqua, и температуры воздуха у морской поверхности по данным сети океанических буев. Из анализа массива дистанционных и контактных данных следует, что корреляция между Тя(52.8) и ta высока (0.74 – 0.76), что объясняется интенсивным турбулентным перемешиванием в пограничном слое атмосферы во время ХВ. При коррекции Тя(52.8) на вариации Q взаимосвязь Тя(52.8) и ta становится ещё более тесной. На основе массива получены коэффициенты уравнения регрессии для восстановления ta, по Тя(52.8). Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 09-05-13569-офи_ц и ДВО РАН № 10-III-В-07-045, ФЦП “Мировой океан” и проекта №111 по соглашению между JAXA и ТОИ ДВО РАН.