Введение к работе
Актуальность работы
Спектр ашосферных движений простирается от микротурбулентности до движений глобального масштаба. Колебания метеорологических параметров в синоптическом диапазоне определяют изменения погоды, а на микромасштабах - оптические свойства атмосферы. Изменчивость синоптических процессов связывается обычно с бароклинной неустойчивостью струйных течений . Однако как интенсизность струйных течений, так и их конфигурация зависят от низкочастотной изменчивости (интервал колебаний от 10 сут до 1-2 мес), контролирующей, таким образом, все наиболее важные в прикладном отношении атмосферные процессы. В настоящее время в связи с глобальными климатическими изменениями меняется вихревая активность атмосферы. Основы изучения взаимосвязи вихревой активности и климатических колебаний были заложены в работе И.И. Мохова2. Согласно современным данным в Северном полушарии растет количество глубоких и уменьшается количество мелких атмосферных вихрей3. Однако темпы и знак изменений вихревой активности в разных регионах Земли различны. С середины 1960-х наблюдается сдвиг к северу шторм-трека в Северной Атлантике, сопровождающийся увеличением вихревой активности в высоких широтах . В Тихоокеанском регионе рост вихревой активности происходит без смещения основных траекторий движения атмосферных вихрей .
В разных регионах механизмы поддержания вихревой активности оказываются различными. В первую очередь это локальные механизмы генерации - баротропный и бароклинный форсинг. Однако в регионах, не обладающих большими запасами доступной лабильной энергии, колебания вихревой активности могут быть обусловлены не генерацией возмущений, а особенностями их переноса и дальними связями6, являющимися частью низкочастотной изменчивости. Одним из таких регионов являются центральные и восточные районы Азии, в которых закономерности колебаний вихревой активности изучены пока недостаточно. Установление этих закономерностей
'Шакина Н.П. Динамика атмосферных фронтов и циклонов. Л. Гидрометеоиздат, 1985. 260 с. 2Мохов И.И., Мохов О.И., Петухов В.К., ХаГфуллин P.P. Влияние глобальных климатических изменений на вихревую активность в атмосфере // Изв АН СССР. ФАО. 1992. Т. 28. С. 11-26.
3Gulev S.K., Zolina О., Grigoriev S. Climate changes in the winter cyclogenesys over the Northern Hemisphere from the NCEP/NCAR Reanalysis data II Clim. Dynamics. 2001. V. 17. P. 795-809.
"Нестеров E.G. Особенности циркулящт атмосферы в Северной Атлантике в последние
десятилетия //Современные проблемы динамики океана и атмосферы. 2010. С. 269-280.
5Wang X.L., Swail V.R., and Zwiers F.W. Climatology and changes of extra-tropical storm tracks
and cyclone activity: Comparison of ERA-40 with NCEP/NCAR Reanalysis for 1958-2001 II J.
Climate. 2006. V. 19. No. 13. P. 3145-3166. "'
6Гугднна Д.Ю., Девитг Б. Межгодовая климатическая изменчивость и дальние'связи в квазиравновесной модели циркуляции атмосферы в тропики // Изв. РАН ФАО. 2005. № 4. С. 435-463.
является актуальной задачей, решение которой будет способствовать повышению качества моделирования атмосферных процессов в регионе.
Кроме того, изменения вихревой активности в атмосфере вносят
значительный вклад в вариации астроклиматических характеристик,
обусловленных мелкомасштабной турбулентностью7. Астроклнматическое
районирование на основе метеорологических данных окажет существенную
помощь в выборе оптимальных мест для строительства новых
астрономических обсерваторий.
Целью работы является исследование долговременных изменений вихревой активности атмосферы, связи вихревой активности со струйными течениями, низкочастотной изменчивостью атмосферы и астроклиматическими условиями.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Анализ особенностей пространственного распределения кинетической энергии средних и вихревых движений в тропосфере.
-
Оценка долговременных тенденций изменений средних и вихревых движений в тропосфере.
-
Изучение пространственной структуры низкочастотной изменчивости атмосферы в Азиатском регионе.
-
Разработка метода для оценки астроклиматических условий на основе метеорологических данных.
Защищаемые положения:
1. В большинстве регионов изменения вихревой активности связаны с
изменениями энергии средних течений вследствие баротропной и бароклинной
накачки возмущений в этих регионах. Над Азией рост вихревой энергии (2.8
Дж/м3/10 лет) не сопровождается изменениями энергии средних течений и не
является следствием изменений бароклинной и баротропной неустойчивостей.
2. Пространственная структура низкочастотной изменчивости в
тропосфере над Азиатским континентом обусловлена квазидвумерными
баротропными волнами, распространяющимися от источников, пересекающих
восточную часть континента с северо-запада на юго-восток.
3. Предложен метод, позволяющий использовать метеорологические
данные для оценки астроклиматических условий в заданных регионах.
Применение данного метода позволяет оперативно выполнять
астроклиматическое районирование на значительной территории.
Научная новизна
1. Впервые по данным NCEP/NCAR Reanalysis 1 подробно рассмотрены долговременные тенденции средних и вихревых движений атмосферы в различные сезоны года и на различных высотах, которые существенно дополняют современные представления о глобальных климатических
7Дсвятова Е.В., Ковадло П. Г., Мордвинов В. И. Пространственная структура и долговременные изменения оптической нестабильности атмосферы по данным NCEP/NCAR Reanalysis II Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 12. С. 1043-1049.
изменениях. Проанализированы статистические связи между вариациями средних и вихревых движений атмосферы, выполнены оценки изменений индексов баротропного и бароклинного форсингов.
2. Впервые с помощью метода одноточечных корреляций над Азиатским
континентом выявлены регулярные колебания в низкочастотном диапазоне,
имеющие структуру перемещающихся двумерных волн Россби.
-
В рамках баротропной квазигеострофической модели проведено моделирование низкочастотной изменчивости над Азией, получено хорошее согласие модельных и наблюдательных данных.
-
Впервые в глобальном масштабе выполнено астроклиматическое районирование по данным метеорологических наблюдений.
Научная и практическая значимость работы
Выявленная система регулярных колебаний метеорологических полей в низкочастотном диапазоне может быть использована в долгосрочных прогнозах погоды и в исследованиях регионального климата. Метод комплексного анализа метеорологических параметров атмосферы может быть применен при выборе наиболее перспективных мест для строительства телескопов, создании мировой сети станций инфразвукового мониторинга с минимально возможным уровнем помех, разработке оптимальных коротковолновых трасс радиосвязи и др.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии в коллективе соавторов. В опубликованных в соавторстве работах автор участвовал в постановке задач, обработке и интерпретации результатов расчетов.
Апробация работы
Основные результаты работы, представленные в диссертации, докладывались на Всероссийском совещании с участием приглашенных исследователей из других стран «Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии» (Иркутск, 2010), Международной конференции «Comprehensive characterization of astronomical sites» (Кисловодск, 2010), VIII Международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2010), XVII Научной конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока. (Иркутск, 2011), Школе молодых ученых и международной конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде: «CITES-2011» (Томск, 2011), Всероссийской конференции с международным участием «Физика окружающей среды» (Томск, 2011), XII Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом», БШФФ-2011 (Иркутск, 2011), XVII, XVIII Объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011; Иркутск, 2012), III Всероссийской астрономической конференции «Небо и Земля» (Иркутск, 2011).
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 18 научных работах, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация включает 3 главы, введение, заключение. Общий объем диссертации составляет 106 страниц, в том числе 40 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список содержит 104 ссылки.
