Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследования мезомасштабных атмосферных процессов в приземном слое
1.1. Методы исследования атмосферных волн 11
1.2. Типы волновых движений 12
1.3. Классификация волновых возмущений 16
1.4. Система уравнений гидромеханики 17
1.5. Внутренние гравитационные волны 18
1.6. Особенности приземного слоя атмосферы 29
1.7. Атмосферные процессы и примеси 30
1.8. Выводы 36
ГЛАВА 2. Методы исследования волновых возмущений в экспериментальных рядах атмосферных параметров 37
2.1. Анализ на основе преобразования Фурье 37
2.1.1. Преобразование Фурье и оконное Фурье преобразование 37
2.1.2. Гармонический анализ 39
2.1.3. Спектральный анализ 40
2.2. Анализ на основе вейвлетов 41
2.2.1. Вейвлет преобразование 42
2.2.2. Вейвлет Морле 45
2.2.3. Обоснование выбора вейвлета Морле в качестве базисной функции 49
2.2.4. Кросс вейвлет корреляция данных 49
2.2.5. Исследование влияния отношения сигнал/шум на результат вейвлет преобразования 50
2.2.6. Теоретический спектр и уровни значимости 51
2.3. Выводы 53
ГЛАВА 3. Исследование временных и пространственных закономерностей мезомасштабных вариаций приземных атмосферных примесей и метеопараметров . 55
3.1. Данные атмосферного мониторинга 55
3.2. Исследование пространственных параметров мезомасштабных вариаций с применением оконного преобразования Фурье 58
3.3. Исследование временных параметров мезомасштабных вариаций с применением вейвлет анализа 64
3.4. Флуктуации коэффициента преломления 76
3.5. Влияние мезомасштабных волн на угол рефракции 79
3.6. Выводы 84
ГЛАВА 4. Исследование связи мезомасштабных вариаций атмосферных примесей и полей метеопараметров 86
4.1. Исследование связи мезомасштабных вариаций концентрации приземных примесей и метеопараметров методом кросс вейвлет корреляции 86
4.2. Влияние температурной стратификации атмосферы на мезомасштабные волновые вариации примесей и метеопараметров 96
4.3. О природе взаимосвязи мезомасштабных вариаций примесей и метеопараметров 103
4.4 Выводы ...105
Заключение 106
Литература
- Классификация волновых возмущений
- Преобразование Фурье и оконное Фурье преобразование
- Исследование пространственных параметров мезомасштабных вариаций с применением оконного преобразования Фурье
- Влияние температурной стратификации атмосферы на мезомасштабные волновые вариации примесей и метеопараметров
Введение к работе
Диссертация посвящена эмпирическим исследованиям мезомасштабных процессов в приземном слое атмосферы, нахождению временных и пространственных параметров мезомасштабных вариаций концентрации приземных примесей и метеопараметров. Проводится исследование тонкой пространственно-временной структуры приземного слоя атмосферы. Устанавливается связь интенсивности мезомасштабных волновых вариаций метеопараметров и концентрации приземных примесей с температурной стратификацией.
Актуальность темы. В настоящее время одним из актуальных направлений исследований физики атмосферы является изучение тонкой структуры атмосферных примесей для решения ряда фундаментальных и прикладных задач в экологии, климатологии и самой физики атмосферы. Причем наименее изучены мезомасштабные процессы в приземном слое атмосферы и их влияние на неоднородности малых газовых примесей и аэрозолей. Во многих работах по приземному слою атмосферы анализ существующих данных проводился при помощи классического спектрального анализа, который не учитывает квазигармонический характер волновых возмущений концентрации аэрозоля, примесей и метеопараметров приземного слоя атмосферы. Это также обусловило необходимость освещения данных вопросов.
Для изучения волновых вариаций в приземном слое требуется целостный анализ больших массивов данных и длинных временных рядов. Накопленная информация по измерениям малых газовых примесей (СО, NO, N02, H2S, SO^, аэрозоля и параметров атмосферы в гг. Альметьевск, Казань и Азнакаево за многолетний период позволяет провести такой анализ. В существующих на сегодня работах по исследованию волновых вариаций рассматриваются, как правило, короткие интервалы времени и применяются статистические и спектральные методы. Данные методы подходят для небольших временных рядов стационарного характера и не позволяют дать полігую картину изменения
5 спектрального состава колебаний во времени. Таким образом, остается актуальной задача частотно-временного исследования волновых вариаций приземного слоя атмосферы на достаточно больших пространственно-временных масштабах.
Надо отметить, что в литературе встречаются различные трактовки термина «мезомасштаб». В общем случае под этим понимаются масштабы от турбулентных до синоптических масштабов. Мы будем придерживаться классификации, изложенной в [106]. Таким образом, здесь и далее под мезомасштабными понимаются волновые процессы с временными масштабами от нескольких минут до нескольких десятков часов. В частности, в работе исследовались волновые процессы от 5 минут до 30 часов.
Целью работы является исследование пространственно-временных закономерностей мезомасштабных волновых процессов с периодами от 5 минут до 24 часов, проявляющихся в вариациях концентрации газовых примесей (СО, NO, N02, H2S, SOj) и аэрозолей и их взаимосвязи со структурой приземного слоя атмосферы.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
эмпирическое исследование пространственно — временной структуры мезомасштабных волновых неоднородностей атмосферных параметров и концентраций примесей в приземном слое;
исследование сезонной и пространственной изменчивости мезомасштабных вариаций;
исследование взаимосвязи амплитуд мезомасштабных вариаций приземных примесей и пространственной структуры метеопараметров приземного слоя атмосферы; ,
оценка влияния температурной стратификации на интенсивность мезомасштабных атмосферных неоднородностей.
Методы исследования. Решение поставленных задач базируется на данных длительного эксперимента, использовании методов аппарата Фурье, вейвлет и кросс вейвлет корреляции, с использованием современной технологии вычислительного эксперимента и статистических методах. Основные результаты
получены на статистически надежном длительном ряде натурных ежеминутных измерений и проверены путем сравнения с результатами, полученными другими авторами.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
Впервые с помощью вейвлет анализа исследованы мезомасштабные вариации в многолетних временных рядах концентраций газовых примесей, аэрозоля и параметров приземного слоя и установлен характер интенсивности колебаний концентрации приземных примесей с периодами от 5 минут до 24 часов по сезонам, получены периоды и амплитуды доминирующих волновых возмущений приземного слоя;
Впервые определены пространственные характеристики мезомасштабных волновых процессов в приземном слое атмосферы по уникальным синхронным экспериментальным измерениям концентрации аэрозоля, примесей и метеопараметров;
Впервые проведены исследования связи интенсивности вариаций концентрации приземных примесей, мезомасштабных атмосферных волн и температурной стратификации приземного слоя атмосферы.
На защиту выносятся:
Экспериментальные распределения периодов волновых возмущений атмосферных примесей и метеопараметров приземного слоя с временными масштабами от 5 минут до 24 часов.
Найденные пространственные характеристики параметров волновых мезомасштабных возмущений в приземном слое атмосферы — горизонтальные фазовые скорости и длины волн.
Сезонные зависимости амплитуд мезомасштабных вариаций температуры, относительной влажности, давления, модуля скорости ветра, а также концентрации аэрозоля и других приземных примесей (СО, NO, N02, H2S, SOa).
Обнаруженная связь вариаций интенсивности мезомасштабных волновых возмущений концентрации аэрозоля, примесей и
7 метеопараметров. 5. Связь температурной стратификации приземного слоя и интенсивности мезомасштабных вариаций концентрации атмосферных примесей и метеопараметров.
Достоверность полученных результатов подтверждена статистической надежностью многолетних наблюдений на 5 автоматизированных станциях, расположенных в г. Альметьевске, а также в гг. Казани и Азнакаево. Основные результаты исследования получены на основе трехлетних данных по ежеминутным измерениям концентрации примесей и метеопараметров в приземном слое атмосферы. Для всех полученных усредненных значений рассчитаны доверительные интервалы, для коэффициентов корреляции определены уровни значимости.
Практическая ценность работы. Полученные характеристики мезомасштабных волновых возмущений метеопараметров и концентраций примесей позволяют описать структуру волновых процессов в приземном слое. Обнаруженные частотно-временные закономерности поведения волновых возмущений параметров атмосферы в приземном слое позволяют учесть их влияние в динамических моделях атмосферы и различных прикладных задачах. Эти результаты можно использовать для дополнительного учета влияния волновых вариаций неоднородностеи концентраций примесей в исследованиях динамики и прогноза тонкой структуры пространственно-временных вариаций атмосферных загрязнений. Полученные результаты имеют дополнительную практическую ценность, поскольку обладают высокой статистической достоверностью ввиду использования экспериментальных данных продолжительного, непрерывного мониторинга состояния атмосферного воздуха.
Личный вклад автора: Автором лично были выполнены исследования поставленных вопросов аналитическими и численными методами. Им выбрана и реализована специальная методика обработки данных, проведены расчеты, проанализированы полученные результаты и сделаны основные выводы.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались
8 на: Международной аэрозольной конференции, Москва-2000; Конференции VII Рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск-2000; Conference on Visibility, Aerosol and Atmospheric Optics, Vienna-2000; Conference of the American Association for Aerosol Research, USA-2000; European Aerosol Conference, Leipzig-2001, Germany; IV Республиканской научной конференции молодых ученых и специалистов РТ, Казань-2001; Конференции VIII Рабочей группы «Аэрозоли Сибири», Томск-2001;
11 Итоговой конференции Республиканского конкурса научных работ им. Н.И.
Лобачевского, Казань-2002; Конференции IX Рабочей группы «Аэрозоли
Сибири», Томск-2002; Конференции X Рабочей группы «Аэрозоли Сибири»,
Томск-2003; Научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов
КФТИ КазНЦ РАН, Казань-2004; XI Международном симпозиуме «Оптика
атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск-2004; Конференции XII Рабочей
группы «Аэрозоли Сибири», Томск-2005; а также на научных семинарах и
конференциях Казанского государственного университета (2001-2006 гг.)
Работа по этому направлению была удостоена именной стипендии мэра г. Казани среди студенческих и аспирантских работ в 2001 г. Автор являлся ответственным исполнителем проекта, поддержанного фондом Министерства Образования Российской Федерации № АОЗ-2.13-597. Принимал участие в качестве исполнителя в исследованиях, поддержанных грантами: РФФИ №№ 01-05-64390,03-05-96211,04-05-64194, НИОКР РТ № 09-9.5-165.
Публикации. Автором опубликована по теме диссертации 21 работа. Из них 7 статей в научных журналах, 2 статьи в сборниках трудов научных конференций,
12 опубликованных тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 125 страниц печатного текста, в том числе 30 рисунков, 4 таблицы. Список литературы содержит 168 источников.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость результатов работы, изложена структура работы.
В первой главе представлен обзор современных работ, имеющих
9 отношение к исследуемой проблеме - мезомасштабным вариациям атмосферных параметров и примесей в приземном слое. Показано, что свойства атмосферы и ее параметры — температура, плотность, химический состав, давление, режим циркуляции — существенно меняются во времени и пространстве. Эти изменения имеют широкий временной и пространственный спектр.
Несмотря на возрастающий интерес к приземному слою атмосферы пока малоизученной областью остается исследование мезомасштабных волн, особенно в приземном слое, где энергетика различных волн может сильно отличаться от модельных представлений в силу влияния подстилающей поверхности и турбулентных процессов.
Исходя из вышесказанного, требуется с большой статистической надежностью исследовать в приземном слое мезомасштабные неоднородности атмосферных примесей, сравнить закономерности их развития с тонкой структурой полей метеопараметров и температурной стратификацией. Это дает возможность выявить основные механизмы формирования пространственно-временной структуры атмосферных примесей, в том числе аэрозоля, в приземной атмосфере.
Во второй главе проведено обоснование методов анализа временных рядов применяемых для исследования мезомасштабных атмосферных вариаций. Рассмотрены как традиционные (преобразование Фурье), так и сравнительно новые (вейвлет преобразование) методы анализа.
Кратко изложены положения спектрального анализа применительно к временным рядам. Рассмотрена методика частотно-временного анализа временных рядов с привлечением аппарата вейвлет преобразований и дано обоснование применения этого метода с учетом доверительных оценок уровней значимости. Рассмотрены основные характеристики вейвлета Морле и показано, что выбор этого вейвлета в качестве базисной функции является оптимальным для исследования мезомасштабных атмосферных вариаций.
Показано применение метода вейвлет преобразования для анализа суточных и мезомасштабных флуктуации параметров атмосферы, имеющих
10 нестационарный характер. Для исследования связи мезомасштабных атмосферных процессов и вариаций приземных примесей выбран аппарат кросс вейвлет корреляции.
В третьей главе приводится описание использованных в работе данных с 5-ти автоматизированных измерительных станций мониторинга, находящихся в городе Альметьевске, а также со станций гг. Казани и Азнакаево.
В результате анализа данных выявлены моды вариаций параметров атмосферы. Определены характерные амплитуды мезомасштабных флуктуации малых газовых примесей, массовой концентрации аэрозоля, метеопараметров.
Полученные результаты для метеопараметров находятся в хорошем согласии со значениями, полученными другими авторами независимыми методами. Что касается мезомасштабных флуктуации концентрации примесей, то они, в основном, являются оригинальными.
Приведена оценка для угла астрономической рефракции, вызванной мезомасштабными волновыми вариациями в прияемном слое атмосферы.
В четвертой главе были проанализированы связи интенсивности мезомасштабных вариаций примесей и метеопараметров. В данной главе рассчитаны коэффициенты локальной кросс вейвлет корреляции соответствующих рядов массовой концентрации аэрозоля, окиси и двуокиси азота, окиси углерода, сероводорода, диоксида серы, а также рядов относительной влажности, давления, температуры и скорости ветра.
Рассчитаны коэффициенты локальной кросс вейвлет корреляции волновых вариаций массовой концентрации аэрозоля и других примесей и метеопараметров в приземном слое атмосферы.
Для проверки влияния условий стратификации на интенсивность мезомасштабных волновых вариаций в приземном слое атмосферы были проведены соответствующие расчеты и проанализированы высотная и временная структуры атмосферы за 2001 г.
В заключении приведены основные результаты работы.
Классификация волновых возмущений
Энергетический спектр колебаний метеоэлементов можно разделить на характерные интервалы по временным масштабам [75, 81]: - периодам, меньшим 5 минут соответствуют акустические волны, которые определяются в основном сжимаемостью атмосферы; - периодичности от 5 мин до нескольких часов вызваны внутренними гравитационными волнами (ВГВ), порождаемыми силой Архимеда в стратифицированной атмосфере.
Среди ВГВ необходимо выделить приливные колебания атмосферы, вызванные термическим нагревом озонового слоя и имеющие характерные периоды 24,12 и 8 часов. - на более низких частотах вклад в спектр колебаний атмосферных параметров дают планетарные волны синоптических масштабов с периодами порядка нескольких суток; - сезонные колебания — колебания с годовым периодом и их гармоники; - междугодичные колебания с периодами порядка нескольких лет; - внутривековые колебания, ярким примером которых служит потепление в первой половине XX века; - межвековые колебания и ледниковые периоды, известные по историографии и геологическим исследованиям.
В этой работе мы будем заниматься получением спектров мезомасштабных волн и расчетом их основных параметров. К мезомасштабным волнам, по приведенной выше классификации, мы будем относить волны с периодами от 5 минут до суток [106].
Система уравнений гидромеханики Теоретические исследования волновых процессов в атмосфере основаны на рассмотрении системы уравнений гидромеханики. Обычно в систему включают уравнения [81]: dV _ - 1 — + 2-a)xV = -—Vp + f, (l.l) dt p dp — + div(p-V) = 0. (1.2) dt Первое уравнение — векторное уравнение Навье-Стокса - представляет собой закон сохранения количества движения газа во вращающейся с угловой скоростью СО системе координат, V — вектор скорости ветра, р, Т и р — давление, температура и плотность атмосферы, / - результирующий вектор внешних сил. Второе уравнение — уравнение непрерывности — закон сохранения массы. Систему (1.1), (1.2) дополняют обычно уравнением состояния, например адиабатичности: — + Ь-р .\v = C2 — , (1.3) dt dt где b — параметр стратификации, w — вертикальная компонента скорости ветра, с — скорость света в вакууме.
Для линейных волн система решается методом возмущений. То есть предполагается, что все параметры атмосферы можно описать как сумму невозмущешюй части и малого возмущения: u = u + ії v=v0+v p=p0+p где u, v, - зональная и меридиональная компоненты скорости ветра соответственно.
При дальнейшем решении системы (1.1) — (1.3) в зависимости от типа исследуемых колебаний обычно принимают во внимание сжимаемость воздуха, приток солнечной энергии, приливные потенциалы Солнца и Луны температурную стратификацию, вращение Земли. В зависимости от природы и масштаба волн пренебрегают теми или иными свойствами атмосферы. Например, гироскопические силы не сказываются на мелкомасштабных движениях, а плавучестью пренебрегают при анализе циклонических образований. При рассмотрении свободных колебаний атмосферы внешние силы приравниваются нулю f=0.
Это позволяет изучать каждый вид движений независимо. Без учета взаимодействия движений решением является суперпозиция полученных колебаний.
Внутренние гравитационные волны
Внутренние гравитационные волны (ВГВ), генерируемые различными тропосферными возмущениями, представляют собой интересный объект для метеорологических наблюдений [71, 75, 81, 142]. Интерес к ВГВ связан, во-первых, с тем, что наблюдаемые на земле возмущения могут рассматриваться как индикаторы и предвестники протекающих в тропосфере процессов, включая развитие опасных явлений типа сильных гроз, штормов, смерчей и т.д. Во-вторых, ВГВ, как становится очевидным в последнее время, сами могут играть значительную роль в развитии мезомасштабных атмосферных аномалий, внося вклад в энергетику протекающих процессов или играя роль спускового механизма [117]. Существенным является также влияние ВГВ на крупномасштабную циркуляцию атмосферы и на развитие мелкомасштабной турбулентности, особенно в условиях устойчивой стратификации [16].
Наибольшее внимание изучению ВГВ уделяется в США, так как именно над северо-американским континентом часто разыгрываются опасные штормовые явления (торнадо) [45]. Обширный материал по ВГВ собран таюке исследователями Австралии [40].
В нашей стране изучению ВГВ и их влиянию на динамику атмосферы до сих пор не уделялось достаточного внимания, хотя сильные мезомасштабные возмущения атмосферы с разрушительными последствиями наблюдались и наблюдаются в ее различных районах.
Решение проблемы генерации и усиления ВГВ атмосферными сдвиговыми течениями, по мнению [117], имеет главное значение для понимания возникновения ВГВ в атмосфере, определения их параметров и установления их связи с синоптическими явлениями.
Теория внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере разработана с помощью методов линейной теории Хайнсом [81].
Источниками ВГВ считают струйные течения, системы фронтов в нижней и средней атмосфере, нелинейные взаимодействия приливов, колебания интенсивности авроральной струи в верхней атмосфере.
Существование ВГВ в атмосфере подтверждается значительным количеством экспериментальных результатов с помощью наблюдений верхней и средней атмосферы различными методами [43,123].
В работе [123] исследовались ВГВ с частотами от предельной частоты Брента—Вяйсяля до инерционной. В основной массе работ исследовались волны с периодами от 20 до 300 мин.
Преобразование Фурье и оконное Фурье преобразование
Во многих приложениях (особенно для нестационарных сигналов) требуется частотное содержание сигнала. При Фурье анализе в качестве основных базисных функций используются сшгусы, косинусы и комплексные экспоненты. Они простираются вдоль всей вещественной оси. Фурье спектр fa одномерного сигнала f(t) с конечной энергией задается в виде [83]: L= jf(t)exp(-wt)dt. (2.1) —00 Обратное преобразование обеспечивает восстановление сигнала: /(0 = J/.exp(toO fo. (2.2) —00 Это преобразование унитарно: Jl/(0f = Jl/J2 . (2.3)
Формула (2.3) называется тождеством Тіарсеваяя и указывает на сохранение энергии при переходе от временной области к частотной. Формула (2.1) требует сведений о сигнале fit), как из прошлого, так и из будущего. Она применима лишь к стационарным сигналам, у которых частота не меняется со временем. Таким образом, частотно-временная полоса Фурье преобразования оказывается хорошо локализованной по частоте и практически неограниченной по оси времени, т.е. формула (2.1) описывает частотное содержание сигнала, но не его локальные свойства по оси времени [83]. Кроме того, как видно из (2.1), сигнал fif) должен достаточно быстро спадать на бесконечности в прошлом и будущем.
Попытки преодоления указанных трудностей и учета локальных свойств сигнала с помощью того же набора базисных функций предпринимаются в рамках оконного Фурье преобразования. Сигнал fit) анализируется внутри некоторого окна. На практике стараются выбирать наиболее доступные и легко генерируемые окна. Например, можно умножить f(t) на функцию с компактным носителем gw eit — t )9itf -і), где в - ступенчатая функция, отличная от нуля только при положительных значениях аргумента, t.,t, - моменты начала и конца сигнала, задаваемые выбором окна [83]. Тогда для оконного Фурье образа сигнала получим L,w = j AtMt)Qxp(-icot)dt. (2.4) -00 В дискретизированной форме можно записать fa,, = J/(Og( - nt0)exp(-ima)0t)dt, (2.5) Где co0,t0 0 фиксированы, а т,п - некоторые числа, определяющие масштаб и положение.
Сигнал оказывается локализованным во времени, но при оконном преобразовании Фурье окно имеет фиксированный размер, не зависящий от рассматриваемого масштаба и определяется разными функциями по времени и частоте [83].
Гармонический анализ
Спектром временной зависимости (функции) y(t) называется совокупность ее гармонических составляющих (гармоник), образующих ряд Фурье. Гармонический анализ заключается в нахождении коэффициентов ak, Ьк ряда Фурье У(0= т + 2 (ak cos ІяЩ + bk sin 2пЩ), (2.6) 2 к=\ где ft — частота повторений, к — номер гармрники. Кроме ряда (2.6) широко используется ряд У(0 =%r+1LMk cos(27rkf{t + q k), (2.7) z k=\ где мк=H+bl (2-8) — амплитуда и (pk=-arctg(bklak) (2.9) — фаза гармоник (косинусоид). Применяются также ряды с синусами под знаком суммы. Коэффициенты Фурье определяются выражениями ак =-f\y(t)cos{27rkfxt)dt, (2.10) = ут Jy(0sin(2 0 (2-11) i о где T=l/f, - период повторения периодической функции y(t). Численный анализ заключается в нахождение коэффициентов а0, а1} ..., ак, Ь]5 Ь2,..., Ьк (или Mls М2,..., Мк, фи-.., ф) для периодической функции y(t), заданной на отрезке [0, Т\ дискретными отсчетами. Он сводится к вычислению (2.10) и (2.11) по формулам численного интегрирования для метода прямоугольников ак=Т7 УіСОБ(2л:ЛШ), (2.12) iV /=0 2 -1 = 2 /8Іп(2;г/;іД0, (2.13) iV /=o где At = T/N — шаг, с которым расположены абсциссы y(t).
Найденные по формулам (2.12) и (2.13) коэффициенты Фурье для m=N/2 гармоник приближают y(t) рядом (2.6) или (2.7) с наименьшей среднеквадратичной погрепіностью. Следовательно, численный спектральный анализ является разновидностью метода наименьших квадратов, когда y(t) приближается тригонометрическим рядом.
В данной работе применялось так называемое быстрое преобразование Фурье (БПФ), которое позволяет резко уменьшить время проведения дискретного преобразования Фурье. При БПФ число интервалов разбиения N выбирается из условия N=2M, где М=1, 2, 3, .... При этом значения тригонометрических функций достаточно вычислить 2М раз, поскольку они периодически повторяются. Кроме того, вычисления можно проводить по рекуррентным формулам. Выделив четную и нечетную части разложения, удается уменьшить число вычислений еще вдвое. В результате, БПФ требует проведения (N/2)log2N операций вместо N2 при обычном преобразовании Фурье.
Исследование пространственных параметров мезомасштабных вариаций с применением оконного преобразования Фурье
По длинным рядам концентрации аэрозоля, измеренной на каждой из станций, проведен динамический спектральный анализ внутри прямоугольного скользящего временного окна шириной от 1 до 24 часов с целью выделения периодических мезомасштабных вариаций с периодом от 5 мин до 6 часов. Временное окно сдвигалось сшгхронно по 5 рядам (рис. 3.3).
В полученных 5-ти спектрах, привязанных к одному периоду времени, выбирались значимые пики, выявленные одновременно на всех станциях (значимость 0,9 по критерию 2)- Это говорит о присутствии волновых процессов, распространяющихся в пространстве. Наблюдения спектров в пространственно-разнесенных точках позволяют оценить горизонтальные фазовые скорости перемещения волновых возмущений Сх и периоды Тх этих волновых процессов, а также их пространственные размеры (длины волн Лх).
Анализ проводился для временных масштабов от 1 до 24 часов и пики, связанные с суточными вариациями не анализировались, так как суточные вариации нельзя отнести к мезомасштабным. Учитывая ширину спектрального окна Фурье преобразования и природу суточных вариаций, к выделенным мезомасштабным вариациям относятся волны с периодами 5 мин - 16 час, что и получено в экспериментальных распределениях. Гистограммы плотности вероятностей этих параметров для волновых возмущений с периодами от 5 мин до часа представлены на рис. 3.4-3.6.
На рис. 3.4 представлено распределение плотности вероятности фазовых скоростей Сх волн с периодами 5 мин до 1 часа. Видно, что фазовые скорости большей части зарегистрированных мезомасштабных волн лежат в интервале 0-40 м/с, причем наиболее вероятное значение горизонтальных фазовых скоростей имеет величину 5-15 м/с.
Значение вероятности при этом достигает 0,3. Заметим, что такие же величины горизонтальных фазовых скоростей получены радиометеорным методом в верхней атмосфере [123]. Это позволяет предположить существование вертикально распространяющегося волнового возмущения.
Рассматривая спектр длин волн (рис. 3.5), можно заметить, что большая часть мезомасштабных волн имеет длины волн вплоть до 15 км. Наиболее вероятные длины волн 3-7 км. При этом вероятность достигает значения 0,3. Другими словами, 30% зарегистрированных мезомасштабных волн с периодами 5-60 мин имеют длины волн 3-7 км. Для масштабов от 1 до 16 часов характерные длины волн составляют 2-30 км, а фазовые скорости, как правило, меньше 10 м/с. Во время распространения мезомасштабные волны модулируют вариации
концентрации аэрозоля, атмосферных примесей и метеопараметров. Таким образом, в атмосфере происходит формирование неоднородностей концентрации аэрозоля и различных примесей с масштабами, имеющими порядок длин мезомасштабных волн. Получается, что наибольшую вероятность имеют неоднородности с размерами 3-7 км, как это и было установлено по экспериментальным данным сети станций в г. Альметьевске.
Надо отметить, что независимые измерения мезомасштабных длин волн в верхней атмосфере [123] и тропосфере [72, 128, 132], дали схожие результаты, что служит подтверждением сделанному выше, предположению о сходной физической природе этих волновых вариаций. Это позволяет сделать вывод о том, что влияние на распространение электромагнитных волн в атмосфере (а не только в приземном слое) оказывают неоднородности концентрации примесей с пространственными масштабами до 15 км и их надо учитывать при расчетах коэффициента преломления электромагнитных волн.
Из распределения плотности вероятности периодов мезомасштабных волн с периодами 5 мин — 1 час (рис. 3.6), следует, что большая часть наблюдаемых мезомасштабных волн имеет величину периода 6-11 миігут. Вероятность появления волн с такими периодами составляет 35%.
На рис. 3.7 представлено распределение плотности вероятности периодов мезомасштабных волн с периодами от 1 часа до 16 час. Как можно увидеть из рисунка, наиболее вероятные мезомасштабные волны имеют период 2-5 часов.
Сравнивая рисунки рис. 3.6 и рис. 3.7, видим, что форма распределения плотности вероятности волн с масштабами до часа носит сравнительно плавный характер, а в распределении с масштабами несколько часов имеется резкий максимум, соответствующий периоду Т=3 часа. Вероятность волн с таким периодом составляет 40% , также отмечаются максимумы 8 и 13 часов.
На рис. 3.8 представлено распределение плотности вероятности амплитуд волновых вариаций концентрации аэрозоля. Здесь видно, что наиболее вероятные амплитуды имеют величину от 1 до 6 мкг/м3. Вероятность волновых возмущений концентрации аэрозоля с такими амплитудами имеет величину 0,2-0,37, т.е. 20-37%. Вариации с большими амплитудами волновых возмущений значительно менее вероятны.
Влияние температурной стратификации атмосферы на мезомасштабные волновые вариации примесей и метеопараметров
Стратификация атмосферы (от лат. stratum — слой и facio — делаю), распределение температуры воздуха по высоте, характеризуемое вертикальным градиентом температуры g (1/100 м). В тропосфере температура падает с высотой в среднем на 0,6 на каждые 100 м, т. е. g=-0,6/100 м. Но в каждый отдельный момент g может отклоняться от этой средней величины, по-разному над каждым местом и в каждом слое тропосферы, причем иногда весьма значительно. Так, в жаркий летний день в приземном слое воздух над почвой нагревается и g сильно возрастает. Ночью почва выхолаживается благодаря излучению, температура воздуха уменьшается и иногда настолько, что падение температуры с высотой заменяется возрастанием (т.н. приземная инверсия температуры), т.е. g меняет знак. В свободной атмосфере также обнаруживаются различные значения g — от 1 на 100 м или несколько выше до сильных инверсий в отдельных слоях. В стратосфере значения g малы или отрицательны.
От стратификации атмосферы зависит устойчивость по отношению к вертикальным перемещениям воздуха. Воздух, поднимаясь вверх, охлаждается по определенному закону: сухой или ненасыщенный воздух — в максимальной степени — почти на 1 на каждые 100 м подъема; насыщенный воздух — на меньшую величшгу (несколько десятых долей градуса на 100 м), т.к. происходит выделение скрытого тепла при конденсации находящегося в воздухе водяного пара. Нисходящий воздух аналогичным образом нагревается. Восходящий воздух будет подниматься по закону Архимеда до тех пор, пока окружающая атмосфера остается холоднее его; если он попадает в слой атмосферы более теплый, чем он сам, восходящее движение прекращается. Нисходящий воздух опускается лишь до тех пор, пока его температура, повышаясь, не выровняется с температурой окружающей атмосферы. Т.о., чем сильнее падение температуры в окружающей атмосфере (т.е. при больших значениях g), тем интенсивнее конвекция, турбулентное движение и скольжение теплого воздуха на атмосферных фронтах. Будет ли воздух двигаться вверх или вниз — между ним и окружающей атмосферой будет сохраняться разность температур, поддерживающая или усиливающая вертикальное движение. Стратификация атмосферы в этом случае называется неустойчивой. Напротив, при малых вертикальных градиентах или при ишзерсиях температуры вертикально движущийся воздух быстро выравнивает свою температуру с температурой окружающей атмосферы, и вертикальные движения затухают. Стратификация атмосферы в этом случае называется устойчивой.
Неустойчивая стратификация атмосферы — необходимое условие для развития облаков конвекции (кучевых и кучево-дождевых) и усиления фронтальной облачности. При устойчивой стратификации преобладает ясное небо или развивается слоистая облачность под слоями инверсий. В стратосфере при неизменности температуры с высотой или при инверсиях стратификация атмосферы всегда очень устойчива; поэтому конвекция там отсутствует, а турбулентность слаба.
Выделяют условия безразличной (или равновесной) стратификации, когда вертикальный поток тепла равен ігулю, а изменение температуры воздуха с высотой происходит по адиабатическому закону. Учитывая небольшую вертикальную протяженность приземного слоя, можно говорить о равновесной стратификации и в тех случаях, когда температура мало изменяется с высотой, в частности, при изотермии. Неравновесная стратификация характеризуется температурными градиентами, существенно отличными от нуля.
Условия со сверхадиабатическими градиентами температуры относят к неустойчивому состоянию атмосферы. В таких случаях стратификация способствует развитию случайных возмущений в воздушном потоке и усилению турбулентного обмена. Инверсионное распределение, связанное с ростом температуры с высотой, определяется как устойчивая стратификация. При наличии и иігверсии температуры возмущения в потоке воздуха гасятся, и интенсивность турбулентности значительно ослабляется.
На рис. 4.6 представлен высотный профиль температуры, полученный методом радиозондирования в г. Казани за период 27.10.2001-05.11.2001 г. Интервал измерений — сутки, диапазон изменения высоты - 1 км, шаг измерений по высоте - 100 м. На рисунке приведены данные за 10 суток. Каждые сутки представлены своей кривой с обозначенными экспериментальными точками.
