Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследований в области физико-статистического анализа, классификации и моделирования метеорологических полей в пограничном слое атмосферы 11
1.1. Современное состояние исследований в области объективной классификации климатов и прикладного климатического районирования 12
1.2. Современное'состояние исследований в области физико-статистического моделирования вертикальной структуры метеорологических полей 22
1.3. Состояние исследований в области объективной классификации климатов, физико-статистического анализа и моделирования метеорологических полей в пограничном слое атмосферы 25
Глава 2. Характеристика исходного материала и методические аспекты его статистической обработки 28
2.1. Характеристика исходного материала 28
2.2. Методика первичной обработки данных температурно-ветрового зондирования 35
2.2.1. Автоматизированная обработка и преобразование аэрологических данных, поступающих в виде бюллетеней КН-04 35
2.2.2. Формирование выходной аэрологической информации для ее статистического обобщения 37
2.3. Банк аэрологических данных для накопления массивов первичной информации, ее контроля и статистической обработки 39
2.3.1. Структура и основные функции банка аэрологических данных 39
2.3.2. Алгоритмы расчета статистических характеристик вертикальных профилей метеорологических величин 43
Глава 3. Особенности вертикальной статистической структуры полей температуры, влажности и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири 46
3.1. Общая характеристика пограничного слоя атмосферы 46
3.2. Общие закономерности и особенности вертикального распределения средней температуры, влажности воздуха и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири 48
3.2.1. Основные черты вертикального распределения средней температуры и влажности воздуха 49
3.2.2. Особенности вертикального распределения средней скорости зонального и меридионального ветра 56
3.3. Особенности вертикального распределения изменчивости температуры, влажности воздуха и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири 62
3.3.1. Некоторые особенности вертикального распределения изменчивости температуры и влажности воздуха 63
3.3.2. Особенности вертикального распределения изменчивости зонального и меридионального ветра 67
3.4. Особенности межуровенных корреляционных связей температуры, влажности воздуха и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири 73
3.4.1. Межуровенные корреляционные связи температуры и влажности 73
3.4.2. Межуровенные корреляционные связи зональной и меридиональной составляющих скорости ветра 79
3.5. Некоторые особенности взаимно-корреляцилнных связей температуры, влажности воздуха и ветра 84
3.5.1. Взаимно-корреляционные связи температуры и влажности воздуха 85
3.5.2. Взаимно-корреляционные связи температуры и влажности воздуха с зональным и меридиональным ветром 88
3.5.3. Взаимно-корреляционные связи зонального и меридионального ветра 90
Глава 4. Оптимальное представление вертикальных профилей температуры, влажности и ветра с помощью естественных ортогональных функций 92
4.1. Некоторые методические аспекты получения естественных ортогональных составляющих и их применение для уплотнения статистической информации 93
4.2. Представление вертикальной структуры случайных полей с помощью собственных элементов корреляционных матриц 98
4.2.1. Представление вертикальных профилей температуры и влажности с помощью собственных элементов корреляционных матриц 98
4.2.2. Представление вертикальных профилей ортогональных составляющих скорости ветра с помощью собственных элементов корреляционных матриц 102
Глава 5. Объективная классификация и физико-статистическое моделирование полей температуры, влажности и ветра в пограничном слое атмосферы 106
5.1. Методология объективной классификации и физико-статистического моделирования метеорологических полей в пограничном слое атмосферы 106
5.1.1 Методика и алгоритмы объективной классификации климатов пограничного слоя атмосферы и климатического районирования территорий отдельных регионов 106
5.1.1.1. Методика объективной таксономической классификации и климатического районирования по режиму пограничного слоя атмосферы 108
5.1.1.2. Алгоритмы объективного климатического районирования территории Западной Сибири 114
5.1.2. Методика построения локальных физико-статистических моделей пограничного слоя атмосферы 118
5.2. Объективная классификация и физико-статистическое моделирование полей температуры, влажности и ветра в пограничном слое атмосферы 120
5.2.1. Объективное климатическое районирование территории Западной Сибири 120
5.2.2. Локальные физико-статистические модели пограничного слоя атмосферы 126
5.2.2.1. Локальные физико-статистические модели пограничного слоя атмосферы для зимнего периода 126
5.2.2.2. Локальные физико-статистические модели пограничного слоя атмосферы для летнего периода 133
Заключение 141
Литература 14
- Современное'состояние исследований в области физико-статистического моделирования вертикальной структуры метеорологических полей
- Автоматизированная обработка и преобразование аэрологических данных, поступающих в виде бюллетеней КН-04
- Общие закономерности и особенности вертикального распределения средней температуры, влажности воздуха и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири
- Представление вертикальной структуры случайных полей с помощью собственных элементов корреляционных матриц
Введение к работе
Решение широкого круга научных и прикладных задач, связанных с исследованием и моделированием мезоклиматов, с разработкой и применением систем лазерного дистанционного зондирования параметров окружающей среды, с оценкой условий распространения в атмосфере электромагнитного (в том числе оптического) излучения заданного спектрального диапазона, с интерпретацией спутникового многоспектральных измерений и т.п., настоятельно требует существенного углубления наших знаний о вертикальной статистической структуре метеорологических полей (и в первую очередь, полей температуры, влажности и ветра) в пограничном слое атмосферы (ПСА). При этом эффективность решения всех указанных задач в значительной мере определяется степенью адекватности статистического описания метеорологических полей, которая зависит от соответствия получаемых статистик (средних, дисперсий, корреляционных функций) определенному месту, времени года, слою атмосферы и т.д. Кроме того, статистические данные, используемые в интересах решения прикладных задач, должны быть ограниченными по своему объему, поскольку это удобно для их практического использования. Поэтому совершенно-очевидно, что априорные статистические данные должны быть одновременно адекватными, малыми по своему объему и охватывать значительные по площади территории (отдельные районы или регионы в целом).
В связи с таким положением для реализации перечисленных выше задач необходимо разработать особые принципы оптимального сжатия и преобразования статистической информации, которые учитывали бы естественную изменчивость исследуемого метеорологического поля. Одним из возможных и наиболее эффективных способов решения такой проблемы является модельное представление параметров состояния атмосферы (в том числе и ее пограничного слоя); позволяющее описать на основе ограниченных данных ее особенности в пределах отдельных регионов или выявленных (одним из способов) однородных физико-географических районов.
В общем случае задачу модельного представления параметров состояния атмосферы можно сформулировать как задачу объективной классификации климатов и их количественное описание с помощью некоторой малопараметрической
модели, разрабатываемой по данным эмпирических наблюдений для каждого из выявленных квазиоднородных (или однородных) районов. Реализация этой задачи сводится к таким основным этапам, как:
физико-статистический анализ вертикальной структуры метеорологических полей;
объективная классификация метеорологических объектов (в нашем случае мезоклиматов) по совокупности признаков, характеризующих их состояние;
климатическое районирование заданной территории на основе выбранной методики классификации, осуществляемое по ограниченному количеству признаков, с целью выделения на ней сравнительно небольшого числа однородных районов (они являются однородными по отношению к атмосферным процессам, определяющим изменчивость рассматриваемого поля);
построение для каждого из выявленных однородных районов одной физико-статистической (климатической) модели высотного распределения- метеорологических величин, представленной одним профилем средних значений и дисперсий и одной осредненной корреляционной матрицей или одним базисом, составленным из главных собственных элементов этой матрицы.
Все выше сказанное подчеркивает важность скорейшего получения адекватной статистической информации о вертикальной статистической структуре метеорологических полей (и, в первую очередь, полей температуры, влажности и ветра) в пограничном слое атмосферы, которая учитывала бы случайный характер изменения метеорологических величин в пространстве и времени, была бы ограниченной по своему объему и удобной для практического использования. Это тем более важно сделать также и потому, что многочисленные обобщающие работы по исследованию и моделированию статистической структуры метеорологических полей (например, [35, 120]) были направлены главным образом на изучение структуры метеорологических полей в свободной атмосфере и детально не касались пограничного слоя, атмосферы, свойства которого в основном определяются динамическими и термическими воздействиями земной поверхности. Вследствие этого статистическая- структура метеорологических полей в пограничном слое атмосферы еще исследована недостаточно, особенно в таком мало освещенном (в климатическом отношении) регионе, как Западная Сибирь.
Решение этой проблемы требует проведения климатического районирования территории Западной Сибири и построения для пограничного слоя атмосферы малопараметрических физико-статистических моделей, которые адекватно представляют его вертикальную структуру.
Таким образом, актуальность настоящей диссертационной работы обусловлена следующим:
отсутствием исследований по физико-статистическому анализу, объективной классификации и статистическому моделированию вертикальной структуры пограничного слоя атмосферы для территории Западной Сибири;
необходимостью разработки более совершенных методов классификации и климатического районирования полей метеорологических величин (и в первую очередь полей температуры, влажности и ветра) в области мезомасштаба;
необходимостью метеорологической поддержки прикладных задач, связанных с использованием данных о физическом состоянии пограничного слоя атмосферы.
В соответствии с вышесказанным, цель, диссертационной работы состоит в разработке методов и проведении комплексного физико-статистического анализа, объективной классификации и моделирования вертикальной структуры пограничного слоя атмосферы для территории Западной Сибири.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Проанализированы существующие подходы к решению проблемы объективной классификации, климатического районирования и статистического моделирования вертикальной структуры метеорологических полей;
Разработан и сформирован банк аэрологических данных, содержащий набор вертикальных профилей метеорологических величин (давления, температуры, влажности, зональной и меридиональной составляющих скорости ветра), полученных для 8 станций радиозондирования Западной Сибири;
Проведен анализ вертикальной статистической структуры полей температуры, влажности и ветра пограничного слоя атмосферы для территории Западной Сибири;
Разработана методика объективной классификации климатов пограничного слоя атмосферы применительно к климатическому районированию территории Западной Сибири и физико-статистическому моделированию вертикальной структуры метеорологических полей;
5. На основе объективной классификации проведено климатическое районирование и построены локальные физико-статистические модели вертикального распределения температуры, влажности и ветра для пограничного слоя атмосферы Западной Сибири.
В качестве методов исследования при решении поставленных задач были использованы методы математической статистики, теории разложения случайных функций по естественным ортогональным составляющим, многомерного анализа, проводимые с применением реальных радиозондовых измерений.
Основные положения, выносимые на защиту:
Выполненный детальный физико-статистический анализ вертикальной структуры полей температуры, влажности и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири на основе всего имеющегося обширного статистического материала и с высоким разрешением по вертикали (от 100 м) позволяет существенно уточнить общие закономерности и выявить локальные особенности высотного распределения указанных метеорологических величин над рассматриваемым регионом.
Разработанная оригинальная методика объективной классификации климатов пограничного слоя атмосферы, основанная на использовании специальных критериев сходства профилей математических ожиданий и главных собственных элементов обобщенных корреляционных матриц температуры, влажности и ветра, может быть использована для надежного климатического районирования территорий в области мезомасштаба.
Проведенное (на основе разработанной методики объективной классификации) физически обоснованное климатическое районирование территории Западной Сибири по температурно-влажностному и ветровому режиму пограничного слоя атмосферы, а также построенные адекватные локальные физико-статистические модели пригодны для эффективного практического использования* при решении задач метеорологии, климатологии, атмосферной оптики, дистанционного зондирования окружающей среды.
Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые:
Выполнен комплексный климатический анализ высотного распределения температуры, влажности воздуха и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири с помощью совокупности одномерных и многомерных статистических характеристик с большим разрешением по высоте на основе всей аэрологической информации, включающей в себя и многолетние данные, полученные для особых точек.
Разработана и реализована оригинальная методика объективной классификации климатов пограничного слоя атмосферы, которая является усовершенствованной по сравнению с методикой объективной классификации метеорологических полей в свободной атмосфере северного полушария, разработанной B.C. Комаровым, и отличается от нее дополнительным применением специальных критериев сходства профилей математических ожиданий и использованием главных собственных элементов обобщенных корреляционных матриц.
Проведено (на основе результатов объективной классификации) климатическое районирование территории Западной Сибири по температурно-влажностному и ветровому режиму пограничного слоя атмосферы и построены для выявленных однородных районов локальные физико-статистические модели высотного распределения температуры, влажности и ветра, каждая из которых статистически значимо отличается от моделей, полученных для соседних районов, и обладает существенными преимуществами перед региональными моделями, построенными ранее B.C. Комаровым для территории Западной Сибири.
Указанные результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение актуальной научной задачи - объективной классификации, климатического районирования и статистического моделирования вертикальной структуры метеорологических полей для пограничного слоя атмосферы Западной Сибири.
Научная и,практическая значимость работы определяется тем, что проведенное климатическое районирование и построенные локальные физико-статистические модели высотного распределения температуры, влажности и ветра могут быть использованы для достоверной оценки параметров состояния атмосферы в области мезомасштаба (и в первую очередь, над неосвещенной ме-
теорологической информацией территорией) в интересах решения задач метеорологии, климатологии и оптики атмосферы.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена корректным использованием современного математического аппарата и подтверждается данными реальных радиозондовых измерений, сравнением с результатами других авторов и всем имеющимся эмпириче-ским материалом.
Апробация и публикации результатов работы. Результаты диссертации докладывались и получили одобрение на XII и XIII Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2005 и 2006 гг.), на XI, XIII и XIV Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2004, 2006 и 2007 гг.), на VII Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2007 г.).
Результаты исследований были использованы при подготовке монографии «Статистические модели пограничного слоя атмосферы Западной Сибири» Изд-во ИОА СО РАН, 2008 г. [67], а также изложены в 8 статьях и 5 тезисах докладов.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в работе получены при непосредственном участии автора, либо самостоятельно. Автором самостоятельно разработан и сформирован банк аэрологических данных, проведены статистические расчеты и анализ вертикальной статистической структуры полей температуры, влажности и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири. Методика объективной классификации климатов ПСА разработана совместно с B.C. Комаровым. На основе объективной классификации автором самостоятельно проведено климатическое районирование и построены, локальные физико-статистические модели вертикального распределения температуры, влажности и ветра для пограничного слоя атмосферы Западной Сибири.
Структура и объем работы
Представляемая, диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации составляет 156 страниц текста, содержащего 37 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 193 наименования, из них 52 на английском языке, 1 - на немецком.
Современное'состояние исследований в области физико-статистического моделирования вертикальной структуры метеорологических полей
Решению задач статистического обобщения климатической информации, полученной для отдельных аэрологических станций, и построения глобально-региональных моделей атмосферы, создаваемых в интересах метеорологического обеспечения функционирования спутниковых систем дистанционной диагностики параметров окружающей среды, моделирования процессов переноса и трансформации оптического излучения, проектирования и эксплуатации средств лазерного дистанционного зондирования состояния атмосферы и т.п., посвящено большое число фундаментальных исследований и к настоящему времени насчитывается уже сотни статей и десятки монографий (см., например, обобщающие работы [35, 37, 55, 56, 59, 68, 119, 162, 193].
Наиболее часто при решении задач атмосферной оптики и дистанционного оптического зондирования применяется модель так называемой стандартной атмосферы: в нашей стране это стандартная атмосфера ГОСТ 4401-81 [4, 21], устанавливающая числовые значения основных параметров атмосферы (температуры, давления, плотности воздуха и ускорения свободного падения) до высоты 120 км, а в США - соответствующая стандартная атмосфера США - СА-76 [182]. Достоинством этих моделей является то, что они разработаны по данным достаточно представительных выборок наблюдений, а недостатком то, что эти модели включают в свой состав ограниченное число физических параметров и используют в качестве статистик только средние- значения. К тому же средние многолетние значения метеорологических величин, приведенные в стандартных моделях, описывают климатический режим атмосферы, близкий к режиму широты 45.
Семейство моделей атмосферы, называемых справочными, дает более наглядное представление о вертикальном среднесезонном распределении физических параметров в различных широтных зонах земного шара. Такие справочные модели, характеризующие вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха для пяти широт (15, 30, 45, 60 и 80) и диапазона высот от 0 до 80 км, представлены в Государственном стандарте ГОСТ 24631-81 [22]. Модели для широты 15 и летние модели для широт 30 и 45 применимы для соответствующих сезонов в обоих полушариях, остальные модели применимы только для северного полушария.
В справочной атмосфере СГОА-86 (COSPAR International Reference Atmosphere 1986) [150] приведены средние широтные значения температуры, давления, геопотенциала и зонального ветра для всех месяцев года в слое 0-120 км и с шагом по высоте 5 км, полученные для широт от 80 ю.ш. до 80 с.ш. с шагом 10. Для диапазона высот от 0 до 17,5 км представлены также среднемесячные и среднегодовые среднеширотные значения указанных параметров с большим разрешением по пространству (250 м - по высоте и 5 - по широте).
Для решения задач атмосферной оптики стандартные и справочные модели дополняются обычно специализированными моделями атмосферы. Наиболее известной из них является модель Мак-Клатчи [165], которая, наряду с давлением и температурой, содержит также высотные профили среднезонального распределения содержаний водяного пара, озона и аэрозоля в трех широтных зонах: полярной (60-90с.ш.), умеренной (30-60с.ш.) и тропической (0-30с.ш.).
Однако существенным недостатком справочных моделей [22, 150, 165] является то, что все физические параметры атмосферы представлены в них лишь средними профилями и не содержат каких-либо сведений об изменчивости этих параметров.
В какой-то степени эти недостатки устранены в модели НАСА [162]. Данная климатическая модель содержит два типа моделей. Первый из них (тип 4Д-А) включает в себя средние месячные профили высотного распределения температуры, плотности воздуха, влажности, зональной и меридиональной составляющих вектора ветра и профили их стандартных отклонений, полученные до высоты 25 км для 1977 точек при шаге прямоугольной сетки для Северного полушария, равного 440 км, и шаге географической сетки для Южного полушария 5 по широте и 10 по долготе. Второй тип модели (4Д-В) содержит для тех же физических параметров обобщенные статистические характеристики, которые определены по 45 однородным климатическим районам земного шара, причем границы этих районов в течение года остаются неизменными. Справочные модели атмосферы, описание которых дается в [35, 191, 192], включает в себя два типа статистических моделей: зональные, построенные для трех широтных зон северного полушария (полярной, умеренной и тропической), а также региональные - для квазиоднородных районов, выявленных в результате объективной классификации климатов и прикладного районирования территорий Северного полушария. Зональные модели, построенные для зимнего и летнего сезонов до высоты 60 км и с шагом 1 км, содержат не только средне-зональные профили высотного распределения основных оптически-активных компонент атмосферы (давления, температуры, влажности, атмосферного озона и содержания некоторых других поглощающих газов), но также и характеристики их изменчивости (они представлены средним квадратическим отклонением). Кроме указанных статистических параметров, зональные модели атмосферы, содержат также нормированные автокорреляционные матрицы, рассчитанные, однако, лишь для температуры, влажности и атмосферного озона и охватывающие слой атмосферы 0-30 км (для влажности 0-7 км). Следует отметить, что давление из-за малой изменчивости представлено в зональной модели только средне-зональным профилем. Региональные статистические модели представленные в [35, 191, 192], хотя и имеют полный набор статистических характеристик, но построены лишь для температуры и влажности воздуха.
Автоматизированная обработка и преобразование аэрологических данных, поступающих в виде бюллетеней КН-04
Рассмотрим основные алгоритмы, связанные с обработкой и преобразованием исходной аэрологической информации, поступающей в виде бюллетеней КН-04 и используемой в дальнейшем для получения статистических характеристик вертикальных профилей температуры, влажности и ветра.
Сразу же подчеркнем, что обработке подвергались бюллетени не в полном объеме, а только до изобарической поверхности 300 гПа ( 9 км) включительно. В результате считывания, обработки и расшифровки аэрологических бюллетеней для каждой станции были сформированы файлы данных типа Р, которые содержат первичные аэрологические данные за взятый период времени. Имена файлов формируются программой в виде PIIiii.dat (здесь Р указатель типа; ІІііі - синоптический индекс станции, для которой записываются данные; dat - стандартное расширение для текстовых файлов с данными станций).
На рис. 2.3. приведены фрагменты записи файла типа Р (с именем P28445.dat), содержащие данные для станции Верхнее Дуброво (Екатеринбург) за 1 июля 2005 г. 00 ч. по Гринвичу до уровня 300 гПа ( 9 км).
Первая строка в каждом из подобных файлов содержит в порядке следования: синоптический индекс станции (28445), ее широту (5644 с.ш.), долготу (6104 в.д.) и высоту над уровнем моря (290 м), а также число содержащихся в файле последовательно идущих бюллетеней этой станции (60). Вторая строка со 36 держит только дату (01) и срок (00 ч. по Гринвичу) наблюдений, поскольку год и месяц в бюллетене КН-04 не дается. Ниже построчно приводятся данные, считанные из бюллетеня КН-04, вначале для наземного уровня, а затем для каждой стандартной изобарической поверхности (1000, 925, 850, 700, 500, 400 и 300 гПа). После данных изобарических поверхностей в файле типа Р приводятся данные, содержащие вначале результаты измерений на уровнях особых точек по температуре и влажности, а затем - на уровнях особых точек по ветру.
Каждая строка данных содержит (в порядке следования) следующие 4-х значные группы: - значение приземного давления или давления изобарической поверхности, т.е. 1000, 925, 850, 700, 500, 400 и 300 гПа и давления на уровне особой точки/? в гПа; - значение геопотенциальной высоты Н (гп.м), причем для наземных данных и данных особых точек оно не приводится; - значение температуры t (С), умноженное на 10 (для особых точек по ветру оно не приводится); - значение дефицита точки росы Atd(C), умноженное на 10 (для особых точек по ветру оно не приводится); - значение зональной составляющей скорости ветра U (м/с), умноженное на 10 (для особых точек по температуре оно не приводится), которая рассчитывается предварительно с помощью выражения (2.9); - значение меридиональной составляющей скорости ветра V (м/с), умноженное на 10 (для особых точек по температуре оно не приводится), которая рассчитывается предварительно на основе выражения вида (2.10).
В случае если для какой-либо изобарической поверхности значение той или иной метеорологической величины не было расшифровано по данным бюллетеня КН-04 (например, вследствие его отсутствия в кодовой группе или ошибочной записи этой группы), то оно записывалась как «////».
Географические координаты и высота станции, приведенные в первой строке файла типаР, считываются программой из специализированного файла Asia.txt, содержащего данные о синоптических индексах всех станций Азиатского региона (включая азиатскую часть России), а также географических координатах и высоте аэрологических и метеорологических станций над уровнем моря. Кроме того следует также подчеркнуть, что для формирования массива данных, используемых при статистическом анализе метеорологических полей в пограничном слое атмосферы, из файла типа Р берутся не все данные высотного радиозондирования, а только те из них, которые относятся к наземному уровню, изобарическим поверхностям: 1000 (при условии, что Р0 1000 гПа), 925, 850 и 700 гПа и уровням особых точек по температуре и влажности или ветру, расположенным в слое 1000 (либо земля, если Ро 1000 гПа) - 700 гПа.
Общие закономерности и особенности вертикального распределения средней температуры, влажности воздуха и ветра в пограничном слое атмосферы Западной Сибири
Наряду с анализом вертикального распределения средней температуры и влажности воздуха, несомненный интерес представляет исследование основных особенностей изменения характеристик ветра с высотой, которые характерны для пограничного слоя атмосферы над территорией Западной Сибири. При этом в качестве анализируемых характеристик будем использовать зональную и меридиональную составляющие его скорости, а для простоты - применять также термин «скорость зонального (или меридионального) ветра».
Здесь важно напомнить, что обе составляющие скорости ветра могут иметь как положительные, так и отрицательные значения, причем, согласно [26], положительному значению скорости зональной составляющей соответствует западный ветер, а отрицательному значению - восточный. В то же время положительному значению скорости меридиональной составляющей соответствует южный ветер, а отрицательному значению - северный.
Перейдем теперь непосредственно к анализу особенностей вертикального распределения ортогональных составляющих скорости ветра, воспользовавшись данными [64] и всей другой имеющейся статистической информацией.
а) Зональный ветер
Рассмотрим в первую очередь особенности, характерные для зонального ветра, для чего воспользуемся рис.3.5 с высотными профилями ортогональных составляющих скорости ветра, а также рис.3.6, где в качестве примера дается пространственное распределение его средней скорости в январе и июле на уровне земной поверхности и на высотах 800 и 1600 м.
Из рис.3.5 и 3.6 следует, что зимой в пограничном слое атмосферы над всей территорией Западной Сибири наблюдается западный зональный ветер, причем его скорость повсеместно возрастает с высотой (от 0;4-0,9м/с на уровне земной поверхности до 5,6-9,4 м/с на высоте 1600 м). Лишь .в крайних северо-восточных районах Западной Сибири в самом нижнем 200-метровом слое вместо западного наблюдается слабый восточный ветер, скорость которого быстро уменьшается с высотой. Так, например, в районе Туруханска она уменьшается от -1,4 м/с на уровне станции до -0,3 м/с на высоте 200 м. Выше 200 м уже господствует западный ветер с возрастающей с высотой скоростью, однако над данным районом он имеет наименьшие (для всей Западной Сибири) скорости, которые не превышают даже на высоте 1600 м значения 5,6 м/с.
Вертикальное распределение зонального и меридионального ветра в пограничном слое атмосферы над Западной Сибирью (Условные обозначения см. рис.3.1)
Обращает на себя» внимание еще одна интересная особенность, связанная с появлением в, пограничном слое атмосферы над юго-восточными районами Западной Сибири (ст. Емельяново) области- максимальных скоростей западного ветра. Здесь же наблюдается и «наибольшая интенсивность усиления /западного ветра с высотой. Так, если в районе Омска скорость западного ветра возрастает с высотой на 6,1 м/с (от 0,7 м/с на уровне земной поверхности до 6,8 м/с на высоте 1600 м), то вблизи ст. Емельяново, расположенной в районе Красноярска, она увеличивается уже на 8,1 м/с (от 1,3 м/с до 9,4 м/с соответственно). 60 70 80 90 в.д. 60 70 80 90вд б 70 80 90в.д. 60 70 80 90вд.
Все перечисленные выше особенности, естественно, имеют физическое обоснование. В частности, преобладание зимой в пограничном слое атмосферы Западной Сибири западного зонального потока обусловлено развитием в этот период года над азиатским континентом сильных западных ветров, наблюдаемых во всей толще тропосферы. В то же время появление на северо-востоке Западной Сибири в нижнем 200-метровом слое слабых восточных ветров связано с преобладанием вдоль берегов Сибири восточной циркуляции, которая, согласно [26], формируется здесь под влиянием северной периферии области барических минимумов и южной периферии области относительно повышенного давления, расположенной над Центральной Арктикой.
Что касается усиления западных ветров с высотой, наблюдаемое в пограничном слое над всей территорией Западной Сибири, то оно обусловлено общим усилением с высотой западной зональной циркуляции в атмосфере умеренных широт и происходит в- полном соответствии с уравнением термического ветра, которое, согласно [12], определяется с помощью уравнения: ?Ъ =- -.? (32) dz /Г ду где Vg — скорость геострофического ветра (для климатологических целей идентична действительному ветру), g — ускорение свободного падения; /— параметр Кориолиса; z и у - вертикальная и меридиональная координаты.
Если проинтегрировать уравнение (3.2) между двумя высотными уровнями, то получим векторный прирост геострофического ветра от нижнего к вышерасположенному уровню, который и называют термическим ветром [134]. При этом из уравнения (3.2) следует, чем больше меридиональный градиент температуры дТ/ду, тем больше увеличивается скорость западной составляющей ветра с высотой dV„ /dz.
И, наконец, появление над юго-востоком Западной Сибири области максимальных скоростей западного ветра, прослеживающейся во всей толще пограничного слоя атмосферы, связано с так называемым «угловым эффектом» [134], при котором ветер всегда усиливается при обтекании какой-либо возвышенности или горной системы сбоку, оставляя1 ее справа. В нашем случае ветер усиливается при обтекании Алтайских и Саянских гор.
Представление вертикальной структуры случайных полей с помощью собственных элементов корреляционных матриц
Наряду с этой общей закономерностью, для межуровенных корреляционных связей температуры и влажности в пограничном слое атмосферы над территорией Западной Сибири характерны и некоторые особенности. Так, например, зимой значения коэффициентов корреляции температуры %(/ о А ) и массовой доли водяного пара \\,qq(hi,hj)\ наиболее быстро уменьшаются по своей величине с высотой в нижнем 600-метровом слое; где: межуровенные корреляционные связи этих метеорологических величин существенно нарушаются за счет появления мощных приземных инверсий, а выше данного слоя те же коэффициенты корреляции уменьшаются с высотой заметно медленнее. Действительно, если значения коэффициентов межуровенной корреляции температуры \xtt (/ZQ ,600) и массовой доли водяного пара u„ (/70,600) составляют, причем повсеместно, 0,42-0,65 и 0,74-0,88, соответственно, т.е. в слое 0-600«м они уменьшаются на 0,35-0,58 и 0,11-0,23, соответственно, то коэффициенты )0, (/20,1200) и ц. (/70,1200)1 варьируют в пределах 0,22-0,57 (для температуры) и 0,68-0,77 (массовой доли водяного пара), т.е. при увеличении расстояния между коррелируемыми уровнями вдвое они уменьшаются только на 0,08-0,20 и 0,06-0,11.
Аналогичный вертикальный ход имеют коэффициенты межуровенной корреляции температуры и массовой доли водяного пара, рассчитанные между уровнями 100-200 м и всеми выше расположенными уровнями пограничного слоя атмосферы. Однако, для всех остальных исходных (фиксированных) уровней, т.е. при ht 300 м, ослабление межуровневых связей температуры с увеличением расстояния между коррелируемыми уровнями происходит более равномерно.
Летом, в отличие от зимы, при отсутствии мощных приземных инверсий, уменьшающих тесноту межуровенной корреляции, ослабление вертикальных корреляционных связей температуры-и массовой доли водяного пара с увеличением расстояния между коррелируемыми уровнями происходит по высоте более равномерно. При этом подобный характер поведения межуровенной корреляции указанных метеорологических величин не зависит от высоты взятого исходного уровня h,. Существенной особенностью межуровенной корреляции температуры и массовой доли водяного пара, проявляющейся во всем пограничном слое атмосферы над территорией Западной Сибири, является заметно большая величина вертикальных корреляционных связей этих метеорологических величин летом, чем зимой. Подобная особенность наиболее ярко проявляется у коэффициентов межуровенной корреляции температуры, рассчитанных между наземным уровнем и всеми выше расположенными уровнями-ПСА, т.е. %(/ oA )- Действительно, если зимой, например, в районе Салехарда коэффициент межуровенной корреляции температуры \itt (ho ,1600) равен 0,46, то летом он заметно больше и составляет порядка 0,70.
Полученные результаты противоречат выводам, сделанным ранее в работах [35, 74, 85, 120], в которых показано, что наиболее тесные межуровенные корреляционные связи температуры и влажности в слое 0-1500 м наблюдаются не в летний, а в зимний период. Однако эти выводы сделаны по данным межуровенной корреляции температуры и влажности, рассчитанной либо для отдельных широтных зон, либо для северного полушария в целом, т.е. без учета физико-географических и циркуляционных особенностей отдельных регионов и, в частности, такого региона, как Западная Сибирь. Действительно, этот регион имеет специфические отличия, поскольку зимой над всей его территорией господствуют мощные приземные инверсии, нарушающие межуровенную корреляцию температуры и влажности во всем пограничном слое атмосферы, а летом, когда наблюдается сильное вертикальное перемешивание воздушных масс в результате интенсивной конвекции над хорошо прогреваемой территорией Западной Сибири, наоборот отмечаются их более тесные межуровенные корреляционные связи.
Таковы общие закономерности и некоторые особенности, которые были выявлены при анализе межуровенных корреляционных связей температуры и массовой доли водяного пара с помощью функций \x.tt(hi,h;) и \ qq(hi,hj), рассчитанных для пограничного слоя атмосферы по данным отдельных аэрологических станций Западной Сибири. 3.4.2. Межуровенные корреляционные связи зональной и меридиональной составляющих скорости ветра
Данные о межуровенных связях ортогональных (зональной и меридиональной) составляющих скорости ветра, помимо чисто познавательного интереса, необходимы также для решения такой важной в атмосферной оптике задачи, как обеспечение всепогодности ветрового лидарного зондирования, в том числе в условиях сложной метеообстановки (туман, интенсивные осадки), за счет вертикальной экстраполяции этих составляющих по данным наземных измерений. О некоторых положительных результатах такой экстраполяции говорится, например, в [50, 62, 169]. Кроме того сведения о межуровенной корреляции ортогональных составляющих скорости ветра позволяют привлекать данные на различных уровнях при объективном анализе полей ветра [16, 17, 158], а также при статистическом вертикальном контроле его наблюдений [39].
Рассмотрим межуровенные корреляционные связи ортогональных составляющих скорости ветра в пограничном слое атмосферы, полученные для типичных станций Западной Сибири. На рис.3.17 и 3.18 приведены графики распределения коэффициентов межуровенной корреляции скоростей зонального и меридионального ветра, построенные для восьми аэрологических станций по данным нормированных корреляционных матриц Рсду(Л" /) и М-ру (Л /)
Из анализа этих рисунков следует, что для межуровенных корреляционных связей скоростей зонального и меридионального ветра характерны те же общие закономерности, которые были выявлены при рассмотрении межуровенной корреляции температуры и влажности воздуха.
