Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор существующих на сегодняшний день исследований атмосферной динамики и солнечно-земных связей 13
1.1 Введение 13
1.2 Динамика нижней и средней атмосферы 15
1.2.1 Зонально осредненная циркуляция 15
1.2.2 Энергетика атмосферы 19
1.2.3 Внетропические планетарные волны и внезапные стратосферные потепления 23
1.2.4 Радиационный нагрев: источники и стоки тепла 26
1.2.5 Атмосферные тепловые приливы 26
1.2.6 Внутренние гравитационные волны 29
1.3 Влияние солнечной активности на атмосферу земли 35
1.3.1 Влияние солнечной активности на динамические процессы атмосферы 37
1.4 Выводы 45
ГЛАВА 2. Исследование динамических процессов среднеширотной нижней и средней атмосферы. Региональная модель режима циркуляции нижней исредней атмосферы 49
2.1 Оценка динамической эффективности вихревых потоков при формировании режима зональной и меридиональной циркуляции среднеширотной средней атмосферы 49
2.1.1 Метод оценки динамической эффективности вихревых потоков 51
2.1.2 Результаты анализа 52
2.2 Высотные вариации параметров преобладающей циркуляции и волновых возмущений 58
2.2.1 Исследование высотно-сезоннои структуры фоновой циркуляции 60
2.2.2 Исследование высотно-сезоннои изменчивости интенсивности волновых возмущений 63
2.3 Выводы 70
ГЛАВА 3. Высотно-сезонная изменчивость волновых возмущений с масштабами планетарных волн 72
3.1 Введение 72
3.2 Анализ нестационарных временных рядов с использованием метода непрерывного вейвлет преобразования 73
3.2.1 Спектральный анализ временных рядов 73
3.2.2 Оконное Фурье-преобразование 75
3.2.3 Непрерывное вейвлет-преобразование 80
3.2.4 Вейвлет Морле 81
3.2.5 Проблема конечности длины временного ряда и пропусков в данных 86
3.2.6 Шумы в сигнале. 90
3.2.7 Моделирование 91
3.3 Исследование высотно-сезоннои изменчивости волновых возмущений с масштабами планетарных волн 93
3.4 Выводы 99
ГЛАВА 4. Влияние солнечной активности на динамические процессы нижней и средней атмосферы 100
4.1 Введение 100
4.2 Метод оценки зависимости параметров динамических процессов атмосферы от солнечной активности 101
4.3 Результаты анализа 103
4.4 Выводы 120
Заключение 122
Литература
- Внетропические планетарные волны и внезапные стратосферные потепления
- Влияние солнечной активности на динамические процессы атмосферы
- Высотные вариации параметров преобладающей циркуляции и волновых возмущений
- Проблема конечности длины временного ряда и пропусков в данных
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование динамических процессов атмосферы и оценка влияния солнечной активности на их характеристики является важным с точки зрения построения модели общей атмосферной циркуляции, разработки методов прогнозирования изменений климата и определения причин таких изменений. Реалистические прогнозы возможных климатических последствий человеческой деятельности или вариаций солнечной активности могут быть осуществлены лишь на основе развития численных моделей общей циркуляции, адекватно воспроизводящих физические процессы, протекающие в верхней атмосфере, а также взаимодействие между верхней атмосферой и тропосферой. Разработка подобных моделей требует, прежде всего, детального понимания количественной стороны химических, физических и динамических процессов, относящихся к метеорологии верхней атмосферы.
Атмосфера Земли - сложная динамическая система, в которой наблюдаются широкий пространственно-временной спектр движений. Важным аспектом исследования изменчивости термодинамического состояния атмосферы является поиск условий взаимосвязи процессов, развивающихся на различных высотных уровнях в интервале высот средней атмосферы.
При построении модели циркуляции средней атмосферы Земли, которая воспроизводила бы энергетически значимые пространственно-временные вариации ее основных термодинамических параметров, необходима оценка динамической эффективности атмосферных движений различных временных и пространственных масштабов. Эффективность вихревых потоков в широком интервале временных и пространственных масштабов зависит от их природы и особенностей взаимодействия с преобладающими движениями.
Исследование эффектов влияния солнечной активности на динамические процессы атмосферы Земли в настоящее время является
актуальной темой и вызывает большой интерес среди ученых-геофизиков, климатологов и метеорологов. Наиболее оживленную дискуссию в настоящее время вызывают те проявления солнечно-земных связей, которые определяют воздействие возмущений на Солнце и в межпланетной среде на климатические и погодные условия на Земле, на состояние нижней атмосферы. Связью с солнечными процессами могут быть объяснены наблюдаемые в атмосфере крупномасштабные изменения (потепление климата). Ввиду большой практической значимости проблема "Солнце — погода" является в настоящее время составной частью крупномасштабных международных программ "Энергетика солнечно-земных связей" (STEP) и Международной геосферно-биосферной программы (IGBP).
Целью диссертационной работы является исследование динамических процессов среднеширотной нижней и средней атмосферы, определение высотной зависимости параметров преобладающей циркуляции и волновых возмущений; исследование межгодовых вариаций динамических процессов атмосферы и оценка воздействия на них солнечной активности.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
Оценка динамической эффективности вихревых потоков при формировании режима зональной и меридиональной циркуляции среднеширотной атмосферы в интервале высот 0-110 км.
Определение высотной зависимости среднемноголетних значений, амплитуд и времен максимума годовых и полугодовых колебаний скорости зонального и меридионального ветра, а также вариаций энергии фоновых движений, интенсивности планетарных волн, приливных движений и внутренних гравитационных волн для среднеширотной атмосферы в интервале высот 0-110 км.
Исследование высотно-сезонной изменчивости планетарных волн в интервале высот нижней и средней атмосферы в поле зонального и меридионального ветра.
Исследование межгодовых вариаций среднегодовых значений, амплитуд годовых и полугодовых колебаний скорости ветра, а также интенсивности планетарных волн зональной и меридиональной циркуляции среднеширотной нижней и средней атмосферы. Оценка влияния солнечной активности на данные динамические процессы в зависимости от высоты.
Научная новизна состоит в следующем:
Впервые рассчитаны высотные зависимости параметров динамической эффективности вихревых потоков с масштабами планетарных волн (2-30 суток) и с масштабами приливов и внутренних гравитационных волн (1-24 ч) при формировании режима зональной и меридиональной циркуляции и их внутригодовых вариаций для региона Казани (56N,49E) за период 1992-2003 гг. для интервала высот 0-55 км и за период 1986-2004 гг. для интервала высот 80-110 км.
Впервые рассчитанна высотная зависимость среднемноголетних значений, амплитуд и времен максимума годовых и полугодовых колебаний скорости зонального и меридионального ветра, а также вариаций интенсивности планетарных волн (с временными масштабами 2-30 суток) и атмосферных возмущений с временными масштабами 1-24 ч (приливных движений и внутренних гравитационных волн) для региона Казани (56N,49E) за период 1992-2003 гг. для интервала высот 0-55 км и за период 1986-2002 гг. для интервала высот 80-110 км.
Впервые, на основе вейвлет анализа, определена высотно-сезонная изменчивость амплитуд атмосферных колебаний, имеющих периоды, характерные для атмосферных планетарных волн (10, 16 и 27 суток) в поле зонального и меридионального ветра для региона Казани
(56N,49E) за период 1986-1992 гг. для интервала высот 0-31 км, за
период 1992-2003 гг. для интервала высот 0-55 км и за период 1986-
2002 гг. для интервала высот 80-110 км.
4. Впервые по длительному ряду измерений (за период 1992-2003 гг. для
интервала высот 0-55 км и за период 1986-2002 гг. для интервала высот
80-110 км) для среднеширотной нижней и средней атмосферы для
региона Казани (56N,49E) расчитанны высотные профили параметров
зависимости от солнечной активности среднегодовых значений,
амплитуд годовых и полугодовых колебаний скоростей ветра, а также
интенсивности планетарных волн в поле зональной и меридиональной
циркуляции. По длительному ряду измерений (23-года) за период
1980-2002 гг. оценены спектральные плотности мощности в диапазоне
временных масштабов 4-15 лет для межгодовых вариаций
среднегодовых значений, амплитуд годовых и полугодовых колебаний
усредненной по высоте в интервале 80-110 км скорости ветра.
Обнаружены выраженные 11-летние вариации для среднегодовых
значений и амплитуд годовых колебаний.
Практическая ценность настоящей работы состоит в следующем:
Рассчитанные высотные профили динамической эффективности
вихревых потоков, среднемноголетних значений, амплитуд и фаз
максимума годовых и полугодовых колебаний скорости зонального и
меридионального ветра, а также вариаций энергии фоновых движений,
интенсивности планетарных волн, приливных движений и внутренних
гравитационных волн для среднеширотной нижней и средней атмосферы; а
также проведенные оценки параметров зависимости от солнечной
активности долгопериодных вариаций ветрового режима зональной и
меридиональной циркуляции могут быть использованы для развития
глобальных моделей циркуляции, построения долгосрочных
климатических прогнозов динамики нейтрального ветра, развития
адекватных моделей нижней ионосферы. Результаты могут быть
использованы для оценки солнечных факторов на термодинамический режим атмосферы и сравнения их с антропогенными факторами. На защиту выносятся:
Рассчитанная высотная зависимость динамической эффективности вихревых потоков с временными масштабами 2-30 суток при формировании режима зональной и меридиональной циркуляции для региона Казани (56N,49E) за период 1992-2003 гг. для интервала высот 0-55 км и за период 1986-2004 гг. для интервала высот 80-110 км.
Рассчитанная высотная зависимость среднемноголетних значений, амплитуд и времен максимума годовых и полугодовых колебаний скорости зонального и меридионального ветра, а также вариаций интенсивности планетарных волн с временными масштабами 2-30 суток и волновых возмущений с временными масштабами приливных движений и внутренних гравитационных волн (1-24 ч) для региона Казани (56N,49E) за период 1992-2003 гг. для интервала высот 0-55 км и за период 1986-2004 гг. для интервала высот 80-110 км.
Рассчитанная высотно-сезонная зависимость амплитуд атмосферных колебаний, имеющих периоды, характерные для атмосферных планетарных волн (10, 16 и 27 суток) в поле зонального и меридионального ветра для региона Казани (56N,49E) за период 1986-1992 гг. для интервала высот 0-31 км, за период 1992-2003 гг. для интервала высот 0-55 км и за период 1986-2002 гг. для интервала высот 80-110 км.
Рассчитанные высотные профили параметров зависимости от солнечной активности среднегодовых значений, амплитуд годовых и полугодовых колебаний, а также интенсивности планетарных волн зональной и меридиональной циркуляции среднеширотной нижней и средней атмосферы для региона Казани (56N,49E) за период 1992-2003 гг. для интервала высот 0-55 км и за период 1986-2004 гг. для интервала высот 80-110 км. Оцененные
спектральные плотности мощности межгодовых колебаний в диапазоне
временных масштабов 4-15 лет для временных рядов среднегодовых
значений, амплитуд годовых и полугодовых колебаний
усредненных по высоте в интервале 80-110 км значений скорости
ветра за период 1980-2004 гг. для региона Казани (56N,49E).
Обнаруженные выраженные 11 летние вариации для среднегодовых
значений и амплитуд годовых колебаний зонального и
меридионального ветра.
Достоверность полученных результатов подтверждена статистикой
многолетних радиометеорных наблюдений циркуляции верхней мезосферы -
нижней термосферы, а так же методически обоснованной обработкой
результатов измерений с оценкой значимости вычисляемых параметров.
Методические рекомендации по применению представленных моделей
основываются на статистико-вероятностном подходе к анализу временных
рядов с учетом особенностей исследуемых процессов (их нестационарности).
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в
измерениях параметров нейтрального ветра на радиолокационной станции с
фазовым высотомером КГУ-М5.
Автором проведена адаптация метода непрерывного вейвлет-преобразования для анализа нестационарных временных рядов, содержащих шумы и разрывы в измерениях. Аналитически и модельно проведена оценка влияния шумов и разрывов в измерениях на результат вейвлет преобразования с использованием вейвлета Морле.
Автором спроектированы и реализованы на языке программирования C++ программные модули, обеспечивающие функциональность хранения и обработки многомерных научных данных, на основе которых автором было разработано программное обеспечение, позволяющее проводить спектральный и корреляционный анализ, вейвлет преобразование, аппроксимацию, синтез и фильтрацию временных рядов, оценивать спектральную плотность мощности исследуемых процессов с помощью
классических и авторегрессионных ' методов (ковариационным, модифицированным ковариационным методом и методом Берга).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 147 страницы текста, список литературы, который включает 168 наименований.
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, ее цель, научная новизна и практическая значимость; формулируются положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации приводится обзор существующих на сегодняшний день исследований динамических процессов атмосферы и влияния вариаций солнечной активности на их изменчивость. В обзоре излагаются основные современные научные представления о физической природе, закономерностях и свойствах исследуемых в данной диссертации процессов нижней и средней атмосферы, а также их межгодовую изменчивость, связанную с воздействием солнечной активности.
Во второй главе диссертации исследуется динамическая эффективность крупномасштабных вихревых потоков среднеширотной нижней и средней атмосферы в интервале высот 0-110 км для региона г. Казани (56N ,49Е), а также проводится исследование вариаций параметров преобладающей циркуляции и волновых возмущений в среднеширотной нижней и средней атмосфере и их высотной изменчивости.
В третьей главе диссертации изложен метод анализа нестационарных временных рядов на основе вейвлет преобразования, адаптированный для анализа используемых в данной работе временных рядов скоростей ветра, а также представлены результаты выполненных на основе данного метода исследований высотно-сезонной изменчивости амплитуд колебаний зонального и меридионального ветра, имеющих периоды, характерные для атмосферных планетарных волн (10, 16 и 27 суток) для региона Казани (56N, 49Е) в интервале высот нижней и средней атмосферы.
В четвертой главе диссертации исследуются солнечные эффекты в
вариациях среднегодовых значений, амплитуд годовых и полугодовых
колебаний скоростей ветра, а также величин интенсивности планетарных
волн в поле зональной и меридиональной циркуляции на высотах 0-55 км для
периода 1992-2003 гг. и на высотах 80-110 км для периода 1986-2002 гг. для
региона Казани (56N,49E). Выполняется спектральный анализ межгодовых
вариаций среднегодовых значений, амплитуд годовых и полугодовых
Ф колебаний зонального ветра, усредненного в высотном интервале 80-110 км
для периода 1980-2003 гг. для Казани (56N,49E) и для периода 1980-2002 гг.
для Коллма (52N,15E).
В заключении сформулированы основные результаты работы.
#
Внетропические планетарные волны и внезапные стратосферные потепления
Вихревые движения в стратосфере образуются в первую очередь ультрадлинными квазистационарными планетарными волнами, характерными для зимнего полушария. Теоретически это было продемонстрировано Чарни и Дрезином [40], показавшими, что квазигеострофические волны, генерируемые в тропосфере, могут распространяться в вертикальном направлении лишь при условии, что их фазовая скорость относительно среднего зонального ветра направлена к западу, но в то же время не превосходит некоторого критического значения, убывающего с длиной волны. Таким образом, все волны, кроме ультрадлинных, обычно оказываются «запертыми» в тропосфере. Запирание стационарных планетарных волн восточными средними зональными ветрами и распространение ультрадлинных волн при западных зональных ветрах объясняет кардинальное различие между средними за сезон летними и зимними стратосферными картами барической топографии. Летом средняя циркуляция на уровне 30 мбар (60 км) в северном полушарии образует почти симметричный циркумполярный антициклонический вихрь. Зимой же циклонический полярный вихрь сильно искажен гребнем высокого давления (алеутским максимумом), образуемым зональными гармониками с волновыми числами I и 2. Детальные исследования стратосферного климата [41] подтверждают наличие аналогичной картины и на других уровнях в стратосфере, причем алеутский максимум смещается к западу с ростом высоты.
Квазистационарные волны обнаружены в зимней стратосфере южного полушария [42]. Здесь, однако, существенной амплитудой обладает лишь возмущение с волновым числом 1. И амплитуда, и фаза этого возмущения в нижней стратосфере южного полушария аналогичны наблюдаемым в северном. Однако, в отличие от волны северного полушария, волна южного полушария в тропосфере не имеет смещения к западу с ростом высоты. Причиной этого, вероятно, служит различие вкладов зонально асимметричного нагрева и топографии в процесс возбуждения стационарных волн в разных полушариях.
Помимо вынужденных квазистационарных волновых возмущений, имеются относительно слабые волновые возмущения, движущиеся к западу. Такие возмущения обнаружены и в летнем полушарии [43]. Глобальный анализ связанных с ними температурных возмущений стал теперь доступен благодаря спутниковым измерениям [44]. Природа этих волн точно не известна. Согласно анализу Мюнха [43], они могут оказаться свободными планетарными волнами Россби.
Изменчивость вертикального потока волновой энергии важна прежде всего потому, что внезапные стратосферные потепления, согласно некоторым фактическим данным [30,32], возбуждаются аномалиями этого потока.
Энергетический цикл стратосферных потеплений изучался в (см. [25,27,29,28,30]). Во всех упомянутых выше исследованиях бюджет энергии внезапных потеплений анализируется в терминах цикла преобразований энергии Лоренца. Рид и др. [25] показали, что энергетику внезапных потеплений на уровне 50 мбар можно разделить на две фазы в соответствии с временными изменениями запасов разных видов энергии.
В течение первой фазы потепления обмен энергией между зональной и вихревой компонентами происходит в направлениях, характерных для среднего годового цикла. Однако усиливающийся вертикальный поток энергии приводит к росту вихревой кинетической энергии, а усиливающийся вихревой поток тепла — к снижению зональной доступной потенциальной энергии и росту вихревой доступной потенциальной энергии. В то же время усиливающаяся аномальная средняя меридиональная циркуляция приводит к снижению средней зональной кинетической энергии. В течение следующей фазы, начинающейся с того уровня, на котором средний зональный меридиональный градиент температуры меняет знак, бароклинная часть энергетического цикла меняет направление, и преобразования энергии становятся такими же, как в среднем годовом цикле (по Оорту). В этой фазе зональная доступная потенциальная энергия растет, а вихревая кинетическая и доступная потенциальная энергии убывают. На этой поздней фазе реализуется цикл «холодильника», при котором вертикальный поток энергии из тропосферы обеспечивает противоградиентный направленный к северу вихревой поток тепла. Хотя Рид и др. [25] рассмотрели только уровень 50 мбар, дальнейшие исследования показали, что аналогичная последовательность ситуаций реализуется в ходе типичного внезапного потепления в довольно толстом слое. Эмпирические исследования, основанные на данных ракетного зондирования [45] и спутниковых измерений [46], показывают, что обычно потепления проявляются сначала вблизи стратопаузы, а затем в течение нескольких дней распространяются книзу. Однако эти эффекты обычно не характерны для полярной стратосферы. Лабицке [47] обнаружил, что внезапные стратосферные потепления сопровождаются мезосферными похолоданиями, а Лабицке и Барнет [21], как уже отмечалось, показали, что экваториальные похолодания также могут наблюдаться одновременно с полярными потеплениями. Скорее всего, оба эти типа похолоданий являются результатом средних меридиональных движений, вызываемых внезапными потеплениями. Таким образом, полная теория внезапных потеплений должна не только учитывать взаимодействия между волнами и зональным потоком, приводящие к полярным потеплениям, но и объяснять компенсационные изменения температуры во всей верхней атмосфере.
Влияние солнечной активности на динамические процессы атмосферы
Наиболее оживленную дискуссию в настоящее время вызывают те проявления солнечно-земных связей, которые определяют воздействие возмущений на Солнце и в межпланетной среде на климатические и погодные условия на Земле, на состояние нижней атмосферы. Ввиду большой практической значимости проблема "Солнце — погода" является в настоящее время составной частью крупномасштабных международных программ "Энергетика солнечно-земных связей" (STEP) [94] и Международной геосферно-биосферной программы (IGBP).
На факт воздействия солнечных вспышек и геомагнитных возмущений на состояние нижней атмосферы обратил внимание в 1882 г. Г. Вильд [95]. С тех пор опубликованы сотни работ, в которых обсуждаются различные проявления солнечной активности в вариациях погоды и климата Земли, в изменении параметров нижней атмосферы. Однако результаты этих исследований оказываются весьма противоречивыми. Сложность исследования, связана со следующими причинами:
Во-первых, эффекты солнечной активности в различных проявлениях погоды наблюдаются на фоне значительно более интенсивных внутриатмосферных процессов. В связи с этим для выявления искомых эффектов требуется накопление значительного по объему экспериментального материала и специальных методов его обработки.
Во-вторых, атмосферный эффект солнечных вспышек и геомагнитных возмущений существенно зависит от координат точки наблюдений, от сезона, фазы солнечного цикла и состояния атмосферы. В связи с этим экспериментальная проверка того или иного результата требует аккуратного выполнения всех основных условий эксперимента, т.е. самого тщательного отбора исходных данных. В противном случае результаты эксперимента могут оказаться невоспроизводимыми.
В-третьих, во многих работах сама возможность воздействия солнечной активности на погоду отвергается с энергетической точки зрения. Действительно, характерная мощность рассматриваемых в этих работах атмосферных процессов составляет 10 — 10 эрг/сут; в то же время скорость поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу и соответственно в атмосферу Земли во время геомагнитных возмущений равна в среднем 10 эрг/сут, т.е. оказывается на три-четыре порядка меньше.
В-четвертых, не ясен физический механизм воздействия солнечной активности и геомагнитных возмущений на состояние нижней атмосферы, на погоду и климат.
Выполненные в последние годы исследования воздействия солнечной активности и межпланетной среды на состояние нижней атмосферы [96][97][98][99][100][101][102] позволили выявить, как представляется авторам, ключевой фактор указанного воздействия — изменение оптических характеристик атмосферы, обусловленное физико-химическими процессами в нижней и средней атмосфере при вторжении модулированного потока космических лучей галактического и солнечного происхождений. Об этом свидетельствуют данные [102], где показано, что прозрачность атмосферы меняется с уровнем солнечной активности и подвержена воздействию галактических (ГКЛ) и солнечных (СКЛ) космических лучей.
В настоящее время имеется ряд работ, где космические лучи рассматриваются как возможное связующее звено между явлениями солнечной активности и состоянием нижней атмосферы. Краткий обзор этих работ приводится в статье [103]. Результаты проведенного в [104] анализа показали, что вариации космических лучей с энергиями 0Д-10 ГэВ как солнечных, так и галактических, вызывают заметные изменения интенсивности крупномасштабной атмосферной циркуляции. Эти эффекты обнаруживаются для отдельных событий в масштабе нескольких суток и для 11 -летнего солнечного цикла.
Представленные в [105] результаты дают возможность сделать вывод о несомненном наличии гелиогеомагнитного контроля динамического режима в нижней термосфере широт, который сильнее проявляется в периоды наиболее интенсивных возмущений на Солнце (протонные вспышки) и в магнитном поле Земли (геомагнитные бури). Долгопериодные вариации солнечной активности могут играть роль естественного фактора, приводящего к положительному тренду температуры в последнее столетие [106].
В работах [107][108] [109] были представлены результаты многолетних измерений ряда параметров средней и верхней атмосферы ракетными, оптическими и радиофизическими методами. Их анализ привел к выводу, что во второй половине XX столетия климат верхних слоев атмосферы претерпел значимые изменения, выразившиеся в существенном охлаждении стратосферы, мезосферы и мезопаузы и, как следствие этого, в заметном оседании средней и верхней атмосферы. Этот важный вывод получил подтверждение и по данным других исследований, в которых использовались достаточно длительные ряды наблюдений [110][111][112][113].
Анализ сезонных особенностей поведения температуры и ее многолетних трендов в средней атмосфере на высотах 80-100 км в области средних широт, выполненный в [114], позволяет сделать следующие выводы: высотные профили среднемесячных значений температуры ча высотах 80-100 км существенно зависят от уровня солнечной активности; высотная зависимость среднегодовых значений тренда свидетельствует о том, что на высотах ниже 87 км тренд отрицателен и атмосфера испытывает систематическое охлаждение, выше 92 км тренд устойчиво положителен.
В работе [115] обсуждался следующий механизм воздействия корпускулярных потоков на тропосферу. В нижних слоях атмосферы постоянно генерируются акустико-гравитационные волны, которые испытывают преломление и отражение от верхних слоев атмосферы. Изменение температуры и стратификации верхней агмосферы, находящееся под контролем солнечной активности, контролирует энергию возвращающихся к Земле акустико-гравитационных волн. Интересен этот механизм тем, что энергия корпускулярного потока, ничтожная по абсолютной величине, здесь регулирует более мощные потоки энергии акустико-гравитационных волн.
Трудности распространения динамических возмущений из теплой ионосферы в холодную мезосферу и стратосферу столь велики, что отдельные авторы отрицают даже возможность обнаружения в мезосфере ветров, связанных с сильными ветрами над зоной полярных сияний [116]. Эти трудности способствовали тому, что в последние годы особое внимание было обращено на такие космические агенты, которые способны проникать в глубокие слои атмосферы, т. е. на высокоэнергичные протоны и электроны, на фотоны рентгеновских лучей. При поглощении в стратосферных слоях (и даже в тропопаузе) эти космические агенты вызывают ионизацию и диссипацию, воздействуют на проводимость воздуха и электрическое поле. Все последствия такого воздействия глубокопроникающего космического агента не легко оценить.
Высотные вариации параметров преобладающей циркуляции и волновых возмущений
На рисунке видно уменьшение среднего значения параметра эффективности вихревых потоков с ростом высоты в интервале от 10 км до 50 км, наиболее выраженное в поле зональной циркуляции. На высотах тропосферы параметр Ки имеет значение, близкое 0,5, т.е. примерно половина общей энергии зональной циркуляции приходится на крупномасштабные вихревые потоки. Параметр эффективности вихревых движений в поле меридионального ветра во всем исследуемом интервале высот (0-110 км) имеет величины большие 0,7.
Таким образом, полученные результаты указывают на то, что при построении глобальной модели атмосферной циркуляции необходимо учитывать вихревые потоки, имеющие различную величину, во-первых, для зонального и меридионального ветра и, во-вторых, для интервалов высот тропо-стратосферы и верхней мезосферы - нижней термосферы. Полученные оценки динамической эффективности крупномасштабных вихревых возмущений в атмосферной циркуляции говорят о значительной роли вихревых потоков в поле меридиональной циркуляции в интервале высот 0-55 км и 80-110 км. В то время как для зональной циркуляции в стратосфере наблюдается значение параметра эффективности равное 0,2-0,3.
Для высот верхней мезосферы - нижней термосферы характерно значительное увеличение эффективности крупномасштабной вихревой компоненты в поле зональной и особенно меридиональной циркуляции. Возрастание относительного энергетического вклада вихревых процессов на этих высотах связано с эффектами нелинейных взаимодействий волн различных масштабов и фоновых движений, что приводит к передаче энергии от одних процессов к другим.
На основании приведенных выше результатов видно, что параметр эффективности вихревых потоков в интервале высот стратосферы - нижней мезосферы для меридиональной циркуляции примерно в четыре раза выше по сравнению с параметром эффективности для зональной циркуляции. На высотах верхней мезосферы - нижней термосферы параметр эффективности вихревых потоков в поле меридиональных движений в среднем превышает параметр эффективности зональных вихревых движений приблизительно на 50% и становится равным примерно 0,85.
Таким образом, на основании ранее выполненных [135] [136] и полученных в данной работе исследований установлено, что в общую энергетику меридиональных движений верхней мезосферы - нижней термосферы определяющий вклад дают мезомасштабные и крупномасштабные вихревые потоки.
На высоте около 20 км наблюдается локальный максимум параметра эффективности, а также его годовых и полугодовых колебаний в поле зональной циркуляции и локальный минимум среднегодовых значений параметра эффективности в поле меридиональной циркуляции. На этих высотах для полугодового колебания в поле зональной циркуляции наблюдаются скачки фазы максимума на полпериода: с января на апрель. В поле меридионального ветра наблюдаются значительные вариации фазы в интервале высот от 10-40 км. Поскольку высотная локализация выраженных особенностей поведения параметра эффективности совпадает с максимумом озонового слоя, можно предположить, что обнаруженные высотные закономерности связанны с возможным расположением на этих высотах критических слоев, влияющих на условия распространения и генерации волновых возмущений, обусловленных температурными градиентами.
Фаза годовых и полугодовых колебаний Ку отличается малой высотной изменчивстью на высотах мезосферы — нижней термосферы, в отличие от высот 0-40 км. На высотах около 85 км с ростом высоты наблюдается переход времени максимума годового колебания Ки с июля на январь. На высоте 85 км в поле зональной циркуляции, также, имеет место локальный максимум среднего значения и минимум амплитуд годового и полугодового колебания параметра эффективности вихревых потоков. Установленные особенности высотной структуры среднегодовых значений Ки и Kv, а также амплитуд и фаз их годовых и полугодовых колебаний, соответствуют смене режимов зональной циркуляции в исследуемом интервале высот (0-110 км).
Были построены высотные профили среднемноголетних значений (АО) параметров эффективности волновых возмущений с масштабами 1 -24 ч. (ВГВ и приливов) К и и K v для интервала высот 80-110 км. Кроме того, для исследования сезонных вариаций данных параметров были рассчитаны амплитуды и времена максимума их годовых (А1,Т1) и полугодовых (А2,Т2)
It колебаний. Результаты расчетов представлены на Рис. 2.1.2.
Из рисунка видно, что средние значения параметров эффективности, как для зонального (К и), так и для меридионального (K v) ветра в интервале высот 80-110 км имеют величину около 0,7-0,8 с небольшим превышением К у над К и, что указывает на значительный энергетический вклад волновых процессов с масштабами ВГВ и приливов в общую циркуляцию верхней мезосферы - нижней термосферы. Амплитуды годовых колебаний К и и К у не превышают величины 0,1, что говорит о слабой сезонной изменчивости данных параметров.
Проблема конечности длины временного ряда и пропусков в данных
В данной главе изложены результаты исследования высотно-сезонной изменчивости амплитуд колебаний зонального и меридионального ветра, имеющих периоды, характерные для атмосферных планетарных волн (10, 16 и 27 суток) для региона Казани (56N, 49Е) в интервале высот нижней и средней атмосферы. Для исследования были использованы следующие данные по скоростям ветра:
1. Данные NCEP/NCAR о среднесуточных значениях зонального и меридионального ветра для высот 0-31 км за 1986-2003 гг. для региона Казани. 2. Временные ряды суточных значений меридиональных и зональных скоростей ветра, взятые из архива данных BADC UK МО для высот 0-55 км за период 1992-2002 гг., полученные для региона Казани.
3. Временные ряды среднесуточных величин скоростей ветра в интервале высот 80-110 км за 1986-2002 гг., полученные на основе радиометеорных измерений, выполненных на радиополигоне Казанского Государственного Университета (56N, 49Е).
На Рис. 3.3.1 - Рис. 3.3.3 представлены высотно-временные зависимости амплитуд 10, 16 и 27-суточных колебаний в поле зонального и меридионального ветра для региона Казани (56N, 49Е). Из рисунков видно, что внутригодовая изменчивость планетарных волн на высотах стратосферы в поле зональной и меридиональной циркуляции определяется, прежде всего, годовым колебанием с максимумом в зимние месяцы, что связано с возникновением в это время условий проникновения тропосферных планетарных волн на высоты стратосферы (см. [40]). В летние месяцы тропопауза и нижняя стратосфера обладают задерживающим свойством для вертикально распространяющихся планетарных волн (см. [148]). На высотах тропосферы амплитуды 10, 16 и 27-суточных колебаний скоростей зонального и меридионального ветра примерно в два раза меньше, чем на высотах стратосферы. В районе стратопаузы они достигают величин 40-45 м/с. В сезонных вариациях амплитуд исследуемых в данной работе планетарных волн на высотах тропосферы, помимо годовой цикличности, можно видеть колебания с периодом полгода, 4 и 3 месяца. Для высот верхней мезосферы - нижней термосферы также видно увеличение амплитуд 10, 16 и 27-суточных колебаний не только в зимние месяцы; вариации их амплитуд на данном высотном интервале лежат в пределах от 0 до 15 м/с. Усиление планетарных волн в верхней мезосфере — нижней термосфере характеризуется высотной устойчивостью в высотном интервале 80-110 км. Исследованию причин возникновения планетарных волн в мезосфере -нижней термосфере летнего полушария посвящено множество работ (см. [149][147][150][151][152][153]), согласно которым выявляются два основных возможных механизма их появления на данных высотах. Согласно [154] возникновение планетарных волн в летние месяцы на высотах мезосферы можно объяснить межполушарным взаимодействием, заключающимся в распространении планетарных волн зимнего полушария в летнее. Другим источником колебаний скорости ветра с временными масштабами планетарных волн в мезосфере - нижней термосфере в летние месяцы являются внутренние гравитационные волны, распространяющиеся с высот тропосферы (см. [150][151][152]). Тропосферные внутренние гравитационные волны испытывают амплитудную модуляцию со стороны планетарных волн; проникая на высоты мезосферы и термосферы, где они взаимодействуют с фоновым ветром, вызывая его изменчивость (соответствующую вариациям амплитуд внутренних гравитационных волн).
Исследование эффектов влияния солнечной активности на динамические процессы атмосферы Земли в настоящее время является актуальной темой и вызывает большой интерес среди ученых-геофизиков, климатологов и метеорологов. Связью с солнечными процессами могут быть объяснены, наблюдаемые в атмосфере крупномасштабные изменения. В данной работе исследуется высотная зависимость влияния солнечной активности на среднегодовые значения, а также годовые и полугодовые колебания скоростей зонального и меридионального ветра и вариаций интенсивности атмосферных планетарных волн нижней и средней среднеширотной атмосферы на высотах 0-55 км и 80-110 км для региона г. Казани (56N49E).
Для исследования солнечных эффектов во временных вариациях динамических процессов атмосферы были использованы данные по скоростям зонального и меридионального ветра BADC UKMO для высот 0-55 км за период 1992-2003 гг. и данные радиометеорного зондирования верхней мезосферы - нижней термосферы, полученные на радиополигоне Казанского Государственного Университета для высот 80-110 км за период 1986-2002 гг.
Длинные временные ряды (соразмерные И-летнему циклу солнечной активности) позволили с большей достоверностью выполнить анализ, что дало значимые результаты и позволило обнаружить существенные изменения параметров зависимости от солнечной активности с высотой. Помимо этого были привлечены данные в среднем для интервала высот 80-110 км по скоростям зонального ветра за периоды 1980-1986 и 2002-2003 гг., полученные радиометеорным методом на радиополигоне Казанского
Государственного Университета, а также ветровые данные Collm (Коллм) Института Метеорологии Лейпцигского Университета (52N,15E).
Ранее в работах [155,156,157,158,159,160] для высот верхней мезосферы - нижней термосферы в средних широтах была предпринята попытка определения солнечных эффектов во временных вариациях зональной и меридиональной циркуляции. Авторы использовали данные о ветре на высотах верхней мезосферы - нижней термосферы, осредненные в высотном интервале, шириной 10-30 км. Факт высотного осреднения может быть одной из методических причин результатов, полученных в этих работах, указывающих на незначительные солнечные эффекты в динамике данной области высот.
В работах [123,121,127] с привлечением длинных рядов скоростей зонального ветра, полученных по радиометеорным измерениям в Казани (49Е, 56N) в интервале высот 80-100 км, обнаружены значимые солнечные эффекты в межгодовых вариациях среднегодовых значений, амплитуд годовых и полугодовых колебаний зональной циркуляции. В этом интервале высот обнаружена тонкая высотная структура вплоть до смены знака корреляции параметров динамических процессов с солнечной активностью для периода наблюдений 1986-1995 гг.
