Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение задач построения современных надежных радиотехнических систем связи в настоящее время испытывает насущную потребность в уверенном долгосрочном прогнозе условий распространения радиоволн и в детальном исследовании структуры ионосферы. Как показывают проведенные в последнее время экспериментальные исследования, состояние ионосферы, и прежде всего нижней ионосферы, во многом определяется динамическими процессами, происходящими в нейтральной атмосфере. В нижней термосфере, где скорости аэрономических процессов относительно малы, динамическое воздействие нейтрального ветра сравнимо с радиационными факторами, поэтому для построения адекватных моделей ионосферы необходим учет динамических процессов в верхней мезосфере - нижней термосфере и, в первую очередь, крупномасштабных волновых процессов.
Среди комплекса волновых процессов -на высотах нижней термосферы важную роль играют прежде всего глобальные сезонные колебания динамического состояния с периодами, кратными году, долгопериодные межсуточные вариации ветра с периодами от нескольких недель до нескольких суток, а также приливные движения с периодами, кратными суткам. Интерес к исследованию динамических волновых процессов объясняется их важной ролью в формировании термодинамического режима атмосферы и взаимодействии между ее отдельными слоями. Это взаимодействие проявляется в глобальном перераспределении энергии, массы и импульса, которое осуществляется атмосферными волнами в процессе их генерации, распространения и затухания. В этой связи особую актуальность представляет исследование высотной структуры волновых процессов в переходной области: верхней мезосфере -нижней термосфере.
Имеющиеся на сегодняшний день ряды длительных наблюдений зонального и меридионального ветра в верхней мезосфере - нижней термосфере с измерением высот, полученные с использованием метеорных, mst-, mf-радаров, относятся в основном к западному полушарию. Проводимые в восточно-европейском регионе ветровые наблюдения с измерением высот, например, в Харьковском институте радиоэлектроники (Украина, 50n, 36de), не обладают достаточной
- 4 -длительностью и регулярностью в течение последовательного ряда лет для выявления нежгодовых закононерностей высотно-врененной структуры динамического ренина. В России регулярно функционирует сеть радиометеорных станций, организованная Институтом экспериментальной метеорологии (ИЭМ). Однако метод диагностики ветрового режима нижней термосферы, реализованный в ИЭМ, основан на радиометеорных наблюдениях без высотомера и не позволяет исследовать высотную структуру вариаций ветра в незосфере -нижней термосфере.
В Казанской государственной университете (56n, 4Эе) с 1978г. методом радиолокации метеорных следов проводятся регулярные наблюдения ветрового режима верхней мезосферы -нижней термосферы, а с 1986г. и по настоящее время - наблюдения ветра с изнерениен высот. Полученные длинные однородные ряды изнерений скоростей ветра на высотах 80-110 кн позволяют исследовать высотно-временную структуру динамических волновых процессов нижней термосферы различных масштабов как в поле зонвльного, так и меридионального ветра.
Целью диссертационной работы является:
- Установить на основе проведенного на метеорном радаре
длительного цикла наблюдений ветра с изнерениен высот высотную
структуру внутригодовых вариаций движений нижней термосферы и ее
межгодовую изменчивость .
- Выявить высотную структуру, спектральные, сезонные и
межгодовые закономерности долгопериодных межсуточных волновых
вариаций преобладающего ветра.
Установить высотно-временную структуру полусуточных приливных движений и определить вклад в приливные колебания различных составных мод.
- Выявить динамические эффекты проявления долгопериодных
волновых вариаций нейтрального ветра на высотах нижней
термосферы в вариациях параметров F-области ионосферы и их
сезонные и межгодовые закономерности.
Для выполнения поставленной цели необходино:
- Разработать методику определения ветровых параметров по
данным радарных наблюдений, позволяющую использовать дополни
тельные возможности радионетеорного метода, связанные с
измерением угловых координат и высот метеорных радиоотражений.
- Разработать и реализавать программное обеспечение ветровых радарных наблюдений с формированием банков данных экспериментальных измерений различной глубины обработки.
Научная новизна:
Впервые в регионе Восточной Европы по радиометеорным данным длительных наблюдений ветра в нижней термосфере с высотным разрешением установлена высотно-сезонная структура долгопериодных волновых вариаций зональных и меридиональных преобладающих движений с временными масштабами планетарных волн и выявлены их межгодовые закономерности.
Впервые установлены внутригодовые и межгодовые вариации вклада трех основных четных мод в полусуточные приливные движения среднеширотной нижней термосферы.
Впервые выявлены сезонные и межгодовые закономерности спектра когерентности долгопериодных волновых вариаций нейтрального ветра в нижней термосфере и вариаций критической частоты отражения от Р2-области ионосферы.
Практическая ценность:
В результате проведенной работы экспериментально подтверждена эффективность и информативность ветровых наблюдений на метеорном радаре с фазовой угломерной системой в плане выявления высотной структуры волновых движений на высотах 80-110 км. Полученные результаты важны для выработки рекомендаций при проектировании: I) радиотехнических систем мониторинга атмосферы в области верхней мезосферы - нижней термосферы с обеспечением высотного разрешения регестрируемых ветровых параметров: 2) радиотехнических систем ' связи, использующих ионосферный канал, с учетом существования в ионосфере крупномасштабных долгопериодных и приливных волн, оказывающих влияние на состояние и характеристики среды распространения радиоволн. Полученные результаты необходимы также для построения адекватных моделей термодинамического режима атмосферы и неоднородной структуры ионосферы.
На защиту выносятся:
-
Высотно-временная структура внутригодовых вариаций зональных и меридиональных преобладающих движений нижней термосферы и ее межгодовяя изменчивость.
-
Высотная структура, спектральные, сезонные и межгодовые
закономерности межсуточных волновых вариаций ветра в нижней термосфере.
3. Внутригодовые и межгодовые вариации вклада трех основных
четных мод в полусуточные приливные движения среднеширотной
нижней термосферы.
4. Взаимные спектры когерентности долгопериодных вариаций
нейтрального ветра в нижней термосфере и вариаций критической
частоты отражения от яг-области ионосферы и их сезонные и межго-
вые закономерности.
Достоверность результатов определяется большой статистической обеспеченностью экспериментальных данных, методически тщательной и последовательной обработкой результатов измерений, сравнением и хорошим согласием полученных результатов с теоретическими и эмпирическими представлениями.
Апробация работы и публикации. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами госбвджетных тем Прикладной радиофизической лаборатории при кафедре радиофизики Казанского государственного университета (1981-85, 1986-90, 1991-96 гг.), Российских грантов РФФИ и СПбТУ, Международного фонда Сороса. Результаты работы внедрены и использованы в Институте экспериментальной метеорологии (г.-Обнинск, х/д тема "Прилив", 1990, госрегистр, n 080038. ), внедрены в учебный процесс Казанского государственного университета - в программу подготовки магистров, а также при выполнении курсовых и дипломных работ. Разработанные программы вошли составной частью в программное обеспечение ветровых наблюдений в информационно-вычислительном комплексе метеорного радара КГУ-5М, функционирующего с 1986г. и по настоящее время.
Основные результаты диссертации изложены в 20 опубликованных работах и докладывались на Четвертом Всесоюзном совещании по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск, 1982); на Всесоюзной конференции "Метеорные тела в межпланетном пространстве и земной атмосфере" (Суздаль, 1984); на 2 Международном симпозиуме по программе "globmet" (Казань, 1988) на Международном симпозиуме по проблеме "Неустойчивости и волновые явления в системе ионосфера-термосфера" (wits-ineits, Калуга, 1989); на Международном симпозиуме по исследованию средней атмосферы (map, Душанбе, 1989); на
Всесоюзном симпозиуме по проблеме "Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере" (Обнинск, 1990); на xyii Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993); на Международном симпозиуме "Методы охраны атмосферы и водной среды. Регулирование и долгосрочное планирование природоохранных мероприятий" (С.-Петербург, 1994); на Всероссийском симпозиуме по распространению радиоволн "Радиолокационные исследования природных сред" (С.-Петербург, 1994); на xxi Генеральной Ассамблеи (iugg, США, Боулдер, 1995); а также на научных семинарах и конференциях Казанского государственного университета.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 160 страниц, в том числе 35 рисунков, 6 таблиц; библиография - 114 названий.