Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пpocтpанственнo- временная структура низкочастотных колебаний параметров атмосферы в восточном секторе Арктики

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Пpocтpанственнo- временная структура низкочастотных колебаний параметров атмосферы в восточном секторе Арктики"

а ^

Ь У/-4'

одсстсий гидрометеорологический институт

па права : рукописи

Иванов сергеи Васильевич

УДК 551.610.53

пространствстю- »ременная структура низкочастотных колебаний параметров атлюсферм в восточном сектор" арктики

11.00.09-мегео])ология,климдтология, агрометеорология

автореферат

Ансссргашш с )искаине ученой степени кандндага географических наук "

одесса-1 опз

Работа выполнена в Одесском гидрометеорологическом институте Научный руководитель: кандидат географических наук,

доде^г Емшанова Н.В Официальные спшньзты:доктор физико-математических наук, профессор Шнайдман В.А. ст.научный сотрудник УкрНИГМ, кандидат географических наук Волконская Н.К.

Ведущая организация: Украинские Научный Центр Экологии моря

Защита диссертации состоится 07 октября 1993 г. в 13"часов на заседании Специализированного совета Д 05.02.01. в Одесском гидр~метеорологическом институте в зале заседаний по адресу: 27CЮZ6f0дecca-I6,ул.Львовская,15. , .

- 1 диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесского гидрометеорологического института.

Автореферат разослан " августе 1993 г.

Учений секретарь Специализированного, совета

Н.С.Лобода

ОВЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. В последние года теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено,что низкочастотная изменчивость (с периодом больше десяти суток) составляет значительную часть суммарной изменчивости атмосферной циркуляции.Атмосферные процесса такого временного масштаба обнаруживаются во всех широтных зонах как локальными

о •

сетями наблюдений, так и при глобальном анализе данные. Определению характеристик такой изменчивости атмосфэрч посвящено большое количество работ, где предлагается несколько механизмов, объясняющих ее происхоздеяиа.Однако до конца на выяснены вопросы регулярности проявления и характера взаимосвязей процессов этого временного масштаба в различных регионах.

Использование имеющихся результатов для сверхдолгосрочных прогнозов существенно ограничено тем фактом, что спектральные пики низкочастотных колебаний иа большинстве спектров статистически значимы,ко занимают широкий частотный диапазон. Поэтому необходимо исследовать имеющиеся диагностические связи между различными характеристиками крупномасштабных процессов с целью выделения детерминированной и случайной состзв-лящих в этих процессах.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работа является изучение пространственно-временных характеристик низкочастотных внутригодовых колебаний температуры воздуха и скорости ветра а нижнем слое атмосферы в. восточном секторе Арктики и воспро-1зведенда их в модели циркуляции атмосферы.

В процессе проведения-работы решались владеющие основ-шв задачи:

-4- разработка и применение метода оценивания нормированного текущего спэктра для выделения частотной модуляции амшютуд-но-кодулированнах процессов;

- получение пространственных и временных характеристик низкочастотных вцутритодовил колебаний температуры воздуха и скорости ветра для определения преобладавших спектральных соста-влящих и характера перераспределения спектральной- плотности мезду ниш;

- проведение численных экспериментов с полусферной моделью . циркуляции атмосферы при наличии планетарной орографии и высокочастотного возбуждения с целью установления влияния широты прохоздения циклонов на характеристики низкочастотных колебаний.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ состоят в применении временного и пространственно - временного спектрального анализа к рядам аэрологичесюк наблюдений в нижнем слое атмосфер! в восточном секторе Арктика и численном моделировании циркуляции атмосферы и временного спектрального анализа модельные характеристик в диапазоне низкочастотных колебаний.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:

- разработан и применен алгоритм получения оценки нормированного текущего спектра, который позволяет установить харачтар шрараспрг далеяга спектральной плотности в различных диапаБО-нах периодичностей при наличии существенной амплитудной модуляции процессов;

- обнарушэна модуляция периодов низкочастотной изменчивости атмосферы;

- для выделенные врьмэшшх масштабов с использованлем антвн-

ного катода определены пространственные мода низкочастотных волн в восточном сектора Арктики;

- предложена концептуальная основа моделирования диагностической связи между периодом низ! эчастотшх колебаньЛ и широ-

I

1 той распространения циклонических образований и осуществлена численная реализация бзрогропной модели циркуляции атмосферы нал орографическими неоднородаостями при наличии внеш...эго высокочастотного возбуждения. Последнее воспроизводится в виде циклонов, распространявшихся вдоль иторм-тро7сов в северных частях океанов;

- по результатам численного моделирования установлена зависимость периода низкоччстояых колебаний атмосфэры от широты прохоздения циклонических образований.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Диссертационная работа выполнялась в Одесском гидрометеорологическом институте в рамках темы ' Исследование ветровой компоненты западного сектора Советской Арктики для целей мониторинга климата"» й госрагист-рации 018800151189. Предлагаемый алгоритм получения оценки текущего спектра может быть использован при решении.задач мониторинга климата для определения роли пэриоднчностей различны,. временных масштабов( а также при изучении процессов с не-стационарностьа спектральных составляющих.

АППРОВАЦШ РАБОТЫ. Отдельные части работы по мера их завершения представлялись на 6-ом Всесоюзном совещании по проблемам йзменения климатк и. мониторингу климата и атмосферы (Ленинград,1В90), на Симпозиуме и совещании экспертов стран Восточной.Центральной Европы и Азии по проблеме "Измэнония климата" (Ленинград,1990),. на 4-ом Всесоюзном симпозиуме "Ме-

теорологическиэ исслэдовзния в Антарктиде" (Санкт-Петербург, 1991), на отчегшх конференциях ОГМИ в 19Э0 и 1991 г.г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ Г1Б0ТЫ. Диссертация состой/ из введения,пяти глав,заключения и списка литературы. Общий объем раб. гы страши,из них 4 - таблица и 25 рисунков. Библ?'ог-рафия включает 333 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕГЖАНИЕ РАБОТЫ ВО ВВЕДЕНИИ дано обоснование актуальности диссертаци-оннной работы,формулируются цель и задачи исследования, определяется научная новизна и излагается содержание работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дается обзор литературы,посвященной низкочастотно! изменчивости атмосферы. Отмечается,что данные наблюдений и результаты численного интегрирования моделей общей циркуляции атмосферы указывают на многопричинвдсть низкочастотной атмосферной изменчивости. В средних и высоких широтах предполагаемыми механизмами могут *5ыть баротропчзя неустойчивость зонально-несимметричного атмосферного потока, возможность существовг жя двух и более климатических состояний при одном и том же внешнем возбуждении,развитие долгоживущих элементов циркуляции,таких,как замкнутые вихри,модоны и солитонн,' внешнее возбуадениь на нишей границе за счет аномалий температуры поверхности океана или влагозапасов в почве, крупномасштабная орография, явление васшшщи/, межволновые взаимодействия, воздействие высокочастотных нестационарных возмущений, а таксе статистические эффе::ты синоптических процессов.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ дана характеристика материалов аэрологических наблвдвний в восточном свкчоре Арктики, представ-

ль.ш метода пространственного и временного спектрального оценивания рядов, нспользуэуяда ¡.'ил обработке данных .няблэдэниЭ, предлагается метод получения нормированной оценки текущего спектра, который позволяет уточнять характер, не ^распределения спектральной плотности мя^ду разли лмя составляицими при наличии значительной амплитудной модуляции процессов.

Спектральное оценивание временных характеристик рядов наблюдений основано нй алгоритмах и программах, широко представлзвных в литературе.

Пространств' пюо спектральные оценки низкочастотной изменчивости получеш с помощью янтэзного метода .основанного на е мплит у дао -фазовых соотношениях мевду гармоническими сигналами в различных точках.

Поскольку ряда наблвдепий метеорологических величин характеризуются значительной внутрирядноЗ связностью, образующей "красный шум", был разработан метод нормирования текущего спектра с цельв исключения влияния различного наклона спектра на отдельных временных сегментах и неста.. юнарности интегральной дисперсии спектральных' компонент. Суть предлагаемого метода заклвиается в преобразование горизонтальной координатной оси частот на оценках спектров к оси частот, совпадающей с верхним доверительным пределом континуума "красного шума". После такого преобразования статистически значимые величины лорнированного текущего спектра больше одйшщь, и по ним можно проводить эквивалентное сравнение спектральных компонент из различных диапазонов.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ анализируйтеч результаты временного и пространственного спектрального оценивания. Выделяятся два

-8. временных диапазона низкочастотной изменчивости - 20-30 суток и 1-2 месяца. В каждом из диапазонов спектральные пики являются широкополосными, с несколькими вершинами, что может свидетельствовать о перераспределении во времени спектральной плотности мазду несколькими домщшруюарми значениями периодов колебаний внутри низкочастотного диапазона.

Расчеты изменчивости метеорологических величин по вертикальной координате показали,что колебания параметров атмосферы на внутригодовом низкочастотном масштабе происходят син-- фазно с некоторым увеличением амплитуда с высотой. Поэтому движеьдя рассматриваемого масштаба в нижнем слоа атмосферы предполагались баротропными.

На рис.1 приведен пример изменения во времени спектральной плотности скорости ветра над Мурманском в слое О-ЭООм в диапазоне периодов 20-30 суток. Отмечается проявление в противофазв локальных максимумов у периодичностей в 2i и 27 суток. Однако, из-за неправильной формы огибснце! амплитудной модуляции у этих составляющих установить характе] перераспределения спектральной ■ плотности мазду ними слощо. Введение нормировки текущего спектра облегчает эту задачу. Hi рис.2 показаны средние по четырем пунктам наблюдений твкуир спектры температуры воздуха и модуля скорости ветра в ,cjioi Q-9Q0m до и после нормировки. В последнем случае хорошо за ме-ш- изменения преобладавдих периодов колебаний ыезду под диагаазонами 20-22 и 25-29 суток, в диапазоне периодичностей 2 -30 суток,и мезду поддиапазонами 36-45 и 50-55 суток в Диша зоне 1-2 месяца. Модуляция периодов низкочастотных колебани ,близка к двухлетней; увеличение или уменьшение периодов

е(гМ1„)

я)

Рис.1. Временная изменчивость спектральной плотности колебаний модуля скорости ветра в Мурманске (я) с периодом .22 (I) и 27 (2) суток и текущий спектр в диапазоне периодов 20-30 суток {б).

. Пунктиром на рис.б выделено положение локальных максимумов на каждом.временном сегменте '

а) б) в)

Рис.2. Средний текущий спектр (а), временная р '.вертка интегральной дисперсии колаба—лй (б) и нормированный текуадей спектр (в) модуля скорости ветра (вверху) и температуры воздуха (внизу) в вос-тичН'.лч секторе Арктики

-и

каадом из диапазонов яро»сходит в одном направлении,что может бить вызвано внешним воздействием на периода низкочастотных колебаний.

Оценки пространственных спектров низкочастотной изменчивости атмосферы вычислялись при использовании данных четырех и пяти пунктов наблюдений по отрезкам реализаций длиной один год на частотах легальных максимумов спектральной плотности в двух диапазонах низкочастотной изменчивости.Отрезки времени соответствовали моментам проявления локальных максимумов нормированного текущего спектра при крайних значениях модуляции периодов низкочастотных колебаний в каждом из двух диапазонов низкочастотной изменчивости.

Выделенные структуры близки по дисперсионным соотношениям к низшим модам баротропных волн РоесСи. Волны с периодами 1-2 месяца имеют длины от 3000 до 10000 км (зональные волновые числа п=1-3) и преимущественно распространяются с востока на запад. Длины волн с периодами 20-30 суток равны 5000 км (п=2-4), и такие волны распространяются с запада на на восток. Это позволяет предположить, что низкочастотная изменчивость атмосферы связана с нестационарным режимом баротропных волн Россби. .

В 'ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ■сформулирована концептуальная основа модели крупномасштабной циркуляции атмосферы при наличии орографических шоднородаостей и внэшнго возбуждения, представленного в виде циклонических образований, распространяющихся вдоль шторм-треков-в северных частях океанов, приводится численная реализация уравнений на сфоре, представляются используемые способа параметризации орографических неоднородностей.

горизонтельной турбулентной диффузии, трения в пограничном слое. Выдвигается предположение, что модуляция периодов низкочастотных колебаний может быть обусловлена взаимодействием их с высокочастотными процессами, такими как синоптические образования, и, в частности, квазидвухлетним изменением положения шторм-треков ГИпз.1еу). С целью установления зависимости периода низкочастотных колебаний от широтного положения ' высокочастотных вихрей вводятся два варианта возможных траекторий циклонов. В продставлешюй модели рассматривается только однонаправленная связь: влияние высокочастотных колебаний на низкочастотную изменчивость. Область моделирования ограничена полусферой,- Используются условия симметрии климатического потока относительно экватора, отсутствия завихренности на экваторе и непротекания через экватор! Начальные поля для функции тока и относительного вихря расситывались по распределению зонального ветра для зонально симметричного климата (Хедд.Хосюшс). Учет орографических не однородное тей осуществлялся по Фридриксоцу и Боллу. Варьированием одного из коэффициентов при параметризации влияния орографии устанавливались различные соотношения мозду высотой орографических ноод-нородностей и вертикальным размером, слоя атмосферы, в котором моделируются крупномасштабные процессы. Величина последнего зависит от ряда характеристик атмосферы и, в общем случае, может быть различной. Параметризация горизонтальной турбулентной диффузии осуществлена по Смагоринскому, а процессы в пограничном слов атмосферы параметризованы по вридриксону.

Географические районы проявления высокочастотных вгз-рей в модели соответствовали траекториям движения цшелонов в

соверпых частях Атлантического ,и Тихого океанов и были определены в долготном направлении границами 80°з.д.-40°в.д. и 120°з.д.-120°в.д.соответственно,в широтном - 40-7СГс.ш. или 50-80°с.ш. Смещением широтных границ преследовалась цель установить влияние изменения положения аторм-троков на характеристики . низкочастотных колебаний модельной атмосферы.. Характеристики циклонов задавались по данным литературных источников. В модели рассматриваюсь только однонаправленное влияние с высокочастотных процессов на низкочастотные в предположении; что изменявшийся на медленном временном масштабе низкочастотный процесс ■ испытывает только "осредненное по времени" влияние высокочастотных вихрей.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты численного моделирования низкочастотной изменчивости атмосферы. Выполнено три основных эксперимента. В первом для проверки устойчивости численной схемы и установления параметров модели осуществлялось интегрирование процессов в атмосфере над гладкой планетой при отсутствии внешнего возбуждения. Во втором эксперименте изучалось поведение модельной атмосферы при наличии планетарной орографии и выбор • оптимальных значений параметре. В этом эксперименте формировалась структура с зональным волновым ислом п=2( по дисперсионным соотношениям близкая к соответствующей баротрошой моде Россби, которая распространялась в западном направлении с периодом 8,4 суток. После выхода на статистически стационарный }зежим удельная кинетическая энергия атмосферы испытывала осцилляции с периодом 19,7 суток. Третий эксперимент проводился при тех же начальных й граничных условиях с учетом орографии и высокочастотного воз-

бувдения. Основное отличие от результатов второго вкспари-мента заключалось в расположении максимумов спектральной плотности зональной компоненты скорости вотра на значениях периодов 17.6 и 4.0, 18.9 и 4.1 суток при положении источника высокочастотного возбуждения в полосе 50-80°с.и. и 40-?0°с.и. соответственно. Анализ распределения спектров по широте показал, что, максимальные значения спектральной плотности зональной компоненты наблюдаются на 60°с.ш. В направлениях к экватору и полюсу интенсивность низкочастотной изменчивости ослабевает. .

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты работы:

1. Разработан алгоритм нормировки текущего спектра, который позволяет установить перераспределение спектральной плотности мезду спектральными сссталяющими при наличии амплитудной модуляции процесса. '

2. Выделены два временных диапазона низкочастотной изменчивости атмосферных характеристик в восточном секторе Арктики. Один диапазон охватывает периоды 20-30 суток, второй -1-2 месяца. В каздом из диапазонов обнаружена модуляция периодов колебаний. В первом диапазоне значение преобладающего периода колебаний перераспределяется мезду поддиапазонами по-рюдичностей в 20-22 и 25-29 суток, во втором - между 36-45 и 50-55 сутками. Модуляция периодов в обоих диапазонах низкочастотной изменчивости происходит синфазно и имеет регулярный характер, что мохет быть обусловлено общим внешним влиянием. На протяжении исследуемого отрезка времени период модуляции приблизительно равнялся двум годам. Рассчитаны пространствен-

ные волновые числа выделенных низкочастотных колебаний. Структуры с временной периодичностью 1-2 месяца имеют меридиональные волновые числа п = 1-3 и распространяются с востока на на запад. 20-30-суточвые волны имеют противоположное направление распространения и меньшие пространственные размеры: п= 2-4.

3. Численными экспериментами, установлено, что период низкочастотных колебаний удельной кдаетичекой энергии изменяется в пределах 10-12,'» при изменении положения источника высокочастотного возбуждения на 10° широты. В частности, при смещении области распространения циклонических образований к полису наблюдается уменьшение периода низкочастотных колебаний и увеличение скорости р. спространения баротропвых волн Россби в атмосфере.Максимальное проявление низкочастотной изменчивости приходится на 60°с.ш. В направлениях к полюсу и екватору она ослабевает.

По результатам обработки наблюдений и численного моделирования делается вывод, что низкочастотная внутригодо-вая изменчивость атмосферы может птояядяться вследствие не-

стацион8рности режима баротропннх волн Россби,и характеристи-

1

ки этого режима в определенной степени зависят от взаимодействия глобального потока с локальными вихревыми обрасоващя-ма.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

I. Иванов C.B. Временная перемежаемость низкочастотных колебаний метеорологических величин в . пограничном

-161 слов. //Метеорология,климатология и гидрология,1992. J8 28. с,126-130. . \

2. Иванов C.B. О волновых векторах низкочастотных (внут-рисозонных) колебаний в поле скорости ветра над Арктикой. //Метеорология»климатология и гидрология,1993.

Я 29. С.140-146.

3. Иванов C.B. Оценка роли нестационарных атмосферных

1

процессов различных временных масштабов. Двп. в Укр. ЙГРЭИ: .» 362. Ук.92. 19.03.92.

4. Иванов C.B. Пространственные Ьреманные масштабы внут-рисозошюй измончизости в западном секторе Арктики. Деп.в Укр.ИНТЗИ Л 36 Ук.Э2. Iîj.03.92.

Б. Иванов C.B. Оценка низкочастотных колебаний в атдас-

форе западного сектора Арктики. Тр.ААНИИ ( в печати). 6. Научный отчет по теме "Исследование ветровой компоненты западного сектора Советской Арктики для целей мониторинга климата". JS госрегистрации 01880015189. ОдассаДЭЭО.