Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование вихревой активности атмосферы в низкочастотном диапазоне как фактора, определяющего астроклиматические условия

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кочеткова, Ольга Сергеевна, Иркутск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукойиси

04201451246

Кочеткова Ольга Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ АКТИВНОСТИ АТМОСФЕРЫ В НИЗКОЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ КАК ФАКТОРА, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕГО АСТРОКЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук, Ковадло Павел Гаврилович

Иркутск -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. Исследование закономерностей пространственного 9

распределения и временных вариаций кинетической энергии средних и вихревых движений

1.1 Изменчивость атмосферных процессов в широком диапазоне 9 волновых чисел

1.2 Крупномасштабная изменчивость атмосферных процессов. 15 Баротропная и бароклинная неустойчивости течений

1.3 Данные и методика анализа пространственной структуры и 22 вариаций кинетической энергии средних и вихревых движений

1.4 Пространственное распределение кинетической энергии 23 средних и вихревых движений

1.5 Долговременные изменения кинетической энергии 28 средних и вихревых движений

Глава 2. Исследования низкочастотной изменчивости атмосферы 40

2.1 Методы исследования низкочастотной регулярной составляющей 43

2.2 Пространственная структура низкочастотной изменчивости 47 атмосферных движений над Азиатским регионом по данным метода одноточечных корреляций

2.3 Моделирование низкочастотной изменчивости атмосферы 53 над Азиатским регионом

Глава 3. Исследование астроклиматических условий

61

3.1 Микрометеорологическая турбулентность атмосферы, ее связь 62 с основными метеорологическими характеристиками

3.2 Метод для оценки астроклимата по метеорологическим данным 68

3.3 Астроклиматическое районирование 72

3.4 Исследование возможных причин ухудшения условий 81 для астрономических наблюдений на южно-американских обсерваториях

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 88

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 89

ПРИЛОЖЕНИЕ 98

Введение

Спектр атмосферных движений простирается от микротурбулентности до движений глобального масштаба. Колебания метеорологических параметров в синоптическом диапазоне определяют изменения погоды, а на микромасштабах - оптические свойства атмосферы. Изменчивость синоптических процессов связывается обычно с бароклинной неустойчивостью струйных течений [Шакина Н. П., 1985]. Однако как интенсивность струйных течений, так и их конфигурация зависят от низкочастотной изменчивости (интервал колебаний от 10 суток до 1-2 месяцев), контролирующей, таким образом, все наиболее важные в прикладном отношении атмосферные процессы. В настоящее время в связи с глобальными климатическими изменениями меняется вихревая активность атмосферы. Основы изучения взаимосвязи вихревой активности и климатических колебаний были заложены в работе И.И. Мохова [Мохов И.И. и др., 1992]. Согласно современным данным в Северном полушарии растет количество глубоких и уменьшается количество мелких атмосферных вихрей [Gulev S.K. et al., 2001]. Однако темпы и знак изменений вихревой активности в разных регионах Земли различны. С середины 1960-х наблюдается сдвиг к северу шторм-трека в Северной Атлантике, сопровождающийся увеличением вихревой активности в высоких широтах [Нестеров Е.С., 2010]. В Тихоокеанском регионе рост вихревой активности происходит без смещения основных траекторий движения атмосферных вихрей [Wang X.L. et al., 2006].

В разных регионах механизмы поддержания вихревой активности оказываются различными. В первую очередь это локальные механизмы генерации - баротропный и бароклинный форсинг. Однако в регионах, не обладающих большими запасами доступной лабильной энергии, колебания вихревой активности могут быть обусловлены не генерацией возмущений, а особенностями их переноса и дальними связями [Гущина и др., 2005]. , являющимися частью низкочастотной изменчивости. Одним из таких

регионов являются центральные и восточные районы Азии, в которых закономерности колебаний вихревой активности изучены пока недостаточно. Установление этих закономерностей является актуальной задачей, решение которой будет способствовать повышению качества моделирования атмосферных процессов в регионе. Кроме того, изменения вихревой активности в атмосфере вносят значительный вклад в вариации астроклиматических характеристик, обусловленных мелкомасштабной турбулентностью [Девятова Е.В. и др., 2008]. Астроклиматическое районирование на основе метеорологических данных окажет существенную помощь в выборе оптимальных мест для строительства новых астрономических обсерваторий.

Целью работы является исследование долговременных изменений вихревой активности атмосферы, связи вихревой активности со струйными течениями, низкочастотной изменчивостью атмосферы и астроклиматическими условиями.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Анализ особенностей пространственного распределения кинетической энергии средних и вихревых движений в тропосфере.

2. Оценка долговременных тенденций изменений средних и вихревых движений в тропосфере.

3. Изучение пространственной структуры низкочастотной изменчивости атмосферы в Азиатском регионе.

4. Разработка метода для оценки астроклиматических условий на основе метеорологических данных.

Защищаемые положения

1. В большинстве регионов изменения вихревой активности связаны с изменениями энергии средних течений вследствие баротропной и бароклинной накачки возмущений в этих регионах. Над Азией рост

вихревой энергии (2.8 Дж/мЗ/10 лет) не сопровождается изменениями энергии средних течений и не является следствием изменений бароклинной и баротропной неустойчивостей.

2. Пространственная структура низкочастотной изменчивости в тропосфере над Азиатским континентом обусловлена квазидвумерными баротропными волнами, распространяющимися от источников, пересекающих восточную часть континента с северо-запада на юго-восток.

3. Предложен метод, позволяющий использовать метеорологические данные для оценки астроклиматических условий в заданных регионах. Применение данного метода позволяет оперативно выполнять астроклиматическое районирование на значительной территории.

Научная новизна

1. Впервые по данным МСЕР/МСАЯ Кеапа1уз18 1 подробно рассмотрены долговременные тенденции средних и вихревых движений атмосферы в различные сезоны года и на различных высотах, которые существенно дополняют современные представления о глобальных климатических изменениях. Проанализированы статистические связи между вариациями средних и вихревых движений атмосферы, выполнены оценки изменений индексов баротропного и бароклинного форсингов.

2. Впервые с помощью метода одноточечных корреляций над Азиатским континентом выявлены регулярные колебания в низкочастотном диапазоне, имеющие структуру перемещающихся двумерных волн Россби.

3. В рамках баротропной квазигеострофической модели проведено моделирование низкочастотной изменчивости над Азией, получено хорошее согласие модельных и наблюдательных данных.

4. Впервые в глобальном масштабе выполнено астроклиматическое районирование по данным метеорологических наблюдений.

Научная и практическая значимость работы

Выявленная система регулярных колебаний метеорологических полей в низкочастотном диапазоне может быть использована в долгосрочных прогнозах погоды и в исследованиях регионального климата. Метод комплексного анализа метеорологических параметров атмосферы может быть применен при выборе наиболее перспективных мест для строительства телескопов, создании мировой сети станций инфразвукового мониторинга с минимально возможным уровнем помех, разработке оптимальных коротковолновых трасс радиосвязи и др.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии в коллективе соавторов. В опубликованных в соавторстве работах, автор участвовал в постановке задач, обработке и интерпретации результатов расчетов.

Апробация работы

Основные результаты работы, представленные в диссертации, докладывались на Всероссийском совещании с участием приглашенных исследователей из других стран «Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии» (Иркутск, 2010), Международной конференции «Comprehensive characterization of astronomical sites» (Кисловодск, 2010), VIII международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2010), XVII научной конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока. (Иркутск, 2011), Школе молодых ученых и международной конференции по вычислительно-информационным технологиям^ для наук об окружающей среде: "CITES-2011" (Томск, 2011), Всероссийской конференции с международным участием «Физика окружающей среды»

(Томск, 2011), XII Конференции молодых ученых "Взаимодействие полей и излучения с веществом", БШФФ-2011 (Иркутск, 2011), XVII, XVIII Объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011; Иркутск, 2012), III Всероссийской астрономической конференции «Небо и Земля» (Иркутск, 2011)

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 18 научных работах, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация включает 3 главы, введение, заключение. Общий объем диссертации составляет 106 страниц, в том числе 40 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список содержит 104 ссылки.

ГЛАВА 1

Исследование закономерностей пространственного распределения и временных вариаций кинетической энергии средних и вихревых движений

1.1 Изменчивость атмосферных процессов в широком диапазоне волновых чисел

Хорошей иллюстрацией разнообразия вихревых движений атмосферы являются спектры кинетической энергии. Одной из наиболее ранних экспериментальных работ по изучению энергетического спектра атмосферных колебаний является работа [Van der Hoven I., 1957], где по данным измерений на 125-метровой метеорологической башне в Брукхейвене был построен энергетический спектр атмосферных движений. В работе [Pinus N. Z. Et al., 1967] авторы представили собственные самолетные измерения и обобщили, накопленные к тому моменту спектральные распределения энергии турбулентности в свободной атмосфере других исследователей в пространственном диапазоне от 500 до 1-106 м. Задачей исследования была турбулентность ясного неба (ТЯН), обусловленная микропульсациями скорости. Авторы работы показали, что данное явление связано с макромасштабными процессами в атмосфере и успешно воспроизводится моделями циркуляции атмосферы.

В экспериментальной работе Н.К. Винниченко [Vinnichenko et al., 1970] по радиозондовым и самолетным измерениям, полученным в СССР и США, построен энергетический спектр скорости ветра для высот от 3 до 20 км. Большая часть наблюдений производилась в средних широтах Северного полушария (около 40°с.ш.) и охватывала периоды от 1 секунды до 5 лет.

В работе [Nastrom et al., 1985.] спектр атмосферных неоднородностей был построен по данным температурных и ветровых измерений во время

более чем 6900 авиаполетов с 1975 по 1979 гг. в диапазоне широт от 30° до 50° с.ш. в верхней тропосфере и нижней стратосфере (рис. 1). В работе [Julio Т. В. et al., 1996] приведены результаты измерений атмосферных флуктуаций на высотах около 14 км, измеренных во время полетов на самолете ER-2 над Тихим океаном и над восточной и западной частью Северной Америки во время экспериментов Arctic Airborne Stratospheric Expedition (AASE II) и Stratospheric Photochemistry Aerosol and Dynamics Experiment (SPADE). Всего было выполнено 73 полета продолжительностью 6-8 часов каждый, общая протяженность маршрутов составила более 400000 км. В работе представлены спектры горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, потенциальной температуры.

Все перечисленные работы указывают на то, что в вариациях скорости и температуры воздуха хорошо выделяются диапазоны, соответствующие масштабам основных физических процессов в атмосфере. В качестве примера на рис. 1 показаны энергетические спектры зональной, меридиональной скорости ветра и температуры воздуха, полученные по самолетным измерениям с 1975 по 1979 гг. в диапазоне широт от 30° до 50° с.ш. в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Спектры флуктуаций меридиональной составляющей скорости ветра и потенциальной температуры сдвинуты на одну и две декады вправо по оси х соответственно. На рис. 2 представлена стилизованная схема энергетического спектра, на которой выделены участки, соответствующие колебаниям различной природы.

Волновое число, рад/м ю5 10"4 ю-3 ю2 ю1

Длина волны, км Рис. 1 - Экспериментальный энергетический спектр Настрома-Гейджа [Nastrom et al., 1985]

k3

logk

Рис. 2 - Схема энергетического спектра турбулентности [Tung К.К., 2003]

На рис. 2 красными вертикальными линиями показаны границы масштабов атмосферных процессов, которые изучаются в диссертации. Цифрой 1 показан низкочастотный (крупномасштабный) интервал с

периодом колебаний во временном диапазоне от нескольких дней до одного - двух месяцев. Пространственный масштаб этих колебаний составляет тысячи километров. Обусловлены такие колебания прохождением крупномасштабных атмосферных возмущений. Синоптическая составляющая этой изменчивости определяет изменения погоды (фронты, циклоны, антициклоны), а низкочастотная - колебания крупномасштабных циркуляционных систем. Хорошо видно, что по энергетике низкочастотная изменчивость превышает синоптические колебания.

Цифрой 2 обозначен высокочастотный (микромасштабный) диапазон колебаний с периодом от долей секунды до нескольких минут. Наибольший вклад в них вносит трехмерная мелкомасштабная турбулентность. Ее энергетический спектр в приземном слое имеет максимум спектральной плотности колебаний с периодом ~ 1 минуты, что соответствует пространственному масштабу ~ 300-400 метров. Кроме турбулентности, в число микрометеорологических колебаний входят (с относительно малыми амплитудами) акустические и короткие гравитационные волны. Гравитационные волны преимущественно имеют период колебаний более 330 секунд, а акустические - менее 300 секунд.

Как показали измерения, спектры кинетической энергии в разных регионах оказываются достаточно универсальными [Charney J.G., 1971; Ван Мигем Ж, 1977; Dewan Е.М., 1979; VanZandt Т.Е., 1982; Lily D.K., 1983; Smith K.S., 2004], что указывает на общность процессов генерации и перераспределения кинетической энергии. В пользу такой закономерности свидетельствуют рассчитанные нами спектры скорости ветра и температуры воздуха в пограничном слое атмосферы, форма которых на различных высотах оставалась неизменной. Для определения спектров в нижней тропосфере нами были использованы данные измерений температуры и скорости ветра, осредненные за 10 мин интервал [НПО «Тайфун]. Данные получены с помощью измерительного комплекса

высотной метеорологической мачты ИЭМ НПО "Тайфун" г. Обнинска (ВММ) для высот 8, 121 и 301 м за полный 2008 г. На рис. 3 показаны временные спектры флуктуаций температуры воздуха (справа) и флуктуаций полного вектора скорости ветра (слева). Сплошной линией обозначены спектры флуктуаций температуры воздуха на высоте 2 м и спектры флуктуаций полного вектора скорости ветра на высоте 8 м, пунктирной линией выделены спектры для высоты 121 м, точечной линией - для высоты 301 м. Сплошными жирными линиями показаны кривые, соответствующие наклонам спектра "-3" и"-5/3" соответственно. Видно, что на разных высотах энергетические спектры флуктуаций оказываются подобными, что еще раз подтверждает универсальный характер энергетических спектров флуктуаций в атмосфере. Аналогичные результаты были получены в работах [Nastrom G.D. et al., 1985; Cho J.Y.N., 1999; Tung K.K., 2003].

1000

100 Ю

Time, hour

с

и -о

о <и а.

100

10

ъ 0.1 0£

001

0.001 .

1000 100 10 Time, hour

Рис. 3. Энергетические спектры флуктуаций полного вектора скорости ветра (слева) и флуктуаций температуры воздуха (справа), полученные с помощью измерительного комплекса высотной метеорологической мачты ИЭМ НПО "Тайфун" г. Обнинска.

Применительно ко всему диапазону волновых чисел вывод об универсальности спектров и общности процессов, однако, можно сделать лишь с некоторыми оговорками. Действительно, если в микромасштабном диапазоне в силу однородности и изотропии энергетические

характеристики достаточно полно характеризуют основные особенности движений, то в крупномасштабном диапазоне этих характеристик недостаточно. Бароклинная и баротропная неустойчивости, ответственные за генерацию кинетической энергии, зависят от орографии, термического баланса и состояния атмосферы. Вращение планеты создает анизотропию, приводит к образованию фронтальных поверхностей, крупномасштабных ячеек циркуляции, волн и вихрей Россби. В