Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование вихревой активности как фактора изменений оптических свойств атмосферы

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование вихревой активности как фактора изменений оптических свойств атмосферы"

Российская академия наук

Сибирское отделение Учреждение Российской академии наук Институт солнечно-земной физики СО РАН

На правах рукописи УДК 551.513

Девятова Елена Викторовна

^СЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ АКТИВНОСТИ КАК ФАКТОРА ИЗМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ

Специальность 25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

2 I ОКТ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск - 2009

003480301

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Научные руководители: Доктор физико-математических наук

Коваддо Павел Гаврилович

Кандидат физико-математических наук Мордвинов Владимир Иванович

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук

Семенов Анатолий Иванович

Кандидат физико-математических наук Перевалова Наталья Петровна

Ведущая организация: Российский государственный гидрометеорологи-

ческий университет

Защита диссертации состоится «17» ноября 2009 г. в_часов_минут на заседании диссертационного совета Д. 003.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики СО РАН (664033, г. Иркутск, ул.Лермонтова, 126а, ИСЗФ СО РАН).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН

Автореферат разослан "_"_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Глобальные климатические изменения вносят существенные коррективы во многие сферы человеческой деятельности, в том числе и в практику астрономических наблюдений. Эффективность наземной наблюдательной базы, весьма дорогой и громоздкой, сильно зависит от состояния астроклимата в пунктах наблюдений. Поиск мест для размещения крупных телескопов продолжает занимать центральное место в ряду астроклиматических проблем. Однако, как стало очевидно в последние годы, оценки фактических астроклиматических условий предполагаемого места установки недостаточно, все большее значение приобретает проблема прогноза возможных изменений условий наблюдения. В качестве примера можно привести высокогорные обсерватории вдоль западного побережья Южной Америки, на которых в последнее десятилетие появилась тенденция ухудшения астроклиматических характеристик. Являются ли эти изменения локальными и непродолжительными или связаны с общей глобальной тенденцией изменения общей циркуляции атмосферы не ясно, и это существенно осложняет планирование будущих астрономических наблюдений и проектирование новых обсерваторий. Поэтому представляет большой интерес попытаться связать характеристики астроклимата с метеорологическими и климатическими параметрами и оценить возможность использования последних для астроклиматического районирования и прогноза возможных изменений условий наблюдений в будущем.

Специфика задачи в том, что прогнозировать необходимо не столько средние значения метеопараметров, сколько их изменчивость, влияющую на степень неоднородности атмосферы и качество оптических наблюдений. Астроклиматическим параметром, характеризующим качество наблюдений, является оптическая нестабильность земной атмосферы (ОНЗА). Под ОНЗА здесь понимается интегральное значение неод-нородностей показателя преломления атмосферы. Как показывают исследования, ОНЗА коррелирует с одной из фундаментальных метеорологических характеристик -вихревой активностью атмосферы. Действительно, в нижней тропосфере изменения вихревой активности в районах больших термических контрастов трансформируются в изменения спектров колебаний температуры и плотности атмосферного воздуха, порождая колебания оптических свойств атмосферы в пунктах астрономических наблюдений.

Прогноз вихревой активности имеет не только прикладное, но и фундаментальное значение. Важная роль вихревой активности в динамике атмосферы обусловлена сопоставимостью вихревых переносов тепла, влаги, количества движения с переносами этих субстанций крупномасштабными течениями. Быстрые изменения характера циркуляции атмосферы в последние годы сопровождаются сильными и не всегда понятными изменениями вихревой активности. Это определяет актуальность исследований вихревой активности не только в прикладном, но и в фундаментальном отношении.

К сожалению, расчеты, основанные на моделях общей циркуляции атмосферы (ОЦА), являющиеся сейчас основным инструментом исследований динамики атмосферы, имеют пространственное разрешение, недостаточное для адекватного воспроизведения вихревой активности и вихревых переносов. Для диагноза и прогноза приходится использовать эмпирические методы. Такой подход был использован и в дис-

сертационной работе. Мы попытались связать вихревую активность с крупномасштабными характеристиками циркуляции в надежде, что методы прогноза крупномасштабных элементов циркуляции окажутся более удачными, чем методы прогноза вихревой активности. На этом пути были получены важные результаты, касающиеся не только связей между вихревой активностью и общей циркуляцией атмосферы, но и механизма формирования колебаний ОЦА.

Другим возможным фактором влияния на вихревую активность является космическая погода. На это указывают серии работ Мустеля, Уилкокса, Лабицке и др. Механизмы влияния пока неизвестны, исследований в этой области немного и они находятся большей частью на стадии накопления фактов. Не претендуя на решение фундаментальных задач, в рамках диссертационной работы сделана попытка оценить количественно степень связи вихревого индекса с некоторыми из гелиогеофизических параметров. При решении прикладных задач прогноза это позволило бы более реалистично ранжировать факторы, влияющие на вихревую активность и астроклиматиче-ские характеристики.

Цель работы

Выполненная работа преследовала две цели. Во-первых, исследование возможности использования фундаментальных метеорологических характеристик, в частности, вихревой активности атмосферы, для диагностики оптической нестабильности земной атмосферы. Во-вторых, изучение особенностей динамики вихревой активности и ее связи с общей циркуляцией атмосферы и внешними факторами для постановки задачи прогноза вихревой активности и оптической нестабильности земной атмосферы. Для достижения поставленных целей с помощью архива данных МСЕР/КСАИ Яеапа1у515 решались следующие задачи

1. Исследование особенностей пространственного распределения оптической нестабильности и вихревой активности атмосферы на различных уровнях тропосферы и в нижней стратосфере.

2. Изучение общих тенденций в изменениях ОНЗА и вихревой активности.

3. Исследование связи вихревой активности атмосферы с основными модами циркуляции ОЦА - Арктической осцилляцией и летним Азиатским колебанием.

4. Изучение свойств Арктической осцилляции и летнего Азиатского колебания и механизмов их формирований.

5. Анализ корреляций между вихревой активностью и гелиогеофизическими характеристиками.

Научная новизна

В диссертации впервые ставится и решается задача исследования связи одной из астроклиматических характеристик — ОНЗА - с характеристиками циркуляции атмосферы. Для этой цели впервые использован архив ассимилированных данных КСЕР/МСАЯ Иеапа^в. Наибольшее влияние на вариации ОНЗА оказывают вариации вихревой активности атмосферы. Новыми являются результаты исследования связи вихревой активности с основными модами циркуляции атмосферы и квазидвухлетним колебанием (<2ВО), результаты изучения самих мод - Арктической осцилляции и лет-

Азиатского колебания, а также оценки статистической связи вихревой активности гаогеофизическими характеристиками.

Достоверность

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается >шим объемом экспериментального материала, на основе которого сделаны глав-выводы работы, а также применением общепринятых методик обработки данных (снки статистической значимости результатов исследования. Сделанные научные оды согласуются с результатами работ отечественных и зарубежных исследовате-

Научная и практическая значимость работы

Диссертационная работа, в целом, ориентирована на изучение возможности рай-рования и прогноза некоторых астроклиматических характеристик. За основу аст-шматического прогноза предлагается использовать прогноз основных кпиматиче-с характеристик и характеристик циркуляции атмосферы. В той мере, в которой кется возможным решение задачи климатического прогноза, можно надеяться по-1ть и астроклиматический прогноз, если воспользоваться установленными стати-[ескими и функциональными связями между астроклиматическими и климатиче-.ш характеристиками.

Промежуточным звеном между циркуляционными и астроклиматическими ха-'еристиками атмосферы, рассмотренным в диссертации, является вихревая актив-гь атмосферы. Эта важная характеристика циркуляции изучена еще совершенно 1статочпо, поэтому научную ценность имеют оценки связи между вихревой актив-гью и колебаниями общей циркуляции атмосферы, исследование факторов, 1ющих на вихревую активность атмосферы. Имеют научное значение и результаты шза некоторых основных колебаний циркуляции атмосферы - Арктической ос-пяции и летнего Азиатского колебания. В частности, приводятся доказательства [бочности механизма самовозбуждения кольцевых мод вследствие положительной атной связи между средним потоком и вихревой активностью в низкочастотном тазоне.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложен метод диагностики оптической нестабильности земной атмосферы ЗА) посредством расчета индекса вихревой активности по данным архивов асси-ированных стандартных наблюдений на сети метеорологических станций. Вы-нены расчеты пространственного распределения ОНЗА и индекса вихревой актив-ги по данным архива КСЕР/ЫСАЯ Ксапа1уя1$. Установлено, что вариации вихревой ганости являются одной из основных причин колебаний ОНЗА в тропиках и субтиках нижней тропосферы и в умеренных широтах на более высоких уровнях ат-феры.

2. Установлено существование значимых связей между вихревым индексом и гнсивностью субтропических антициклонов. Это указывает либо на эффект «нако-яия» барических аномалий вихрей, либо на активное влияние субтропических ан-иклонов на вихревую активность в тропиках и субтропиках.

3. Показано, что вихревая активность не является частью механизма раскачки кольцевых мод (Арктической и Антарктической осцилляций) в низкочастотном диапазоне. На это указывает отсутствие значимых корреляций между индексом вихревой активности в полярнофронтовой зоне и колебаниями Арктической и Антарктической осцилляций. Установлена тесная связь между раскачкой летнего Азиатского колебания и вариациями метеорологических характеристик в области Циркумантарктической депрессии.

4. Проведена оценха влияния на вихревую активность атмосферы геомагнитной возмущенности и 11-летнего солнечного цикла с учетом фазы квазидвухлетнего колебания (Quasi Biennial Oscillation - QBO) зонального ветра в экваториальной стратосфере. Учет QBO позволяет получить более четкий солнечный сигнал, однако этот сигнал значим лишь в низкоширотной стратосфере в переходные сезоны года. Гипотеза о том, что влияние QBO на уровень волновой/вихревой активности и интенсивность Полярного вихря происходит благодаря сдвигу поверхности нулевого зонального ветра, получила подтверждение для периода установления зимней циркуляции. Во второй половине зимы действие данного механизма не подтверждается.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных симпозиумах «Atmospheric and ocean optic. Atmospheric physics» в г. Томске в 2004, 2006 и 2008 гг., а также на Международном Симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» в г. Санкт - Петербурге в 2009 г.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в восьми работах, три из которых - в журнале «Оптика атмосферы и океана» и одна - в журнале «Метеорология и гидрология».

Личный вклад автора

Основные результаты являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при непосредственном его участии. При выполнении работ, опубликованных в соавторстве, автор участвовал в постановке задачи, обработке и интерпретации результатов расчетов.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 144 страницы печатного текста, включая 50 рисунков и список литературы из 72 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, поставлены основные задачи и, в общих чертах, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе обсуждается постановка задачи исследования колебаний оптической нестабильности, методика и результаты расчетов оптической нестабильности и вихревой активности атмосферы. В §1.1 рассматриваются особенности пространственной структуры изучаемых характеристик, необходимые для астроклиматического

жирования территорий. На рис. 1 приведен пример расчета пространственных рас.; делений ОНЗА и индекса вихревой активности атмосферы на уровне земли (а, б) и i уровне 700 гПа (в. г) в январе и июле. Обращается внимание на различие распреде-. _:ий над континентами и океанами, а также на разных уровнях тропосферы и страто-^сры. В нижней тропосфере различия можно объяснить свойствами подстилающей :: ерхности, а на верхних уровнях - разными механизмами формирования вихревой

ИВНОСТИ.

Рис. 1. Распределения параметра ОНЗА и вихревой активности на уровнях 1000 гПа (а. б) и „3 гПа (в, г) в январе и июле. Изолинии - распределение вихревого индекса с дискретностью 40 м J0, 80, 120...) на уровне 1000 гПа, и с дискретностью Зт (Зт, 6т, 9т...) на уровне 700 гПа, т = !„"С0м2. Сплошная заливка отражает распределение ОНЗА в условных единицах.

, В §1.2 приводятся результаты исследований связи между вариациями ОНЗА и ревой активности на межгодовых интервалах времени. Эти исследования важны .и постановки задачи прогноза долговременных изменений ОНЗА. Оказалось, что тиодь не везде одинаковые аномалии ОНЗА и вихревой активности совпадают с ломалиями в распределении коэффициентов корреляции. В нижней тропосфере ~::с.2 а.б) корреляции выше в низких широтах, имеющих низкую вихревую актив-тгь. В средней тропосфере (рис.2 в,г), а также в верхней тропосфере и стратосфере бласти повышенной корреляции смещаются в высокие широты. Полученные особен-::сти можно объяснить формированием температурных аномалий адиабатическими и : адиабатическими источниками.

Январь, ^оо гПя.

6) lfiii.ii. г] Hio.il. ~001Пи.

ш р-шаоооо

" *р Яр 11р 16р 20р 0 Зр Йр Вр Ир Цр

Рис. 2. Распределения коэффициентов корреляции межгодовых вариаций среднемесячных значений ОНЗА с изменениями вихревой активности на уровнях ЮООгПа (а, б) и 700гПа (в. г) в январе и июле за период с 1950 по 2006 гг. Заливка отражает приземное распределение параметра ОНЗА.

В § 1.3 оцениваются тенденции долговременных изменений оптической нестабильности и вихревой активности. Используется простой, но достаточно эффективный метод расчета коэффициентов корреляции этих величин с линейно возрастающей функцией. Пример расчета пространственного распределения коэффициентов корреляции для приземного слоя приведен на рис.3. Такой способ оценки приблизителен, однако нагляден и позволяет оценивать общие тенденции в динамике величин на всем земном шаре. Полученные распределения отражают сложный характер долговременных изменений ОНЗА и вихревой активности в нижних слоях атмосферы. Сильное возрастание и вихревой активности, и оптической нестабильности атмосферы происходит в умеренных и высоких широтах Южного полушария. Вероятно, это связано со значительными изменениями в этих районах общей циркуляции атмосферы.

Dp llp 16 p :(||, 40 SO Ш 160 100

Рис. 3. Распределения коэффициентов корреляции межгодовых вариаций среднемесячных ■лений ОНЗА (а, б) и вихревой активности (в, г) с линейно возрастающей функцией в январе и рте в приземном слое за период с 1950 по 2006 гг. Нанесены изолинии коэффициентов корреляции ;::гпазонах абсолютных значений от 0.4 до 0.8. Заливка отражает приземное распределение пара, -1 ОНЗА (а, б) и вихревой активности (в, г).

Вторая глава диссертации посвящена поискам связи вихревой активности с ха-.. .еристиками общей циркуляции атмосферы. Это необходимо для прогноза вихре-активности, так как низкое пространственное разрешение современных климати-':::их моделей не позволяет напрямую моделировать и прогнозировать изменчивость 1. _суляции атмосферы.

В § 2.1 содержится краткий обзор общей циркуляции атмосферы и тех ее харак-1стик, которые могут иметь отношение к генерации вихревой активности. Для ана-i выбраны характеристики собственных колебаний ОЦА и центров действия атмо-,эы. Собственные колебания ОЦА чаще всего ассоциируются с раскачкой струйных !:::ний и генерацией вихрей. Центры действия атмосферы могут быть связаны с дол-^еменными изменениями вихревой активности. Для расчета их характеристик не :5уется применение каких-либо специальных методов, достаточно измерений прямого давления вблизи центров аномалий.

Параграф 2.2 посвящен количественным оценкам связи между вариациями вих-:ой активности и центрами действия атмосферы. Приводятся результаты расчета '~2Й коэффициентов корреляции между вариациями индекса вихревой активности и ;,: мнениями приземных барических полей в январе (рис.4, слева) и июле (рис.4, спра-Эти распределения сопоставлялись затем с центрами действия атмосферы, кото-iH хорошо видны в климатических аномалиях приземного барического поля. Не под-

твердилась гипотеза тесной связи долговременных вариаций вихревой активности с изменениями океанических центров действия низкого давления. С другой стороны, значимыми являются корреляции между вихревым индексом и интенсивностью субтропических антициклонов. Это указывает либо на эффект «накопления» барических аномалий вихрей, либо на активное влияние субтропических антициклонов на вихревую активность в тропиках и субтропиках.

Рис. 4. Поля коэффициентов корреляции между вариациями вихревой активности и средними приземными барическими полями (изолинии). Изолинии коэффициентов корреляции нанесены в диапазонах абсолютных значений от 0.3 до 0.9. Черный цвет - положительные изокорреляты. Белый цвет - отрицательные изокорреляты. Заливкой выделены распределения приземного барического поля, усредненные за период с 1950 по 2006 гг. Аномалии приземного барического поля определяют положения океанических и континентальных центров действия атмосферы.

Интересными оказались результаты сопоставления вихревой активности с основными собственными колебаниями ОЦА - кольцевыми модами и летним Азиатским колебанием, рассмотренные в § 2.3. В данном параграфе обсуждается методика обработки данных:. Этот аспект важен, так как получаемые корреляции чаще всего невелики, а временные ряды не являются выборками из генеральных совокупностей. Поэтому статистические оценки необходимо дополнять физическими сопоставлениями.

В параграфе 2.3.1. вихревая активность сопоставляется с кольцевыми модами. Учитывая приблизительную зональную симметрию кольцевых мод, в этом параграфе сравниваются вариации индексов Арктической осцилляции (АО) и Антарктической осцилляции (ААО) с вариациями зонально усредненных характеристик вихревой активности и средними полями давления, температуры и зональной скорости. На рис.5 приведены распределения коэффициентов корреляции индекса АО с вариациями средней высоты изобарических поверхностей (а) и вариациями индекса вихревой активности (б) со сдвигом во времени. При нулевом сдвиге между величинами средние поля достаточно хорошо отражают структуру кольцевых мод на разных уровнях атмосферы и в разных широтных зонах. Связь с вихревой активностью гораздо слабее и отражает, по нашему мнению, не механизм раскачки кольцевых мод. а вторичные эффекты влияния колебаний на структуру и интенсивность бароклинных зон. Это предположение подтверждает сопоставление вихревой активности с вариациями Антарктической осцилляции и пространственная структура корреляций. Видимо, в пространственную структуру корреляций дает вклад и изменение со временем структуры кольцевых мод.

Рис. 5. Коэффициенты корреляции межгодовых вариаций индекса АО в январе за период с 530 по 2005 гг. со среднезональной высотой изобарических поверхностей (а) и интенсивностью итревой (б) активности на уровнях 500, 150, 20 гПа со смещением между величинами от -12 до +12 '¡есяцев. Числа справа - коэффициенты корреляции между индексом АО и соответствующими вели-^зами при нулевом сдвиге.

В § 2.3.2 вихревая активность сопоставляется с летним Азиатским колебанием ЛК). В отличие от других собственных атмосферных колебаний это колебание гло-::-льно и включает аномалии циркуляции в Северном и Южном полушариях. Меха-;:::зм раскачки, видимо, не связан со струйными течениями и может влиять на вихревую активность лишь опосредованно, через изменение структуры бароклинных зон "лушарий. Связь колебаний АК с вихревой активностью действительно оказалась 1 —зкой, однако, учитывая важность летнего Азиатского колебания в долговременных вменениях не только в Южном полушарии, но и во внутриконтинентальных районах \зии, мы предприняли исследование самого колебания, попытавшись оценить причи-"I его возникновения. Сопоставлялись варианты возбуждения АК Южной Осцилля-,-,ей или аномалиями циркуляции в районе Циркумантарктической депрессии, где находится один из полюсов АК. Выполненные оценки величины и характера корреляци-- тной связи отдают предпочтение возбуждению колебаний в области Циркумантарк-рческой депрессии. Этот результат может быть полезен при выяснении причин долговременных изменений общей циркуляции атмосферы.

В третьей главе диссертации выполнены сопоставления вихревой активности с вариациями гелиогеофизических факторов и квазидвухлетним колебанием. Механиз--.31 влияния космической погоды на вихревую активность пока достоверно не установлены, скорее всего, промежуточным звеном является ОЦА, однако работы Уилкок-са и Мустеля позволяют предположить, что связь между этими явлениями может быть

не опосредованной, а прямой. В качестве индексов, характеризующих гелиогеофизи-ческую активность, были использованы числа Вольфа Иг, являющиеся индикатором активных процессов на Солнце, и Ар-индекс, представляющий собой эквивалентную среднесуточную планетарную амплитуду геомагнитных возмущений.

В § 3.1 исследовано влияние гелиогеофизической активности на вихревую активность атмосферы. Параграф 3.1.1 посвящен анализу влияния 11-летнего солнечного цикла. В работах Лабицке с соавторами показано, что влияние солнечной активности на характеристики атмосферы модулируется квазидвухлетними колебаниями (ОВО) зонального ветра в экваториальной стратосфере. Однако Лабицке исследовала влияние солнечной активности только на средние характеристики атмосферы. Мы дополнили анализ средних полей анализом распределений индекса вихревой активности, рассчитав разности уровня вихревой активности между солнечными максимумами и минимумами для каждой из фаз ОВО. Как и для разностей геопотенциальиых высот, различия в уровне вихревой активности в целом имеют противоположный знак в разных фазах ОВО, что наиболее четко проявляется во вторую половину зимы в средней и верхней тропосфере и нижней стратосфере. Следует отметить, что достоверность полученных выводов не очень высока из-за относительно небольшой длины временных рядов с разным уровнем солнечной активности.

В § 3.1.2 по методике, применявшейся в предыдущем разделе, рассчитаны разности геопотенциальных высот и уровня вихревой/волновой активности между периодами максимальной и минимальной геомагнитной возмущенности в зимний сезон. Ранней зимой в тропосфере в максимуме геомагнитной активности давление понижается практически во всей полярной области и на северо-востоке Евразии, и растет в Центральной Атлантике и умеренных широтах Тихого океана. В стратосфере аномалии давления имеют противоположный знак.

Вихревая активность в максимуме геомагнитной возмущенности ранней зимой повышается вдоль побережий материков, и понижается над Атлантикой и умеренными широтами Тихого океана. Во второй половине зимы в тропосфере повышение уровня вихревой активности в геомагнитном максимуме происходит на севере Тихого океана и вдоль северных побережий материков, понижение - над Атлантикой и умеренными широтами Евразии. Полученные приземные распределения разностей вихревой активности в общих чертах совпадают с результатами Мустеля.

В § 3.2 проведено отдельное исследование влияния ОВО на вихревую активность атмосферы. Наиболее разработанным механизмом влияния экваториальной ОВО на внетропическую циркуляцию является гипотеза широтного сдвига поверхности пулевого зонального ветра в зависимости от фазы цикла. При восточных экваториальных ветрах линия нулевого зонального ветра смещается в сторону высоких широт, и меридиональное распространение планетарных волн ограничивается более узкой широтной зоной, вследствие чего вихревая/волновая активность в средних и высоких широтах при Восточной фазе ОВО должна быть выше. Как показали результаты нашего исследования, в ноябре-декабре в период установления зимней циркуляции вихревая/волновая активность при Восточной фазе действительно имела более высокий уровень, чем при Западной фазе. Однако во второй половине зимы более высокий уровень вихревой/волновой активности был характерен не для Восточной, а для Западной фазы, причем это не привело к более сильному воздействию волн на средний поток. Наоборот, в Западной фазе ОВО Полярный вихрь усиливался. Рис.6 иллюстрирует

денные различия в амплитуде стационарных волн в начале и конце зимы. На ри-1ки нанесены широтные зависимости характеристики амплитуд стационарных волн I Западной и Восточной фазы (¿ВО. Для амплитуд бегущих волн характерны анало-шые различия в зависимости от фазы (¿ВО и от времени, тгго и для амплитуд ста-□нарных волн.

С прикладной точки зрения воздействие на вихревую активность гелиогеофизи-;ких факторов имеет второй порядок значимости. Различия в уровне вихревой ак-зности между максимумами и минимумами солнечной и геомагнитной активности, целом, имеют низкую статистическую достоверность и не могут представлять особо-интереса для прогноза долговременных астроклиматических изменений

Рис. 6. Характеристики амплитуды стационарных волн в первой половине зимы (слева) и вто-I половине зимы (справа). Тонкая линия - Западная фаза <ЗВО. Толстая линия - Восточная фаза

0. Линия, параллельная оси X - уровень значимости 95%. Пунктирная кривая - статистические .чимости разностей амплитуд стационарных волн.

В Заключении подведены итоги диссертации. Обсуждены различные аспекты становки задачи прогноза долговременных изменений ОНЗА и вихревой активно-

1. Прогноз долговременных изменений вихревой активности пока невозможен без пользования эмпирических соотношений, связывающих вихревую активность с ха-<тсристиками общей циркуляции атмосферы. Выполненные статистические оценки от нижний порог связи вихревой активности с некоторыми из выбранных характе-стик. Безусловно, с учетом дополнительных факторов этот уровень связи может ть повышен.

Особое внимание в диссертации было уделено исследованию связи между вих-вой активностью и важнейшими собственными колебаниями ОЦА - кольцевыми дами и летним Азиатским колебанием. Кольцевые моды представляли наибольший терес, поскольку связь с вихревой активностью традиционно считается основой ме-низма раскачки колебаний. Корреляция между вариациями индекса Арктической цилляции и вихревым индексом действительно была установлена, но она не являет-результатом механизма раскачки, а, скорее, следствием влияния Арктической ос-

циллядии на общую циркуляцию атмосферы. Этот результат стимулировал поиски других возможных механизмов раскачки кольцевых мод. Было показано, что в низкочастотном диапазоне таким механизмом может быть воздействие на полярнофронто-вые струйные течения крутильных колебаний. В отличие от корреляций с вихревой активностью этот механизм одинаково проявляется и в Северном и в Южном полушарии.

В отличие от кольцевых мод, летнее Азиатское колебание привлекло наше внимание по другим причинам. Это колебание имеет глобальную структуру, совпадающую со структурой наиболее сильных трендов в приземном барическом поле Северного и Южного полушарий. Близкую структуру, кстати, имеют отклики ОЦА на колебания ЭНЮК (Эль-Ниньо - Южное колебание). Учитывая то, что в Южном полушарии наблюдаются значительные тренды вихревой активности, представляло интерес оценить связь между ними. Дополнительное исследование показало, что источником глобальных колебаний ОЦА, имеющих структуру летнего Азиатского колебания, скорее всего, являются процессы в Циркумантарктической депрессии.

Были получены важные результаты, касающиеся механизма воздействия экваториальной (^ВО на возмущенность атмосферы внетропических широт. Увеличение уровня вихревой активности при Восточной фазе вследствие сдвига к северу линии нулевого зонального ветра, ограничивающей меридиональное распространение планетарных волн, имеет место в период установления зимней циркуляции. Во второй половине зимы наоборот, более высокий уровень вихревой/волновой активности отмечается в Западной фазе и сопровождается не ослаблением, а углублением Полярного вихря. Этот результат заставляет усомниться в возможности влияния экваториальной ОВО посредством сдвига критической линии на установившуюся зимнюю циркуляцию и на внезапные стратосферные потепления.

В прикладном отношении к наиболее важным результатам относится выявление областей высокой корреляции вариаций вихревой активности и оптической нестабильности в тропиках и субтропиках нижней тропосферы и в умеренных широтах па более высоких уровнях на межгодовых масштабах времени, а также долговременных тенденций в изменении обеих характеристик. Оценки показали сильное возрастание за последние 20 лет оптической нестабильности и вихревой активности в умеренных и высоких широтах Южного полушария, что указывает на изменение характера циркуляции атмосферы в этом районе.

Обнаружены значимые корреляции между вихревой активностью и субтропическими антициклонами. Это указывает либо на эффект «накопления» барических аномалий вихрей, либо на активное влияние субтропических антициклонов на вихревую активность в тропиках и субтропиках - районах с благоприятным астроклиматом. Гипотеза тесной связи долговременных вариаций вихревой активности с океаническими центрами действия низкого давления не подтвердилась.

Основные результаты работы

Построены и исследованы пространственные распределения оптической нестабильности земной атмосферы на различных уровнях тропосферы и в нижней стратосфере по данным архива МСЕР/МСАЯ 11еапа1у515. В нижней тропосфере ОНЗА оказалась значительной в областях повышенной циклонической активности вблизи береговых линий и фронтальных зон. Это можно было ожидать, учитывая адвективный ха-

.ер вариаций температуры в нижних слоях атмосферы. В верхней тропосфере и атосфере более высокие значения ОНЗА отмечались в районах с неустойчивой жуляцией вблизи струйных течений и в области Полярного вихря. Это указывает повышенную роль вихревой активности в формировании ОНЗА.

Изучены пространственные распределения вихревой активности в тропосфере и атосфере. Для оценки вихревой активности использован вихревой индекс, предло--гный Wallace и Hsu. Распределения вихревой активности сопоставлены с распреде-[иями ОНЗА. В нижней тропосфере различия существенны и обусловлены тем, что >ме вихревой активности для возникновения оптической нестабильности атмосферы )бходимы горизонтальные градиенты температуры. На более высоких уровнях ва-щии температуры носят конвективный характер, и роль вихревой активности выше.

Учитывая большое значение вихревой активности в формировании температур-х вариаций, исследованы распределения коэффициентов корреляции межгодовых |иаций ОНЗА и вихревой активности. В нижней тропосфере более высокий уровень :зи отмечен в тропиках и субтропиках, т.е. там, где абсолютные значения ОНЗА не :нь высоки и условия для астрономических наблюдений лучше, чем в умеренных ротах. В этих районах прогноз долговременных изменений ОНЗА можно строить основе прогноза вихревой активности. В верхней тропосфере и стратосфере коэф-циенты корреляции выше в умеренных широтах, там, где вихревая активность яв-:тся основной причиной колебаний температуры.

Выполнена оценка долговременных тенденций изменений ОНЗА и вихревой ак-¡ности. Наибольшие темпы возрастания обеих характеристик отмечены в Южном 1ушарии. Там же наиболее сильными являются и изменения общей циркуляции ат-:феры. В Южном полушарии размещена сеть оптических инструментов, поэтому эгноз изменений астроклимата особенно важен.

Прогноз изменений вихревой активности представляет более сложную задачу, .1 прогноз средних полей, и выполняется статистическими методами. Для их приме-шя необходимо выявление объектов ОЦА, с которыми вихревая активность имела более тесную связь. В диссертации вариации вихревой активности были сопостав-1ы с вариациями среднего приземного барического поля, центрами действия атмо-гры и основными модами колебаний циркуляции атмосферы - Арктической и Ан-жтической осцилляциями, летним Азиатским колебанием. Рассчитанные коэффи-знты корреляции менялись в зависимости от сезона и географического положения ■иона. Необходимы дальнейшие исследования для выделения наиболее устойчивых шзически обоснованных связей.

Более детально были изучены связи между вихревой активностью и кольцевыми дами - Арктической и Антарктической осцилляциями. Эта задача имеет не только неладное, но и фундаментальное значение, поскольку вихревая активность считает -основным элементом раскачки колебаний. Полученные оценки поставили под со-ение эффективность данного механизма. Был найдена еще одна возможная причина жачки кольцевых мод в низкочастотном диапазоне - крутильные колебания.

Важное значение имело исследование летнего Азиатского колебания. Корреля-я этой моды с вихревой активностью оказалась невысокой, однако сделанные оцен-позволили пролить свет на источник колебаний. Рассматривались два варианта -гяние ЭНЮК и раскачка в районе Циркумантарктической депрессии. Второй вари-г оказался предпочтительнее, так как обладал более высокой теснотой связи с лет-

ним Азиатским колебанием и долговременными тенденциями изменения давления в восточном полушарии.

В рамках диссертации выполнено сопоставление вихревой активности в периоды высокой и низкой солнечной активности, при разных фазах QBO и в периоды с высоким и низким уровнем геомагнитной возмущешюсти. Из-за небольшой длины рядов надежность этих сравнений не очень высока. Можно говорить о том, что данные эффекты играют второстепенную роль в изменениях вихревой активности и не представляют интереса для прогноза долговременных астроклиматических изменений.

Исследования воздействия экваториальной QBO на возмущенность атмосферы показали, что во внетропических широтах увеличение уровня вихревой активности при Восточной фазе вследствие сдвига к северу линии нулевого зонального ветра имеет место в начале зимы. В конце зимы более высокий уровень вихревой/волновой активности отмечается в Западной фазе. Это позволяет усомниться в возможности влияния экваториальной QBO посредством данного механизма на установившуюся вне-тропическую зимнюю циркуляцию, а также на внезапные стратосферные потепления.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Е.В. Девятова, В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, И.В. Латышева. Связь межгодовых вариаций приземного давления в Азии с явлением Эль-Ниньо и изменениями циркуляции в Южном полушарии. Оптика атмосферы и океана. - 2005. - 18. - №8. -с.688-693.

2. A.A.Fomenko, V.I.Mordvinov, S.I.Molodykh, E.V.Devyatova, A.S.Ivanova, I.V.Latysheva, Comparison of the atmospheric response to sea surface temperature anomalies according to observations and model simulations, Bull. NCC. Ser. Num. Model. Atmosph., Océan and Environment Studies -2005. - Iss. 10- P. 1-10.

3. В.И. Мордвинов, A.C. Иванова, Е.В. Девятова. Геомагнитная активность и общая циркуляция атмосферы. «Солнечно-земная физика». Вып. 10 (2007), с. 16-24.

4. В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, Е.В. Девятова. Связь межгодовых вариаций арктического и антарктического колебаний с характеристиками вихревой и волновой активности. «Метеорология и гидрология», №8 (2008), с.20-36.

5. Е.В. Девятова, П.Г. Ковадло, В.И. Мордвинов. Пространственная структура и долговременные изменения оптической нестабильности атмосферы по данным NCEP/NCAR Reanalysis. «Оптика атмосферы и океана», 21, № 12 (2008), с.1043-1049.

6. В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, Е.В. Девятова. Возбуждение Арктической осцилляции крутильными колебаниями. «Оптика атмосферы и океана», 22, №2 (2009), с.193-200.

7. Е.В. Девятова, В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, И.В. Латышева, Долговременные изменения вариаций приземного барического поля в Северном полушарии по данным NCEP/NCAR Reanalysis, Современные проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения. Сб. научных статей. Иркутск, 2004. с. 101-108.

8. В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, Е.В. Девятова. Арктическая осцилляция и тро-посферно-стратосферные взаимодействия. «Солнечно-земная физика». Вып. 10 (2007), с.106-112.

Отпечатано в издательском отделе ИСЗФ СО Заказ № 97 от 18 сентября 2009 г. Объем 18 с. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Девятова, Елена Викторовна

Введение.

1. Оптическая нестабильность земной атмосферы и вихревая активность.

1.1. Пространственные распределения оптической нестабильности и вихревой активности атмосферы.

1.2. Связь между вариациями оптической нестабильности и вихревой активности атмосферы.

1.3. Долговременные изменения оптической нестабильности земной атмосферы и вихревой активности.

2. Исследования связи вихревой активности с общей циркуляцией атмосферы.

2.1. Характеристики ОЦА, влияющие на вихревую активность.

2.2. Вихревая активность и центры действия атмосферы

2.3. Вихревая активность и собственные колебания общей циркуляции атмосферы.

2.3.1. Связь межгодовых вариаций Арктической и Антарктической осцилляцийс характеристиками вихревой активности и средними метеополями.

2.3.2. Летнее Азиатское колебание.

3. Влияние внешних факторов на вихревую активность атмосферы.

3.1 Влияние гелиогеофизической активности на вихревую активность атмосферы

3.1.1. Солнечная активность.

3.1.2. Геомагнитная активность.

3.2 Влияние экваториальной С®0 на циркуляцию атмосферы.

3.3 Долговременные вариаций глобальных характеристик изменчивости барического поля.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование вихревой активности как фактора изменений оптических свойств атмосферы"

Глобальные климатические изменения вносят существенные коррективы во многие сферы человеческой деятельности, в том числе и в практику астрономических наблюдений. Эффективность наземной наблюдательной базы, весьма дорогой и громоздкой, сильнейшим образом зависит от состояния астроклимата в пунктах наблюдений. Поиск мест для размещения крупных телескопов продолжает занимать центральное место в ряду астроклиматиче-ских проблем. Однако, как стало очевидно в последние годы, оценки фактических астроклиматических условий* предполагаемого места установки недостаточно, все большее значение приобретает проблема прогноза возможных изменений условий наблюдения. В качестве примера можно привести высокогорные обсерватории вдоль западного-побережья Южной Америки, на которых в последнее десятилетие появилась тенденция*ухудшения астроклиматических характеристик. Являются ли эти изменения локальными и непродолжительными или связаны с общей глобальной тенденцией изменения циркуляции атмосферы в Южном полушарии не ясно, и это существенно осложняет планирование будущих астрономических наблюдений и проектирование новых обсерваторий. Поэтому представляет большой, интерес попытаться связать характеристики астроклимата с метеорологическими и климатическими, параметрами и оценить возможность использования последних для астроклиматического районирования'и прогноза возможных изменений условий,наблюдений в будущем.

Специфика задачи состоит в том, что прогнозировать необходимо не столько средние значения метеопараметров, сколько их изменчивость, причем, большей частью, в высокочастотном диапазоне, наблюдения в котором регулярно не проводятся. Действительно, изменчивость температуры в пункте наблюдения, например, существенно влияет на степень неоднородности плотности атмосферы и, как следствие, на качество оптических наблюдений.

К сожалению, методы прогноза изменчивости климатических характеристик пока еще несовершенны. Кроме того, изменчивость температуры является производной величиной^ от вихревой- активности, неоднородностей крупномасштабного распределения температуры, количества влаги в атмосфере и т.д., зависящих от разных факторов. Проследить все эти связи и построить аналитическую модель пока не представляется возможным, поэтому мы вынуждены использовать упрощенный1 подход — оценить статистическую связь астроклиматических характеристик с характеристиками циркуляции и перейти затем к их изучению.

Предварительные оценки показали, что для такого важного* астрокли-матического параметра, как оптическая нестабильность земной атмосферы (ОНЗА), наиболее близкой метеорологической характеристикой является вихревая активность атмосферы. Как мы уже отмечали выше, эта характеристика не является единственной, влияющей на ОНЗА, поэтому первой задачей, которая была поставлена перед диссертантом, была задача оценки тесноты связи между вихревой активностью и ОНЗА в зависимости от географического пункта, высоты в атмосфере и сезона.

Следующей задачей было« исследование общих тенденций во временной динамике ОНЗА и вихревой активности и возможности их прогноза. Следует отметить, что изучение вихревой активности имеет не только прикладное, но и фундаментальное значение. Важная роль вихревой активности в динамике атмосферы обусловлена сопоставимостью вихревых переносов тепла и влаги, количества движения с переносами этих субстанций крупномасштабными течениями. Быстрые изменения циркуляции атмосферы в последние годы сопровождаются сильными и не всегда понятными изменениями вихревой активности. Это определяет актуальность исследований вихревой активности не только в прикладном, но и в фундаментальном отноше-'

НИИ. Наиболее перспективным методом изучения вихревой активности является моделирование, однако численные схемы .пока еще имеют низкое пространственное, разрешение,, недостаточное для? адекватного/ воспроизведения вихревой активности и вихревых;переносов. Приходится использовать эмпирические методы исследований. Такой подход был использован и в диссертационной* работе., Мы попытались связать вихревую активность с центрами действия и модами циркуляции в надежде, что методы прогноза; крупномасштабных элементов циркуляции- окажутся более: удачными, чем методы прогноза вихревой активности. Рассматривались такие полусферные и глобальные моды, в.частности, как Арктическая.осцилляция (АО) и летнее Азиатское колебание. этом направлении? были получены интересные и важные результатьг, касающиеся; не только связей между вихревой активностью и хмодами циркуляции, но и механизма формирования самих мод. .

Наибольшее внимание в последние годы привлекает Арктическая осцилляция^, с которой связывают климатические изменения в высоких и умеренных широтах Северного; полушария. Механизм раскачки этой моды достоверно не известен. Наиболее распространенной является гипотеза положительной обратной связи полярнофронтового струйного течения с волновой; и вихревой активностью [67, 37]. Однако, как. показали проведенные нами исследования, возбуждение волновой и, вихревой активности является скорее следствием, чем причинойфаскачки Арктической осцилляции. На это указывает отсутствие тесной корреляции во времени между индексом АО и характеристиками вихревой: активности, а также пространственная структура корреляций.

Не менее интересно летнее Азиатское колебание, хотя оно и не показало тесной связи с вихревой активностью. Это колебание является глобальным и связывает аномалии давления в летний период в Северном и Южном полушариях. Колебание имеет сильный межгодовой тренд, а на декадных интервалах времени такую же пространственную структуру, как и реакция приземного барического поля на вариации солнечной активности. Очень сильные изменения в рамках этой моды происходят в районе Циркумантарктиче-ской депрессии. Существуют работы, в которых изменения Циркумантаркти-ческой депрессии связывают с колебаниями. Полярного вихря над Антарктикой и колебаниями содержания озона в стратосфере [60]. Так что, возможно, найденные корреляции^ отражают физические связи в системе циркуляции атмосферы Южного полушария.

Еще одним фактором прямого или косвенного влияния на вихревую активность является космическая погода. Механизмы влияния гелиогеофизи-ческих факторов пока неизвестны, исследований в этой области немного и наука находится большей частью на стадии накопления фактов. Не претендуя на решение фундаментальных задач, в рамках диссертационной работы мы попытались оценить количественно степень связи вихревого индекса с некоторыми из гелиогеофизических параметров. При решении прикладных задач прогноза* это позволило бы более реалистично расставить акценты относительно факторов, влияющих на вихревую активность и астроклиматические характеристики.

Некоторые из полученных в диссертации результатов имеют фундаментальное значение, а в прикладном отношении позволяют наполнить содержанием цепочку связей, необходимых для решения задачи прогноза одной из основных астроклиматических характеристик — оптической нестабильности земной атмосферы.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Девятова, Елена Викторовна

Заключение

Выполненная работа представляет собой первый этап исследований в области долгосрочного прогноза астроклиматических характеристик. Ключевое значение в постановке задачи исследований имели найденные ранее связи между локальными оптическими свойствами атмосферы и синоптическими погодными явлениями. Эти связи позволили выделить в задаче прогноза астроклимата климатическую составляющую со всеми атрибутами и проблемами, присущими специфике климатических прогнозов. Прогноз климата сейчас является одной из наиболее актуальных научных задач. Созданы основы математической теории климата, однако-численная реализация построенных моделей сталкивается со множеством трудностей. В итоге более или менее удовлетворительными являются расчеты лишь некоторых основных климатических характеристик. К сожалению, в этот список не входят характеристики, наиболее важные для астроклимата, в частности, вихревая активность атмосферы, определяющая оптическую нестабильность атмосферного воздуха.

Ситуация, при которой модельные расчеты не обеспечивают климатолога необходимым количеством данным, достаточно типична. Многие климатические характеристики, необходимые, например, для прогноза поведения техногенных систем, не являются выходными параметрами климатических моделей. Для их расчета обычно применяют статистические методы. По данным наблюдений оцениваются связи между выходными параметрами моделей и искомыми характеристиками, которые затем используются для прогноза недостающих величин на основании результатов расчетов. Этот метод несвободен от недостатков, в частности, нельзя быть уверенным в сохранении найденных связей при существенных изменениях состояния климатической системы. Однако других вариантов решения многих задач прикладной климатологии фактически не существует.

Эффективное применение статистического анализа в дополнение к модельным расчетам зависит от правильного выбора предикторов. Для решения задач, поставленных в диссертации, необходимо было выбрать из длинного списка погодных явлений, воспроизводимых моделями, только те, которые могут быть наиболее тесно связаны с вихревой активностью. Основной причиной вихревой активности считается бароклинная неустойчивость струйных течений. К сожалению, струйные течения столь же плохо воспроизводятся климатическими моделями, как и вихри. Однако для прогноза важны не сами струйные течения, а их изменчивость, которая может контролироваться общей циркуляцией атмосферы. Мы предположили, что контроль могут осуществлять центры действия атмосферы или собственные колебаниями ОЦА, в первую очередь, т.н. кольцевые моды - Арктическая и Антарктическая осцилляции и квазидвухлетнее колебание. Эти гипотезы были проверены в диссертационной работе. При этом мы столкнулись с достаточно типичной ситуацией в физике атмосферы - недостаточно хорошим пониманием закономерностей общей циркуляции. Полученные результаты противоречили некоторым традиционным гипотезам возникновения крупномасштабных атмосферных аномалий, что заставило проводить дополнительные исследования. В итоге, кроме полученных статистических оценок связи между вихревой активностью и предполагаемыми предикторами, были сформулированы некоторые выводы и предположения, имеющие на наш взгляд, фундаментальное значение для физики ОЦА, в частности, вывод об ошибочности традиционных представлений о причинах раскачки кольцевых мод.

Кольцевые моды представляли наибольший интерес, поскольку связь с вихревой активностью традиционно считается основой механизма раскачки колебаний. Корреляция между вариациями индекса Арктической осцилляции и вихревым индексом действительно была установлена, но она не является результатом механизма раскачки, а, скорее, следствием влияния Арктической осцилляции на общую циркуляцию атмосферы. Этот результат стимулировал поиски других возможных механизмов раскачки кольцевых мод. Было показано, что в низкочастотном диапазоне таким механизмом может быть воздействие на полярнофронтовые струйные течения крутильных колебаний. В отличие от корреляций с вихревой активностью этот механизм одинаково проявляется и в Северном и в Южном полушарии.

В отличие от кольцевых мод, летнее Азиатское колебание привлекло наше внимание по другим причинам. Это колебание имеет глобальную структуру, совпадающую со структурой наиболее сильных трендов в приземном барическом поле Северного и Южного полушарий. Близкую структуру, кстати, имеют отклики ОЦА на колебания ЭНЮК (Эль-Ниньо - Южное колебание). Учитывая то, что в Южном полушарии наблюдаются значительные тренды вихревой активности, представляло интерес оценить связь между ними. Дополнительное исследование показало, что источником глобальных колебаний ОЦА, имеющих структуру летнего Азиатского колебания, скорее всего, являются процессы в Циркумантарктической депрессии.

Были получены важные результаты, касающиеся механизма воздействия экваториальной С>ВО на возмущенность атмосферы внетропических широт. Увеличение уровня вихревой активности при Восточной фазе вследствие сдвига к северу линии нулевого зонального ветра, ограничивающей меридиональное распространение планетарных волн, имеет место в период установления зимней циркуляции. Во второй половине зимы наоборот, более высокий уровень вихревой/волновой активности отмечается в Западной фазе и сопровождается не ослаблением, а углублением Полярного вихря. Этот результат заставляет усомниться в возможности влияния экваториальной (£ВО посредством сдвига критической линии на установившуюся зимнюю циркуляцию и на внезапные стратосферные потепления.

Обнаружены значимые корреляции между вихревой активностью и субтропическими антициклонами. Это указывает либо на эффект «накопления» барических аномалий вихрей, либо на активное влияние субтропических антициклонов на вихревую активность в тропиках и субтропиках — районах с благоприятным астроклиматом. Гипотеза тесной связи долговременных вариаций вихревой активности с океаническими центрами действия низкого давления не подтвердилась.

Сложность задачи прогноза усугубляют возможные связи климата с внешними факторами, в частности, с факторами космической погоды - солнечной и геомагнитной активностью. При этом существуют указания на то, что космические факторы могут непосредственно воздействовать на вихревую активность. Эти гипотезы были также проверены в диссертационной работе. Убедительных доказательств подобного влияния на вихревую активность получено не было, хотя найденные корреляции внешних факторов и средних полей в атмосфере представляют интерес при построении моделей гелиогеофизического воздействия на циркуляцию атмосферы.

Результаты выполненных исследований можно сформулировать следующим образом

1. Построены и исследованы пространственные распределения оптической нестабильности земной атмосферы на различных уровнях тропосферы и в нижней стратосфере по данным архива ЖЖР/1ЧСАК Кеапа1уз1з. В нижней тропосфере ОНЗА оказалась значительной в областях повышенной циклонической активности вблизи береговых линий и фронтальных зон. Это можно было ожидать, учитывая адвективный характер вариаций температуры в нижних слоях атмосферы. В верхней тропосфере и стратосфере более высокие значения ОНЗА отмечались в районах с неустойчивой циркуляцией вблизи струйных течений и в области Полярного вихря. Это указывает на повышенную роль вихревой активности в формировании ОНЗА.

2. Изучены пространственные распределения вихревой активности в тропосфере и стратосфере. Для оценки вихревой активности использован вихревой индекс, предложенный Wallace и Hsu. Распределения вихревой активности сопоставлены с распределениями ОНЗА. В нижней тропосфере различия существенны и обусловлены тем, что кроме вихревой активности для возникновения оптической нестабильности атмосферы необходимы горизонтальные градиенты температуры. На более высоких уровнях вариации температуры носят конвективный характер, и роль вихревой активности выше.

3. Учитывая большое значение вихревой активности в формировании температурных вариаций, исследованы распределения коэффициентов корреляции межгодовых вариаций ОНЗА и вихревой активности. В нижней тропосфере более высокий уровень связи отмечен в тропиках и субтропиках, т.е. там, где абсолютные значения ОНЗА не очень высоки и условия для астрономических наблюдений лучше, чем в умеренных широтах. В этих районах прогноз долговременных изменений ОНЗА можно строить на основе прогноза вихревой активности. В верхней тропосфере и стратосфере коэффициенты корреляции выше в умеренных широтах, там, где вихревая активность является основной причиной колебаний температуры.

4. Выполнена оценка долговременных тенденций изменений ОНЗА и вихревой активности. Наибольшие темпы возрастания обеих характеристик отмечены в Южном полушарии. Там же наиболее сильными являются и изменения общей циркуляции атмосферы. В Южном полушарии размещена сеть оптических инструментов, поэтому прогноз изменений астроклимата особенно важен.

5. Прогноз изменений вихревой активности представляет более сложную задачу, чем прогноз средних полей, и выполняется статистическими методами. Для их применения необходимо выявление объектов ОЦА, с которыми вихревая активность имела бы более тесную связь. В диссертации вариации вихревой активности были сопоставлены с вариациями среднего приземного барического поля, центрами действия атмосферы и основными модами колебаний циркуляции атмосферы - Арктической и Антарктической осцилля-циями, летнего Азиатского колебания. Рассчитанные коэффициенты корреляции менялись в зависимости от сезона и географического положения региона. Необходимы дальнейшие исследования для выделения наиболее устойчивых и физически обоснованных связей.

6. Более детально были изучены связи между вихревой активностью и кольцевыми модами - Арктической и Антарктической осцилляциями. Эта задача имеет не только прикладное, но и фундаментальное значение, поскольку вихревая активность считается основным элементом раскачки колебаний. Полученные оценки поставили под сомнение эффективность данного механизма. Был найдена еще одна возможная причина раскачки кольцевых мод в низкочастотном диапазоне - крутильные колебания.

7. Важное значение имело исследование летнего Азиатского колебания. Корреляция этой моды с вихревой активностью оказалась невысокой, однако сделанные оценки позволили пролить свет на источник колебаний. Рассматривались два варианта — влияние ЭНЮК и раскачка в районе Циркумантарк-тической депрессии. Второй вариант оказался предпочтительнее, так как обладал более высокой теснотой связи с летним Азиатским колебанием и долговременными тенденциями изменения давления в восточном полушарии.

8. В рамках диссертации выполнено сопоставление вихревой активности в периоды высокой и низкой солнечной активности, при разных фазах С)ВО и в периоды с высоким и низким уровнем геомагнитной возмущенности. Из-за небольшой длины рядов надежность этих сравнений не очень высока. Можно говорить о том, что данные эффекты играют второстепенную роль в изменениях вихревой активности и не представляют интереса для прогноза долговременных астроклиматических изменений.

9. Исследования воздействия экваториальной (£ВО на возмущенность атмосферы показали, что во внетропических широтах увеличение уровня вихревой активности при Восточной фазе вследствие сдвига к северу линии нулевого зонального ветра имеет место в начале зимы. В конце зимы более высокий уровень вихревой/волновой активности отмечается в Западной фазе. Это позволяет усомниться в возможности влияния экваториальной С)ВО посредством данного механизма на установившуюся внетропическую зимнюю циркуляцию, а также на внезапные стратосферные потепления.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Девятова, Елена Викторовна, Иркутск

1. Акасофу, С.И. Солнечно-земная физика / С.И. Акасофу, С. Чепмен. М.: Мир, 1974,-Т. 1.-382 с.

2. Бардин, М.Ю. Североатлантическое колебание и синоптическая изменчивость в Европейско-Атлантическом регионе в зимний период / М.Ю. Бардин, А.Б. Полонский // Известия РАН, Физика атм. и океана. 2005. — Т. 41. - №2. -С.147-157.

3. Володин, Е.М. Чувствительность зимней циркуляции в средних широтах Северного полушария к наблюдаемому уменьшению содержания озона в нижней стратосфере / Е.М. Володин, В.Я. Галин // Метеорология и гидрология. 1998.- №8. - С.23-32.

4. Володин, Е.М. Исследование первой моды низкочастотной изменчивости зимней атмосферной циркуляции в средних широтах Северного полушария / Е.М. Володин, В.Я. Галин // Метеорология и гидрология. 1998. - №9. - С.26-40.

5. Герман, Дж.Р. Солнце, погода и климат / Дж.Р. Герман, P.A. Голдберг. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. — 320 с.

6. Гилл, А. Динамика атмосферы и океана. М.: Мир, 1986. —Т. 1. - 388 с.

7. Гилл, А. Динамика атмосферы и океана. М.: Мир, 1986. - Т. 2. - 410 с.

8. Груза, Г.В. Климатическая изменчивость повторяемое!^ и продолжительности основных форм циркуляции в умеренных широтах Северного полушария / Г.В. Груза, Э.Я. Ранькова // Метеорология и гидрология. 1996. - №1. -С.12-22.

9. Девятова, E.B. Связь межгодовых вариаций приземного давления в Азии с явлением Эль-Ниньо и изменениями циркуляции в Южном полушарии / Е.В. Девятова, В.И. Мордвинов, A.C. Иванова, И.В. Латышева // Оптика атмосферы и океана. 2005. - 18. - №8. - С.688-693

10. Дзердзеевский, Б.Л. Общая циркуляция атмосферы и климат. М.: Наука, 1975.-285 с.

11. Жеребцов, Г.А. Физические основы влияния солнечной активности на изменения климатической системы Земли / Г.А. Жеребцов, В.А. Коваленко, С.И. Молодых // Изменение окружающей среды и климата. ИСЗФ СО РАН. 2008. — Т. 8. - С.149-161.

12. Кислов, A.B. Климат в прошлом, настоящем и будущем. М.: Наука / Интерпериодика, 2001. - 350 с.

13. Ковадло, П.Г. Оценка оптической нестабильности атмосферы над территорией СНГ по данным аэрологических наблюдений / П.Г. Ковадло // Оптика атмосферы и океана. 1998. - №9. - С.921 - 930.

14. Ковадло, П.Г. Результаты астроклиматических исследований по наблюдениям Солнца и оптическая нестабильность атмосферы: дисс. . докт. ф.-м. наук: защищена 2001г. / Ковад ло Павел Гаврилович Иркутск, 2001.

15. Кононович, Э.В. К проблеме воздействия солнечной активности на долговременные вариации климата / Э.В. Кононович, H.H. Шефов // Доклады АН, 1999. Т. 367. - №1. - С. 108-111.

16. Матвеев, Л.Т. Теория общей циркуляции атмосферы и климата Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-291 с.

17. Монин, A.C. История климата / A.C. Монин, Ю.А. Шишков Л.: Гидроме-теоиздат. - 1979. — 407 с.

18. Мохов, И.И. Центры действия в атмосфере и тенденции их изменения / И.И. Мохов, В.К. Петухов // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2000. — Т. 36. - №3. - С. 231-329.

19. Мустель, Э.Р. О воздействии солнечных корпускулярных потоков на нижние слои земной атмосферы. / Избранные труды. Физические процессы на звездах и на солнце / под ред. A.A. Баярчука. М.: Наука, 1991. - С. 149-166.

20. Павловская, A.A. Структура глобальных полей геопотенциала в связи с • квазидвухлетней цикличностью в экваториальной стратосфере / A.A. Павловская // Метеорология и гидрология. — 1973. №7. - С.24 — 35.

21. Пальмен, Э. Циркуляционные системы атмосферы / Э. Пальмен, Ч. Ньютон Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 599 с.

22. Петросянц, М.А. Об определении явлений Эль-Ниньо и Ла-Нинья / М.А. Петросянц, Д.Ю. Гущина // Метеорология и гидрология. — 2002. №8. — С.24-35.

23. Погорельцев, А.И. Генерация нормальных атмосферных мод стратосферными васцилляциями / А.И. Погорельцев // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. - Т. 43. -№4. - С.28-40.

24. Погосян, Х.П. Аномалии атмосферной циркуляции приземного давления и температуры в связи с квазидвухлетней цикличностью / Х.П. Погосян, А.А. Павловская Л.: Гидрометеоиздат, 1977. — 78 с.

25. Погосян, Х.П. О некоторых особенностях цикличности ветра в экваториальной стратосфере / Х.П. Погосян // Метеорология и гидрология. — 1973. -№9 С. 14-26.

26. Погосян, Х.П. Общая циркуляция атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. — 394 с.

27. Полонский, А.Б. Североатлантическое колебание: описание, механизмы, влияние на климат Евразии / А.Б. Полонский, Д.В. Башарин, Е.Н. Воскресенская, С. Ворли // Морской гидрофизический журнал. 2004. - №2. - С.38-49.

28. Солнечно — земные связи, погода и климат / под ред. Б. Мак —Кормака и Т. Селиги. М.: Мир, 1982. - 382 с.

29. Татарский, В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. - 548 с.

30. Уилкокс, Дж. М. Влияние магнитного поля Солнца на циркуляцию тропосферы. / Солнечно-земные связи, погода и климат / под ред. Б.Мак-Кормака и Т.Селиги. — М.: Мир, 1982. С.175-186.

31. Чертопруд, В.Е. О нестабильности тропосферы, связанной с солнечной активностью / В.Е. Чертопруд, Э.Р. Мустель, Н.Б. Мулюкова // Астрономический журнал. 1979. — Т. 56. - Вып. 1. — С.106-116.

32. Baldwin, M. P. Downward propagation of the Arctic Oscillation from the stratosphere to the troposphere / M. P. Baldwin, T. J. Dunkerton // J. Geophys. Res. — 1999. V. 104. - pp. 30937-30946.

33. Fyfe, J.C. The Arctic and Antarctic Oscillation and their Projected Chendges Under Global Worming / J.C. Fyfe, G J. Boer, G.M. Flato // Geophys. Res. Lett. -1999. -V. 26.- №11. pp. 1601-1604.

34. Gong, D. Definition of Antarctic Oscillation index / D. Gong, S. Wang // Geophys. Res. Lett. 1999.-26. - 459-462.

35. Gray, L. J. The influence of the equatorial upper stratosphere on stratospheric sudden warmings / L. J. Gray // Geophys. Res. Lett. — 2003. 30 (4). — p.l 166.

36. Hamilton, K. Effects of an imposed quasi biennial oscillation in a comprehensive troposphere stratosphere mesosphere general circulation model / K. Hamilton // J. Atmos. Sci. 1998. - 55. - pp. 2393-2418.

37. Holton, J.R. The influence of the equatorial Quasi-Biennial Oscillation on the global circulation at 50mb / J.R. Holton, H. Tan // J. Atmos. Sci. 1980. - 37. — pp. 2200-2208.

38. Holton, J.R. The influence of the QBO on sudden stratospheric warmings / J.R. Holton, and J. Austin // J. Atmos. Sci. -1991.-48. pp. 607-618.

39. Holton, J.R. An Introduction to Dynamic Meteorology. Fourth edition / Elsevier Academic Press. 2004. - 53 lp.

40. Holton, J.R. Stratospheric vacillation cycles / J.R. Holton, C. Mass // J. Atm. Sci. 1976. - V.33. -№11.-pp. 2218-2225.

41. Hui Su. Teleconnection Mechanisms for Tropical Pacific Descent Anomalies during El Nino / Hui Su, David Neelin J. // J. Atm. Sci. 2002. - V.59. - №18. -pp. 2694-2712.

42. Labitzke, K. Sunspots, the QBO, and the stratospheric temperature in the north polar region / K. Labitzke // Geophys. Res.Lett. — 1987. — 14. — pp. 535-537.

43. Labitzke, K. Associations between the 11-year solar cycle, the QBO and the atmosphere. Part I: The troposphere and stratosphere in the northern hemisphere winter / K. Labitzke, H. van Loon // J.Atmos.Terr.Phys. 1988. - 50. — pp. 197206.

44. Labitzke, K. On the solar cycle QBO relationship: a summary / K. Labitzke // J. Atm. Sol.-Terr. Phys. - 2005. - 67. - pp. 45-54.

45. Labitzke, K. On the signal of the 11-year sunspot cycle in the stratosphere over the Antarctic and its modulation by the Quasi-Biennial Oscillation (QBO) / K. Labitzke // Meteorologische Zeitschrift. 2004. - V.13. - №4. - pp. 263-270.

46. Labitzke, K. The Stratosphere / K. Labitzke, H. van Loon / Springer, Berlin, 1999.-179 p.

47. Lean, J. Earth's response to a variable Sun / J. Lean, D. Ring // Science. 2001. -292.-pp. 234-236.

48. O'Sullivan, D. Modeling the quasi biennial oscillation's effect on the winter stratospheric circulation / D. O'Sullivan, R. E. Young // J. Atmos. Sci. 1992. -49.-pp. 2437-2448.

49. Pogoreltsev, A. I. Numerical Simulation of Secondary Planetary Waves Arising from the Nonlinear Interaction of the Normal Atmospheric Modes / A. I. Pogoreltsev // Phys. Chem. Earth (Part C), 2001. - V.26. - №6. - pp. 395-403.

50. Pogoreltsev, A. I. Simulation of planetary waves and their influence on the zonal-ly averaged circulation in the middle atmosphere / A. I. Pogoreltsev // Earth, Planets and Space. 1999. - V.51. - №.7/8. - pp. 773-784.

51. Scaife, A. A. Response of the stratosphere to interannual variability of tropospheric planetary waves / A.A. Scaife, I.N. James // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2000. -126.-pp.215-291.

52. Schneider, E.K. Forcing of Northern Hemisphere Climate Trends / E.K. Schneider, L. Bengtsson, Zeng-Zhen Hu // J. of Atmosph. Sci. 2003 - V.60. - pp. 15041521.

53. Silvina A. Solman. ENSO-Related Variability of the Southern Hemisphere Winter Storm Track over the Eastern Pacific-Atlantic Sector / Silvina A. Solman, Claudio G. Menendez // J. Atm. Sci. 2002. - V.59. - №13. - pp. 2128-2140.

54. Thompson, David W. J. Stratospheric connection to Northern Hemisphere wintertime weather: implications for prediction / D. W. J. Thompson, M. P. Baldwin, J. M.Wallace//J. Climate.-2002 (a) -V.15. Issue 12. - pp. 1421-1428.

55. Trenberth, K.E. Recent observed interdecadal climate changes in the Northern Hemisphere / K.E. Trenberth // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1990. - V.71. - №7. -pp. 988-993.

56. Wallace, J.M. Low frequency fluctuations in zonal indices and stationary wave configurationslace / J.M. Wallace, H.N. Hsu // J.Atmos. Sci. 1983. - V.40. — pp. 2211-2219.

57. Wallace, J. Mi North Atlantic Oscillation / Annular Mode: Two paradigms One Phenomenon/ J.M. Wallace // Q. J. Royal Met. Soc. - 2000; - 126. -pp. 791-805.

58. Wyrtki, K. The Southern oscillation ocean — atmosphere interaction and El-Nino / . K. Wyrtki // Mar. Technology Soc. J. 1982. - V.16. - №1. - pp. 3-10

59. Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

60. Е.В. Девятова, В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, И.В. Латышева. Связь межгодовых вариаций приземного давления в Азии с явлением Эль-Ниньо и изменениями циркуляции в Южном полушарии. Оптика атмосферы и океана. -2005. 18. -№8. -с.688-693.

61. В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, Е.В. Девятова. Геомагнитная активность и общая циркуляция атмосферы. «Солнечно-земная физика». Вып. 10 (2007), с.16-24.

62. В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, Е.В. Девятова. Связь межгодовых вариаций арктического и антарктического колебаний с характеристиками вихревой и волновой активности. «Метеорология и гидрология», №8 (2008), с.20-36.

63. Е.В. Девятова, П.Г. Ковадло, В.И. Мордвинов. Пространственная структура и долговременные изменения оптической нестабильности атмосферы по данным NCEP/NCAR Reanalysis. «Оптика атмосферы и океана», 21, № 12 (2008), с. 1043-1049.

64. В.И. Мордвинов, А.С. Иванова, Е.В. Девятова. Возбуждение Арктической осцилляции крутильными колебаниями. «Оптика атмосферы и океана», 22, №2 (2009), с. 193-200.

65. В.И.Мордвинов, А.С.Иванова, Е.В.Девятова. Арктическая осцилляция и тропосферно-стратосферные взаимодействия. «Солнечно-земная физика». Вып. 10 (2007), с. 106-112.