Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Полуэмпирическая модель термических приливов в средней атмосфере

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Полуэмпирическая модель термических приливов в средней атмосфере"

_________ГОСУДАРСТВЕННЫЙ - КОМИТЕТ СССР Ш" Г^ЧРО'ЖГЕОРОЗЮИ'И "

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОЕЬЕДМЕНИЕ "ТАЛФУЛ"

На пряна" сугагтнои

ГЛВРКОВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСА1ЩРСГ.ИЧ

ПШЭШИРИЧКСКАЯ ШДЕЛЬ ТЕРМИЧЕСКИХ ПРИЛИВОВ В СРЕДНЕЙ ЛТМ?С$ЕРЕ

04.-00.22 - Геофизика

АН я1 л р р г г < г*

13 ; и I Ь * и . п 1

дилсортации 1« соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Обнинск - 1991

Работа выполнена в Институте вкспериыенталокой метеорологии НПО "Тайфун"

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Ю.И.Портнягин

Официальше оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Свдоров В.В. каадццат физико-математических наук, старший научный сотрудник Свиркунов П.Н.

Ведущая организация - Харьковский институт радиоэлектроники им. академика М.К.Янгеля. ^

Зашита состоится "/¿?п Мг^лЛ-' 1991 г< в часов на заседании специализированного совета К 024.07.01 в НПО "Тайфун" по адресу: 249020, г.Обнинск Калужской обл., пр. Ленина, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО "Тайфун".

Автореферат разослан 1дд1 р>

Учёный секретарь

специализированного совета ^¿^о йг В.Н.Корпусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования, Солнечные термические приливы представляют собой вынужденные колебания атмосферы с периодом , кратным 24 часам. Приливообраэующим источником для этих колебаний является поглощение солнечной радиации водяным паром в тропосфере и озоном в отратомезосфере. При распространении приливов от источников возбуждения вверх их амплитуды возрастают из-за уменьшения плотности атмосферы и на высотах нижней термо-оферу они вносят существенный вклад в формирование динамического и термического режимов. Согласно современным представлениям без учета этого вклада нельзя построить адекватных моделей теплового режима, циркуляции и газового состава меяооферу « тср:.;с.-сферьг. Перенос тепла к количества движения термическими приливами является важным фактором взаимодействия между атмосферными слоями. Необходимость исследования динамических пропессов т> атмосфере, обусловленных термическими приливали» диктуется потребностью выявления механизмов такого взаимодействия и устпновло-ния причинно-следственных связей между процессами, протекающими в различных облас-лх средней атмосферы. Знание закономерностей таких связей позь" 1 * получать ка основе данных о термических приливах в нижней термосфере ценную информацию об озоне. Потребность в изучении пространственно-временной структуры приливов в верхней атмосфере обусловлена ^озни^зей в последние десяти-

летия необходимостью прогноэиросякия глобального переноса при -месей, являющихся продуктом технологической деятельности человека в космическом пространстве.

За более чем ЗО-леткий период исследования приливов в средней атмосфере накоплен значительный экспериментальный материал.

г

получентшй в основном радиометеорным методом и методом часгич • ьух отражений. Наряду с экспериментальными проводились интенсивные теоретические исследования, направленные на создание моде -лей приливов. Результаты теоретических исследований позволили идентифицировать суточные и полусуточные колебания в средней атмосфере соответствующими термическими приливами. Однако полученные ранее модели приливов не мо1ут удовлетворительно объяс -нить наблюдающиеся экспериментально сезонно-широтные и высотные вариапии их параметров. Последние теоретические исследования показали, что это связано с двумя причинами: во-первых,- с ме-корректностьо сопоставления теоретических расчетов с экспери -ментальными данными; во-вторых,- с использованием в расчетах нерепрезентативных моделей источников термических приливов.

Цель работы: На основе теоретических и экспериментальных исследований построить глобальную полуэмяиричеснуп модель термических приливов в средней атмосфере для всех месяцев года, удовлетворительно согласующуюся с экспериментальными данными.

Основные задачи исследования:

1. Разработать алгоритмы, обеспечивающие корректное сопоставление модельных данных о приливах с результатами их измерения.

2. Для всех мссяпеа года рассчитать глобальные модели ис -точников термических приливов с использованием современных экспериментальных дашкх о распределении озона и водяного пара.

3. Построить численную модель термических приливов с применением известных гидродинамических моделей прилиьов и рассчи-тантле источников.

4. Для всех месяпег года построить глобальные полуэмпири-чеекка модели термических приливов с учетом разработанных алго-

ритмов сравнения и с использованием экспериментальных данных---------------

о приливах. _______________———

5. Исследовать влияние аномальных флуктуапий в глобальном распределении концентрании озона на вариации параметров полусуточного прилива в нданей термосфере.

6. Разработать практические рекомендации по развитию ра -яиометеорного мониторинга параметров приливов.

Научная новизна работы заключается в следующей:

1. Впервые для всех месяцев года рассчитаны глобальные модели источников термических приливов, обусловленных поглощением солнечной радиапии водяным паром в тропосфере и стратосфере и озоном в стратомезосфере. которое позволили построить для всех месяпев года высотно-агиротные модели полусуточного прилива, удовлетворительно совпадающие с экспериментальными данными.

2. Впервые установлена с помощью вычислительных экспери -ментов связь между наблюдаемым в октябре аиомачьным уменьшением концентрации озона в высоких широтах Южного полушария и резким уменьшением о зтом месяце экспериментальных значений ашли-туд полусуточного прилива в умеренно-широтной нижней термосфере Севзрного полушария.

3. Показано, что выделяемую по радиометеорнкм данным гармоническую составляющую скорости ветра с периодом 8 часов следует интерпретировать как 8-часовой термический прилив.

На защиту выносятся:

I. Наеденные расчетным путем сезонно-тиротные вариапии средней высоты и среднего азимута регистрируемых метеорных радиоэхо и оценки связанных с этими варичтаями искажений амплитуд и фаз приливов, возникающих при радиоыетеорных измерениях с помощью аппаратуры без угломерных устройств.

2. Разработанные для всех месяцев года требующиеся при построении моделей термических прилиьов глобальные модели их ясючников, обусловленных поглощением солнечной радиации озоном и водяным паром.

3. Глобальные полуэмпирические модели полусуточного и 8-часового приливов, построенные фля всех месяцев года с учетом разработанных моделей источников, и удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными.

4. Установленная с помощью вычислительных экспериментов связь между наблюдаемым э октябре аномальным уменьшением кон -центрации озона в высоких широтах Юяного полушария и резким уменьшением в этом месяце экспериментальных значений амплитуд полусуточного прилива в умеренно-широтной термосфере Северного полушария.

5. Практические рекомендации (оптимизация алгоритмов обработки данных, требуемое количество пунктов наблюдений, оценки погрешностей интерполяции результатов' измерений на сети стан -ций)по развитию радиометеорного мониторинга параметров полусу -точного прилива.

' Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что разработанная полуэмпирическая модель полусуточ -ного прилива будет использоваться при построении климатических моделей общей циркуляции средней атмосферы. Кроме того, с помощью этой модели из экспериментальных данных о полусуточном приливе, получаемых для высот 70-110 км на сети радаров, можно извлекать важную информацию о вертикальном распределении кон -центрации озона. Рассчитанная модель радиационных источников может быть применена для оценок притоков тепла в стратомвзосферу. Рекомендации по развитию сети метеорных РЛС используются в

практике проводимых п Институте экспериментальной метеорологи" (ЮМ) научных исследований, связанных с созданием системы мониторинга приливов нижней термосферьт. Предложенная методика ¡зыбо-ра оптимального алгоритма первичной обработки результатов радио-метеорних измерений ветра использована в ЮМ при разработке сетевой МРЛС. Разработанные алгоритмы обработки среднечасовых значений скорости ветра с учётом систематических и случайных погрешностей используется в комплексной методике обработки результатов радиометеорных измерений скорости ветра, проводимых на сети РЛС ИЭМ. Диссертационная работа велась в соответствии с плановой темой ИЭМ "Разработать принципы построена физико-статистической модели сезонных колебаний характеристик климата'' ( Г.Р. :,*> 78042936).

Нпстпрдруоотн результата!), получешшх в диссертационной р те, определяется, лс -первых, тем, что разработанная полуэмлнр;!--ческая модель полусуточного прилива хоро.ао согласуется с окспс-ркмэнтальнкми длнн1ми, получение.!'.? рядом исследовятолая в р&з.чч'-!-ных пунктах .темного ипр во-вторых, разработкой специальн;« алгоритмов, сбеспе'-'-ч шлих корректность сопоставления расечитян-¡п;х моделей г о;;сп>:риментальнши датами; в-тротьих, использованием для разработки полуэмпирическоЯ модели приливов хорошо с г.чтк." и«%<?скч обеспеченных экспериментальных рядов данных, полпенни* в ИЭМ.

Личный вклад. Автором получены расчетнда путем свэонно-широтчые вариации средней высоты, раз работа! к сезонная но даль кгточ-ликое термич^ск'-тс приливов, построены пс^уомпирические модели пол-точного и В-чпсопого прилетов,ралрябета км гранплеские ретоменялн:«!' по развития радиометеорного мониторинга приливов, подготовлены и .-:{••.•

б

ведены вычислительные эксперименты, проведен анализ и сопоставление модельных расчетов с экспериментальными данными о приливш Апробация работа. Основные результаты диссертационной ра -боты докладывались на Всесоюзных симпозиумах: "Взаимодействие метеорного вещества с Землей и метеорные методы исследования верхней атмосферы" (Одесса, 1972); "Взаимодействие космической пыли с атмосферой" (Ашхабад, 1974); "Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере"(Обнинск, 1990); Второй Всесоюзной конференции молодых ученых Гидрометслужбы (Обнинск, 1976); трех Всесоюзных совещаниях по'исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск, 1979, 1982, 1905); Втором Всесоюзном симпозиуме по результатам исследования средней атмосферы (Москва, 1936); Первом международном симпозиуме по про ->■ грамме "Глобмет" (Душанбе, 1985), Международном симпозиуме ис -следования средней атмосферы (Душанбе, 1989); XX УР Генеральной Ассамблее КОСПАР (Гаага, Нидерланды, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения и списка литературы. Содержит 273 стра -нипн, в т.ч. 77 рисунков и 13 таблиц. Список литературы

включает 177 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ • Во введении подчеркивается актуальность и научная новизна работы, сформулировали цели и задачи исследования. Кратко излагается содержание работе.

?

Глава I. Специфика разиометеорного метода измерения скорости ве^ра и обзор основных результатов исследования-дииа?лкческо-го -режимп-вчгптнёй термосфере

В первой глаке кратко изложена специфика радисметеорного измерения скорости ветра и приведен перечень основных искаяаю-а.х факторов, присущих этому методу измерения скорости ветра с использованием аппаратуры, не оснащенной углоккрним устройством. :'з приведенного краткого анализа сделан вывод о том, что совместное влияние астроиомичр.-'!"гх факторов (нерля!с;.'орюе распредели-

радиантов метеоров по небесной сфере, зависимости высоты испарения метеорных частиц от их скорости) и конечной ширины диаграмм направленности антенных систем привот»? с»оцени» измеряемы* скорости ветра. Отмечается, что влияние астрономических факторов на результаты измерения скорости ветра является наименее изученным.

Лналчзируятск известные модели источников термических приливов Батлера и Смолла, Форбса, Бернара, Гросса, обусловленных поглощением солнечной радиации водяным паром и озоном. Отмеча-зтея, что существующие модели источников заметно отличаются по своей вертикальной и широтной структуре. Сделан повод о том, ¿то наиболее корректной модель» источников является модель Гров-;а.

Проведен анализ экспериментальных и'теоретических исследований суточного и полусуточного термических приливов. Многочис-аенные экспериментальные наблюдения суточного прилива в нижней гермосфере подтвердили, результаты, полученные Гринхау и Ньюфел-*ом, о существенной нерегулярности суточного прилива. Теорети-<ескиб исследования суточного прилива позволили выявить некоторые причины такого нерегулярного поведения суточного прилива.

Теоретические исследования полусуточного прилива позволили объяснить качественно рад экспериментальных фактов в поведении его параметров: преобладание зимних амплитуд над летними для средних широт Северного полушария, возрастание градиентов амплитуд и фаз от лета к зиме. Однако рда особенностей сезонных и широтных вариаций полусуточного прилива в нижней термосфере не находит отражения в современных теоретических моделях. К таким особенностям можно отнести существенное возрастание амплитуд полусуточного прилива в сентябре, резкое их уменьшение в октябре и затем существзнное возрастание в ноябре'« умеренных широтах Северного полушария; значительное различие сезонного хода параметров полусуточного прилива в Северном и Шном полушариях.

При обработке экспериментальных данных, полученных на метеорных радарах,и радарах,использующих метод частичных отражений , выделяют также гармоническую составляющую скорости ветра с периодом 8 часов (8-часовая гармоника). Проанализирован ряд работ, в которых предпринята попытка выяснить причины возникновения 8-часовой гармоники скорости ветра. В этих работах рассмотрены следующие источники возбуждения 8-часовой гармоники: поглощение солнечной радиации озоном и водяным паром ( Батлер и Смолл Л/ ); нелинейное взаимодействий суточного и полусуточного термических приливов ( Глясс и Феллус/22; распространение вверх внутренних гравитационных волн (БГВ) из экваториальной тропосферы ( Хесс и Геллер/3/). Однако ни в одной из этих работ авторам не удалось объяснить сезонные к , высотные вариации амплитуд и фаз 8-часовой гармоники, полученных по экспериментальным данным, поэтому вопрос о природе её возникновения остается открытым.

Глава 2. Моделирование процесса- радио'уетоорных измерений скорости ветра

Во второй главе приводится описание имитационной ста -тистической модели процесса радкометеорных измерений скоростей ветра. Необходимость создания такой модели возникла в связи с разработкой корректных алгоритмов интерпретации данных радиометеорных измерен ий параметров приливов. В основе модели заложена имитчттия измерений среднечасовых радиальных скоростей дрейфа метеорных следов на РЛС средней эф|>ективной чувствительности, не оенаценной угломерным устройством, для любого времени суток и года и любой широты пункта "Имитационное моделиро-

вание проводилось с учетом специфики радиометеорного метода измерения скорости ветра: неравномерной плотности распределения радиантов и скоростей метеорных тел по небесной сфере, плвиск -мости высоты зеркальных точек отражения от скорости метеорных частин, конечной ширины диаграмм направленности антенных систем. В вычислительных экспериментах, проведенных с помощью имиташон-ной модели, ¡«"пользовались значения амплитуд 15 фаз суточного к полусуточного прилипав из моделей Линдэенз, и Кайдзлопа. Имитированные для каждых суток среднечасовые энзчения скорости дрейф?, подпергались разлож* «.л в ряд 5урье с лщелением постоянной компоненты и первых четырех гармоник. Рс.-считанные значения амплитуд и фаз суточной и полусуточной гармоник сравнивались с мо -дельными значениями амплитуд и фаз суточного и полусуточного приливов. Анализ результатов сравнения показал, что при радио-метеорных измерениях параметров приливов на аппаратуре без угломера происходит искажение амплитуд суточного прилива. Искажение становится особенно существенным (до 50* от модельных значений) для широт £ (15°-30°). Искажение амплитуд полусуточного

ю

прилива достигает 25 %. Искажение фаз суточного и полусуточного приливов незначительное. Появляются ложные 8-часовая и 6-часовая гермоники скорости ветра со значением амплитуд З-б м даже в случае их отсутствия в реальном поле ветре. .

Показано, что основными искажающими факторами являются усреднение по высоте метеорной зоны (80-105 км) и суточные вариации средней высоты регистрируемых радиометеоров. Влияние на результаты измерений параметров суточного и полусуточного приливов суточных вариаций среднего азимута незначительно.

Рассчитаны сезонно-широтные вариации амплитуд суточных колебаний средней высоты и среднего азимута регистрируемых радиометеоров. Максимального значения (5 км) амплитуды суточных вариаций средней высоты достигают в экваториальных широтах.

С помощью имитационного моделирования подучены аналитические выражения, связывающие комплексные амплитуды (С^) к гармоники разложения в ряд З^рье радиометеорных данных измерения скоростей ветра с амплитудами и фазами приливов с частотой, кратной

Ск - £ < Ue • • 3(е-к) |>Н, а ш

е=<

где Ue , Ifg , A Ug , - амплитуда, фаза, градиенты ампли-

туды и фазы по высоте, приливных движений с частотой, кратной

; Т = 24; <С > - оператор усреднения по высоте приливного колебания,, зависящий от вида функции распределения по высоте регистрируемых радиометеоров; - фР) - функции Бесселя от аргумента Г; P(¿lfe, Д Uj) = (-1 A<ff + -^-J •

Д Zf - амплптудп суточных вариаций средней высоты регистрируем!« j гдномстроров.

В этой же главе описывается алгоритм обрабо^'Ки среднечасовых значений скорости ветра с учетом систематических и случайных ошибок измерения скоростей дрейфа метеорных следов.

Глава 3. Сезонная среднезональная модель источника атмос-(Ьерных тормических приливов

В третьей главе рассматривается алгоритм расчета источника термических приливов, обусловленного поглощением солнечной радиации озоном и водяным паром. Суточные вариации лучистого притока тепла за счет этого поглощения имеют место на всех уровнях тропосферы и стратосферы и являются доминируэдим источником возбуждения приливов в средней Атмосфере.

Для расчета неадиабьтических притоков тепла 0 , обусловленных поглощением солнечной радиации озоном и водяным паром, было использовано известное параметрическое выражение

П _ V1 Г (Ah.il}- +Р7 АА '2)

ц I ¿хь Л + ТхГ йТ/ }

где Ро = 1365 вт-м-2 - солнечная постоянная; А; - поглощающая функция для озона ( (. - I) или водяного пара ( I =2); Р; .г эффективное отражавшее альбедо; X; - Г

приведенная толщина слоя газа для поглощенной радиации; о г

= * ^^/Л^)*2 " приведен-

ная толщина слоя газа для диффузной и отраженной рвдиаши; "X - зенитный угол Солнца; ЭвС X - среднее значение секанса зенитного угла;^ ( И >- вертикальное распределение кон -иентраиии озона или водяного пара. Для расчета источника использовалась параметризация Ласис и Хансен Для поглощаюцгй

функции озона в области Хартли-Хеггинса (0.2 - 0.35 мкм) и полосах Шаппюи (0.45 - 0.7 мкм) и параметризация Вонг для поглощающей функции водяного пара в инфракрасной области спектра (0.7 - I.I мкм).

При расчетах были использованы эмпирические распределений водяного пара из работ Мак Клетчи и Харрис и новей -пиэ эмпирические среднезональные модели озона Мак-Петорса и Китинга. Для эмпирических распределений водяного пара и озона подбирались аппроксимирующие выражения. Распределение удельной влажности водяного пара удовлетворительно аппроксимировалось формулой Ханна-Звринга по высоте и симметричной экспоненциальной зависимостью по широте. Вертикальное распределение озона аппроксимировалось следующими выражениями

( ) д |

• <з>

at -6i {<- Cc.cos [2 0 (д о•'&")]} , i- к- i (4)

где 2 - приведенная высота (за 'единиц/ длины берется высота однородной атмосферы); В - коширота; До - склонение Солнца; 8* - символ Кронекера; 6i,Сi, - коэффициенты аппроксимации.

По формуле (2) производился расчет суточных вариаций мощности источника для узлов координатной сетки» расположенных по высоте от I до 89 км с шагом через 2 км и по широте от 69° $ до 69° N с числом точек, равным 32, шаг по времени At » 10 минутам. Рассчитанные кривые суточных вариаций мощности источника раскладывались в ряд Фурье с выделением суточной, полусуточ-

ной и 8-часовой компонент возбуждения приливов. Сравнение соответствующих компонент возбуждения приливов, обусловленных поглощением солнечной радиации озоном и водяным паром, показало, что полусуточная и 8-часояая компоненты возбуждения приливов, обусловленные поглощением солнечной радиации озспсм, значительно мощней. Так, на!фимер, мощность полусутпноЯ компоненты н&-гр.?чания оа счет озона достигает значений 80 мВт.нг"^, а за счет водяного пара - 8 мВтмсг"^. Мощность 8-ччеовеП компоненты кагре-р»ч;гп за счет озона достигает значений 20 мВт>нг~*, а за счет водяного пара всего 2 мЗт.кг-*. Сравнение рассчитанных верти -кальных профилей коэффициентов разложения по фуик^.т-: Хг4чи источник« полусуточного прилива для января с аналогичными профилями из известной модели источника Гровса показало удовлетворительное совпадение для нечетных мод источника j 2,5 •

Различие вертикальных профилей для четных мод С? 2,2 • "Уг н • ~ 2 ' J2,е становится существенным выше 60 пл. Кроме того, в наших

расчетах выделяется значительная по величине нечетная мода

7 ^ ^ м®т которая не рассчитывается в моде-и ис-

точника Гровса.

Подчеркивается, что преимущество предложенной модели ис -точника перед моделью Гровса обусловлено во-первых, тем, что при расчетах источника использовано аналитическое представление вертикальных профилей озона, что позволило исследовать зависимость пространственно-временных вариаций параметров приливов от флуктуапий в глобальном распределении концентрации, озона; во- вторых, проведенными расчетами источника для всех месяцев года, в то время как в модели Гровса источник рассчитывается только для четырех месяцев (января, апреля, июля, октября).

Глава 4. Численная модель термических приливов и её сравнение с экспериментальными данными

В четвертой главе проводится сравнение численной модели термических приливов с экспериментальными данными о приливах, полученными радиофизическими методами. .Для построения численной модели приливов был разработан алгоритм, состоящий из двух блоков. В первом блоке рассчитывался источник термических приливов, во втором блоке решалась система гидродинамических уравнений атмосферных приливов с учетом рассчитанного источника. Для решения системы гидродинамических уравнений использовалась опубликованная гидродинамическая модель приливов Кайдалова, основанная на численном решении линеаризованных уравнений гидродинамики Д^ сферической вращающейся атмосферы с учетом диссипа-тивчых сил и влияния зонального ветра в стратомезос.фере. В вычислительных експериментах параметры конечно-разностной сетки

« С0$ в , 2 ,1 (б - кошкрота» 2 - высота, t - время) брались следующие: число точек по р- - 32, по 2 - 90, шаг но £ - 10 минут. Вертикальный профиль температуры Г0 задавался по модели С1ЙА-72 , поправки к значениям Т0, обусловленные зональным ветром V о в стратомеэосфере, рассчитывались из уравнений геострофического ветра. Зональный ветер задавался в следующем виде

где 28 - симметричная относительно вкватора, 51пВ -

антисимметричная части циркуляции. Учитывалось влияние ионного торможения и турбулентной вязкости. Зависимость турбулентной вязкости <)т от высоты задавалась в следующем виде

______________________________

где л/0- -перэменный параметр, значение которого варьировалось в вычислительных экспериментах от 10 »Д до Юэ м^- .

Для выбора свободных входных параметров полной модели (гидродинамическая модель + источник) приливных колебаний, которыми являются коэффициенты и ^ в выражении (4) и коэффициент ^о : выражении для турбулентной вязкости» результаты вычислительных экспериментов сравнивались с данными наблюдений приливов. Для сравнения был обработан ряд практически непрерывных измерений дрейфа метеорных следов в Обнинске в 1982 году на аппаратуре, позволяющей измерять параметры прилип» - че-гирех разнесенных областях, проведенный анализ экспериментальных данных показал, что измеряемые параметры суточной гармоники скорости ветра изменяются крайне нерегулярно. 8-часовая гармоника скорости ветра удовлетворяет ряду признаков, характерных для распространяющихся атмосферных приливов. Полусуточная гармоника скорости ветра уверенно интерпретируется полусуточным термическим приливом поэтому входные параметры полной модели определялись на этапе сравнения амплитуд и фаз полусуточного прилива, полученных расчетьт.» и экспериментальным путем.

Для сравнения с экспериментальными данными о приливах, полученными в Обнинске на аппаратуре, не оснащенной угломерным усч'ройстпом, расчетные значения амплитуд и фаз приливов усред- -нялись в высотном интервале 80-105 км с учетом суточных вариаций средней высоты регистрируемых радиометеоров. Подобранные таким образом значения коэффициентов , С с и ))о использовались во во«х дальнейших вычислительных экспериментах. Хорошее сог.пацсние сезонного хода амплитуд и фаз полусуточного прилива, полученных расчетным и экспериментальный путем, свидетельствует

о том, что используемые в расчетах гидродинамическая модель и модель источника правильно отражают процессы, связанные с возбуждением и распространением приливных колебаний в атмосфере.

С целью дополнительной проверки корректности предложенного алгоритма построения модели приливов было проведено сравнение рассчитанных значений амплитуды и фазы Ч^ (времени максимума) полусуточного колебания давления на уревне Земли с аналогичными опубликовании'и результатами. В результате расчетов, вшолненных в настоящей работе, получено, что значения ?2 # 0,91 мб, а Ч^ 91. Т . Эти величины совпадают со значениями Р£ и 4*2 • рассчитанными другими авторами.

Полненные в диссертационной работе результаты модельных расчетов параметров полусуточного прилива были сопоставлены с опубликованными дшшкзд о сезонной, сиротной » высотной структуре полусуточного прилива в мезосферс и нижней термосфере, а также с численной моделью йорбса и Виала. Для сравнения использовались экспериментальные данные о сезонном и широтном ходе амплитуд и фаз полусуточного прилива, полученные в Покер ®лзт , Калунгсборн • Бадары, Дарам , Урбана , Киото , •

Атланта • Джикамарка • Монпазьо « Могадишо, ст.Молодежная, а также высотные профили амплитуд и фаз полусуточного прилива, полученные радиофизическими методами в Харькове и в Саскатуне. Удовлетворительное совпадение модельных значений параметров приливов с упомянутыми экспериментальными даннши еще раз подтверждает вышеприведенный вывод о корректности используемых в расчетах физических закономерностей и математических моделей. Из сопоставления также следует, что модель полусуточного прилива, разработанная автором, лучше совпадает

с экспериментальными данными, чем модель Форбса « Виала. Возможной причиной этого может-быть-то,-что Форбс^и Виал в своей "модели использовали недостаточно репрезентативный источник (источник Гровса).

Дли объяснения октябрьского вдиимумя, в сезонном ходе амплитуд полусуточного прилива, который регистрируется по эксперимента лькым данным измерений дрейфа метеорных следоэ а 05нкнс-ке с 1964 г., а также четко выявляется в сезонном хо.пе, построенном по осреднскнш за 5 лет 1953-1958 гг. результатам измерений в Дкодрелл Бэнк, Англия, было проведено несколько вычислитель^ них экспериментов, в которых менялись как параметры атмосферы (турбулентная вязкость, средний г^тер), так и параметры источника. Анализ результатов вычислительных экспериментов показал, что значительное ( до 5-10 м.с-*) уменьшение значений амплитуд

полусуточного прилива в октябре в умеренных широтах Северного

II -Ч

полушария достигается ггри аномальном уменьшении (до 10 мол. см ) в том же месяце концентрации озона в интервале высот [5-30 км в высоких широтах Южного полушария.

Приведены результаты сопоставления построенной в диссертационной работе модели 8-часового термического прилива с экспериментальными данными о 8-часовой гармонике скорости ветра, полученными посредством радиолонации метеорных следов в Будрио, Италия (45° N ), Гарши , Франция (47° Ы ) и Обнинске. Проведенный анализ результатов сравнения показал, что гармоническую составляюацг* с периодом 8 часов, выделяемую по экспериментальным данным, можно интерпретировать как 8-часовой термический прилив.

Проведено несколько вычислительных экспериментов по по -строение широтных зависимостей параметров суточного прилива.

Результаты вычислительных экспериментов сравниваются с расчетами Виала и экспериментальными данными. Отмечается, что создание модели суточного прилива, адекватной реальным физическим про -цессам возбуздения и распространения его в средней атмосфере, возможно при использовании в расчетах глобальных моделей турбулентной вязкости для высот 70-120 км.

Глава 5. Практические рекомендации по организатор радиометеорного мониторинга ветра

В пятой главе изложены практические рекомендации по развитию радиометеорного мониторинга скорости ветра, в том числе и приливов, в нижней термосфере. Разработана методика оценки информативности метеорных РЛС, основанная на расчете изменения энтропии случайной измеряемой величины (скорости ветра). С помощью разработанной методики выбран оптимальный алгоритм первичной обработки данных для аппаратурного комплекса "Циклон", используемого при радиометеорных измерениях скорости ветра на сети станций МЭМ. Этот алгоритм основан на использовании сдвига частоты опорного сигнала на 37 Гц.

Как было отмечено во введении, приливные движения в нижней термосфере играют важную роль в процессах переноса пылевых образований. В связи с этим автором было проведено несколько вычислительных экспериментов по эволюции пылевых облаков антропогенного происхождения в околоземном космическом пространстве. Под действием силы сопротивления атмосферного воздуха и силы тяготения эти облака образуют в области интенсивного действия приливных движений (80-110 км) пылевые образования. Отмечается, что на дальнейшую эволюцию таких образований оказывают влияние турбулентные движёния всех масштабов^ в частности, движений с пространственными масштабами « 100 км и временными » 100 минут. Рассмотрена возможность.определения коэффициента горизон-

„ г _______________________________

тальной турбулентной, диффуэтт К г для пульсационных движений

"таких масштабов на достаточно простой в техническом отношении метеорной РЛС, разработанной в 1'ЭМ. На основании асимптотического выражения Дж.Тейлора и Кагае де £урье для дисперсии смощг;-иия частиц в турбулентном поле скоростей получены предгшрито.-ь

}те опенки коэ^иписнта к"т . Рассчитанные значения г г* о т

(2,5-5) Ю м-с" совпадают с опенкам^ коэффициента

г 6 р i

(<_ ^ 5 10 ы -с" 5 полученными Деловым и близки к значениям

g со т

вихревой ди<$йузии 10 м с" , найденнт Шефовнм, Чун-

чузовим и Коробейниковой по наблюдениям эмиссий атомарного кислорода .

На основании анализа решения уравнений классической теории приливов к с помощью алгоритма оптимальной линейной интерполят— раэработаш практические рекоиендапик по рациональному тзмсп"--Нк» оетп. иетеоршх РЛС, предназначенных для исследования монового состава полусуточного прилива. Показано, что сеть <ю 7-10 РЛС может обеспечить мониторинг среднемесячные.значений амплитуд полусуточного прилт- "а со средним значением спцСки интерполяции т 4 м.сЛ.

В дягл^ч"";;:* приведен перечень осковтл: результатов, по-куч?шшх п работе■

1. Разработан?- имит&пиониая >...-доль протессл измерения скоростсг. : , . :нгшей термосфорн на сати радиометсорннх стан-

ЕИЙ .

2. Путем вычислительных экспериментов с пемо™:^ ииитапиокио! «одели опенено экияние на измеряемые ппря;<етру приливов рскчял~

.{лггоро», оО'сяоп-т -iifnix спецификой рапко^тссрнэ!".! метол'-. Й«0люден»й ^"Т?! Tfii ••-■:•;■.■>.

3. Независимо от авторов работы /4'/ получены расчетным путем сезонно-широтнне вариации средней высоты и среднего азимута регистрируемых радиометеоров.

4. Для всех месяцев года созданы глобальнге модели источников атмосферных термических приливов, обусловленных поглощением солнечной радиации озоном и водяным паром.

5. С учетом моделей источников приливов для всех месяцев года построены полуэмпирические модели полусуточного и 0-часового приливов. Удовлетворительное совпадение разработанной модели полусуточного прилива с экспериментальными данными, полу-ченнм'и на метеорных радарах и радарах, использующих метод частичных отрглени!?, свидетельствует о том, что используемые в расчетах физические закономерности и математические модели в основном правильно отражают процессы, связанные с возбуждением и распространением приливов в средней атмосфере.

G. Разработан алгоритм обработки среднечасовых значений скоростей ветра, получаемых при радиометеорных измерениях с учетом систематических и случайных погрешностей. Этот алгоритм является одним из блоков разработанной в ИоМ комплексной методики обработки результатов радиометеорных измерений ветра. С помощью разработанного алгоритма проанализирован ряд данных продолжительностью 285 суток о параметрах приливов, зарегистрированных в Обнинске в IS82 году.

7. С помощью вычислительных экспериментов установлена связь между наблюдающимся в октябре аномальным уменьшением концентрации озона в высоких широтах Южного полушария и резким уменьаеиием в этом меслие экспериментальных значений амплитуд полусуточного прилива в умеренно-широтной нижней термосфере Северного полутсария.

8. Показано, что эвде^явмую по экспериментальным данным

гармоническую составляющую скорости ветра с периодом 8 часов---------

следует"интерпретировать как 8-часовой термический прилив.

9. Создана методика выбора оптимального алгоритма первичной обработки данных радиометеорных измерений скорости ветра, исполььованная в ИЭМ при разработке сетевой метеорной РЯС.

10. Разработаны практические рекомендации по развитии сети метеорных РЛС, предназначенной для измерений параметров полусуточного прилива.

Литература

X. Butler З.Х., Small К.Л. The excitation of atmospheric

oacillations/yproc. Roy. ».*•+.- îSSj. - V. Л274.-Р. 91-121.

2. Glass M., ïeilouc J.L. ïho eight-hourly (ter-diurnal) component of atajospherlo tides// Space Reseeroh XV. - 1975. -P. 191-197.

3. Geller '.I.A., Hess G.C., "It att D. Simultaneous partial reflection ard meteor radur vfind observations at Urbaca, Illinois, during the winter of 1974-1975// J. Atraoa.Te-r.Kiya.-1976. - V. 38, Ii ?.. - P. 287-290.

4. Федынский B.B., Кащеев З.Л., Нечитайленко В.А. Астрономические факторы смешения оценок при рационаблюдениях дрейфов метеорных следов// ДАН СССЕ - 1975. - Т. 225, » б. - С. 1292-1295.

Осдазныв результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

I. Гаврилов A.A., Лебадинец В.Н., Новикова А.И. К вопросу о влиянии вариаций средних скоростей метеорных тел на погрешности р/л наблюдений метеоров// Взаимодействие космический пыли с атмосферой: Тез. докл. Веесоюэ. симпозиума 14-17 ноября 1974 г. -

Ашхабад, I9V4, - С. 42-43.

2. Гаврилов A.A., Лебединец В.Н. К вопросу о влиянии распределения радиантов метеоров по небесной сфере нэ результаты измерений дрейфа метеор:«« следов//Гр. ин-та/Институт экспериментальной метеорологии (ЮМ). - 1974. - Вып. 2(47). - С.91-99.

3. Оценка систематических погрешностей измерений ветра радиометеорным методом/ А,А.Гав$илов, В.А.Дьяченкп, Ю.Д.Ильичев, К.И.Портнкгин/Др. ин-та/ИЭМ. - 1974. - Вып. 2(47). - С. 100108.

4. Гаврилов A.A., Лебединец В.Н., Новикова Л.И. Математическое моделирование процесса радиометеорных измерений ветра в верхней атмосфереУ/Геомагкетиэм и аэрономия. - 1976. - Т. 16, № 15. -С. 476-481.

5. {Сомплексная методика обработки результатов измерений дрейфа метеорных следоз/А.А.Гаврилов, В.А.Дьяченко, Ю.Д.Ильичев и др.// Исследование динамических процессов в верхней атмосфере/Под ред. Л.А.Катасёва, И.А.Лысенко. - Л.: Гидромет е о из дат, 1976. -. С. 291-300.

6. Гаврилов A.A. Математическое моделирование процесса радиометеорных измерений ветра в верхней атмосфера// 2 Всесоюз. конф. молодых учёных Гццроматслунбы: Тез. докл. - Обнинск, 1979. -

С. 26-27.

7. Гаврилов A.A. 0 плакировании сети ветровых МРЛС (метеорных . радиолокационных станций)// 3 Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере: Тез. докл.-Обнинск, 1979. - С. 26-27.

8. Гаврилов A.A. Информативность метеорных радиолокационных стащий, используемых для измерений ветра в верхней атмосфера// 3 Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов

в верхней атмосфере: Тез. докл. - Обнинск, 1979. - С. 42-43.

9. Гаврилов A.A. Дисперсия скоростиПветра в нижней термосфере по результатам радиолокационных измерений дрейфа метеорных следов//Геомагнетизм и аэрономия. - 1979. - Т. 19, ,У> 6. -С. III8-III9.

10. Гарилов A.A. Информативность метеорных радиолокационных станций, используемых для измерений ветра в верхней атмосфере// Метеорология и гидрология. - 1981. ff 5. - С. I0S-II2.

11. Гаврилов A.A. Оптимальная структура сети МРЛС,предназначенной для мониторинга ветра в нижней термосфере//Глобальная сеть PJIC для метеорных исследований/Под ред. В.А.Нечитайленко.--М., 1981. - С. 37-49.

ik. Гаврилов A.A. Моделирование пространственной структуры поля скоростей дрейфов метеорных следов.//4 Всесоюзное совещаний по исследованию динамических процессов в верхней атмосфэро: Тез. докл. - Обнинск, 1962. - С. 80.

13. Гаврилов А.А, Об информативности алгоритмов первичной обработки данных о дрейфах метеорных следов //Исследование динамических процессов i- верхней атмосфереД1од род. Л.А.КатасёЕа, И.А.Лисенко. - М. :Гчдрометеокздат, 1983. - С. 254-256,

14. Гаврилов A.A. г 'ктивность мётеол!гых радиолокаторов к медленным скоростям дрейфа //5 Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфера: Тез. докл.-Обнш.ск, 1985. - С. 83.

IL. Гаврилов A.A. Идентификация гармонических составляюших скорости дрейфа метеорных следов с приливными колебаниями скорости perpa d нижней термос4®ру /(Ь Вссссвчте совспаняе по кгслпдованьп динамнче.огях процессов в в*ртнэЯ атнэсфоре: Тез. докл. - Обнинск, 1905. - С. 135.

16. Гаврилов A.A. Оценка информативности метеорологической сети метеорных радиолокационных станций// Б Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере: Тез. докл. - Обнинск, 1985. - С. 140.

17. Gavrilov A.A. Some principles of optiual projection of note or radar wind monitorin&. //Pirat Globraot Symposium. Dushanbe, USSR, August 19-24, 1985: AbatractB. - Ы., 19B5. ■ P. 87.

16. Гаврилов A.A. Возможности рариометеорного метода определено: вертикальной структуры приливов и ВГВ, распространяших-ся в средней атмосфере// 2 Всесоюзный симпозиум по результат исследования средней атмосферы: Тезисы докл. - М., 1985. -С. 34.

19. Гаврилов A.A. Зависимость информативности кетеорологическо сети метеорных РЛС от расстояния меящу пунктами наблюдений/ Исследование динамических процессов в верхней атмосфере/ Под ред. И.Л.Лысенко. - М.: Гидромстеоиздат, 1988. -

С. 213-216.

20. Гаврилов A.A. Селективность метеорных радиолокаторов к мэ.г ленным скоростям дрейфа.//Исследование динамических процессов в верхней атмосфере/ Под ред. И.А.Лысенко. - М.: Гидро-мотеоиздат, 1988. - С. 216-218.

21. Gavrilov A.A., Kojdalov Ö.V. Atmoapherio tides, at 70-120 i International Symposiua Middle Atmosphere Study. - Dushanbe USSR, Hovember 12-19, 1939: Abstracts. - Moscow, 1989. -

У. 55.

22. Гаврилов A.A. Имитационное моделирование космозольных об разований в икянсЯ тер:;эсферв и оценки некоторых параметро юс горизонтального переноса//Гбофизические аспекты перенос примесей в r-эрхкей а^гефзре: Тэз.докл. Всесоюз.симп., ноябрь 1990 г. - Oüiíj.ücr, :99д. - С. 16-18.

23. Гаврилов А.А. Сезонная среднеэональная модель источника термических приливов в средней атмосфере/ТГеофизические аспекты переноса примесей з верхней атмосфере: Теь. докл. Всесогоэ.симп., ноябрь 1990 г. - Обнинск, 1990. - С. 46-47.

24. Simulation of space-tiue evolution of the man-made particulate oleud in low orbits,/A.A.Gavrilo., Z.V.Zueva,

Yu. I. Portnyagin, A.A.Khananyan/'/ ,Seventh International Sympo3iuni on Solar-Terrestrial Physics 25-30 June 1990. COSPAH XXVTII: Abstract. - The Hague, The Netherlands, 1990. - P.186.

25. Гаврилов А.А., Кайдалов O.B. Численная модель приливов на высотах 70-100 км и её сравнение с эксперкменталпнши дан-!шми // Геомагнетизм и аэрономия. - 1990. - Т. 30, 9 3. -С. 474-481.

26. Gavrllov А.Д., Kajdalov O.V. Numerical uodel of 9trao3pheiic tides at 70-110 km, //Seventh International Symposium

on Sоlar-Te~restrial Physios, 25-30 June 1990. COSPAR XXVIII. The Hague, The Netherlands, 1990; Abstracts. - P. 1r2.

27. Гаврилов А.А., Кайдалов O.B. Численная модель термических приливов, распространявшихся в средней атмосфере// Геофизические аспекты переноса примеси в верхней атмосфере: Тез. докл. Всесоюз. симл. ноябрь 1990 г. - Обнинск, 1990. - С. 4041.

НЛ01 /Га\pj;: "- уллу^м'/Л? Ч