Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Временная изменчивость момента импульса атмосферы

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Луценко, Олег Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор исследований момента импульса атмосферы.

1.1 Общие определения.

1.2 Сведения о зональной циркуляции атмосферы.

1.3. Оценка возможных источников изменений момента импульса атмосферы.

1.4 Данные реанализов.

Глава 2. Возбуждающие функции атмосферного углового момента.

2.1 Общие дифференциальные уравнения движения планеты Земля около центра масс.

2.2. Возбуждающие функции атмосферного углового момента.

2.3 Сопоставление h3 с неравномерностью вращения Земли.

2.4. Влияние неравномерности вращения Земли на процессы в атмосфере

Глава 3. Сезонные и суточные колебания экваториальных компонентов ААМ

3.1 Статистический анализ экваториальных компонентов момента импульса.

3.2. Анализ средних суточных и средних месячных колебаний.

3.3 Анализ изменчивости суточных колебаний.

3.4 Спектральный анализ экваториальных компонентов момента импульса

3.5. Анализ полученных результатов.

3.6. Механизм сезонных и суточных колебаний экваториальных компонентов ААМ.

Глава 4. Сезонные и суточные колебания полярного компонента ААМ.

4.1. Сезонный ход.

4.2. Суточный ход.

4.3. Многолетние изменения.

4.4. Анализ временной изменчивости суточной и полусуточной гармоник.

4.5. Многолетние изменения амплитуды суточных колебаний.

Глава 5. Модель временных колебаний полярного компонента ААМ.

5.1 Механизм перераспределения момента импульса между Землей и атмосферой.

5.2 Модель сезонных колебаний зонального момента импульса.

5.3. Роль Эль-Ниньо-Южного колебания в изменчивости h3.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Временная изменчивость момента импульса атмосферы"

При решении многих вопросов динамики климата в последние годы внимание исследователей привлекает изучение баланса момента импульса или, по зарубежной терминологии, - углового момента системы Земля-атмосфера. В частности, большое значение этому вопросу уделялось в диагностическом международном проекте сравнения глобальных моделей общей циркуляции атмосферы (Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP)), осуществленном под патронажем Всемирной программы исследования климата (World Climate Research Programme (WCRP)). Наиболее активная фаза AMIP-I осуществлялась в 1990-1995 годы и включала независимое тестирование 31 модели общей циркуляции атмосферы ведущих научных центров мира. В соответствии с программой, все модели испытывались на десятилетнем ряде, использовались одни и те же ряды месячных наблюдений.

В качестве независимого критерия оценки эффективности моделирования атмосферных процессов использовался результирующий по всей атмосфере западно-восточный ветер (Hide et al., 1997; Marcus and Dickey, 1994), выраженный интегрально в атмосферном угловом моменте (Atmospheric Angular Moment (ААМ)). Это связано с тем, что ААМ можно с высокой точностью вычислять как по метеорологическим данным, так и по данным астрономических наблюдений за длительностью суток. При оценке моделей по рассчитанному ими зональному ветру вычислялся полярный компонент ААМ, который и сопоставлялся с данными о параметрах вращения Земли.

Вариации скорости вращения Земли позволяют определять глобальные изменения в атмосфере и океане, временные масштабы при этом длятся от дней до столетий. Используя эту возможность, в проекте AMIP дополнительно была изучена важная проблема физики атмосферы и динамики климата - проблема баланса ААМ в системе Земля-атмосфера. Исследования показали, что величины приращений момента импульса атмосферы находятся в соответствии с сезонными изменениями скорости вращения Земли или длительности суток, измеряемой космической техникой с высокой точностью. Этот вывод позволяет использовать неравномерность вращения Земли для независимого контроля изменений момента импульса атмосферы.

В отечественных публикациях вопрос исследования баланса ААМ в системе Земля-атмосфера ставился очень редко. Наша работа призвана устранить этот пробел.

Изучение временных изменений ААМ актуально, поскольку оно позволяет глубже понять физические механизмы формирования общей циркуляции атмосферы, детально проанализировать некоторые из процессов, определяющих суточные, недельные, полумесячные и сезонные колебания общей циркуляции атмосферы. Знание количественных характеристик ААМ дает возможность шире использовать закон сохранения момента импульса в системе Земля-атмосфера при построении и тестировании глобальных моделей атмосферы. Проблема изучения ААМ имеет не только фундаментальное научное, но и практическое значение. Знание временных изменений ААМ необходимо для корректировки астрономических и геодезических наблюдений. Оно открывает принципиально новые подходы к решению ряда метеорологических и климатических задач.

Цели и задачи работы.

Целью работы является изучение закономерностей суточных, месячных, сезонных и межгодовых изменений компонентов ААМ, а также уточнение модели сезонного хода полярного компонента ААМ. Для реализации поставленной цели в рамках данной работы решались следующие задачи:

- Вычисление компонентов ААМ по данным об эффективных функциях атмосферного углового момента атмосферных ветров (ЭФАУМ) с шестичасовой дискретностью с 1948 по 2001 годы;

- Проведение статистического анализа компонентов ААМ;

- Проведение спектрального и гармонического анализов компонентов ААМ;

- Усовершенствование модели сезонных колебаний компонентов ААМ путем проведения термодинамического анализа работы атмосферных тепловых машин;

- Сопоставление моделей временных изменений ААМ с данными метеорологических и астрономических наблюдений.

Научная новизна.

Научная новизна данной работы заключается в вычислении уникальных пятидесятилетних рядов компонентов ААМ с шестичасовой дискретностью, выявлении структуры временной изменчивости компонентов ААМ, выявлении закономерностей их временных изменений, в определении параметров их сезонных и суточных колебаний, разработке модели сезонных колебаний полярной компоненты ААМ, построении новых и тестировании старых моделей временных изменений ААМ.

Практическая ценность.

Практическая ценность данной работы состоит в возможности использования полученных рядов ААМ, закономерностей колебаний ААМ и неравномерности вращения Земли для тестирования и калибровки глобальных моделей атмосферы и океана; создании новых гидродинамических моделей, корректно учитывающих перераспределение момента импульса в системе Земля-атмосфера.

На защиту выносятся следующие основные результаты.

- Результаты спектрального и гармонического анализа временных рядов компонентов ААМ;

- Оценка роли амплитудной модуляции экваториальных компонентов ААМ;

- Обнаружение и объяснение явления суточного вращения экваториального вектора момента импульса атмосферных ветров

К- Уточненная модель сезонных колебаний полярного компонента ААМ;

- Механизм сезонных и суточных колебаний экваториальных компонентов момента импульса атмосферы.

Апробация работы.

Результаты диссертации неоднократно обсуждались на семинарах Русского географического общества (18.12.2000; 21.10.2002 и др., г. Москва), в рамках научных семинаров (2002, г. Воронеж) и в Пермском государственном университете в рамках международной научно-практической конференции «География и регион» (30 сентября - 4 октября 2002 года, г. Пермь).

Достоверность полученных результатов.

Для проведения расчетов использовались наиболее полные и точные исходные данные, имеющиеся в настоящее время. Расчеты проводились в нескольких вариантах, используя независимые оценки их точности. Полученные с помощью моделей и теоретических оценок результаты сопоставлялись с данными наблюдений.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы 118 страниц, включая 45 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 58 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Луценко, Олег Викторович

Выводы

Таким образом, суточные колебания экваториальных компонентов момента импульса атмосферы /?, и h2 модулированы и по амплитуде, и по фазе.

Полусуточная составляющая суточного хода модуля экваториального вектора he и компонента h3 обусловлена географическими особенностями земной поверхности.

Особенности спектра экваториальных компонентов hx и h2 момента импульса атмосферных ветров объясняются амплитудной модуляцией их суточных колебаний годовой, полугодовой, третьгодовой, полумесячной и семидневной частотами модуляции.

Полумесячная и недельная гармоники обусловлены, как мы полагаем, воздействием лунных зональных приливов на атмосферную циркуляцию. Суточная гармоника обусловлена в основном солнечным термическим приливом. Изменение амплитуды и фазы этой гармоники вызваны вариациями атмосферной циркуляции вследствие суммарного эффекта гравитационных приливов и неравномерного суточного и сезонного поглощения солнечной радиации.

68

Вектор экваториального момента импульса he вращается с суточным периодом в экваториальной плоскости с востока на запад: с марта по сентябрь с опережением меридиана Солнца на 100°, а с октября по февраль с отставанием от него на 80°.

Длина вектора he изменяется с периодами 0.5; 1,7; 14; 122; 183 и 365 суток. Годовая, полугодовая и третьгодовая гармоники возникают из-за изменения атмосферной циркуляции в результате годового движения Солнца между северным и южным тропиками. Полумесячная и недельная гармоники обусловлены воздействием лунных зональных приливов на атмосферную циркуляцию. Суточная гармоника обусловлена в основном изменением поглощения солнечной радиации в течение суток из-за неоднородности земной поверхности.

Годовой ход суточных колебаний экваториальных компонентов /г, и h2 можно аппроксимировать выражениями (3.7 и 3.8), включающими в себя основную суточную гармонику солнечного прилива Sj и три симметричные ей пары гармоник, имеющих солнечную и лунную природу.

Глава 4. Сезонные и суточные колебания полярного компонента ААМ.

Проекция h3 относительного момента импульса атмосферы на ось вращения Земли называется полярным, осевым или аксиальным моментом импульса атмосферных ветров. Как видно из (1.2), величина h3 определяется скоростями зональных (осредненных по долготе) ветров, поэтому в дальнейшем полярный компонент h3 будем также называть моментом импульса зональных ветров. В атмосфере преобладают зональные движения, поэтому величина h3 в сотни раз превышает величины экваториальных компонентов момента импульса ветров \и кг.

Ряд момента импульса зональных ветров h3 за 1948-2000 гг., вычисленный по функциям с помощью формул (2.15 и 2.16), дает уникальную возможность изучать закономерности временных колебаний зональной циркуляции атмосферы в диапазоне от 6 ч до 50 лет. Однако более надежными являются величины h3 за период, начиная с 1968 года, т.к. они получены с использованием более надежных исходных данных. Именно поэтому данные о среднем суточном и сезонном ходе мы вычисляли для периода 1968-2000 гг. Изменения момента импульса за весь имеющийся ряд мы использовали для оценок межгодовых изменений и при проведении спектрального анализа.

4.1. Сезонный ход

Вычислим средний годовой ход компонента h3. Для этого усредним его значения за каждый срок к (00, 06, 12, 18) для каждого i- го дня года за период наблюдений с 1948 по 2000 год. В результате получим средние значения момента импульса /?3 для каждого дня года.

1 j = 2000 1 4 = 18.00

К - ^ I J I ■ (4Л)

Jj j = 1948 ^ 4 = 00.00

Такие вычисления мы выполнили для всей атмосферы, а также отдельно для северного и южного полушария.

Колебания моментов импульса зональной циркуляции в северном и южном полушариях имеют ярко выраженный годовой период. В северном полушарии (кривая 1 на рис. 4.1) имеет максимум (109.6-1024 кг-mV1) в феврале. Затем h3N плавно уменьшается и, к началу июля, становится отрицательным. К концу июля он минимален (-10.6-1024 кг-mV1). В августе момент импульса зональной циркуляции постепенно повышается. Отрицательные величины hw в июле-августе означают, что в этот период в атмосфере северного полушария в среднем преобладает вклад восточных ветров. h.-./i О^кг mV1 г 100

50 О

Рис. 4.1. Сезонные колебания момента импульса зональных ветров h3 (1-атмосфера северного полушария; 2 - атмосфера южного полушария).

В южном полушарии (кривая 2, рис. 4.1) момент импульса h3S всегда положителен и минимален 17 февраля (46.8-1024 кг-mV1). Максимум h3S имеет двугорбую форму с пиками 21 июня (119.2-1024 кг-м2с-1) и 25 июля (1 18.5-1024 кг-mV1). Провал (115.9-1024 кг-mV1) приходится на 6 июля. Характерно, что этот провал прослеживается в годовом ходе момента импульса всей атмосферы, а также в сезонном ходе скорости вращения Земли.

Средние месячные значения осевого момента импульса для всей атмосферы и отдельно по полушариям приведены в таблице 4.1. Получены большие величины момента импульса атмосферы, чем в ранее проведенных исследованиях (Сидоренков, 1976). Такой факт может быть обусловлен учетом в данной работе более высоких (до 10 гПа) слоев и, возможно, несовпадением периода наблюдений. Приведенные в нижней строке табл. 4.1 результаты Н.С.Сидоренкова были получены по данным скорости ветра до высоты 30 гПа за период 1956-1972 гг.

Заключение.

Представленная работа излагает результаты детального изучения временных изменений основного интеграла движения - момента импульса атмосферы. Мы надеемся, что она будет способствовать познанию закономерностей временной изменчивости атмосферы, поможет понять механизм формирования атмосферной циркуляции с точки зрения перераспределения ААМ в системе Земля-атмосфера. Работа может быть использована для контроля существующих и тестирования разрабатываемых глобальных моделей атмосферы. Не все вопросы, затронутые в нашей работе, получили законченное изложение. Некоторые результаты вычислений мы не смогли объяснить. Они нуждаются в дальнейшем анализе и осмыслении. Перечислим основные результаты диссертации.

В работе вычислен 50-летний ряд величин компонентов ААМ с шестичасовой дискретностью, проведен математический анализ рядов и выявлены закономерности суточных, сезонных и межгодовых изменений.

Обнаружено ранее неизвестное суточное вращение экваториального вектора момента импульса атмосферных ветров he и построена его средняя траектория.

Установлен факт модуляции колебаний экваториальных компонентов \, h2 и объяснена его природа. Показано, что амплитудная модуляция волны суточного термического прилива Si годовой частотой приводит к появлению в спектрах компонентов /г, и h2 приливных волн на частотах гравитационных приливов Р1 и Kj; полугодовой частотой - на частотах я-, и у/х и третьгодовой частотой - на боковых частотах 0.9918 (сут)'1 и 1.0083 (сут)"1.

На основе проведенного анализа разработан механизм сезонных и суточных колебаний экваториальных компонентов ААМ.

112

Сформулирован механизм формирования полярного компонента ААМ на основе закона сохранения момента импульса. Показано, что в результате работы атмосферных тепловых машин первого рода атмосфера заимствует момент импульса у Земли и удерживает его.

Уточнена модель сезонного хода полярного компонента ААМ. Показана необходимость более точного учета коэффициента полезного действия атмосферных тепловых машин первого рода в обоих полушариях. Объяснен наблюдаемый отрицательный момент импульса атмосферы в июле в северном полушарии.

Обнаружена взаимосвязь многолетних колебаний компонентов ААМ с явлением Эль Ниньо.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Луценко, Олег Викторович, Москва

1. Брент Д. Физическая и динамическая метеорология. -Гидрометеоиздат. J1. 1938, 398 с.

2. Голицин Г.С. Анализ законов сохранения для циркуляции атмосферы в переменных теории подобия. Изв.АН СССР, 1976. Физика атмосферы и океана, том 12, №3, с.319-323.

3. Голицин Г.С. Введение в динамику планетных атмосфер. Гидрометеоиздат. J1.1973. 104 с.

4. Жаров В.Е. Суточные атмосферные приливы и их влияние на вращение Земли. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.З, Физика. Астрономия. 1996. №1. с. 7582.

5. Заставенко Л.Г.(ред.) Средний абсолютный геопотенциал главных изобарических поверхностей от 1000 до 100 мб в узлах картографической сетки. Труды ВНИИГМИ. -М., Гидрометеоиздат, 1972, 106 с.

6. Кац А.Л. Квазидвухлетняя цикличность и циркуляция в атмосфере и океане.-Метеорология и гидрология, 1971, №7, с. 10 19.

7. Кац А.Л. Циркуляция в стратосфере и мезосфере. -Л., Гидрометеоиздат, 1968, 203 с.

8. Курганский М.В. Введение в крупномасштабную динамику атмосферы. -СПб.: Гидрометеоиздат, 1993, 168 с.

9. Курганский М.В. О интегральных энергетических характеристиках атмосферы.//Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981, т. 17, №9, с. 923-933.

10. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М.:Наука, 1965, 202 с.

11. Манк У., Макдональд Г. Вращение Земли. -М.: Мир, 1964, 384 с.

12. Парийский Н.Н., Берлянд О.С. Влияние сезонных изменений атмосферной циркуляции на скорость вращения Земли. Тр. Геофизического ин-та АН СССР, №19, 1953, с. 102-122.

13. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли.- М.: Наука. Физматлит, 2002 384 с.

14. Сидоренков Н.С. Приливные колебания атмосферной циркуляции. Труды Гидрометцентра России. 2000b. - Вып. 331. с. 49-63.

15. Сидоренков Н.С., Свиренко П.И. Мониторинг момента импульса зональных ветров атмосферы.-Тр. ГМЦРФ, вып. 316, 1991, с.19-25.

16. Сидоренков Н.С. Физика среднегодовой зональной циркуляции атмосферы. -Тр. ГМЦРФ, вып. 316, 1991а, с.3-18.

17. Сидоренков Н.С. Характеристики явления Южное Колебание ЭЛЬ-НИНЬО. -Тр. ГМЦРФ, вып. 316, 1991b, с.31-44.

18. Сидоренков Н.С. Циркуляция воздуха между северным и южным полушариями. -Тр. ГМЦ СССР, вып. 297, 1988, с.3-17.

19. Сидоренков Н.С. К вопросу о природе зональной циркуляции атмосферы. Труды Гидрометценра СССР.-1982, -вып.248.

20. Сидоренков Н.С. Исследование роли атмосферы в возбуждении многолетних изменений скорости вращения Земли. Астрономический журнал, т.56, вып. 1, 1979, с.187-199.

21. Сидоренков Н.С. Исследование момента импульса атмосферы. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана.-1976 т.12, №6, с.579-587.

22. Сидоренков Н.С. Неравномерность вращения Земли как интегральная характеристика интенсивности планетарной циркуляции атмосферы. "Метеорология и гидрология", №1, 1975а, с. 112-113.

23. Сидоренков Н.С. О межполушарной тепловой машине в атмосфере Земли. Доклады АН СССР, 1975b, т.221, №4, с.835-838.

24. Сидоренков Н.С. Тензор инерции атмосферы, годовые изменения его компонент и вариации вращения Земли. Изв.АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1973, Т.9, №4, с.З39-351.

25. Сидоренков Н.С. К вопросу о методах оценки влияния атмосферной циркуляции на скорость вращения Земли. "Астрономический журнал", том 44, №3, 1968, с.650-662.

26. Сидоренков Н.С. О влиянии неравномерности вращения Земли на процессы в ее атмосфере и гидросфере. "Проблемы Арктики и Антарктики", №9, 1961, с.45-49.

27. Сонечкин ДМ. Стохастичность в моделях общей циркуляции атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 284 с.

28. Холтон Дж.Р. Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы. -JI. Гидрометеоиздат, 1979, 223 с.

29. Чемберлен Дж. Тория планетных атмосфер. -М. Мир, 1981, 352 с.

30. Чемпмен С., Линдзен Р. Атмосферные приливы. М. Мир, 1972, 293 с.

31. Чучкалов Б.С. Особенности развития квазидвухлетнего цикла в связи с переносом массы воздуха в экваториальной стратосфере. Труды Гидрометцентра СССР, вып. 107, 1972, с.З—17.

32. Шулейкин В.В. Физика моря. -М.: "Наука", 1968, 1083 с.

33. Anderson J. D. and R. D. Rosen. The latitude-height structure of 40-50 day variations in atmospheric angular momentum, J. Atmos. Sci., 40, 1584-1591, 1983.

34. Angell J.K. Global hemispheric and zonal temperature anomalies derived from radiosonde records. In: Trends'93. A compendium of data on global change. P. 636-672. 1994.

35. Barnes R. Т., H. R. Hide, A. A. White and C. A. Wilson. Atmospheric angular momentum fluctuations, length of day changes and polar motion, Proc. R. Soc. London A, 387, 31-13, 1983.

36. Chao B.F. Length-of-day variations caused by El Nino/Southern Oscillation and the quasi-biennial oscillation, Science, 243, 923-925, 1989.

37. Dickey J.O., S.L. Marcus, R. Hide, T.M. Eubanks and D. H. Boggs. Angular momentum exchange among the solid Earth, atmosphere, and oceans: A case study of the 1982-1983. El Nino event, J. Geophvs. Res., 99, 23, 921-23, 937, 1994.

38. Hide. R., Dickey J.O., Marcus S.L., Rosen R.D., Salstein D.A. Atmospheric angular momentum in global circulation models during the period 1979-1988//J. Geophys. Res. 1997. V.102. P.16423-16438.

39. Jeffreys H. On the dynamics of geostrophic winds. Quarterly Journal Roy. Meteorol. Soc., vol. 52, 1926, pp.85-104.

40. Kalnay E., Kanamitsu M., et al. The NMC/NCAR 40-Year Reanalisis Project. Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996, v.11, p.437-471.

41. Lambeck K. and Casenave A. The Earth's rotation and Atmospheric circuiation. I Seasonal Variations. Geophys. J.R. Astron. Soc., vol.32, 1973. pp.79-93.

42. Marcus S.L. and J.O. Dickey. Coupled poleward propagation of sea surface temperature and atmospheric angular momentum anomalies: Results from AMIP, in Sixth Conference on Climate Variations, pp. 70-74, Amrc. Meteor. Soc., Boston, Mass., 1994.

43. Murgatroyd R.J. The structure and dynamics of the stratosphere. In G.A. Corby (ed.), The Global Circulation of the Atmosphere, Roy. Meteor. Soc., London, 1969. p. 159.

44. Nastula J., Ponte R.M., Salstein D.A. Regional signals in atmospheric and oceanic excitation of polar motion// In Polar Motion: Historical and

45. Scientific Problems. ASP Conference Series, Vol.208, 2000. S. Dick, D. McCarthy and B. Luzum eds. P.463-472.

46. Rosen, R.D., The axial momentum balance of Earth and its fluid envelope, Surv. Geophys., 14, 1-29, 1993.

47. Rosen, R.D. and D.A. Salstein. Atmospheric angular momentum signals during the 20th century, in Proceedings, 21st Climate Diagnostics and Prediction Worbhop, Climate Prediction Center/NCEP/NOAA, in press, 1997.

48. Rosen, R.D. and D.A. Salstein. Variations in atmospheric angular momentum on global and regional scales and the length of day, J. Geophys. Res., 88, 5451-5470, 1983.

49. Rosen R.D. and D.A. Salstein. Contribution of stratospheric winds to annual and semi-annual fluctuations in atmospheric angular momentum and the length of day, J. Geophys. Res., 90, 8033-8041, 1985.

50. Rosen R.D., D.A. Salstein, T.M. Eubanks, J.O. Dickey and J.A. Steppe. An El Ninio signal in atmospheric angular momentum and Earth rotation, Science, 225, 411-414, 1984.

51. Rosen, R.D., D.A. Salstein, A .J. Miller and K. Arpe. Accuracy of atmospheric angular momentum estimates from operational analyses, Mon. Weather Rev., 115, 1627-1639,1987.

52. Rosen R.D., D.A. Salstein and T. Nehrkom. Predictions of zonal wind and angular momentum by the NMC Medium-Range Forecast Model during 198589, Mon. Weather Rev., 119, 208-217, 1991a.

53. Rosen R.D., D.A. Salstein and T.M. Wood. Zonal contributions to global momentum variations on intraseasonal through interannual timescales, J. Geophys. Res., 96, 5145-5151, 1991b.

54. Salstein D.A. and R.D. Rosen. Topographic forcing of the atmosphere and a rapid change in the length-of-day, Science, 264, 407-409. 1994.