WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Российская академия наук

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

На правах рукописи

УДК 551.513 Девятова Елена Викторовна ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ АКТИВНОСТИ КАК ФАКТОРА ИЗМЕНЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ Специальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Иркутск – 2009 1

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук Научные руководите- Доктор физико-математических наук ли: Ковадло Павел Гаврилович Кандидат физико-математических наук Мордвинов Владимир Иванович Официальные оппо- Доктор физико-математических наук ненты: Семенов Анатолий Иванович Кандидат физико-математических наук Перевалова Наталья Петровна

Ведущая организация: Российский государственный гидрометеорологический 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.

2

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 неоднородностей 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 диссертационной 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 астроклиматические 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 NCEP/NCAR Reanalysis 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 NCEP/NCAR Reanalysis. 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 (QBO), результаты изучения самих мод - Арктической осцилляции и летнего Азиатского колебания, а также оценки статистической связи вихревой активности с гелиогеофизическими характеристиками.

Достоверность.

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается большим объемом экспериментального материала, на основе которого сделаны главные выводы работы, а также применением общепринятых методик обработки данных и оценки статистической значимости результатов исследования. Сделанные научные выводы согласуются с результатами работ отечественных и зарубежных исследователей.

Научная и практическая значимость работы.

Диссертационная работа, в целом, ориентирована на изучение возможности районирования и прогноза некоторых астроклиматических характеристик. За основу астроклиматического прогноза предлагается использовать прогноз основных климатических характеристик и характеристик циркуляции атмосферы. В той мере, в которой окажется возможным решение задачи климатического прогноза, можно надеяться получить и астроклиматический прогноз, если воспользоваться установленными статистическими и функциональными связями между астроклиматическими и климатическими характеристиками.

Промежуточным звеном между циркуляционными и астроклиматическими характеристиками атмосферы, рассмотренным в диссертации, является вихревая активность атмосферы. Эта важная характеристика циркуляции изучена еще совершенно недостаточно, поэтому научную ценность имеют оценки связи между вихревой активностью и колебаниями общей циркуляции атмосферы, исследование факторов, влияющих на вихревую активность атмосферы. Имеют научное значение и результаты анализа некоторых основных колебаний циркуляции атмосферы – Арктической осцилляции и летнего Азиатского колебания. В частности, приводятся доказательства ошибочности механизма самовозбуждения кольцевых мод вследствие положительной обратной связи между средним потоком и вихревой активностью в низкочастотном диапазоне.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложен метод диагностики оптической нестабильности земной атмосферы (ОНЗА) посредством расчета индекса вихревой активности по данным архивов ассимилированных стандартных наблюдений на сети метеорологических станций. Выполнены расчеты пространственного распределения ОНЗА и индекса вихревой активности по данным архива NCEP/NCAR Reanalysis. Установлено, что вариации вихревой активности являются одной из основных причин колебаний ОНЗА в тропиках и субтропиках нижней тропосферы и в умеренных широтах на более высоких уровнях атмосферы.

2. Установлено существование значимых связей 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.

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 оценка 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 районирования территорий. На рис.1 приведен пример расчета пространственных распределений ОНЗА и индекса вихревой активности атмосферы на уровне земли (а, б) и на уровне 700 гПа (в, г) в январе и июле. Обращается внимание на различие распределений над континентами и океанами, а также на разных уровнях тропосферы и стратосферы. В нижней тропосфере различия можно объяснить свойствами подстилающей поверхности, а на верхних уровнях - разными механизмами формирования вихревой активности.

Рис. 1. Распределения параметра ОНЗА и вихревой активности на уровнях 1000 гПа (а, б) и 700 гПа (в, г) в январе и июле. Изолинии - распределение вихревого индекса с дискретностью 40 м(40, 80, 120…) на уровне 1000 гПа, и с дискретностью 3m (3m, 6m, 9m...) на уровне 700 гПа, m = 1000м2. Сплошная заливка отражает распределение ОНЗА в условных единицах.

В §1.2 приводятся результаты исследований связи между вариациями ОНЗА и вихревой активности на межгодовых интервалах времени. Эти исследования важны для постановки задачи прогноза долговременных изменений ОНЗА. Оказалось, что отнюдь не везде одинаковые аномалии ОНЗА и вихревой активности совпадают с аномалиями в распределении коэффициентов корреляции. В нижней тропосфере (рис.2 а,б) корреляции выше в низких широтах, имеющих низкую вихревую активность. В средней тропосфере (рис.2 в,г), а также в верхней тропосфере и стратосфере области повышенной корреляции смещаются в высокие широты. Полученные особенности можно объяснить формированием температурных аномалий адиабатическими и неадиабатическими источниками.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»