Оценка характеристик волновых сигнатур в поле полярных мезосферных облаков
|
Введение 3
1. Полярные мезосферные облака как индикатор динамических процессов
средней атмосферы 5
1.1. История изучения полярных мезосферных облаков 5
1.2. Основы теории зарождения и существования облачных полей 9
1.3. Дополнительная информация про полярные мезосферные облака и методы
их наблюдения 15
2. Теоретическая справка и источники данных 21
2.1. Описание волновых движений в атмосфере 21
2.2. Описание инструментов для получения и работы с данными 28
3. Оценка характеристик волновых сигнатур в поле полярных мезосферных
облаков 32
3.1. Межгодовая изменчивость сезона серебристых облаков 32
3.2. Временные ряды и вейвлет-анализ 34
Заключение 39
Список использованных источников 41
1. Полярные мезосферные облака как индикатор динамических процессов
средней атмосферы 5
1.1. История изучения полярных мезосферных облаков 5
1.2. Основы теории зарождения и существования облачных полей 9
1.3. Дополнительная информация про полярные мезосферные облака и методы
их наблюдения 15
2. Теоретическая справка и источники данных 21
2.1. Описание волновых движений в атмосфере 21
2.2. Описание инструментов для получения и работы с данными 28
3. Оценка характеристик волновых сигнатур в поле полярных мезосферных
облаков 32
3.1. Межгодовая изменчивость сезона серебристых облаков 32
3.2. Временные ряды и вейвлет-анализ 34
Заключение 39
Список использованных источников 41
По мере развития метеорологии, в частности изучения вертикального строения атмосферы, ученых начал интересовать вопрос о физических и динамических процессах средней и верхней атмосферы. Сначала создавались гипотезы и теоретические модели, которые позже подтверждались (или опровергались) благодаря растущим возможностям проведения измерений на высотах выше 20-30 км. Конечно, в первую очередь, речь идет о ракетных и спутниковых наблюдениях, появившихся уже после второй мировой войны, которые позволили представить наиболее чёткую картину строения средней и верхней атмосферы.
На основе собираемых десятилетиями данных, удалось получить представление об общей характеристике сезонных и широтных циркуляций. В средней и верхней атмосфере наблюдаются переменного масштаба изменения параметров среды, которые обуславливаются атмосферными волнами. За это время в науке стали оперировать понятиями орографических, гравитационных, планетарных волн, а также волн Гельмгольца и приливов, являющих собой распространение возмущений среды, обуславливающие перенос энергии и импульса. Главной отличительной чертой атмосферных волн является их существенные горизонтальные размеры (десятки и даже тысячи километров).
Атмосферные волны имеют различное происхождение. Это может быть одновременный разрыв плотности или сдвиг ветра (волны Гельмгольца), либо же изолированное возникновение этих явлений (гравитационные волны), крупномасштабные преобразования полей движения и давления (волны Россби), разрыв на поверхности раздела, вызванный препятствием (орографические волны). Либо же это могут быть волны планетарного масштаба, создаваемые притяжением Солнца и Луны, усиливающиеся суточным ходом температуры (приливные волны). Волны проникают из нижних слоёв атмосферы в мезосферу, либо же генерируются локально. Усиление волновых потоков в мезосфере обуславливается её относительной неустойчивостью, возникающей в связи с малой плотностью слоя. Помимо этого, существует наложение вихрей переменного масштаба, что является причиной возмущенности мезосферы и создает трудности в ее исследовании.
Однако, несмотря на все ныне существующие достижения науки и техники, вопрос об изучении верхней атмосферы весьма обсуждаем в учёных кругах. Развитие науки и техники происходит немыслимыми темпами: совершенствуются старые методы измерений, появляются новые. Однако, до сих пор не удалось в полной мере представить истинную картину свойств средней атмосферы, ее динамических характеристик, её взаимодействия с ниже- и вышележащими слоями, а также влиянием её характеристик на климат в целом. Остро стоит вопрос о наличии иных способах наблюдения и регистрации мезосферных явлений. В учёных кругах не принято оставлять без обработки ни единого наблюдения. Как раз одним из таких наблюдений являются самые высокие облака, существующие в атмосфере Земли.
Целью работы является оценка характеристик волновых сигнатур в поле полярных мезосферных облаков. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: (1) По записям наблюдений за серебристыми облаками, составить архив числа ночей с серебристыми облаками в Северной Европе за летние месяцы с 2008 по 2022 года; (2) На основании со ставленного архива, выявить года, в которые наблюдало сь наибольшее и наименьшее количество ночей с серебристыми облаками; (3) По результатам спутниковых измерений (AIM/CIPS), составить архив дат начала, окончания и продолжительности сезонов активности серебристых облаков за 15 лет, получить для конкретных годов временные ряды температуры и водяного пара (Aura/MLS); (4) Выполнить вейвлет-анализ временных рядов и выявить волновые сигнатуры.
На основе собираемых десятилетиями данных, удалось получить представление об общей характеристике сезонных и широтных циркуляций. В средней и верхней атмосфере наблюдаются переменного масштаба изменения параметров среды, которые обуславливаются атмосферными волнами. За это время в науке стали оперировать понятиями орографических, гравитационных, планетарных волн, а также волн Гельмгольца и приливов, являющих собой распространение возмущений среды, обуславливающие перенос энергии и импульса. Главной отличительной чертой атмосферных волн является их существенные горизонтальные размеры (десятки и даже тысячи километров).
Атмосферные волны имеют различное происхождение. Это может быть одновременный разрыв плотности или сдвиг ветра (волны Гельмгольца), либо же изолированное возникновение этих явлений (гравитационные волны), крупномасштабные преобразования полей движения и давления (волны Россби), разрыв на поверхности раздела, вызванный препятствием (орографические волны). Либо же это могут быть волны планетарного масштаба, создаваемые притяжением Солнца и Луны, усиливающиеся суточным ходом температуры (приливные волны). Волны проникают из нижних слоёв атмосферы в мезосферу, либо же генерируются локально. Усиление волновых потоков в мезосфере обуславливается её относительной неустойчивостью, возникающей в связи с малой плотностью слоя. Помимо этого, существует наложение вихрей переменного масштаба, что является причиной возмущенности мезосферы и создает трудности в ее исследовании.
Однако, несмотря на все ныне существующие достижения науки и техники, вопрос об изучении верхней атмосферы весьма обсуждаем в учёных кругах. Развитие науки и техники происходит немыслимыми темпами: совершенствуются старые методы измерений, появляются новые. Однако, до сих пор не удалось в полной мере представить истинную картину свойств средней атмосферы, ее динамических характеристик, её взаимодействия с ниже- и вышележащими слоями, а также влиянием её характеристик на климат в целом. Остро стоит вопрос о наличии иных способах наблюдения и регистрации мезосферных явлений. В учёных кругах не принято оставлять без обработки ни единого наблюдения. Как раз одним из таких наблюдений являются самые высокие облака, существующие в атмосфере Земли.
Целью работы является оценка характеристик волновых сигнатур в поле полярных мезосферных облаков. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: (1) По записям наблюдений за серебристыми облаками, составить архив числа ночей с серебристыми облаками в Северной Европе за летние месяцы с 2008 по 2022 года; (2) На основании со ставленного архива, выявить года, в которые наблюдало сь наибольшее и наименьшее количество ночей с серебристыми облаками; (3) По результатам спутниковых измерений (AIM/CIPS), составить архив дат начала, окончания и продолжительности сезонов активности серебристых облаков за 15 лет, получить для конкретных годов временные ряды температуры и водяного пара (Aura/MLS); (4) Выполнить вейвлет-анализ временных рядов и выявить волновые сигнатуры.
Серебристые облака были открыты более века назад и до сих пор привлекают к себе болезненное внимание многих ученых всего мира. На самом деле это уникальное явление. Помимо своей необычной природной красоты, они являются важным источником информации, помогающей понять суть динамических процессов в верхних слоях атмосферы, на высотах более 40 км.
Более трех десятилетий ученые активно изучают влияние динамических процессов в атмосфере на формы и структуры облачного поля в районе мезопаузы.
До сих пор верхние слои атмосферы до конца не изучены. Существует множество гипотез о различных условиях возникновения того или иного процесса. Благодаря серебристым облакам ученые могут своими глазами наблюдать за этими процессами, не прибегая к использованию сложных измерительных приборов. Ведь в некоторых случаях для наблюдения трансформации облачного поля может быть до статочно простой фотокамеры, способной делать качественные фотографии сумеречного неба.
Понимание процессов средней атмосферы позволит лучше понять особенности атмосферной циркуляции, влияние ко смического пространства на земную атмосферу, а также позволит составить более четкое представление о многолетних режимах метеорологических элементов в верхней атмосфере.
В результате проделанной работы, были решены следующие задачи:
1. По записям наблюдений за серебристыми облаками, составлен архив числа ночей с серебристыми облаками в Северной Европе за летние месяцы с 2008 по 2022 года
2. На основании составленного архива, выявлены года, в которые наблюдалось наибольшее (2018) и наименьшее (2016) количество ночей с серебристыми облаками
3. По результатам спутниковых измерений (AIM/CIPS), составлен архив дат начала, окончания и продолжительности сезонов активности серебристых облаков за 15 лет, для конкретных годов получены временные ряды температуры и водяного пара (Aura/MLS)
4. Выполнен вейвлет-анализ временных рядов и выявлены волновые сигнатуры
Квази-двухдневная волна вносит наибольший вклад в изменчивость полей температуры и водяного пара в мезопаузе. В 2018 году мощность квази-двухдневной волны оказалась выше, чем в 2016 г. Это обуславливает общее число ночей с серебристыми облаками, наблюдаемыми над Северной Европой в эти года. Т. е. вследствие активности квази-двухдневной волны большей мощности (по сравнению с 2016 г), продолжительность сезона серебристых облаков оказалась выше в 2018 г. Это хорошо согласуется с ранними исследованиями квази-двухдневной волны, которые показали, что максимум ее активности наблюдается в летней мезопаузе.
Более трех десятилетий ученые активно изучают влияние динамических процессов в атмосфере на формы и структуры облачного поля в районе мезопаузы.
До сих пор верхние слои атмосферы до конца не изучены. Существует множество гипотез о различных условиях возникновения того или иного процесса. Благодаря серебристым облакам ученые могут своими глазами наблюдать за этими процессами, не прибегая к использованию сложных измерительных приборов. Ведь в некоторых случаях для наблюдения трансформации облачного поля может быть до статочно простой фотокамеры, способной делать качественные фотографии сумеречного неба.
Понимание процессов средней атмосферы позволит лучше понять особенности атмосферной циркуляции, влияние ко смического пространства на земную атмосферу, а также позволит составить более четкое представление о многолетних режимах метеорологических элементов в верхней атмосфере.
В результате проделанной работы, были решены следующие задачи:
1. По записям наблюдений за серебристыми облаками, составлен архив числа ночей с серебристыми облаками в Северной Европе за летние месяцы с 2008 по 2022 года
2. На основании составленного архива, выявлены года, в которые наблюдалось наибольшее (2018) и наименьшее (2016) количество ночей с серебристыми облаками
3. По результатам спутниковых измерений (AIM/CIPS), составлен архив дат начала, окончания и продолжительности сезонов активности серебристых облаков за 15 лет, для конкретных годов получены временные ряды температуры и водяного пара (Aura/MLS)
4. Выполнен вейвлет-анализ временных рядов и выявлены волновые сигнатуры
Квази-двухдневная волна вносит наибольший вклад в изменчивость полей температуры и водяного пара в мезопаузе. В 2018 году мощность квази-двухдневной волны оказалась выше, чем в 2016 г. Это обуславливает общее число ночей с серебристыми облаками, наблюдаемыми над Северной Европой в эти года. Т. е. вследствие активности квази-двухдневной волны большей мощности (по сравнению с 2016 г), продолжительность сезона серебристых облаков оказалась выше в 2018 г. Это хорошо согласуется с ранними исследованиями квази-двухдневной волны, которые показали, что максимум ее активности наблюдается в летней мезопаузе.