Внутрисезонная изменчивость атмосферных приливов и планетарных волн на основе радарных измерений
|
Использованные сокращения и основные обозначения 4
Введение 6
Глава 1. Теория 8
1.1 Атмосферные приливы 8
1.1.1 Суточные и полусуточные солнечные приливы 9
1.1.2 Мигрирующие и немигрирующие приливы 10
1.2 Планетарные волны 12
Глава 2. Основные положения о радарном комплексе МК-31 16
2.1 Комплекс МК-31 20
2.2 Область применения 21
2.3 Назначение системы и условия применения комплекса МК-31 22
2.4 Устройство и работа комплекса МК-31 24
2.5 Устройство контроля и обработки данных (УКОД) 27
2.6 Радиопередающее устройство 28
2.7 Имитатор отраженных сигналов (ИОС) 29
2.8 Аппаратный бокс 29
2.9 Передача данных наблюдений комплекса МК-31 30
Глава 3. Результаты 32
3.1 Некоторые результаты спектрального анализа данных непрерывных
измерений параметров ветрового режима на высотах 90 — 100 км 32
3.2 Анализ данных ретроспективного анализа MERRA и данных,
полученных с радарного комплекса МК-31 42
Заключение 51
Список литературы 55
Введение 6
Глава 1. Теория 8
1.1 Атмосферные приливы 8
1.1.1 Суточные и полусуточные солнечные приливы 9
1.1.2 Мигрирующие и немигрирующие приливы 10
1.2 Планетарные волны 12
Глава 2. Основные положения о радарном комплексе МК-31 16
2.1 Комплекс МК-31 20
2.2 Область применения 21
2.3 Назначение системы и условия применения комплекса МК-31 22
2.4 Устройство и работа комплекса МК-31 24
2.5 Устройство контроля и обработки данных (УКОД) 27
2.6 Радиопередающее устройство 28
2.7 Имитатор отраженных сигналов (ИОС) 29
2.8 Аппаратный бокс 29
2.9 Передача данных наблюдений комплекса МК-31 30
Глава 3. Результаты 32
3.1 Некоторые результаты спектрального анализа данных непрерывных
измерений параметров ветрового режима на высотах 90 — 100 км 32
3.2 Анализ данных ретроспективного анализа MERRA и данных,
полученных с радарного комплекса МК-31 42
Заключение 51
Список литературы 55
Изучение взаимодействия динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы Земли, является одной из важнейших фундаментальных задач физики околоземного космического пространства. Последние десятилетия характеризуются интенсивным развитием аэрокосмических и наземных систем наблюдения за состоянием и динамикой атмосферы на различных высотах, идет накопление новых экспериментальных данных, требующих дальнейшего осмысления, обработки и интерпретации. На основе имеющегося экспериментального материала разрабатываются глобальные эмпирические модели атмосферных характеристик, учитывающие временную и пространственную изменчивость метеорологических полей.
Необходимость изучения атмосферных приливов и планетарных волн обусловлена их большим влиянием на траектории спутников, чувствительных к вариациям плотности атмосферы, а также космических аппаратов при их возвращении на Землю. При проведении мониторинга состояния области мезосферы и нижней термосферы (МНТ), изучении изменчивости атмосферных приливов, планетарных волн и газовых составляющих, можно получить информацию об изменении радиационных, химических и динамических процессов в атмосфере в целом.
Благодаря развитию исследования атмосферных процессов приборами, установленными на спутниках, и с развитием сети наземных станций сканирования, а также наличию радиолокационных установок, появилась возможность исследования внутрисезонной, межсезонной и межгодовой изменчивости атмосферных волн различного масштаба и источников возбуждения.
Задача данной работы состояла в рассмотрении внутрисезонной изменчивость атмосферных приливов и планетарных волн на основе радарных измерений за период c 1 декабрь 2015 по 27 марта 2016 в городе Кандалакша (67с.ш., 32.5 в.д.).
Необходимость изучения атмосферных приливов и планетарных волн обусловлена их большим влиянием на траектории спутников, чувствительных к вариациям плотности атмосферы, а также космических аппаратов при их возвращении на Землю. При проведении мониторинга состояния области мезосферы и нижней термосферы (МНТ), изучении изменчивости атмосферных приливов, планетарных волн и газовых составляющих, можно получить информацию об изменении радиационных, химических и динамических процессов в атмосфере в целом.
Благодаря развитию исследования атмосферных процессов приборами, установленными на спутниках, и с развитием сети наземных станций сканирования, а также наличию радиолокационных установок, появилась возможность исследования внутрисезонной, межсезонной и межгодовой изменчивости атмосферных волн различного масштаба и источников возбуждения.
Задача данной работы состояла в рассмотрении внутрисезонной изменчивость атмосферных приливов и планетарных волн на основе радарных измерений за период c 1 декабрь 2015 по 27 марта 2016 в городе Кандалакша (67с.ш., 32.5 в.д.).
Рассмотренные результаты свидетельствуют о том, что во многих случаях атмосфера Земли представляет собой единую динамическую систему вплоть до высот 100 км и процессы синоптического масштаба на различных высотных уровнях развиваются взаимосвязанно.
В настоящее время существуют две различные точки зрения на характер этих связей и на роль процессов в верхней атмосфере в формировании основных термобарических и циркуляционных образований в тропосфере и приземном слое.
Первая из них состоит в предположении, что вызванные воздействием солнечного корпускулярного и волнового излучения процессы в верхней атмосфере, энергетически незначительные по сравнению с процессами в нижележащих слоях, могут играть роль «спускового крючка» или «триггера» для тропосферных процессов, приводя в конечном счете к значительным изменениям погодных условий. Очевидно, такого рода изменения могут осуществляться главным образом в тех случаях, когда атмосфера находится в неустойчивом состоянии и ее потенциальная энергия близка к максимуму. Однако, как хорошо известно, изменения погодных условий происходят достаточно регулярно. Следовательно, принимая в качестве основного механизм «спускового крючка», необходимо предполагать, что атмосфера преимущественно находится в состоянии неустойчивого равновесия.
Вторая точка зрения заключается в отрицании какого-либо существенного влияния процессов в верхней атмосфере на процессы в тропосфере и в утверждении определяющего влияния энергетически более мощных по отношению к другим слоям процессов в тропосфере на развитие соответствующих процессов в верхней атмосфере. Обычно в этом случае предполагается, что определенные крупномасштабные синоптические процессы генерируются в тропосфере и постепенно распространяются в стратосферу и в еще более высокие слои атмосферы, в то время как ряд процессов развивается на отдельных уровнях независимо и является специфическим для тех или иных слоев атмосферы.
О важности регулярного наблюдения за развитием стратосферных и стратомезосферных потеплений свидетельствует принятая в рамках Всемирной метеорологической организации система раннего оповещения о потеплениях и контроля за ними — «Stratwarm».
Результаты исследований связей динамических процессов на высотах 80 — 100 км с процессами в мезосфере, стратосфере и тропосфере позволяют сделать следующие выводы по обсуждаемому вопросу. Можно считать установленным, что в отдельные сезоны года крупномасштабные барические образования охватывают одновременно несколько высотных уровней, включая и область метеорной зоны. Важным результатом, полученным при анализе данных синхронных продолжительных наблюдений методами D1 и D2, следует считать факт практически одновременного начала возмущений динамического режима в метеорной зоне, связанных с процессами стратосферных потеплений и другими процессами синоптического масштаба, с соответствующими процессами на высотах стратосферы и тропосферы.
Это позволяет высказать предположение о том, что на многие крупномасштабные возмущения атмосфера реагирует как единое целое без существенного запоздания процессов на высоких уровнях по отношению к процессам в тропосфере. Поскольку в настоящее время нет физических оснований отрицать основополагающую роль процессов в тропосфере в изменении погодных условий с точки зрения энергетики, можно считать, что существуют некоторые механизмы сравнительно быстрого распространения энергии возмущений из тропосферы в вышележащие слои. Один из таких механизмов может быть связан с распространяющимися внутренними гравитационными волнами.
Принимая во внимание гипотезу о возможной быстрой передаче энергии тропосферных возмущений до высот метеорной зоны посредством ВГВ или планетарных волн, приходим, таким образом, к выводу, что верхнюю атмосферу можно рассматривать как чувствительный и практически безынерционный индикатор состояния нижележащих слоев. Очевидно, что реакция верхней атмосферы на возмущения из нижележащих слоев зависит и от предыдущего состояния атмосферы, которое во многом определяется состоянием нижележащих слоев. Кроме того, физическое состояние верхней атмосферы зависит и от вариаций солнечной активности и целого ряда других процессов. Поэтому, конечно, анализ результирующих многофакторных изменений параметров верхней атмосферы представляет собой далеко не простую с методической точки зрения проблему, и поиски адекватных механизмов связей процессов на различных уровнях должны быть интенсифицированы. [58]
Перспектива изучения данной тематики только начинает раскрываться и, в целом, имеет широкие пределы. В настоящее время количество установленных радаров совсем невелико. В будущем же планируется создать замкнутую сеть связанных между собой радарных станций— с целью накопления, обработки и интерпретации новых данных.
В настоящее время уже запущен радар в Даймище, который замыкает сеть из радаров Кандалакша-Санкт-Петербург-Обнинск. Безусловно, это играет важную роль в получении данных об атмосфере Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
Радарные данные позволяют увеличить количество материала о внутрисезонной, межсезонной и межгодовой изменчивости атмосферных приливов и планетарных волн. Сравнительный анализ измеряемых данных с данными MERRAH UKMO позволит восстановить более полную картину о термодинамических процессах в средней и верхней атмосфере, которые следует учитывать при создании эмпирических моделей атмосферы и их корреляции.
В настоящее время существуют две различные точки зрения на характер этих связей и на роль процессов в верхней атмосфере в формировании основных термобарических и циркуляционных образований в тропосфере и приземном слое.
Первая из них состоит в предположении, что вызванные воздействием солнечного корпускулярного и волнового излучения процессы в верхней атмосфере, энергетически незначительные по сравнению с процессами в нижележащих слоях, могут играть роль «спускового крючка» или «триггера» для тропосферных процессов, приводя в конечном счете к значительным изменениям погодных условий. Очевидно, такого рода изменения могут осуществляться главным образом в тех случаях, когда атмосфера находится в неустойчивом состоянии и ее потенциальная энергия близка к максимуму. Однако, как хорошо известно, изменения погодных условий происходят достаточно регулярно. Следовательно, принимая в качестве основного механизм «спускового крючка», необходимо предполагать, что атмосфера преимущественно находится в состоянии неустойчивого равновесия.
Вторая точка зрения заключается в отрицании какого-либо существенного влияния процессов в верхней атмосфере на процессы в тропосфере и в утверждении определяющего влияния энергетически более мощных по отношению к другим слоям процессов в тропосфере на развитие соответствующих процессов в верхней атмосфере. Обычно в этом случае предполагается, что определенные крупномасштабные синоптические процессы генерируются в тропосфере и постепенно распространяются в стратосферу и в еще более высокие слои атмосферы, в то время как ряд процессов развивается на отдельных уровнях независимо и является специфическим для тех или иных слоев атмосферы.
О важности регулярного наблюдения за развитием стратосферных и стратомезосферных потеплений свидетельствует принятая в рамках Всемирной метеорологической организации система раннего оповещения о потеплениях и контроля за ними — «Stratwarm».
Результаты исследований связей динамических процессов на высотах 80 — 100 км с процессами в мезосфере, стратосфере и тропосфере позволяют сделать следующие выводы по обсуждаемому вопросу. Можно считать установленным, что в отдельные сезоны года крупномасштабные барические образования охватывают одновременно несколько высотных уровней, включая и область метеорной зоны. Важным результатом, полученным при анализе данных синхронных продолжительных наблюдений методами D1 и D2, следует считать факт практически одновременного начала возмущений динамического режима в метеорной зоне, связанных с процессами стратосферных потеплений и другими процессами синоптического масштаба, с соответствующими процессами на высотах стратосферы и тропосферы.
Это позволяет высказать предположение о том, что на многие крупномасштабные возмущения атмосфера реагирует как единое целое без существенного запоздания процессов на высоких уровнях по отношению к процессам в тропосфере. Поскольку в настоящее время нет физических оснований отрицать основополагающую роль процессов в тропосфере в изменении погодных условий с точки зрения энергетики, можно считать, что существуют некоторые механизмы сравнительно быстрого распространения энергии возмущений из тропосферы в вышележащие слои. Один из таких механизмов может быть связан с распространяющимися внутренними гравитационными волнами.
Принимая во внимание гипотезу о возможной быстрой передаче энергии тропосферных возмущений до высот метеорной зоны посредством ВГВ или планетарных волн, приходим, таким образом, к выводу, что верхнюю атмосферу можно рассматривать как чувствительный и практически безынерционный индикатор состояния нижележащих слоев. Очевидно, что реакция верхней атмосферы на возмущения из нижележащих слоев зависит и от предыдущего состояния атмосферы, которое во многом определяется состоянием нижележащих слоев. Кроме того, физическое состояние верхней атмосферы зависит и от вариаций солнечной активности и целого ряда других процессов. Поэтому, конечно, анализ результирующих многофакторных изменений параметров верхней атмосферы представляет собой далеко не простую с методической точки зрения проблему, и поиски адекватных механизмов связей процессов на различных уровнях должны быть интенсифицированы. [58]
Перспектива изучения данной тематики только начинает раскрываться и, в целом, имеет широкие пределы. В настоящее время количество установленных радаров совсем невелико. В будущем же планируется создать замкнутую сеть связанных между собой радарных станций— с целью накопления, обработки и интерпретации новых данных.
В настоящее время уже запущен радар в Даймище, который замыкает сеть из радаров Кандалакша-Санкт-Петербург-Обнинск. Безусловно, это играет важную роль в получении данных об атмосфере Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
Радарные данные позволяют увеличить количество материала о внутрисезонной, межсезонной и межгодовой изменчивости атмосферных приливов и планетарных волн. Сравнительный анализ измеряемых данных с данными MERRAH UKMO позволит восстановить более полную картину о термодинамических процессах в средней и верхней атмосфере, которые следует учитывать при создании эмпирических моделей атмосферы и их корреляции.