ТЕРМОДИНАМИЧЕКАЯ СТРУКТУРА АТМОСФЕРЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
|
Условные обозначения 3
Введение 5
1. Описание района исследования 7
1.1 Западная и Восточная Сибирь 7
1.2 Северный Казахстан 9
2. Основные термодинамические и влажностные характеристики свободной атмосферы 10
2.1 Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере 10
2.2 Особенности глобального распределения скорости ветра в атмосфере 10
2.3 Суточный и годовой ход влажности воздуха. Изменение влажности воздуха в атмосфере с
высотой 12
3. Материалы и методы исследования пространственных изменений термодинамических и
влажностных характеристик свободной атмосферы Западной Сибири 14
3.2 Вычисление и анализ горизонтального и вертикального градиента в свободной атмосфере по
широте 15
3.2.1 Горизонтальный градиент 16
3.2.2 Вертикальный градиент 23
3.2.3 Распределение горизонтального градиента для трасс, построенных вблизи территории большого
Васюганского болота 29
3.3 Распределение коэффициентов корреляции термодинамических характеристик в свободной
атмосфере Западной Сибири 33
3.4 Распределение коэффициентов корреляции термодинамических характеристик в приземном
слое 37
Заключение 40
Список используемой литературы 43
Введение 5
1. Описание района исследования 7
1.1 Западная и Восточная Сибирь 7
1.2 Северный Казахстан 9
2. Основные термодинамические и влажностные характеристики свободной атмосферы 10
2.1 Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере 10
2.2 Особенности глобального распределения скорости ветра в атмосфере 10
2.3 Суточный и годовой ход влажности воздуха. Изменение влажности воздуха в атмосфере с
высотой 12
3. Материалы и методы исследования пространственных изменений термодинамических и
влажностных характеристик свободной атмосферы Западной Сибири 14
3.2 Вычисление и анализ горизонтального и вертикального градиента в свободной атмосфере по
широте 15
3.2.1 Горизонтальный градиент 16
3.2.2 Вертикальный градиент 23
3.2.3 Распределение горизонтального градиента для трасс, построенных вблизи территории большого
Васюганского болота 29
3.3 Распределение коэффициентов корреляции термодинамических характеристик в свободной
атмосфере Западной Сибири 33
3.4 Распределение коэффициентов корреляции термодинамических характеристик в приземном
слое 37
Заключение 40
Список используемой литературы 43
Результаты аэрологических наблюдений используются для многих оперативных задач, включая прогноз погоды, организации мер защиты при наступлении неблагоприятных погодных условий, для обеспечения надежности работы гражданской авиации и т.п.
Данные ежедневных измерений параметров атмосферы собираются в региональных центрах в специальные наборы данных, которые могут использоваться для многих целей, например, для изучения изменчивости и структуры атмосферы над регионами, где в последние десятилетия наблюдается потепление климата. Что бы выполнить поставленную задачу, нам были необходимы аэрологические данные. Эти данные мы взяли из справочника «Нового аэроклиматического справочника СССР»[2- 10]. Этот справочник был создан в результате анализа регулярных 4-х разовых в сутки радиозондовых наблюдений за 10-летний период (1961 - 1970 гг.) по 146 станциям СССР. В Справочнике представлены основные статистические параметры распределения для пяти элементов: температуры, ветра, геопотенциала, влажности и плотности [2].
Целью работы является: сравнение вертикальных и горизонтальных температурно-влажностных и динамических характеристик свободной атмосферы над Западной Сибирью и прилегающих к ней территорий и их пространственная скоррелированность.
Для достижения поставленных целей решались следующие основные задачи:
1. По данным аэроклиматического справочника выделить среднегодовые значения скорости ветра, температуры и абсолютной влажности воздуха до слоя 200 гПа для 18 аэрологических станций.
2. Вычислить средние значения исследуемых характеристик в слоях 1000-850 гПа, 850-700 гПа, 700-500 гПа, 500-400 гПа, 400-300 гПа, 300-200 гПа.
3. Рассчитать горизонтальный и вертикальный градиент для аэрологических станций расположенных вблизи Васюганского болота. Проанализировать и сравнить полученные градиенты с эталонными значениями.
4. Рассчитать коэффициенты корреляции в свободной атмосфере и в пограничном слое для:
а) температуры воздуха на всех анализируемых станциях;
б) абсолютной влажности;
в) скорости ветра.
5. Построить корреляционные зависимости и выявить значимость коэффициентов корреляции.
Объектом исследования является свободная атмосфера Западной и Восточной Сибири, а так же Северного Казахстана.
Предмет исследования: средняя скалярная скорость ветра, средняя за многолетний месяц температура воздуха, абсолютная влажность воздуха.
Новизна результатов работы заключается в сравнении условий для развития конвекции над разными районами Западной Сибири.
Актуальность данной работы выражается в уникальности исследования свободной атмосферы над территорией расположенной вблизи Васюганского болота.
Автор выражает признательность доктору географических наук, профессору Горбатенко В.П. за научное руководство на всех этапах выполнения выпускной квалификационной работы.
Данные ежедневных измерений параметров атмосферы собираются в региональных центрах в специальные наборы данных, которые могут использоваться для многих целей, например, для изучения изменчивости и структуры атмосферы над регионами, где в последние десятилетия наблюдается потепление климата. Что бы выполнить поставленную задачу, нам были необходимы аэрологические данные. Эти данные мы взяли из справочника «Нового аэроклиматического справочника СССР»[2- 10]. Этот справочник был создан в результате анализа регулярных 4-х разовых в сутки радиозондовых наблюдений за 10-летний период (1961 - 1970 гг.) по 146 станциям СССР. В Справочнике представлены основные статистические параметры распределения для пяти элементов: температуры, ветра, геопотенциала, влажности и плотности [2].
Целью работы является: сравнение вертикальных и горизонтальных температурно-влажностных и динамических характеристик свободной атмосферы над Западной Сибирью и прилегающих к ней территорий и их пространственная скоррелированность.
Для достижения поставленных целей решались следующие основные задачи:
1. По данным аэроклиматического справочника выделить среднегодовые значения скорости ветра, температуры и абсолютной влажности воздуха до слоя 200 гПа для 18 аэрологических станций.
2. Вычислить средние значения исследуемых характеристик в слоях 1000-850 гПа, 850-700 гПа, 700-500 гПа, 500-400 гПа, 400-300 гПа, 300-200 гПа.
3. Рассчитать горизонтальный и вертикальный градиент для аэрологических станций расположенных вблизи Васюганского болота. Проанализировать и сравнить полученные градиенты с эталонными значениями.
4. Рассчитать коэффициенты корреляции в свободной атмосфере и в пограничном слое для:
а) температуры воздуха на всех анализируемых станциях;
б) абсолютной влажности;
в) скорости ветра.
5. Построить корреляционные зависимости и выявить значимость коэффициентов корреляции.
Объектом исследования является свободная атмосфера Западной и Восточной Сибири, а так же Северного Казахстана.
Предмет исследования: средняя скалярная скорость ветра, средняя за многолетний месяц температура воздуха, абсолютная влажность воздуха.
Новизна результатов работы заключается в сравнении условий для развития конвекции над разными районами Западной Сибири.
Актуальность данной работы выражается в уникальности исследования свободной атмосферы над территорией расположенной вблизи Васюганского болота.
Автор выражает признательность доктору географических наук, профессору Горбатенко В.П. за научное руководство на всех этапах выполнения выпускной квалификационной работы.
Исследовано состояние атмосферы Западной Сибири до наступления эпохи глобального потепления. Изучались горизонтальные и вертикальные градиенты скорости ветра, температуры и абсолютной влажности воздуха в разных слоях атмосферы Западной Сибири. Главной задачей исследования было выявление неоднородностей, обусловленных наличием Большого Васюганского болота.
Особенности распределения горизонтального и вертикального градиента температуры воздуха:
В январе самые большие горизонтальные градиенты температуры (квазиширотных направлений) наблюдаются в пограничном слое и получены для южных трасс Барабинск-Новосибирск и Барабинск-Красноярск. Далее с высотой градиент температуры уменьшается практически равномерно. Исключение составляют дистанции Барабинск-Новосибирск и Новосибирск-Омск, вдоль которых в январе в пограничном слое замечена инверсия. Горизонтальный градиент температуры в июле тоже уменьшается с высотой, но не так равномерно. Его значения меньше, чем в январе в 2 и более раз.
В вертикальном градиенте в январе над всеми станциями в пограничном слое зафиксирована температурная инверсия. Быстрее всего с высотой температура воздуха в этом слое убывает в районе станций Красноярск и Барабинск, медленнее всего в районе станции Новосибирск. Выше приземного слоя на высоте 850-700гПа температура начинает убывать и достигает максимума на высоте 500-400гПа.
Вертикальный градиент температуры в июле во всем исследуемом слое, ведет себя не равномерно, то растет, то уменьшается. Самое большое падение температуры с высотой зафиксированы в слое 500-300гПа. В пограничном слое атмосферы температура быстрее всего понижается в районе станций Александровское и Омск, медленнее в районе Барабинска.
Для станций построенных вблизи территории Васюганского болота самые высокие горизонтальные градиенты температуры наблюдаются в пограничном слое атмосферы. С высотой градиент температуры уменьшаются практически равномерно. Исключение составляют дистанции Александровское-Барабинск и Александровское- Омск, вдоль которых замечена инверсия температуры в оба месяца.
У трасс построенных близи Васюганского болота, в январе и в июле, значения горизонтальных градиентов в 2-2,5 раза больше у трасс, которые его пересекают. Такая закономерность прослеживается и с высотой.
Особенности распределения горизонтального и вертикального градиента влажности воздуха:
Распределение горизонтального градиента влажности воздуха в январе для трасс, построенных в зональном направлении, схоже с распределением горизонтального градиента температуры в этот же период. Выявлены те же зависимости и аномалии.
В июле самые высокие горизонтальные градиенты влажности воздуха (квазиширотных направлений) наблюдаются в пограничном слое атмосферы. Исключение составляют дистанции Барабинск-Новосибирск и Новосибирск-Омск, вдоль которых в пограничном слое замечена инверсия влажности. К тому же все значения больше градиентов января в 3 и более раз.
Тропопауза, исходя из нулевых значений вертикального градиента, расположена выше поверхности 300гПа.
В вертикальном градиенте в январе в пограничном слое зафиксирована инверсия влажности. Самый быстрый рост значений влажности воздуха с высотой в этом слое наблюдается в районе станции Барабинск, в районе станции Александровское замечен самый медленный рост.
В июле самые большие вертикальные градиенты влажности воздуха наблюдаются в слое 850-700гПа, выше него градиент начинает равномерно уменьшаться. Наиболее быстрое убывание влажности воздуха в пограничном слое атмосферы наблюдается в районе станций в Ханты-Мансийск и Тобольск в районе станций Омск и Новосибирск значения убывают медленнее. К тому же градиенты влажности воздуха в июле больше градиентов января в 3 и более раз.
У дистанций построенных близи Васюганского болота, в январе и в июле, значения горизонтальных градиентов в 2-2,5 раза больше, у тех трасс, которые его пересекают: Александровское-Омск, Александровское-Барабинск, Александровское- Новосибирск. Такая закономерность прослеживается и с высотой.
Особенностираспределения горизонтального и вертикального градиента скорости ветра:
В январе и в июле самые большие горизонтальные градиенты скорости ветра (квазиширотных направлений) наблюдаются в слое тропосферы 400гПа. На высоте от 300гПа градиент скорости ветра принимает положительные значения, это говорит о приближении к тропопаузе на этой высоте. От земли с высотой градиент скорости ветра стремительно растет. Однако градиенты в июле меньше градиентов января в 3 и более раз.
Самые большие горизонтальные градиенты (квазиширотных направлений) скорости ветра получены для трасс расположенных южнее остальных: Барабинск-Новосибирск и Барабинск-Красноярск.
Над поверхностью земли вдоль дистанций Ханты-Мансийск-Александровское и Александровское-Тобольск скорость ветра с высотой увеличивается равномерно, но на трассах расположенных южнее имеются неоднородности в распределении.
Самые большие значения вертикального градиента скорости ветра в январе получены вблизи аэрологических станций Новосибирск, Омск и Красноярск. Самый большой рост скорости ветра с высотой в июле наблюдался вблизи аэрологических станций Красноярск, Барабинск и Тобольск. Все эти станции на всей высоте имеют значения заметно выше остальных.
У дистанций построенных близи Васюганского болота, в январе и в июле, значения горизонтальных градиентов в 2-2,5 раза больше, у тех трасс, которые его пересекают. Такая закономерность прослеживается и с высотой.
Особенности распределения корреляции термодинамических параметров свободной атмосферы:
Все коэффициенты корреляции в свободной атмосфере значимы и высоко скоррелированны. Зависимость между коэффициентами корреляции температуры прослеживается до 2500 км, между коэффициентами корреляции влажности до 2100 км, коэффициентами корреляции скорости ветра до 500-700 км. На расстояниях превышающих вышеуказанные связь начинает ослабевать. Станции, находящиеся на большом расстоянии и имеющие разные широтные положения имеют зависимость меньше других.
В пограничном слое положительные значения коэффициентов корреляции имеет корреляция температуры и влажности. Связь между коэффициентами корреляции температуры прослеживается на расстоянии до 2000км, влажности воздуха до 2500км. Коэффициент корреляции скорости ветра имеет как положительную связь, так и отрицательную.
Вывод: неоднородности термодинамических характеристик атмосферы над территорией большого Васюганского болота были и до наступления периода глобального потепления. Конвективная неустойчивость над ним несколько больше, чем над другими территориями.
Практическая значимость работы: результаты исследования могут быть использованы при сравнении с характеристиками, наблюдающимися на фоне сложившегося климата.
Особенности распределения горизонтального и вертикального градиента температуры воздуха:
В январе самые большие горизонтальные градиенты температуры (квазиширотных направлений) наблюдаются в пограничном слое и получены для южных трасс Барабинск-Новосибирск и Барабинск-Красноярск. Далее с высотой градиент температуры уменьшается практически равномерно. Исключение составляют дистанции Барабинск-Новосибирск и Новосибирск-Омск, вдоль которых в январе в пограничном слое замечена инверсия. Горизонтальный градиент температуры в июле тоже уменьшается с высотой, но не так равномерно. Его значения меньше, чем в январе в 2 и более раз.
В вертикальном градиенте в январе над всеми станциями в пограничном слое зафиксирована температурная инверсия. Быстрее всего с высотой температура воздуха в этом слое убывает в районе станций Красноярск и Барабинск, медленнее всего в районе станции Новосибирск. Выше приземного слоя на высоте 850-700гПа температура начинает убывать и достигает максимума на высоте 500-400гПа.
Вертикальный градиент температуры в июле во всем исследуемом слое, ведет себя не равномерно, то растет, то уменьшается. Самое большое падение температуры с высотой зафиксированы в слое 500-300гПа. В пограничном слое атмосферы температура быстрее всего понижается в районе станций Александровское и Омск, медленнее в районе Барабинска.
Для станций построенных вблизи территории Васюганского болота самые высокие горизонтальные градиенты температуры наблюдаются в пограничном слое атмосферы. С высотой градиент температуры уменьшаются практически равномерно. Исключение составляют дистанции Александровское-Барабинск и Александровское- Омск, вдоль которых замечена инверсия температуры в оба месяца.
У трасс построенных близи Васюганского болота, в январе и в июле, значения горизонтальных градиентов в 2-2,5 раза больше у трасс, которые его пересекают. Такая закономерность прослеживается и с высотой.
Особенности распределения горизонтального и вертикального градиента влажности воздуха:
Распределение горизонтального градиента влажности воздуха в январе для трасс, построенных в зональном направлении, схоже с распределением горизонтального градиента температуры в этот же период. Выявлены те же зависимости и аномалии.
В июле самые высокие горизонтальные градиенты влажности воздуха (квазиширотных направлений) наблюдаются в пограничном слое атмосферы. Исключение составляют дистанции Барабинск-Новосибирск и Новосибирск-Омск, вдоль которых в пограничном слое замечена инверсия влажности. К тому же все значения больше градиентов января в 3 и более раз.
Тропопауза, исходя из нулевых значений вертикального градиента, расположена выше поверхности 300гПа.
В вертикальном градиенте в январе в пограничном слое зафиксирована инверсия влажности. Самый быстрый рост значений влажности воздуха с высотой в этом слое наблюдается в районе станции Барабинск, в районе станции Александровское замечен самый медленный рост.
В июле самые большие вертикальные градиенты влажности воздуха наблюдаются в слое 850-700гПа, выше него градиент начинает равномерно уменьшаться. Наиболее быстрое убывание влажности воздуха в пограничном слое атмосферы наблюдается в районе станций в Ханты-Мансийск и Тобольск в районе станций Омск и Новосибирск значения убывают медленнее. К тому же градиенты влажности воздуха в июле больше градиентов января в 3 и более раз.
У дистанций построенных близи Васюганского болота, в январе и в июле, значения горизонтальных градиентов в 2-2,5 раза больше, у тех трасс, которые его пересекают: Александровское-Омск, Александровское-Барабинск, Александровское- Новосибирск. Такая закономерность прослеживается и с высотой.
Особенностираспределения горизонтального и вертикального градиента скорости ветра:
В январе и в июле самые большие горизонтальные градиенты скорости ветра (квазиширотных направлений) наблюдаются в слое тропосферы 400гПа. На высоте от 300гПа градиент скорости ветра принимает положительные значения, это говорит о приближении к тропопаузе на этой высоте. От земли с высотой градиент скорости ветра стремительно растет. Однако градиенты в июле меньше градиентов января в 3 и более раз.
Самые большие горизонтальные градиенты (квазиширотных направлений) скорости ветра получены для трасс расположенных южнее остальных: Барабинск-Новосибирск и Барабинск-Красноярск.
Над поверхностью земли вдоль дистанций Ханты-Мансийск-Александровское и Александровское-Тобольск скорость ветра с высотой увеличивается равномерно, но на трассах расположенных южнее имеются неоднородности в распределении.
Самые большие значения вертикального градиента скорости ветра в январе получены вблизи аэрологических станций Новосибирск, Омск и Красноярск. Самый большой рост скорости ветра с высотой в июле наблюдался вблизи аэрологических станций Красноярск, Барабинск и Тобольск. Все эти станции на всей высоте имеют значения заметно выше остальных.
У дистанций построенных близи Васюганского болота, в январе и в июле, значения горизонтальных градиентов в 2-2,5 раза больше, у тех трасс, которые его пересекают. Такая закономерность прослеживается и с высотой.
Особенности распределения корреляции термодинамических параметров свободной атмосферы:
Все коэффициенты корреляции в свободной атмосфере значимы и высоко скоррелированны. Зависимость между коэффициентами корреляции температуры прослеживается до 2500 км, между коэффициентами корреляции влажности до 2100 км, коэффициентами корреляции скорости ветра до 500-700 км. На расстояниях превышающих вышеуказанные связь начинает ослабевать. Станции, находящиеся на большом расстоянии и имеющие разные широтные положения имеют зависимость меньше других.
В пограничном слое положительные значения коэффициентов корреляции имеет корреляция температуры и влажности. Связь между коэффициентами корреляции температуры прослеживается на расстоянии до 2000км, влажности воздуха до 2500км. Коэффициент корреляции скорости ветра имеет как положительную связь, так и отрицательную.
Вывод: неоднородности термодинамических характеристик атмосферы над территорией большого Васюганского болота были и до наступления периода глобального потепления. Конвективная неустойчивость над ним несколько больше, чем над другими территориями.
Практическая значимость работы: результаты исследования могут быть использованы при сравнении с характеристиками, наблюдающимися на фоне сложившегося климата.
