Исследование вихревой активности атмосферы в низкочастотном диапазоне как фактора, определяющего астроклиматические условия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат наук Кочеткова, Ольга Сергеевна

• Кочеткова, Ольга Сергеевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кочеткова, Ольга Сергеевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Исследование закономерностей пространственного

распределения и временных вариаций кинетической энергии средних и вихревых движений

1.1 Изменчивость атмосферных процессов в широком диапазоне 9 волновых чисел

1.2 Крупномасштабная изменчивость атмосферных процессов. 15 Баротропная и бароклинная неустойчивости течений

1.3 Данные и методика анализа пространственной структуры и 22 вариаций кинетической энергии средних и вихревых движений

1.4 Пространственное распределение кинетической энергии 23 средних и вихревых движений

1.5 Долговременные изменения кинетической энергии 28 средних и вихревых движений

Глава 2. Исследования низкочастотной изменчивости атмосферы

2.1 Методы исследования низкочастотной регулярной составляющей

2.2 Пространственная структура низкочастотной изменчивости 47 атмосферных движений над Азиатским регионом по данным метода одноточечных корреляций

2.3 Моделирование низкочастотной изменчивости атмосферы 53 над Азиатским регионом

Глава 3. Исследование астроклиматических условий

61

3.1 Микрометеорологическая турбулентность атмосферы, ее связь 62 с основными метеорологическими характеристиками

3.2 Метод для оценки астроклимата по метеорологическим данным

3.3 Астроклиматическое районирование

3.4 Исследование возможных причин ухудшения условий 81 для астрономических наблюдений на южно-американских обсерваториях

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование вихревой активности атмосферы в низкочастотном диапазоне как фактора, определяющего астроклиматические условия»

Введение

Спектр атмосферных движений простирается от микротурбулентности до движений глобального масштаба. Колебания метеорологических параметров в синоптическом диапазоне определяют изменения погоды, а на микромасштабах - оптические свойства атмосферы. Изменчивость синоптических процессов связывается обычно с бароклинной неустойчивостью струйных течений [Шакина Н. П., 1985]. Однако как интенсивность струйных течений, так и их конфигурация зависят от низкочастотной изменчивости (интервал колебаний от 10 суток до 1-2 месяцев), контролирующей, таким образом, все наиболее важные в прикладном отношении атмосферные процессы. В настоящее время в связи с глобальными климатическими изменениями меняется вихревая активность атмосферы. Основы изучения взаимосвязи вихревой активности и климатических колебаний были заложены в работе И.И. Мохова [Мохов И.И. и др., 1992]. Согласно современным данным в Северном полушарии растет количество глубоких и уменьшается количество мелких атмосферных вихрей [Gulev S.K. et al., 2001]. Однако темпы и знак изменений вихревой активности в разных регионах Земли различны. С середины 1960-х наблюдается сдвиг к северу шторм-трека в Северной Атлантике, сопровождающийся увеличением вихревой активности в высоких широтах [Нестеров Е.С., 2010]. В Тихоокеанском регионе рост вихревой активности происходит без смещения основных траекторий движения атмосферных вихрей [Wang X.L. et al., 2006].

В разных регионах механизмы поддержания вихревой активности оказываются различными. В первую очередь это локальные механизмы генерации - баротропный и бароклинный форсинг. Однако в регионах, не обладающих большими запасами доступной лабильной энергии, колебания вихревой активности могут быть обусловлены не генерацией возмущений, а особенностями их переноса и дальними связями [Гущина и др., 2005]. , являющимися частью низкочастотной изменчивости. Одним из таких

регионов являются центральные и восточные районы Азии, в которых закономерности колебаний вихревой активности изучены пока недостаточно. Установление этих закономерностей является актуальной задачей, решение которой будет способствовать повышению качества моделирования атмосферных процессов в регионе. Кроме того, изменения вихревой активности в атмосфере вносят значительный вклад в вариации астроклиматических характеристик, обусловленных мелкомасштабной турбулентностью [Девятова Е.В. и др., 2008]. Астроклиматическое районирование на основе метеорологических данных окажет существенную помощь в выборе оптимальных мест для строительства новых астрономических обсерваторий.

Целью работы является исследование долговременных изменений вихревой активности атмосферы, связи вихревой активности со струйными течениями, низкочастотной изменчивостью атмосферы и астроклиматическими условиями.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Анализ особенностей пространственного распределения кинетической энергии средних и вихревых движений в тропосфере.

2. Оценка долговременных тенденций изменений средних и вихревых движений в тропосфере.

3. Изучение пространственной структуры низкочастотной изменчивости атмосферы в Азиатском регионе.

4. Разработка метода для оценки астроклиматических условий на основе метеорологических данных.

Защищаемые положения

1. В большинстве регионов изменения вихревой активности связаны с изменениями энергии средних течений вследствие баротропной и бароклинной накачки возмущений в этих регионах. Над Азией рост

вихревой энергии (2.8 Дж/мЗ/10 лет) не сопровождается изменениями энергии средних течений и не является следствием изменений бароклинной и баротропной неустойчивостей.

2. Пространственная структура низкочастотной изменчивости в тропосфере над Азиатским континентом обусловлена квазидвумерными баротропными волнами, распространяющимися от источников, пересекающих восточную часть континента с северо-запада на юго-восток.

3. Предложен метод, позволяющий использовать метеорологические данные для оценки астроклиматических условий в заданных регионах. Применение данного метода позволяет оперативно выполнять астроклиматическое районирование на значительной территории.

Научная новизна

1. Впервые по данным МСЕР/МСАЯ Кеапа1уз18 1 подробно рассмотрены долговременные тенденции средних и вихревых движений атмосферы в различные сезоны года и на различных высотах, которые существенно дополняют современные представления о глобальных климатических изменениях. Проанализированы статистические связи между вариациями средних и вихревых движений атмосферы, выполнены оценки изменений индексов баротропного и бароклинного форсингов.

2. Впервые с помощью метода одноточечных корреляций над Азиатским континентом выявлены регулярные колебания в низкочастотном диапазоне, имеющие структуру перемещающихся двумерных волн Россби.

3. В рамках баротропной квазигеострофической модели проведено моделирование низкочастотной изменчивости над Азией, получено хорошее согласие модельных и наблюдательных данных.

4. Впервые в глобальном масштабе выполнено астроклиматическое районирование по данным метеорологических наблюдений.

Научная и практическая значимость работы

Выявленная система регулярных колебаний метеорологических полей в низкочастотном диапазоне может быть использована в долгосрочных прогнозах погоды и в исследованиях регионального климата. Метод комплексного анализа метеорологических параметров атмосферы может быть применен при выборе наиболее перспективных мест для строительства телескопов, создании мировой сети станций инфразвукового мониторинга с минимально возможным уровнем помех, разработке оптимальных коротковолновых трасс радиосвязи и др.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии в коллективе соавторов. В опубликованных в соавторстве работах, автор участвовал в постановке задач, обработке и интерпретации результатов расчетов.

Апробация работы

Основные результаты работы, представленные в диссертации, докладывались на Всероссийском совещании с участием приглашенных исследователей из других стран «Современная геодинамика и опасные природные процессы в Центральной Азии» (Иркутск, 2010), Международной конференции «Comprehensive characterization of astronomical sites» (Кисловодск, 2010), VIII международной школе молодых ученых «Физика окружающей среды» (Томск, 2010), XVII научной конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока. (Иркутск, 2011), Школе молодых ученых и международной конференции по вычислительно-информационным технологиям^ для наук об окружающей среде: "CITES-2011" (Томск, 2011), Всероссийской конференции с международным участием «Физика окружающей среды»

(Томск, 2011), XII Конференции молодых ученых "Взаимодействие полей и излучения с веществом", БШФФ-2011 (Иркутск, 2011), XVII, XVIII Объединенном международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011; Иркутск, 2012), III Всероссийской астрономической конференции «Небо и Земля» (Иркутск, 2011)

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 18 научных работах, в том числе в 6 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация включает 3 главы, введение, заключение. Общий объем диссертации составляет 106 страниц, в том числе 40 рисунков и 2 таблицы. Библиографический список содержит 104 ссылки.

ГЛАВА 1

Исследование закономерностей пространственного распределения и временных вариаций кинетической энергии средних и вихревых движений

1.1 Изменчивость атмосферных процессов в широком диапазоне волновых чисел

Хорошей иллюстрацией разнообразия вихревых движений атмосферы являются спектры кинетической энергии. Одной из наиболее ранних экспериментальных работ по изучению энергетического спектра атмосферных колебаний является работа [Van der Hoven I., 1957], где по данным измерений на 125-метровой метеорологической башне в Брукхейвене был построен энергетический спектр атмосферных движений. В работе [Pinus N. Z. Et al., 1967] авторы представили собственные самолетные измерения и обобщили, накопленные к тому моменту спектральные распределения энергии турбулентности в свободной атмосфере других исследователей в пространственном диапазоне от 500 до 1-106 м. Задачей исследования была турбулентность ясного неба (ТЯН), обусловленная микропульсациями скорости. Авторы работы показали, что данное явление связано с макромасштабными процессами в атмосфере и успешно воспроизводится моделями циркуляции атмосферы.

В экспериментальной работе Н.К. Винниченко [Vinnichenko et al., 1970] по радиозондовым и самолетным измерениям, полученным в СССР и США, построен энергетический спектр скорости ветра для высот от 3 до 20 км. Большая часть наблюдений производилась в средних широтах Северного полушария (около 40°с.ш.) и охватывала периоды от 1 секунды до 5 лет.

В работе [Nastrom et al., 1985.] спектр атмосферных неоднородностей был построен по данным температурных и ветровых измерений во время

более чем 6900 авиаполетов с 1975 по 1979 гг. в диапазоне широт от 30° до 50° с.ш. в верхней тропосфере и нижней стратосфере (рис. 1). В работе [Julio Т. В. et al., 1996] приведены результаты измерений атмосферных флуктуаций на высотах около 14 км, измеренных во время полетов на самолете ER-2 над Тихим океаном и над восточной и западной частью Северной Америки во время экспериментов Arctic Airborne Stratospheric Expedition (AASE II) и Stratospheric Photochemistry Aerosol and Dynamics Experiment (SPADE). Всего было выполнено 73 полета продолжительностью 6-8 часов каждый, общая протяженность маршрутов составила более 400000 км. В работе представлены спектры горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, потенциальной температуры.

Все перечисленные работы указывают на то, что в вариациях скорости и температуры воздуха хорошо выделяются диапазоны, соответствующие масштабам основных физических процессов в атмосфере. В качестве примера на рис. 1 показаны энергетические спектры зональной, меридиональной скорости ветра и температуры воздуха, полученные по самолетным измерениям с 1975 по 1979 гг. в диапазоне широт от 30° до 50° с.ш. в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Спектры флуктуаций меридиональной составляющей скорости ветра и потенциальной температуры сдвинуты на одну и две декады вправо по оси х соответственно. На рис. 2 представлена стилизованная схема энергетического спектра, на которой выделены участки, соответствующие колебаниям различной природы.

Волновое число, рад/м ю5 10"4 ю-3 ю2 ю1

Длина волны, км Рис. 1 - Экспериментальный энергетический спектр Настрома-Гейджа [Nastrom et al., 1985]

k3

logk

Рис. 2 - Схема энергетического спектра турбулентности [Tung К.К., 2003]

На рис. 2 красными вертикальными линиями показаны границы масштабов атмосферных процессов, которые изучаются в диссертации. Цифрой 1 показан низкочастотный (крупномасштабный) интервал с

периодом колебаний во временном диапазоне от нескольких дней до одного - двух месяцев. Пространственный масштаб этих колебаний составляет тысячи километров. Обусловлены такие колебания прохождением крупномасштабных атмосферных возмущений. Синоптическая составляющая этой изменчивости определяет изменения погоды (фронты, циклоны, антициклоны), а низкочастотная - колебания крупномасштабных циркуляционных систем. Хорошо видно, что по энергетике низкочастотная изменчивость превышает синоптические колебания.

Цифрой 2 обозначен высокочастотный (микромасштабный) диапазон колебаний с периодом от долей секунды до нескольких минут. Наибольший вклад в них вносит трехмерная мелкомасштабная турбулентность. Ее энергетический спектр в приземном слое имеет максимум спектральной плотности колебаний с периодом ~ 1 минуты, что соответствует пространственному масштабу ~ 300-400 метров. Кроме турбулентности, в число микрометеорологических колебаний входят (с относительно малыми амплитудами) акустические и короткие гравитационные волны. Гравитационные волны преимущественно имеют период колебаний более 330 секунд, а акустические - менее 300 секунд.

Как показали измерения, спектры кинетической энергии в разных регионах оказываются достаточно универсальными [Charney J.G., 1971; Ван Мигем Ж, 1977; Dewan Е.М., 1979; VanZandt Т.Е., 1982; Lily D.K., 1983; Smith K.S., 2004], что указывает на общность процессов генерации и перераспределения кинетической энергии. В пользу такой закономерности свидетельствуют рассчитанные нами спектры скорости ветра и температуры воздуха в пограничном слое атмосферы, форма которых на различных высотах оставалась неизменной. Для определения спектров в нижней тропосфере нами были использованы данные измерений температуры и скорости ветра, осредненные за 10 мин интервал [НПО «Тайфун]. Данные получены с помощью измерительного комплекса

высотной метеорологической мачты ИЭМ НПО "Тайфун" г. Обнинска (ВММ) для высот 8, 121 и 301 м за полный 2008 г. На рис. 3 показаны временные спектры флуктуаций температуры воздуха (справа) и флуктуаций полного вектора скорости ветра (слева). Сплошной линией обозначены спектры флуктуаций температуры воздуха на высоте 2 м и спектры флуктуаций полного вектора скорости ветра на высоте 8 м, пунктирной линией выделены спектры для высоты 121 м, точечной линией - для высоты 301 м. Сплошными жирными линиями показаны кривые, соответствующие наклонам спектра "-3" и"-5/3" соответственно. Видно, что на разных высотах энергетические спектры флуктуаций оказываются подобными, что еще раз подтверждает универсальный характер энергетических спектров флуктуаций в атмосфере. Аналогичные результаты были получены в работах [Nastrom G.D. et al., 1985; Cho J.Y.N., 1999; Tung K.K., 2003].

1000

100 Ю

Time, hour

с

и -о

о <и а.

100

10

ъ 0.1 0£

001

0.001 .

1000 100 10 Time, hour

Рис. 3. Энергетические спектры флуктуаций полного вектора скорости ветра (слева) и флуктуаций температуры воздуха (справа), полученные с помощью измерительного комплекса высотной метеорологической мачты ИЭМ НПО "Тайфун" г. Обнинска.

Применительно ко всему диапазону волновых чисел вывод об универсальности спектров и общности процессов, однако, можно сделать лишь с некоторыми оговорками. Действительно, если в микромасштабном диапазоне в силу однородности и изотропии энергетические

характеристики достаточно полно характеризуют основные особенности движений, то в крупномасштабном диапазоне этих характеристик недостаточно. Бароклинная и баротропная неустойчивости, ответственные за генерацию кинетической энергии, зависят от орографии, термического баланса и состояния атмосферы. Вращение планеты создает анизотропию, приводит к образованию фронтальных поверхностей, крупномасштабных ячеек циркуляции, волн и вихрей Россби. Все эти факторы порождают сложный многопараметрический характер движений различный в разных регионах.

Наиболее сложным для анализа в низкочастотной области является диапазон от примерно десяти суток до нескольких месяцев, разделяющий сезонные вариации и синоптические движения. В этом диапазоне развиваются колебания, значительные по амплитуде и сложные по пространственной структуре. Изменения режима низкочастотных колебаний, особенно таких, как Арктическая и Антарктическая осцилляции, дают существенный, если не основной вклад в климатические изменения умеренных и высоких широт [Fyfe I. С., 1999].

Хорошим методом анализа генерации вихревых движений являются диаграммы Лоренца, однако они оперируют усредненными характеристиками и не применимы для анализа региональных изменений кинетической энергии вихрей. Полезными локальными характеристиками являются критерии баротропной и бароклинной неустойчивостей.

Исследования долговременных изменений вихревой активности представляют большой интерес для многих прикладных задач. В частности, одним из прикладных аспектов этих исследований является прогноз астроклиматических изменений. Специфика этого направления в том, что условия оптических наблюдений зависят от микротурбулентности, а установить зависимость микротурбулентности от крупномасштабных метеорологических полей, которые поддаются прогнозу, представляет весьма сложную задачу.

В первом приближении для прогноза астроклимата достаточно даже грубых оценок. Видимо, в некоторых случаях это можно сделать, например, в районах с однородной подстилающей поверхностью. Однако наиболее ценными для оценки астроклимата являются горные районы, где расположена большая часть обсерваторий. Но именно в этих районах трудно ожидать простых соотношений и приходится анализировать зависимость микропульсаций от различных метеорологических характеристик. Исходя из анализа энергетических спектров атмосферы и понимая сложность определения связи между низкочастотными колебаниями и микротурбулентными пульсациями, в первом приближении, возможно, использовать для характеристики астроклимата прямую связь между дисперсией низкочастотных колебаний и интенсивностью микротурбулентных пульсаций.

1.2 Крупномасштабная изменчивость атмосферных процессов.

Баротропная и бароклинная неустойчивости течений

В предыдущем разделе мы сформулировали две задачи исследования -изучение низкочастотной изменчивости и изменчивости в микромасштабном диапазоне. Микротурбулентность представляет интерес в задаче прогноза астроклимата, а полноценный прогноз вряд ли возможен, если не будут известны механизмы генерации низкочастотной изменчивости, с которыми тесно связана вихревая активность в синоптическом диапазоне.

Источниками атмосферных движений во всех пространственных и временных масштабах являются, как известно, запасы доступной лабильной энергии, обусловленные неоднородным распределением приходящего излучения по широте, а также муссонными эффектами

[Шакина Н.П., 1985]. И те и другие имеют планетарный масштаб. Удобным способом анализа переходов энергии из одного вида в другой, между движениями различных масштабов, включая диапазоны планетарных движений, низкочастотной и синоптической активности являются диаграммы Лоренца [Лоренц Э.Н., 1970]. Э.Н. Лоренц разделил все движения на зональные и отклонения от зональных, а затем оценил перенос и трансформацию энергии между ними. Неоднородные по долготе движения включали крупномасштабные циркуляционные системы и синоптические возмущения.

В оригинальном методе Лоренца рассматриваются переходы между кинетической (Кг) и потенциальной (А2) энергией среднего зонального движения и кинетической (КЕ) и потенциальной (АЕ) энергией возмущений зонального потока:

к^К2+Ке и А = а, + Ае,

где

К2= \-\ufdm, КЕ= ¡^[(уУ^т,

ат 2 ам

1 Г 1

Л = \^уср{ти?}<ьп, Ае = ] -УсДТ'У^т,

ат 2 аш

и - зональная скорость ветра, V1 - отклонения меридиональной скорости ветра от среднезонального значения, Т - температура воздуха, Т1 -отклонение температуры воздуха от среднезонального значения, Т" — отклонение температуры воздуха от среднего вдоль меридиана значения, ёш - масса элементарного объема жидкости, у - вертикальный адиабатический градиент температуры, ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, квадратные скобки означают процедуру усреднения вдоль широты, фигурные скобки - вдоль меридиана.

Основной цикл в системе общей циркуляции имеет следующий вид:

Меридиональные градиенты температуры и давления, обусловленные неравномерным нагревом, создают запасы доступной лабильной энергии, которая вследствие развития баротропной и бароклинной неустойчивостей непрерывно трансформируется в кинетическую энергию возмущений. Возмущения, имеющие баротропную структуру, передают свою кинетическую энергию среднему зональному потоку. Затем цикл повторяется. Переход турбулентной кинетической энергии в кинетическую энергию зонального движения является одной из особенностей квазидвумерных движений. Такое явление было названо явлением отрицательной вязкости.

Безусловно, реальная картина намного сложнее идеализированной схемы Лоренца. Трансформации энергии зависят от сезона года, региона и периода осреднения. Особенно интенсивны переходы энергии в области струйных течений, именно здесь происходит накачка как синоптических, так и низкочастотных возмущений.

Известно, что основными источниками вихревой активности являются баротропная и бароклинная неустойчивости атмосферы. Первая обеспечивает преимущественно низкочастотную изменчивость квазибаротропных возмущений, а вторая - синоптическую бароклинную возмущенность. Баротропная неустойчивость обусловлена горизонтальным сдвигом скорости ветра. Источником энергии возмущений в этом случае является кинетическая энергия основного потока [ШакинаН. П., 1990].

В квазигеострофическом приближении уравнение для кинетической энергии баротропных возмущений в операторной форме имеет вид [Дымников В.П., 1990]:

Ах —» А^ —> Ке —> Кг

д(

, а* 1 ^

где \|/ - функция тока, и = —-, V =--—

Эф соэф дк

Первый член в правой части уравнения характеризует генерацию кинетической энергии возмущений, два последних - диссипацию в экмановском слое и в свободной атмосфере. Используя определение оператора Якоби, первый член в правой части можно переписать следующим образом:

v2-u2,-

V

1 dU sf'I Г д и 1 д¥л

с/К, cos ф--+--

<3ф созф соБф дк

> (2)

cos ф дк 9ф

где U и V - средние значения компонент скорости, к - долгота, ср - широта. Анализ эмпирических данных показал, что для крупномасштабных атмосферных процессов в средней тропосфере выполняется соотношение U2 > V2. Если мы предполагаем, что причиной неустойчивости являются зональные изменения ¿7, то в первом приближении знак преобразования энергии из основного потока в энергию возмущений можно определить по

знаку члена

1 диЛ

. Этот член положителен (т.е. энергия

cos(p дХ

передается от основного потока возмущениям), если ди/дк< 0. В соответствие с приведенным выражением, наибольших значений генерация кинетической энергии баротропных возмущений должна достигать в области выхода струйных течений, а максимум неустойчивой моды должен располагаться вниз по течению от максимума струйного течения.

Бароклинная неустойчивость атмосферы обусловлена широтным градиентом температуры, которому соответствует вертикальный градиент скорости ветра [Шакина Н. П., 1985]. Источником энергии бароклинных возмущений является доступная потенциальная энергия основного потока в поле силы Кориолиса. На практике для оценки бароклинной неустойчивости часто используют критерий Филлипса [Phillips N.A., 1954], полученный в рамках двухслойной модели для ограниченного по широте

зонального потока. Если в каждом слое параметр статической устойчивости постоянен, то при постоянной разности скоростей двух слое удается получить дисперсионное соотношение, из которого выводится условие существования неустойчивых волн (т.е. условие существования комплексных фазовых скоростей). При одинаковых меридиональном и зональном размерах возмущений этот критерий имеет вид:

С/, -U 3>GCOS(p/sin2 ф, (3)

где Uj, U3- скорости зонального потока на уровне 250 гПа и 700 гПа соответственно, ср - широта, о = 0,124-СрЛ9/2а£2 - параметр статической устойчивости (А0=01 - 03), 0 - потенциальная температура, а - радиус Земли, - угловая скорость ее вращения.

Критерий Филлипса удобен для практического применения и дает хорошие результаты, несмотря на существенные упрощения, при которых он получен [Шакина Н. П., 1985]. Он определяет критическое значение сдвига ветра: если сдвиг превышает значение величины, стоящей в правой части уравнения (5), то неустойчивость возможна, и наоборот. Для более детального анализа неустойчивости необходимо решение задачи на собственные значения для реального среднего потока, но так как параметр статической устойчивости, в среднем, изменяется в относительно небольших пределах, критерий Филлипса можно упростить, ограничиваясь анализом вариаций вертикального сдвига ветра.

Критерии развития неустойчивостей, полученные в линейном приближении, достаточно просты. Однако эти критерии локальны и характеризуют лишь начальную стадию развития неустойчивостей. Нелинейные эффекты - взаимодействие между вихрями, взаимодействие волн и вихрей с подстилающей поверхностью, орографией и термическими стационарными волнами, могут порождать систему вторичных возмущений. Если эти возмущения имеют волновую природу, то они могут переносить энергию на большие расстояния, создавая существенные нелокальные эффекты в трансформации энергии. Предпосылки для

существования подобного рода эффектов действительно существуют. В первую очередь, это система собственных низкочастотных колебаний, выявляемых различными методами - с помощью разложений на ЕОФ, с помощью метода одноточечных корреляций. Региональные особенности этих колебаний пока еще мало изучены. Ясно, однако, что эффект от этих колебаний в некоторых регионах может быть значительным.

Нелинейные эффекты, дальние связи, обусловленные низкочастотными колебаниями, пока еще плохо воспроизводятся в моделях общей циркуляции, и это существенно ограничивает возможности прогнозов вихревой активности. Для повышения качества прогнозов необходимы специальные исследования этих эффектов. Задача исследования включает два этапа: 1) выделение регионов, для которых исследование низкочастотной изменчивости особенно актуально, 2) изучение механизмов генерации низкочастотной изменчивости. Для реализации первого этапа исследований мы предложили эвристический критерий. В интересующих нас регионах должны нарушаться пространственные и временные связи между изменениями вихревой активности и простыми линейными критериями генерации неустойчивостей. Безусловно, это лишь гипотеза, что за нарушения таких связей ответственна низкочастотная изменчивость, однако, даже если она не верна, изучение низкочастотной изменчивости имеет ценность независимо от выбранного региона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кочеткова, Ольга Сергеевна, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Алоян А.Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. Москва: ИВМ РАН, 2002. 201 с.

2. Афанасьева Е.М. О качестве изображения звезд в Новосибирске по наблюдениям 1961 - 1963 гг. Новосибирск: Наука, 1967. С. 98-111.

3.-Баранов—АтМт,—Солонин C.B. Авиационная метеорология. Л:. Гидрометеоиздат, 1981. 383 с.

4. Богаткин О.Г., Еникеева В.Д. Анализ и прогноз погоды для авиации. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 271 с.

5. Борисенков Е. П. Вопросы энергетики атмосферных процессов. Л.: Гидрометеоиздат. 1960. 168 с.

6. Ван Мигем Ж. Энергетика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С. 28-31.

7. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 288 с.

8. Воробьев В.И. Синоптическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 616 с.

9. Галин М.Б. Исследование низкочастотной изменчивости атмосферы с помощью временных эмпирических ортогональных функций // Изв. РАН ФАО. 2007. №1. С. 18-27.

Ю.Гирс А. А., Кондратович К. В. Методы долгосрочных прогнозов погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 356 с. П.Гомбоев Н. Ц. Батороев A.C. Временные корреляции вертикального градиента показателя преломления атмосферы в восточных регионах России // Метеорол. и гидрол. 2002. № 11. С. 39-43. 12.Гордов Е.П., Богомолов В.Ю., Генина Е.Ю., Шульгина Т.М. Анализ региональных климатических процессов Сибири: подход, данные

и некоторые результаты // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. 2011. Т. 9. № 1. С. 56-66.

13.Груза Г.В., Интегральные оценки общей циркуляции атмосферы JL: Гидрометеоиздат, 1965. 147 с.

14.Гущина Д.Ю. Девитт Б. Межгодовая климатическая изменчивость и дальние связи в квази-равновесной модели циркуляции атмосферы в тропиках // Изв. РАН ФАО. 2005. №4. С.435-463.

15.Девятова Е. В. Ковадло П.Г. Мордвинов В.И. Долговременные вариации вихревой активности атмосферы // Солнечно-земная физика: сб. науч. тр. 2009. Вып. 13. С. 47-54.

16.Дзердзеевский Б.Л. Общая циркуляция атмосферы и климат: Избранные труды. М.: Наука, 1975. 288 с.

П.Дроздов O.A. В.А. Васильев, Н.В. Кобышева, А.Н. Раевский, Л.К. Смекалова, Е.П. Школьный Климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 568 с.

18.Дымников В.П. Филатов А.Н. Устойчивость крупномасштабных атмосферных процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 236 с.

19.Дюкарев Е.А., Ипполитов И.И., Кабанов М.В. Изменение климата азиатской территории России во второй половине XX столетия: сравнение данных наблюдений и реанализов // Оптика атмосферы и океана. 2006. № 11. С. 934-940.

20.3уев В. Е., Белан Б. Д., Задде Г. О. Оптическая погода. Новосибирск: Наука, 1990. 192 с.

21.Калинин H.A. Динамическая метеорология. Пермь: Изд. Пермск. унта, 2009. 255 с.

22.Ковадло П.Г., Кочеткова О.С., Шиховцев А.Ю. Методика оценки оптической нестабильности земной атмосферы на основе численного анализа сетевых метеорологических данных // Изв. Иркут. гос. ун-та. 2012. №2. С. 139-150

23.Ковадло П.Г. Результаты астроклиматических исследований по наблюдениям Солнца и оптическая нестабильность атмосферы: Дис. ... докт. физ.-мат. наук. Ин-т солн.-зем. физ. Иркутск, 2001. 279 с.

24.Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // ДАН СССР. 1941. Т. 30. С. 299-303.

25.Колчинский И.Г. Оптическая нестабильность земной атмосферы по наблюдениям звезд. Киев: Наукова думка . 1967. 184 с.

26.Купер У., Уокер Е. Измеряя свет звезд. М.:Мир, 1994. с. 272

27.Кучеров Н.И. Астроклимат. М.: Знание, 1962. 39 с.

28.Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 259с.

29.Маганова М.С. Апертурные эффекты в стохастизации лазерного излучения в приземной атмосфере: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. МГУ. М., 2005. 20 с.

30.Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. Л.: Наука, 1979. 394 с.

31.Монин A.C., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. М.: Наука. Физматгиз, 1965. ч.1. 640 с.

32. Монин А. С., Яглом А. М., Статистическая гидромеханика, М.: Наука. Физматгиз, 1967. ч.2. 720 с.

33.Монин A.C. Прогноз погоды как задача физики М.: Наука, 1969. 183 с.

34.Монин A.C., Шишков Ю.А. История климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 407 с.

35.Монин A.C. Теоретические основы геофизической гидродинамики. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 424 с.

36. Мордвинов В.И., Девятова Е.В., Кочеткова О.С., Ознобихина O.A. Исследование условий генерации и распространения низкочастотных возмущений в тропосфере // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. №6. С. 1-11

37.Мохов И.И., Мохов О.И., Петухов В.К., Хайруллин P.P. Влияние глобальных климатических изменений на вихревую активность в атмосфере // Изв АН СССР. ФАО. 1992. Т. 28. С. 11-26

38.Нестеров Е.С. Особенности циркуляции атмосферы в Северной Атлантике в последние десятилетия // Современные проблемы динамики океана и атмосферы. 2010. С. 269-280

39.НПО «Тайфун», [Электронный ресурс] - Режим доступа^ http://typhoon-tower.obninsk.org/ru/10-minute.asp

40.Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1973. 90 с.

41.Переведенцев Ю.П. Циркуляционные и энергетические процессы в средней атмосфере. Казань: Изд-во КГУ, 1984. 167 с.

42.Переведенцев Ю.П., Богаткин О.Г. Атмосферная турбулентность и ее прогноз. Казань: Изд. Каз. ун-та, 1978. 159 с.

43.Переведенцев Ю.П. Теория климата. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2004.318 с.

44.Рубинштейн К.Г., Стерин A.M. Сравнение результатов реанализа с аэрологическими данными // Изв. РАН ФАО. 2002. Т. 38. № 3. С. 301-315

45.Седунов Ю.С. Атмосфера. Справочник. JL: Гидрометеоиздат, 1991. 510 с.

46.Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. С. 396

47.Уокер Г. Астрономические наблюдения. М. Мир, 1990. 351 с.

48.Уоллес Дж., Блэкмон М. Наблюдаемая низкочастотная изменчивость атмосферы. В кн.: Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере. М.: Мир, 1988. 66-109. с.

49.Фарахутдинова А.Н., Гурьянов В.В., Елькин А.Ю. Высотно-сезонная структура доступной потенциальной и кинетической энергии в

нижней и средней атмосфере // Изв. РАН ФАО. 2006. Т. 42. №1. С.64-72.

50.Хан В.М., Стерин A.M., Рубинштейн К.Г. Оценки трендов температуры в свободной атмосфере по данным реанализа и радиозондовым наблюдениям // Метеорология и гидрология. 2003. № 12. С. 5-18.

51. Хелд А. Теория стационарных и квазистационарных вихрей во внетропической тропосфере. В кн.: Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере. М.:Мир, 1988. С. 144-189

52.Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. Л. Гидрометеоиздат, 1974. 569 с.

53.Шакина Н. П. Гидродинамическая неустойчивость в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 309 с.

54.Шакина Н. П. Динамика атмосферных фронтов и циклонов. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 260 с.

55.Щеглов П.В. Проблемы оптической астрономии. М.: Наука, 1980. 272 с.

56.Branstator G. The relationship between Zonal Mean Flow and Quasi-Stationary Waves in the Midtroposphere // J. Atmos. Sci. 1984. V. 41. № 14. P. 2163-2178

57.Barnston, A. G., Livezey R. E. Classification, seasonality, and persistence of low-frequency atmospheric circulation patterns // Mon. Wea. Rev. 1987. V. 115. P. 1083-1126.

58.Barsugli, J. J., Battisti D. S. The basic effects of atmosphere-ocean thermal coupling on midlatitude variability //J. Atmos. Sci. 1998. V. 55. P.477-493

59.Blackmon M.L., Lee Y.-H., Wallace J.M. Horizontal structure of 500 mb height fluctuations with long, medium and short time scales // J. Atmos. Sci. 1983. V. 41, №.6. P. 961-979.

60.Branstator G. A Striking Example of the Atmosphere's Leading Travelling Pattern // J. Atmos. Sci. 1987. V. 44, №.16, P.2310-2323

61.Branstator, G. The maintenance of low-frequency atmospheric anomalies // J. Atmos. Sci. 1992. V. 49. P. 1924-1945

62.Cassou C., Terray L. Oceanic Forcing of the Wintertime Low-Frequency Atmospheric Variability in the North Atlantic European Sector: A Study with the ARPEGE Model // J. Climate. 2001. V. 14. P. 4266-4291

63.Charney J.G. Geostrophic turbulence // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28.P. 1087-1095

64.Cho J.Y.N., Newell R.E. Horizontal wavenumber spectra of winds, temperature, and trace gases during the Pacific Exploratory Missions. Part 2: Gravity waves, quasi-two-dimensional turbulence, and vertical modes //J. Geophys. Res. 1999. V.104. P. 16297-16308

65.Dewan E.M. Stratospheric wave spectra resembling turbulence // Science. 1979. V. 204. P. 832-835

66.European Southern Observatory, [Электронный ресурс] - Режим flocTyna:http://www.eso.org/genfac/pubs/astclim/paranal/asm/verif/longv erif.html

67.Fyfe J. C., Boer G. J., Flato G.M. The Arctic and Antarctic oscillations and their projected changes under global warming // Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26. Is. 11. P. 1601-1604

68.Graham E., Sarazin M., Matzler C. Using re-analysis model data to analyse climate trends related to the astroclimatology of Paranal and La Silla // RevMexAA (Serie de Conferencias). 2011. V.41. P. 12-15

69.Gulev S.K., Zolina O., Grigoriev S. Climate changes in the winter cyclogenesys over the Northern Hemisphere from the NCEP/NCAR Reanalysis data//Clim. Dynamics. 2001. V. 17. P. 795-809

70.Hasselmann S. Stohastic climat model. Part 1: Theory // Tellus. 1976. V. 28. P. 473-485

71.Hojaev A., Shanin G.I., Artyomenko Yu.N. Radio Observatory in Uzbekistan: progress and radio-seeing research plans // Suffa Radio. Astronomy for the developing world IAU Special Session no. 5. 2006. P. 177-182

72.Holton J. R. An Introduction to Dynamic Meteorology. N.Y.:Elsevier Academic Press., 2004. 535 p.

73.Horel J.D. A rotated principal component analysis of the Northern Hemisphere 500 mb height field // Mon. Wea. Rev. 1981. V. 109. P. 2080-2092

74.Hosfeld R., Comparison of stellar scintillation with image monitor // J. Opt. Soc. Amer. 1954. V. 44. 284 p.

75. Jacob R. Low Frequency Variability in Simulated Atmosphere Ocean System. PhD Dissertation. University of Wisconsin-Madison. 1997

76.Julio T. B., Eckermann S. D., Newman P. A., Lait L., Chan K. R., Lowenstein M., Proffitt M. H., Gary B. L. Stratospheric Horizontal Wavenumber Spectra of Winds, Potential Temperature, and Atmospheric Tracers Observed by High-Altitude // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. D5.

P. 9441-9470

77. Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woollen J., Zhu Y., Leetmaa A., Reynolds R. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1996 V. 77. Iss. P. 437-471

78.Kovadlo P. G. Some characteristics of the yearly mean variation of scattered solar radiation during clear sky conditions over the CIS territory and optical instability of atmosphere // Geophysics & Astronomy. 2007. V.3. P.75-79

79.Lily D.K. Stratified turbulence and the mesoscale variability of the atmosphere // J. Atmos. Sci. 1983. V. 40. P. 749-761.

80.Madden R. A. Large-scale, free Rossby waves in the atmosphere - an update // Tellus. 2007. V. 59A. P. 571-590

81.Madden R.F., Speth H., The Average Behavior of Large-Scale Westward Travelling Disturbances Evident in the Northern Hemisphere Geopotential Heights // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46. Iss.21. P. 3225-322.

82.Munoz-Tunon C., Varela A.M., Mahoney T. Homogeneity of image quality at the Roque de los Muchachos Observatory // New Astron. Rev. 1998. V. 42. 409 p.

83.Namias J. Teleconnections of 700 mb height anomalies for the Northern Hemisphere // CALCOFI. 1981. No. 29. 265 pp.

84.Nastrom G.D., Gage K.S. A climatology of atmospheric wavenumber spectra of wind and temperature observed by commercial aircraft // J. Atmos. Sci. 1985. V. 42. P. 950-960

85.0ort A. H. On estimates of atmospheric energy cicle // Mon. Weather Rev. 1964. V. 92. № 11. P.483-493

86.Palmer T. N., Sun Z. A modeling and observational study of the relationship between sea surface temperature in the north west Atlantic and the atmospheric general circulation // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1985. V. 111. P. 947-975

87.Phillips, N.A. Energy transformations and meridional circulations associated with simple baroclinic waves in a two-level, quasi-geostrophic model // Tellus. 1954. V. 6. P. 273-286

88.Pisharoty P.R. The kinetic energy of the atmosphere // Final Rep. Dept. Meteor. Univ. of California. 1955. P. 19-48

89.Pogoreltsev, A.I., Kanukhina A.Yu., Suvorova E.V. Savenkova E.N. Variability of planetary waves as a signature of possible climatic changes //J. of Atmos. and Solar-Terr. Phys. 2009. V. 71. P. 1529-1539

90.Richardson LF. Weather Prediction by Numerical Process. Cambridge: University Press. 1922. Reprinted 2006. 262 p.

91.Sarazin M., Melnick J., Navarrete J., Lombardi G. Seeing is believing: new facts about the evolution of seeing on Paranal // ESO Messenger. 2008. V. 132. P. 11-17

92.Sawyer J.S. Observational characteristics of atmospheric fluctuations with a time scale of a month // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1970. V. 96. P. 610625

93.Serreze M. C., Hurst C. M. Representation of mean Arctic precipitation from NCEP-NCAR and ERA reanalysis // J. of Clim. 2000. V. 13. P. 182201

94. Simmons A.J., Wallace J.M., Branstator G.W. Barotropic Wave Propagation and Instability, and Atmospheric Teleconnection Patterns // J. Atmos. Sci. 1983. V. 40. No.6. P. 1363-1392

95.Smith K.S. Comments on «The k-3 and k-5/3 energy spectrum of atmospheric turbulence: Quasigeostrophic two-level model simulation» // J. Atmos. Sci. 2004. V. 61. P. 937-942.

96.Taylor G. I. Statistical theory of turbulence // I-V. Proc. Roy. Soc. London. 1935. P. 421-444

97.Tung K.K., Orlando W.W. The k-3 and k-5/3 energy spectrum of atmospheric turbulence: Quasigeostrophic two-level model simulation // J. Atmos. Sci. 2003. V. 60. P. 824-835

98.Van der Hoven I. Power Spectrum of Horizontal Wind Speed in the Frequency Range from 0.0007 to 900 Cycles Per Hour // J. of Meteor. 1957. V. 14. No. 2. P. 160-164

99.Van Loon H., Rogers J.C. The seesaw in winter temperatures between Greenland and Northern Europe. Part 1: General description // Mon. Wea. Rev. 1978. V. 106. P. 296-310

100. VanZandt T.E. A universal spectrum of buoyance waves in the atmosphere // Geophys. Res. Lett. 1982. V. 9. P. 575-578.

101. Vinnichenko. N. K. The kinetic energy spectrum in the free atmosphere - 1 second to 5 years // Tellus. 1970. V. 22. P. 158-166

102. Walker, G.T., Bliss E.W. World Weather // Met. Roy. Meteor. Soc. 1932. V. 4. P. 53-84

103. Wallace J.M., Gutzler D.S. Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter // Mon. Wea. Rev. 1981. V. 109. P. 785-812

104. Wang X.L., Swail V.R., Zwiers F.W. Climatology and changes of extra-tropical storm tracks and cyclone activity: Comparison of ERA-40 with NCEP/NCAR Reanalysis for 1958-2001 // J. Climate. 2006. V. 19. No. 13. P. 3145-3166