ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 1, с. 21-28
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ГЛОБАЛЬНЫЙ ТРОПИЧЕСКИЙ ЦИКЛОГЕНЕЗ И 27-СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ © 2012 г. Е. А. Шарков, В. В. Афонин
Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН, Москва
E-mail: e.sharkov@mail.ru Поступила в редакцию 05.06.2011 г.
На основе разработанной и накопленной по дистанционным наблюдениям в ИКИ РАН детальной базы данных, содержащей временные ряды интенсивности тропического циклогенеза за 19 лет — с 1983 по 2001 гг. — и анализа архивных данных по индексу солнечной активности F10.7 показано, что в частотно-временных спектрах годовых рядов наблюдается отклик глобального циклогенеза на внешнее воздействие с 27-суточным периодом солнечной активности на частотах, близких к этой вынуждающей частоте, а также на ее второй гармонике и субгармониках. В спектрах, усредненных за 19 лет в области характерных временных масштабов циклогенеза S = 10—80 сут, наиболее яркой компонентой является S = 27 сут, практически всегда наблюдаемой в циклогенезе Северного полушария. В Южном полушарии максимальный отклик чаще всего наблюдается на частотах, близких к гармоникам и субгармоникам основной частоты f = 13.5 год-1.
Ключевые слова: глобальный тропический циклогенез, солнечная активность, вейвлет-анализ
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что тропическая зона глобальной системы океан-атмосфера играет ключевую роль в динамике и эволюции синоптических и климатических метеорологических процессов на Земле. В этой связи любое внешнее (по отношению к тропосфере) энергетическое воздействие (и в первую очередь от Солнца) может иметь критическое значение для вариаций динамических и термодинамических структурных составляющих тропической зоны земной атмосферы. В первую очередь это относится к таким сложным метеообъектам в тропиках, как катастрофические атмосферные вихри — тропические циклоны (ТЦ). Внимание к исследованию таких систем объясняется целым рядом обстоятельств. С одной стороны, эти атмосферные процессы представляют собой непосредственную физическую опасность для человека и сопровождаются значительным материальным ущербом, а также возникающими при этом административно-социальными проблемами (8Иагкоу, 1998; Р1е1ке, Р1е1ке, 1997). С другой стороны, катастрофические атмосферные вихри — своеобразный механизм эффективного сброса избыточного тепла в тропической атмосфере в условиях, когда действие обычных механизмов, основными из которых являются турбулентная конвекция и глобальная циркуляция, становится явно недостаточным. Таким образом, катастрофические явления играют важную роль при установлении климатического температурного режима Земли (парнико-
вый эффект), отводя излишнее тепло и способствуя предотвращению чрезмерного перегрева планеты в тропической зоне. Проблемы усугубляются невозможностью уверенного прогнозирования как генезиса, так и эволюции этих явлений с удовлетворительной степенью надежности современными теоретическими моделями (8Иагкоу, 1998; 2000). Более того, в теоретическом секторе исследования таких геофизических систем наблюдается серьезное кризисное состояние, обусловленное сменой основных теоретических концепций. Поэтому детальные экспериментальные исследования пространственно-временной структуры циклогенеза, включающей как детерминированные (например сезонные), так и стохастические составляющие процесса, представляют несомненный интерес (8Иагкоу, 2000). При этом, разумеется, темой особого исследования должен быть поиск составляющих (как стохастического, так и детерминированного типа) общего сложного процесса, которые могут определяться внешними энергетическими воздействиями и в первую очередь обусловлены вариациями солнечной активности. Солнечная энергия втекает в атмосферу как непосредственно, в форме электромагнитного излучения, так и от солнечных энергичных частиц путем многочисленных солнечно-магнитосферно-ионосферно-тропосферных взаимодействий. Поскольку земная атмосфера представляет собой сложную термо-аэродинамическую систему со сложными и нелинейными передаточными характеристиками, то можно предположить, что
глобальный тропический циклогенез (ГТЦ) может отражать связи как с прямыми индикаторами солнечной активности, так и с индикаторами геомагнитной активности. В течение длительного времени, начиная с конца XIX в. (Meldrum, 1872) по настоящее время (Dickenson, 1975; Tsiropoula, 2003), исследователями предпринимались неоднократные попытки установления корреляционных связей (различными способами — от прямого сопоставления (Meldrum, 1872; Чижевский, 1976) до спектральной (Cohen, Sweetser, 1975) и кросс-корреляционной обработок) между возникновением тропических циклонов (в отдельных регионах Мирового океана) и солнечной (количество солнечных пятен) и магнитосферной активностью. Однако эти попытки не привели к однозначно и физически наглядно интерпретируемым результатам. Причины такого положения связаны (как теперь становится ясно) с многомасштаб-ностью и нелинейностью процесса взаимодействия солнечной активности и циклогенеза, и по этим причинам стандартные кросс-корреляционные подходы, широко используемые при обработке временных рядов наблюдаемых явлений, не могут в принципе привести к положительным результатам, поскольку обрабатываемые стохастические временные ряды были представлены как совокупность таких событий, как дельта-функции.
В настоящей работе представлены результаты детального анализа спектральных особенностей стохастических временных рядов глобального тропического циклогенеза и наиболее широко используемого индекса солнечной активности F10.7 (поток радиоизлучения на частоте 2800 МГц, X = 10.7 см) при помощи специального многомасштабного вейвлет-анализа. Особое внимание авторы уделяют исследованию отклика глобального циклогенеза (а также циклогенеза Северного и Южного полушарий) на внешнее воздействие солнечной активности с 27-суточым периодом на частотах, близких к этой вынуждающей частоте, а также на ее второй гармонике и субгармониках.
Первые результаты работы были доложены на международной конференции, посвященной памяти Ю. Гальперина (Afonin, Sharkov, 2003).
ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА
В настоящее время исследование генезиса и эволюции устойчивых вихревых систем на фоне турбулентного хаоса тропической атмосферы развивается в двух принципиальных направлениях (Sharkov, 2000):
— "локальный" подход (индивидуальный циклогенез), используемый при исследовании образования единичной (индивидуальной) вихревой структуры из турбулентного хаоса в условиях ло-
кальной и сильной неравновесности системы океан-атмосфера;
— "глобальный" подход (множественный циклогенез), рассматривающий образование вихревых систем в акватории Мирового океана как совокупности центров релаксационной генерации в активной среде природной системы океан-атмосфера (при этом последняя рассматривается в глобальном масштабе).
Изучению индивидуального циклогенеза посвящено целое направление как теоретических, так и экспериментальных работ. Теоретические работы при этом развиваются на базе привлечения целого спектра достаточно разнообразных подходов, начиная от динамических моделей, до идей самоорганизации (спиральный механизм) и до альтернативного - термодинамическое направление исследований в проблеме генезиса атмосферных катастроф. Тропический же циклогенез, рассматриваемый в глобальном аспекте, остается достаточно слабо изученным физическим процессом, хотя на основе предложенной концепции множественного циклогенеза уже получены серьезные и нетривиальные результаты (^Иагкоу, 2000). Очевидно, что структурным фундаментом исследований множественного циклогенеза должна служить методика построения временного ряда глобального тропического циклогенеза - физического процесса, рассматриваемого одновременно на всей акватории Мирового океана (или по региональным акваториям полушарий). Несомненно, вопрос о методологии построения временного ряда ГТЦ является принципиально важным, поскольку от его концептуального решения зависит физическая значимость конечного результата.
Временной поток неразличимых событий (полная эволюция ТЦ) с учетом времени жизни каждого индивидуального события будет строиться (8Иагкоу, 2000; Покровская, Шарков, 2006) следующим образом. Не интересуясь детальной структурой и динамикой каждого индивидуального тропического образования, будем представлять на временной оси каждое тропическое возмущение как импульс единичной амплитуды со случайной длительностью (соответствующей времени функционирования ТЦ) и случайными моментами появления (генерации индивидуального ТЦ). Число поступивших импульсов (событий) в единичном временном интервале (у нас сутки) является в таком случае естественным физическим параметром - интенсивностью глобального циклогенеза, определяющего энергетику взаимодействия океан-атмосфера.
Математически предложенную процедуру формирования сигнала можно записать следующим образом:
N
I (г) = £ Щ - г; т),
(1)
¿=1
где /(0 — интенсивность циклогенеза; N — число ТЦ, появившиеся в течение года; 5 — ограниченная функция Хэвисайда
Е (г - г, т, ) =
1 г, < г < г{ + т, 0 г,- + т, < г < г,-.
(2)
Здесь — время продолжительности жизни (существования) отдельного ТЦ; — время его формирования (образования); + — время его диссипации.
Сформированная подобным образом последовательность импульсов есть не что иное, как целочисленный случайный временной поток неразличимых событий. Таким образом, мы базируемся на представлении временной последовательности интенсивности глобального тропического циклогенеза как статистического сигнала сложной структуры. Несмотря на то, что предлагаемый подход — один из вариантов формирования сигнала, он, тем не менее, позволил существенно продвинуться в понимании стохастической структуры ГТЦ фЬагкоу, 2000).
Экспериментальные геофизические данные о возникновении временной и пространственной эволюции ТЦ по акваториям Мирового океана были заимствованы из систематизированной базы данных "Глобал-ТЦ" (Покровская, Шарков, 2006), где хронологические, гидрометеорологич
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.