ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 5, с. 685-691
УДК 551.510.53
МОДЕЛЬ ШИРОТНЫХ, СЕЗОННЫХ И ВЫСОТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МНОГОЛЕТНЕГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ТРЕНДА СРЕДНЕЙ
АТМОСФЕРЫ
© 2007 г. В. И. Перминов, А. И. Семенов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва e-mail: meso@ifaran.ru Поступила в редакцию 25.07.2005 г. После доработки 23.11.2006 г.
На основе данных ракетного зондирования средней атмосферы (25-75 км) северного и южного полушарий в течение 1964-1994 гг. получены среднемесячные высотные распределения многолетнего температурного тренда для низких, средних и высоких широт. Эти распределения аппроксимированы рядом гармонических функций, описывающих широтные, сезонные и высотные изменения температурного тренда. Представлены характеристики полученных гармоник.
PACS: 94.10.Dy
1. ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени многолетние измерения температур средней атмосферы (25-75 км) за период с 1964 по 1994 гг. представлены в ряде работ [Кокин и др., 1990; КеекЬШ: et а1., 1995, 1999; Гивишвили и др., 1996; Go1itsyn et а1., 1996; ТаиЬеп-heim et а1., 1997; Лысенко и др., 1999; Ramaswamy et а1., 2002; Beig et а1., 2003]. Их анализ показал, что за прошедшие 30 лет в данной области атмосферы наблюдались значительные климатические изменения, которые проявлялись в виде трендов теплового режима стратосферы и мезо-сферы.
Были рассмотрены сезонные и высотные особенности поведения многолетних изменений температуры средней атмосферы [Глазков и др., 1997; Семенов и др., 2000; Semenov et а1., 2002]. Получена зависимость температуры на различных высотах от солнечной активности [Семенов и др., 2005]. На основании упомянутых выше результатов в настоящее время возникла необходимость в разработке новой модели средней атмосферы, которая бы отображала выявленные закономерности многолетнего поведения ее характеристик на заданных временных интервалах второй половины прошлого века [Семенов и др., 2004]. Существующие модели, такие как версии США и ^Ш, не включают многолетние изменения.
Целью данной работы является получение аппроксимаций широтных, сезонных и высотных изменений многолетнего температурного тренда, которые могли бы быть составной частью новой модели средней атмосферы, пригодной для описания поведения структуры средней атмосферы для указанного периода времени. Для этой цели в ра-
боте были использованы многолетние измерения температуры в области высот 25-75 км, проводившиеся на станциях ракетного зондирования атмосферы ЦАО Госкомгидромета СССР и Росгидромета РФ на низких, средних и высоких широтах в течение 1964-1994 гг.
2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Данные для проведения анализа были взяты, согласно бюллетеням результатов ракетного зондирования атмосферы [Бюллетень..., 1964-1994], для станций о. Хейса (80.6°^ 58°Е), Волгоград (48.7°^ 44.3°Е), Тумба (8.5°^ 76.8°Е) и Молодежная (67.7°S, 45.8°Е). База данных включает в себя около 6000 измерений, проведенных в период с 1964 по 1994 г. Как правило, они проводились еженедельно вблизи местной полуночи с помощью метеорологических ракет М-100. Случайная погрешность таких измерений составляла 2-3 К на уровне 25-45 км и около 6 К в области 60-75 км [Лысенко и др., 1982; Кокин и др., 1990]. Поскольку в данных температурного зондирования до 1978 г. имелась систематическая погрешность, обусловленная особенностями конструкции крепления термометра на ракете, были введены поправки к температурам соответствующих лет [Авдеев и Лысенко, 1977; Авдеев и др., 1980]. В бюллетенях [Бюллетень..., 1964-1994] вертикальные профили температуры даны с шагом по высоте от 1 до 5 км. В данной работе для анализа использовались температуры на высотах 25, 30, 35, ..., 75 км, которые усреднялись за месяц.
3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕНДА И АППРОКСИМАЦИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
В работе [Семенов и др., 2005] было показано, что температурный режим средней атмосферы заметно откликается на изменения солнечной активности. Таким образом, учет индекса солнечной активности необходим при исследовании многолетних изменений температуры. При рассмотрении данных отчетливо видно, что в многолетних вариациях среднегодовых значений температуры прослеживается изменение в зависимости от широты. Хотя несомненно, что мест измерений температуры немного, все же имеется возможность оценить тенденцию широтных вариаций. Следует отметить, что пункты измерений расположены в неширокой долготной полосе 45-77°Е. Отсюда можно предположить отсутствие существенных долготных вариаций исследуемых параметров в этом интервале. Кроме того, было сделано предположение, что переходы температурных полей из одного полушария в другие вблизи экватора, а также из восточного полушария в западное в полярных областях, также имеют гладкий характер. На этой основе распределение данных среднемесячных анализируемых значений температуры и тренда вдоль большого круга меридиана (X ~ (60 ± ± 15)°Е) на интервале значений широты от 0 до 360° дает возможность получить средние тенденции широтных вариаций.
Совершенно очевидно, что при определении широтных закономерностей вариаций трендов одновременно приходится иметь в виду их сезонные и высотные вариации. Поэтому для определения температурного тренда для высоты 2 (км) была взята следующая форма приближения
Т(2,Ха, ф, гт, = То(2, Ха, ф) + АТ(2,Ха, ф) х х( Хт - 1972) + 5 ад(^о.7-130),
(1)
где Т(2, Ха, ф, Хт, ^10.7) - среднемесячное значение температуры (К), Т0(2, Ха, ф) - высотное распределение температуры для 1972 г. при индексе солнечной активности ^10.7 = 130, АТ(2, Хс1, ф) - линейный тренд (К/год), Хт - год, 5ТР - отклик температуры на изменение индекса солнечной активности (К/8&), Хл - порядковый номер дня в году; ф - широта (в градусах), которая изменяется в данном случае от 0 до 360° и отсчет которой ведется от экватора к северному полюсу вдоль меридиана. Методом наименьших квадратов были найдены значения многолетних линейных температурных трендов на трех станциях ракетного зондирования для всех месяцев года и высотной области 2575 км с шагом 5 км. На рис. 1 представлены эти значения. Из их рассмотрения видно, что температурный тренд имеет зависимость от широты,
сезона и высоты. На основе этих результатов были получены аналитические аппроксимации, описывающие такие зависимости. Следует отметить, что полученные значения трендов соответствуют результатам анализа в предшествующих исследованиях [Глазков и др., 1997; Семенов и др., 2000; Semenov et а1., 2002].
Для определения широтной составляющей была сделана аппроксимация методом наименьших квадратов данных для каждого конкретного месяца и высоты следующим аналитическим выражением
АТ(2, Хй, ф) = АТо(2, (¿) + А(2, Хй)ос8^(ф - фо),
(2)
где АТ0(2, Х^) - среднемеридиональный тренд температуры (К/год), А (2, Х^) (К/год) и фе (градус) - амплитуда и фаза гармоники меридионального изменения температурного тренда. Особенность используемого приема состоит в том, что при таком построении аналитической аппроксимации на полюсах обеспечивается необходимая гладкость непрерывной функции и ее производной, т.е. при перемещении вдоль меридиана через полюс не происходит излома кривой. Естественно, что при применении модели необходимо использовать только диапазон значений аргумента от -90° до 90°. При построении аппроксимации только на интервале -90° ^90° при малом числе точек производные на концах интервала неизбежно будут отличны от нуля, и широтное распределение в полярной области будет иметь излом, что противоречит реальности. На рис. 2 в качестве примеров показаны широтные аппроксимации для высоты 50 км, относящиеся к месяцам январь и июль. Также в качестве примеров, на рис. 3 представлены сезонные значения среднемеридионального тренда и амплитуды первой меридиональной гармоники для всех исследуемых высот и периодов солнцестояния и равноденствия. В настоящей работе фаза ф0 = 0 приведена во всех случаях к 90°. В результате этого амплитуда гармоники меняла знак с положительного на отрицательный при переходе максимума широтного хода из северного полушария в южное, и формула (2) имеет вид
АТ(2, Хф ф) = АТо(2, Хл) + А(2, Х^х^ф- (3)
Для определения закономерностей сезонного поведения среднемеридионального тренда температуры АТ0(2, Х^) и амплитуды меридиональной гармоники А(2, Х^) была сделана их аппроксимация для каждой высоты суммой из шести гармоник
АТо(2, Хл) = Воо(2) +
+
X Во„(2)
2 п п (4)
С08^(^ - 2)),
п = 1
6
Рис. 1. Среднемесячные высотные профили многолетнего температурного тренда по наблюдениям на станциях о. Хейса (сплошные кружки), Волгоград (полые кружки), Тумба (сплошные треугольники) и Молодежная (полые треугольники). Горизонтальными линиями показаны стандартные ошибки.
Температурный тренд ЛТ(^, ф), К/год 0.2 г
Январь 2 = 50 км
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Широта, ф, град
Рис. 2. Примеры аппроксимаций гармонической функцией (сплошная линия) широтных вариаций температурного тренда. Точки - измеренные значения тренда. Вертикальные линии - стандартные ошибки.
+
X в 1 п (г)
а (г, г,) = в 10 (г) +
2 п п
ео8
п = 1
365.25
(г, - г 1 п(г)).
(5)
Затем амплитуды Вкп(2) (К год 1) и фазы гкп(7) (день года) (где к = 0, 1) были аппроксимированы суммой пяти гармоник как функции высоты 2
5
Вкп(2) = Сокп + X Сткп 2 - 2шкп). (6)
т = 1
75
гкп(2> = Б о кп + X Б
ткп С08 ~7т(2 - 2ткп), (7)
80 70
м60
к
ота, 50
о
ы
Я 40
30
20
Сентябрь Март
-1.0 -0.5 0 -1.0 -0.5 0 Среднемеридиональный тренд температуры, К/год
80 70
60
м к
ота, 50
о
ы
Я 40
Декабрь Июнь Сентябрь Март
- ТГ У
1 1 1 1
где п = 0, ..., 6 и т = 1, ..., 5 - индексы соответствующих гармоник. Коэффициенты Сткп (К/год), Бткп (день года) и гткп (км) представлены в таблице. На рис. 4 показан отдельный результат применения аппроксимации суммой гармоник (6).
Значимость коэффициентов выражений (2)-(7), аппроксимирующих широтное, сезонное и высотное поведение температурного тренда оценивалась согласно [Тейлор, 1985]. При определении многолетнего тренда для каждого месяца года на рассматриваемых высотах за тридцатилетний период использовалось 30 среднемесячных значений тем
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.