научная статья по теме РАСЧЕТ ВЫСОТНЫХ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ АТМОСФЕРЫ НА ВЫСОТАХ 30-110 КМ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТ ВЫСОТНЫХ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ АТМОСФЕРЫ НА ВЫСОТАХ 30-110 КМ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 835-840

УДК 551.510.53,550.388

РАСЧЕТ ВЫСОТНЫХ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ АТМОСФЕРЫ НА ВЫСОТАХ 30-110 км

© 2004 г. А. И. Семенов, Н. Н. Перцев, Н. Н. Шефов, В. И. Перминов, В. В. Баканас

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва e-mail: meso@ifaran.ru Поступила в редакцию 23.12.2003 г.

На основе данных многолетних (1960-2000 гг.) измерений высотных профилей температуры на высотах 30-110 км разработана методика расчета высотных профилей температуры и суммарной концентрации атмосферы, позволяющая определять значения температуры и плотности атмосферы на средних широтах для заданных гелио-геофизических условий (высота, уровень солнечной активности, номер года). Представлены примеры высотного распределения температуры и концентрации атмосферы, учитывающие различные уровни солнечной активности и многолетний температурный тренд.

1. ВВЕДЕНИЕ

Результаты анализа многолетних данных измерений температуры атмосферы на различных высотах и широтах позволили сделать вывод о существовании разнообразных типов временных и пространственных вариаций структуры атмосферы, которые отображаются в поведении ее различных компонентов. В настоящее время для осуществления расчетов и прогнозов многочисленных явлений в атмосфере возникла необходимость разработки новой модели высотных распределений температуры и концентрации основных нейтральных компонентов (N2 и O2) средней атмосферы, так как существующие стандартные модели CIRA-1965, CIRA-1972, CIRA-1986, MSIS для высот средней атмосферы, созданные в конкретные периоды лет, базируются на материале нескольких лет измерений и поэтому не отображают влияния ряда очень важных факторов, таких как солнечная активность и многолетний тренд, значимость которых стали очевидной в последние годы. Для этой цели были использованы многолетние однородные ряды результатов измерений температуры в течение нескольких десятков лет. В них вошли данные исследований, начиная с Международного Геофизического Года (19571959 гг.), проводившихся в Советском Союзе различными методами [Kokin and Lysenko, 1994; Golitsyn et al., 1996; Лысенко и др., 1999; Семенов и др., 2000; Semenov, 2000], и продолжающиеся в настоящее время. Они составили основу для разработки метода численного расчета высотных распределений температуры и концентрации воздуха на высотах средней атмосферы, который может стать основой новой модели атмосферы. Кроме того, были использованы многочисленные доступные опубликованные материалы, свя-

занные с измерениями различных характеристик средней атмосферы.

2. МЕТОД РАСЧЕТА ВЫСОТНОГО ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ

Основу для создания модели вертикальной структуры температуры и плотности средней атмосферы составляют профили температуры, созданные для интервала высот 25-110 км по результатам измерений ракетным, спектрофотометри-ческим и ионосферным методами [Лысенко и др., 1999; Семенов и др., 2000; Semenov, 2000; Semenov et al., 2002]. Как указывалось в этих опубликованных работах, измерения проводились в ночное время, вблизи полуночи. Эти профили были зата-булированы с шагом по высоте, меняющимся от 1 до 5 км. Для анализа этих профилей, а также для получения вертикальных профилей плотности необходимо было получить температуру как непрерывную функцию высоты. Такая задача решается при помощи сплайновой интерполяции. После испытания различных сплайновых алгоритмов была выбрана одна из стандартных интерполяционных процедур CSINT [Бартеньев, 2001] для Фортрана-90 и на ее основе на Фортра-не-90 создана программа "T&D(z)" (Temperature and Density (z)), обеспечивающая интерполяцию входных данных и затем расчет вертикальных профилей плотности. На вход программы поступает массив значений температур и соответствующих им высот, по которым проводится интерполяция. Шаг по высоте для входных данных может быть произвольным и необязательно одинаковым. Для удобства дальнейшего вычисления профилей плотности сплайны строятся не для непосредст-

835

8*

Т Ы--1 ^

венно температуры Т, а для величины Н 1 = ,

КТ

обратной барическому масштабу высот, где ц -средняя молярная масса воздуха; g - ускорение свободного падения; К - универсальная газовая постоянная. Учитывается небольшое изменение ц и g с высотой г в указанном диапазоне высот. В результате работы программы выдается функция Н-1(г) в виде набора кубических сплайнов (с непрерывными 1 и 2 производными) и соответствующая ей Т(г) = . Точки разрыва третьей КН

производной совпадают с абсциссами в наборе входных данных. В качестве граничных условий для построения сплайнов используется условие "по1-а-кио1", требующее, чтобы на втором значении абсциссы снизу и втором сверху третьи производные были непрерывны.

3. ВЫСОТНЫЕ ПРОФИЛИ СУММАРНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

Подпрограмма, рассчитывающая вертикальные профили суммарной концентрации п(г), действует согласно алгоритму

18 п (г) = 18

Мл

ц( г)g(г)

+ 18 ^25 - 1ё Н (г) -

п (г) =

NаР 25 „-1, ч

- Н (г)ехр

Ц( г)g(г)

| НТ1 (г) йг

25кт

(1)

18 (е) | Н1 (г) йг,

2кт

основанному на уравнениях состояния воздуха (Иа -число Авогадро) и гидростатики, и использующему сплайновые функции Н_1(г). Кроме того, требуется задать плотность или давление в одной из точек вертикального профиля. Для рассматриваемых исходных температурных данных в качестве таких реперных значений были взяты значения давления р25 на высоте 25 км, определяемых по данным радиозондов, сопровождающих ракетные пуски [Бюллетень, 1969-1990]. В этом случае широтно-долготно-временная привязка для ре-перной точки давления оказывается такой же, как и для профилей температуры, даже при наличии небольшого (иногда несколько часов) сдвига времени между радиозондом и пуском ракеты. В производившихся расчетах при использовании средних (по месяцам, по годам и т.п.) температурных данных, осуществлялись усреднения не самих значений р25, а их логарифмов. В результате различие между средней (точнее, среднегеометрической) концентрацией, вычисленной по нескольким независимым профилям концентрации и концентрациями, рассчитанными по усредненным Т(г) и 18 р25, оказывается минимальным (хотя и ненулевым, - см. следующий раздел). Это связано с тем, что в отличие от формулы (1), в ее логарифмическом представлении

зависимость искомой величины 18 п (г) от усредняемых величин Т(г) и 18р25 является почти линейной. Поэтому малая величина указанного выше различия дает возможность вычислять среднемесячные профили концентрации согласно (2) по среднемесячным значениям Т(г) и 18р25. Интегрирование кубического сплайна Н_1(г) выполнялось при помощи стандартной процедуры СБГШ [Бартеньев, 2001] для фортрана-90.

4. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВНУТРИМЕСЯЧНЫЙ

РАЗБРОС И ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ВЫЧИСЛЕННЫХ ПРОФИЛЕЙ

Существуют три источника ошибок, приводящих к погрешностям вычисленных профилей температуры и концентрации: 1) ошибки в исходных данных измерений; 2) ошибки выборки, связанные с использованием среднемесячных значений, вычисленных по нескольким измерениям; 3) ошибки метода вычисления среднемесячных и среднегодовых профилей концентрации. Ниже сделаны оценки этих ошибок, и проведено сравнение результирующей погрешности вычисленных профилей со стандартным отклонением (СМО) рассчитываемых величин для данного месяца.

Естественный разброс температур и суммарных концентраций. Для примера на рис. 1 показан среднемесячный (декабрь 1985 г.) профиль и его СМО, полученные на основе данных ракетных [ст. Волгоград (25-80 км)], спектрофотомет-рических [ст. Звенигород (87 км) и Абастумани (92 и 97 км)] [Фишкова и др., 2000; 2001 а, б] и ионосферных измерений [ст. Москва (105-110 км)] [Гивишвили и Лещенко, 2001]. Для оценок СМО температурных профилей и значений р25 использованы данные аэрологического и ракетного зондирования для ст. Волгоград за декабрь 1985 г., когда было произведено пять зондирований, а также ст. Звенигород и Абастумани - спектрофо-тометрические измерения (87, 92 и 97 км) и ст. Москва - ионосферные измерений (105-110 км). Для величины р25 СМО составило 5% ее среднего значения. На основе указанных пяти случаев зондирования проведены расчеты профилей концентрации. При этом выше 79 км разброс температуры имитировался пятью искусственными профилями температуры, средние значения и стандартные отклонения для которых совпадали с приведенными на рис. 1. Соответствующие средние значения и стандартные отклонения логарифма концентра-

г

Высота, км 1101100 80 80 70 60 50 40 30

240 260 280 Температура, К

Рис. 1. Пример результатов среднемесячных значений температуры на различных высотах по данным ракетных (25-80 км), спектрофотометрических (87— 102 км) и ионосферных (110 км) измерений для декабря 1985 г. Горизонтальные линии — стандартные отклонения от среднемесячных значений.

ции для декабря 1985 г. показаны на рис. 2. Как следует из него, СМО десятичного логарифма концентрации довольно плавно растет с высотой с 0.01 на нижней границе (25 км) до 0.15 на верхней (110 км). Это соответствует увеличению относительного разброса концентрации от ±3 до ±36%. Строго говоря, стандартные отклонения данных, продемонстрированных на рис. 1 и 2, содержат не только естественный разброс, но и ошибки измерений. Однако ниже будет показано, что погрешности индивидуальных профилей заметно меньше.

Вклад погрешностей в исходных данных измерений. Для индивидуальных измеренных профилей температуры расчетные формулы (1) и (2); позволяют сделать оценки относительной погрешности величины н(г), а именно:

А н ± А р 25

—(г) = ±-

н р 25

- Т (г )± \ Н1 (г) Т (г) йг.

А Т,

25 км

Высота, км 110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

18

19

20

21

22

23 24 \%(п, ш~3)

Давление на высоте 25 км определяется [Бюллетень, 1969—1990] по барометрической формуле

Р25 = Рг0 ехР [205кмН~1 (г) йг ] на основе более точных (по сравнению с ракетными) радиозондовых измерений температуры и приземного значения давления рг0. Приземное давление измерялось с точностью до 1 гПа, а температура с погрешностью ± 1.0 К [Рейфер и др., 1976]. В итоге относительная погрешность величины р25 имеет значен

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.

Показать целиком