научная статья по теме РЕГИСТРАЦИЯ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ АТМОСФЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ ПЕРИОДОВ ЧАСОВ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РЕГИСТРАЦИЯ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ АТМОСФЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ ПЕРИОДОВ ЧАСОВ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 5, с. 562-569

УДК 551.51

РЕГИСТРАЦИЯ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ АТМОСФЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ ПЕРИОДОВ ~1-5 ЧАСОВ

© 2015 г. Г. М. Швед*, С. И. Ермоленко*, П. Хоффманн**

*Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: shved1936@gmail.com

**Потсдамский институт исследований воздействий на климат (ПИК) Телеграфенберг А 31,

14473 Потсдам, Германия Поступила в редакцию 21.11.2014 г., после доработки 09.02.2015 г.

Барометрические и сейсмометрические измерения в Кольме (51.3° N 13.0° Е) за полный 2002 г. использованы для поиска собственных колебаний атмосферы (СКА) в диапазоне частот 50—310 мкГц. Спектральный анализ измерений проводился для набора 5-суточных рядов, последовательно смещаемых с временьш шагом 1 сутки. Последующий анализ проводился двумя способами: (а) выявлялись закономерности в частотном распределении числа статистически значимых спектральных пиков в их гистограммах, построенных на основании указанных спектров, (б) рассчитывались спектры перемножения (среднее геометрическое) исходных спектров. Оба способа для обоих приборов дали одинаковый результат — выявлена периодичность в группировании колебаний атмосферы на оси частот с периодом около 6 мкГц. Близость этого периода к периоду около 7 мкГц, предсказываемому грубой теорией гравитационно-инерционных СКА [3] для их частотного распределения, позволяет считать, что СКА генерируются вплоть до таких малых периодов, как ~1 ч.

Ключевые слова: динамика атмосферы, атмосферные волны, собственные колебания атмосферы.

DOI: 10.7868/S0002351515050120

1. ВВЕДЕНИЕ

Предметом исследования в данной статье являются собственные колебания атмосферы (СКА) [1, 2] часового диапазона периодов (периоды ~1—5 ч). Это очень слабые гравитационно-инерционные СКА, являющиеся двумерными по горизонтали волнами Лэмба. Согласно принятой для СКА номенклатуре, это волны первого рода, распространяющиеся в обоих зональных направлениях — на запад и на восток, в отличие от волн второго рода — волн Россби (которые), в безветренной атмосфере распространяются только на запад. В статье [3] впервые был представлен теоретический спектр СКА в часовом диапазоне периодов, полученный в рамках классической линейной теории планетарных волн. Кроме этого, к поиску этих СКА был привлечен существующий массив наблюдений колебаний атмосферы в данном диапазоне, что привело к уверенному выявлению признаков возбуждения СКА.

Настоящая статья является первым исследованием, опирающимся на длинные ряды наблюдений и исходно ориентированным на выявление

СКА в часовом диапазоне периодов. В основу исследования положен поиск периодичности в распределении наблюдаемых колебанийатмосферы по частоте. Указанная периодичность была обнаружена при моделировании спектра гравитационно-инерционных СКА [3]. Моделирование [3] показало, что СКА сгруппированы на оси частот по числу I = |у| + п, где у — зональное число колебания (у < 0 для СКА, распространяющихся на запад, а у > 0 —для распространяющихся на восток), п — его меридиональный индекс. Теоретическая оценка частотного расстояния (периода) между группами СКА, отличающимися по I на 1, дала значение около 7 мкГц.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Были использованы ряды непрерывных измерений приповерхностного давления атмосферы и выходного сигнала вертикального (2 канала широкополосного трехканального сейсмометра 8Т8—2 [4] в Кольмской обсерватории (Германия; 51.3° N 13.0° Е) за полный 2002 г. Чувствитель-

ность барометра, измерявшего давление, была не хуже ~0.1 гПа. Атмосферные волны воздействуют на показания сейсмометров посредством двух механизмов. Во-первых, в часовом диапазоне периодов показания сейсмометра в вертикальном канале регистрируют вариации силы тяжести, которые в основном обязаны вариациям ньютоновского притяжения маятника сейсмометра атмосферой с изменяющейся плотностью воздуха над сейсмометром. Во-вторых, вариации плотности воздуха могут непосредственно влиять на маятник через изменения действующей на него силы плавучести. (Более детальное обсуждение обоих механизмов и ссылки даны в [5].) Относительный вклад этих механизмов в выходной сигнал сейсмометра 8Т8—2 в Кольме неизвестен. Однако это неважно, поскольку воздействия этих механизмов на маятник совпадают по фазе [6].

3. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Перед проведением спектрального анализа исходные ряды измерений были усреднены по 5-минутным интервалам, а затем подвергнуты фильтрации, чтобы исключить влияние интенсивных низкочастотных колебаний на высокочастотную часть регистрируемого спектра колебаний. Фильтрация проводилась по методу Ланцоша [7] для 5 частот обрезания спектра — 40, 80, 120, 160 и 200 мкГц. Поскольку процедура фильтрации сильно ослабляет амплитуду колебаний на частотах, близких к частоте обрезания, во внимание принимались колебания с частотами, превышающими частоту обрезания на 10 мкГц.

Генерация СКА является нелинейным динамическим процессом, сильно чувствительным к изменениям в движении атмосферы в масштабе всей планеты. Поэтому СКА представляют собой неустойчивые динамические процессы. Например, время жизни нормальных мод (волн) Россби с периодами ~ 4—20 суток не превышает три их периода: при появлении моды вновь ее фаза оказывается сбитой [8]. Динамические спектры вариаций ветра вблизи мезопаузы (рис. 7 в [9]) и ночных свечений антарктической термосферы (рис. 8 в [10]) показывают наличие волн с периодами меньше суток, которые наблюдаются от ~5 суток до ~1 месяца, но не являются гармониками солнечного прилива.Естественно предположить, что они представляют собой СКА. Неустойчивость СКА, а также возможные вариации их периодов, вызванные глобальными изменениями ветра и температуры атмосферы, указывают на предпочтительность спектрального анализа относительно коротких временных рядов.

С другой стороны, имеются аргументы в пользу анализа длинных временных рядов. Во-первых, желательно, чтобы спектральное разрешение позволяло выявлять отдельные СКА. Минимальное требование к спектральному разрешению состоит в том, чтобы можно было уверенно регистрировать периодичность в частотном группировании СКА, которая по порядку величины близка к теоретической оценке 7 мкГц [3]. Во-вторых, спектральный анализ должен исключать из рассмотрения внутренние гравитационные волны (ВГВ), распространяющиеся от возмущений давления в ограниченных объемах атмосферы (см., например, [11, 12]). В часовом диапазоне периодов ВГВ намного интенсивнее, чем СКА. Однако обычно ВГВ наблюдаются на временых интервалах, не превышающих несколько их периодов. Кроме того, сильная изменчивость параметров источников ВГВ приводит к отсутствию фиксированных частот волн. Чтобы практически исключить регистрацию ВГВ в нашем спектральном анализе, следует обрабатывать временные ряды измерений длительностью не менее нескольких суток.

Мы подвергали спектральному анализу 5-су-точные ряды, что является компромиссом при удовлетворении указанным выше противоположным требованиям. Такая длина рядов обеспечивает спектральное разрешение 2.32 мкГц, достаточное для выявления периодичностей близких к 7 мкГц.

Чтобы полнее использовать имеющиеся барометрические и сейсмометрические годичные измерения, спектральный анализ производился для 5-суточных рядов, последовательно смещаемых во времени с шагом 1 сутки. Спектральный анализ выполнялся по методу Л омба—Скаргла [13]. Спектры представлялись с шагом по частоте 1.16 мкГц. Статистическая значимость спектральных пиков оценивалась по отношению к спектру белого шума [14].

Для каждого прибора было получено пять годовых наборов спектров по 5-суточным рядам в соответствии с пятью частотами обрезания спектра при фильтрации. Примеры полученных спектров приведены на рис. 1. Дальнейшие операции с полученными наборами спектров проводились в двух следующих направлениях.

1. Отдельно для каждого прибора и всех пяти случаев фильтрации были построены гистограммы на 100 мкГц частотных интервалах, своих для каждого случая (рис. 2). Каждая гистограмма дает по всем годовым спектрам число спектральных пиков, полученных с достоверностью 90 % и распределенных по 1.16 мкГц подынтервалам.

564

ШВЕД и др.

к е п с ть

с

о

тно

о л п я а н н а в о з и л а

м р

о

25 20 15 10 5 0

50 40 30 20 101-

Барометр

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 20 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

0

60 80 100 120 140 160 180 200 200 220 240 260 280 300 320

Сейсмометр

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

60 80 100 120 140 160 180 200 200 220 240 260 280 300 Частота, мкГц Частота, мкГц

320

0

Рис. 1. Спектры мощности вариаций приповерхностного давления (верхние панели) и величины выходного сигнала вертикального канала сейсмометра (нижние панели). На левых (правых) панелях осцилляции с частотами ниже 50 мкГц (200 мкГц) были исключены фильтрацией исходных рядов измерений. Барометрический спектр для частот больше 200 мкГц получен по измерениям 26—30 августа 2002 г. Остальные спектры получены по измерениям 8—12 мая 2002 г. Вертикальные линии соответствуют частотам гармоник солнечного теплового прилива 8к (штрихи) и пяти компонент собственного колебания Земли 0§2 (штрихпунктир). Числа при штриховых вертикальных линиях указывают номер к-й гармоники солнечного прилива. Горизонтальные линии соответствуют определенным уровням достоверности — 99% (сплошные линии) и 90% (штриховые линии).

2. Также отдельно для каждого прибора были получены спектры перемножения (среднее геометрическое) спектров, Р(^), (рис. 3):

Р(у) = м

м

П а

^=1

(V),

(1)

где рт(у) — плотность мощности спектра на частоте V для т-го 5-суточного ряда, а М — количество перемножаемых спектров. Прием перемножения спектров является эффективным способом выявления слабых колебаний с фиксированными частотами. Это, например, подтверждается в [15] путем численных экспериментов, позволяющих обнаружить колебание с амплитудой ниже среднего уровня шумов.

Спектры в диапазоне частот 50—320 мкГц (периоды от ~5 ч до ~1 ч) демонстрируют пики, соответствующие гармоникам солнечного

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