научная статья по теме СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ СУТОЧНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ СУТОЧНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 3, с. 358-372

УДК 551.513

СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ СУТОЧНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО

ДАВЛЕНИЯ

© 2007 г. В. В. Иванов

Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН 693022 Южно-Сахалинск, ул. Науки, 16 E-mail: iva@mail.ru Поступила в редакцию 22.12.2004 г., после доработки 25.10.2005 г.

Предлагается использовать для представления сезонно-суточных вариаций атмосферного давления идею Лапласа, предложенную для описания приливов. Вариации представляются как сумма чисто периодических процессов, частоты которых совпадают с комбинациями астрономических частот, а амплитуды и фазы определяются с помощью спектрального анализа наблюдаемых вариаций. В качестве астрономических частот предложено использовать комбинации частот собственного и орбитального вращения Земли. Идея апробирована на материалах наблюдения атмосферного давления и температуры в точке Терней. Материалы сравниваются с наблюдениями атмосферных приливов, связанных с гравитационным действием Луны. Обнаружено, что сезонные вариации давления и температуры, связанные с солнечным излучением, в десятки раз превосходят солнечные приливы и содержат в себе описание таких явлений, как циклоны и смена сезонов. При анализе атмосферных лунных приливов обнаружено, что приливы вызывают также вариации температуры атмосферы, которые изменяются в противофазе с вариациями давления, причем соотношение фаз вариаций температуры и давления в сезонных и приливных вариациях одинаково. По-видимому, сезонные вариации и приливы распространяются вдоль поверхности Земли как спутная волна, сопровождающая движение по поверхности сферической проекции Солнца в первом случае и Луны во втором.

ВВЕДЕНИЕ

При экспериментальном исследовании реакции атмосферы на различного рода воздействия возникает проблема выделения и вычитания естественных вариаций параметров атмосферы. Эти вариации изучены достаточно хорошо [1, 2], однако результаты исследования не представлены в форме, удобной для вычитания естественных эффектов из наблюдаемых вариаций.

В настоящей работе предлагается использовать для представления сезонно-суточных вариаций давления идею Лапласа, предложенную для описания приливов [3]. Лаплас предложил моделировать приливные явления как сумму чисто периодических процессов, частоты которых совпадают с комбинациями астономических частот, а амплитуды и фазы определяются с помощью спектрального анализа наблюдаемых вариаций уровня моря. В настоящей работе это представление предлагается использовать для описания сезонно-суточных вариаций температуры и давления атмосферы. В качестве астрономических частот предложено использовать комбинации собственного и орбитального вращения Земли.

В работе [4] показано, что спектральные максимумы на этих частотах могут быть выделены и оценены по материалам наблюдения параметров атмосферы, собранным гидрометеослужбой Со-

ветского Союза. В настоящей работе эта методика [4] использована для оценки спектральных максимумов вариаций атмосферного давления в точке Терней. Оценки сопоставляются с аналогичными оценками вариаций температуры [5].

На рис. 1 показана запись атмосферного давления после вычитания результата сглаживания наблюдаемых вариаций давления по периоду семь дней. Такое вычитание необходимо производить при спектральном анализе, чтобы устранить искусственные спектральные максимумы, обусловленные ограничением диапазона наблюдения.

На рисунке 2а-2г показаны спектры этой записи в окрестности периодов 1, 0.5, 0.333, 0.25 дня. Комбинационные частоты /ю ± кБ в окрестности этих периодов используются для воспроизведения суточного хода, ю - частота вращения Земли (1/24 часа), Б - частота орбитального вращения Земли (1/365.25 дня), /, к - целые числа. В левой части рисунка показаны спектры атмосферного давления, в правой - температуры атмосферы.

На рисунках отчетливо видны максимумы на комбинационных частотах. Относительные амплитуды главного и комбинационных максимумов примерно одинаковы для спектров давления (слева) и температуры. Создается впечатление, что вариации вызваны одним и тем же процессом, и этот

0.1мбар

Апр.

Июль

Окт.

1967

Апр.

Июль Окт.

1968

Апр.

Рис. 1. Запись температуры в точке Терней. По абсциссе температура в десятых долях градуса.

процесс - нагревание атмосферы солнечным излучением.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ

Однако величина максимумов на комбинационных частотах в некоторых случаях значительно меньше амплитуды главного максимума диапазона. В этом случае для анализа гармоник полезно использовать процедуру построения последовательных спектров [4]. В этом методе, чтобы выделить некоторое колебание, из сигнала предварительно вычитаются более сильные эффекты. Вычитаемые вариации определяются по характеристикам спектра. Определяется положение максимума, амплитуда колебаний, соответствующая значению спектра в максимуме, и фаза колебаний. Процедуру надо провести достаточно тщательно. Точное положение максимума оценивается на основе квадратичной интерполяции значений в трех соседних точках, включающих точку максимума. Фаза определяется линейной интерполяцией фаз в трех соседних точках. При вычислении следует принять во внимание, что линии, связанные с когерентными периодическими процессами, очень узкие и для правильного вычитания необходимо вычислять спектр достаточно подробно. Интервал частоты между соседними точками не должен превышать значения 1/Т, Т - длительность участка наблюдения сигнала.

Метод последовательных спектров состоит в том, что после оценки параметров гармоники, соответствующей главному максимуму, эта гармоника вычитается из сигнала, и с остатком проде-лывается та же процедура повторно до тех пор, пока искомый максимум не становится главным. Результатом вычисления последовательных спектров является таблица линий. Линии располагаются в порядке убывания амплитуды, которая выра-

жается в единицах измерения амплитуды исходного сигнала (0.1 мбара для давления и 0.1 град для температуры). Для каждой линии вычисляются амплитуда, период и фаза, которая соответствует ко-синусоидальному представлению колебаний. Величина фазы косинуса относится ко времени начала записи (12 часов дня 21 июля 1966 г. для температуры и 0 часов 1 января 1966 г. для давления). Материалы вычисления показаны в таблицах. В первом и втором столбцах таблиц приведены последовательные спектры давления, в третьем и четвертом - последовательные спектры температуры. В первом и третьем столбцах приведена интерпретация линии на языке номеров, участвующих в комбинации гармоник. Периоды, амплитуды и фазы гармоник представлены последовательно во 2-м и 4-м столбцах таблиц. Материалы табл. 1 обнаруживают ряд существенных особенностей. Они плохо согласуются с приливной (гравитационной) теорией происхождения явления, в которой отчетливо просматривается только одна комбинационная гармоника (к = ±т). В рассматриваемом случае практически все комбинационные гармоники дают примерно одинаковый вклад.

Это обстоятельство находится в серьезном противоречии и с предположением, что явление обусловлено линейным тепловым действием Солнца. Спектр освещенности содержит комбинационные гармоники, однако для рассматриваемой широты (45°) комбинационные гармоники быстро спадают с номером к. Первая гармоника в двадцать раз меньше нулевой и вторая в десять раз меньше первой. Очевидно, что формирование суточного хода является нелинейным процессом, причем нелинейность не является слабым фактором. При малых к для спектра температуры наблюдается спадание амплитуды с номером комбинации к. Однако при к > 2 монотонность нару-

0.01 мбар2 сут2

6 х 106 4 х 106

2 х 106

0

4 х 106

3 х 106 2 х 106 1 х 106

0

0.01 град2 сут2

2 х 105

1 х 105

5 х 104 4 х 104 3 х 104 2 х 104 1 х 104 0

2.984

3.000

3.016

4 х 105

3 х 105

2 х 105

1 х 105 8е+04 6е+04 4е+04 2е+04 Л

. л лЛ _ ,

400 300 200 100

3 х 103 2 х 103 1 х 103

3 х 104 2 х 104 1 х 104

0.986 1.000 1.014

20'

1.9861 2.0000 2.0139

20'

—А.

2.979 3.000 3.021

20'

3.972 4.000 4.028 20' Частота 1/сутки

3.9772 4.0000 4.0220

Рис. 2. Спектры вариаций давления (слева) и температуры (справа) в окрестности периодов 1 сут (а), 0.5 сут (б), 0.333 сут (в), 0.25 сут (г). Масштаб по ординате 0.01 мбар2 сут2 (слева), 0.01 град2 сут2.

шается. Для спектра давления монотонность жения точки Терней. При анализе течений в Та-нарушается с к = 1. Возможно, это обстоятель- тарском проливе [6] обнаружена сложная сезон-ство является следствием приморского располо- ная зависимость с максимумом спектра на шестой

Таблица 1. Последовательные спектры атмосферного давления и температуры в окрестности периода 24 ч

Интерпретация Давление Интерпретация Температура

Период (сут), амплитуда (десятые доли миллибара) и фаза (радианы) комбинационных линий для главного максимума Период (сут), амплитуда (десятые доли миллибара) и фаза (радианы) комбинационных линий для главного максимума

га 1.0000, 6.657, -1.2547 га 1.0000, -24.78, 1.451

га - Б 1.0028, -1.389, 0.5370 га - Б 1.0029, -6.972, -1.33

1.0002, -1.095, -1.1358 га + Б 0.9965, -2.709, -0.144

га - 2Б 1.0056, -1.034, -0.9509 га + 2Б 0.9947, 5.7196, 1.4415

га + 2Б 0.9943, -0.92, -0.1272 га - 2Б 1.0053, -4.328, -1.41

га + Б 0.9973, 0.947, -1.2351 га + 5Б 0.9853, 2.7948, 0.4157

га + 1.5Б 0.9958, -0.70, 0.4742 га - 5Б 1.0148, -1.924, -0.32

га + 6Б 0.9820, -0.68, -0.5964 га + 4Б 0.9890, -2.170, 0.9838

га - 4Б 1.0125, -0.648, -1.1163 га - 4Б 1.0113, 1.3729, -1.20

га + 5Б 0.9858, -0.63, 0.3086 0.9871, 1.1219, -0.286

га - 6Б 1.0193, 0.5965 0.7104 га - 6Б 1.0179, 1.6225, 1.184

га -10Б 1.0280, -0.655, -1.0463 га + 6Б 0.9815, -0.932, -0.920

га -11Б 1.0314, 0.6150, -0.4352 га - 0.5Б 0.9984, 1.6775, 1.0947

га - 5Б 1.0149, 0.5048, 1.4130 га - 3Б 1.0078, 1.5865, -0.44

га + 3Б 0.9918, -0.582, 0.1068 га - 11Б 1.0308, 1.5049, 0.278

га + 8Б 0.9776, -0.568, -0.2703 га + 10Б 0.9783, -1.076, 0.1080

га - 8.5Б 1.0238, 0.4691, 0.1739 га - 7Б 1.0212, 1.3565, 0.200

га - 3.5Б 0.9903, 0.4161, 1.2800 га + 7 Б 0.9797, -1.284, -0.504

га - 7.5Б 0.9788, -0.451, -

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