ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 5, с. 588-596
УДК 551.510.522
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ПО СИНХРОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ АТМОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ПРИМЕСЕЙ
© 2009 г. О. Г. Хуторова, Г. М. Тептин
Казанский государственный университет 420008 Казань, ул. Кремлевская, 18 E-mail: guerman.teptin@ksu.ru Поступила в редакцию 04.02.2008 г., после доработки 16.12.2008 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований мезомасштабных процессов в приземном слое на основе данных многолетних синхронных ежеминутных измерений атмосферных параметров и примесей сетью из пяти станций, разнесенных на расстоянии от 1 до 6 км. Синхронно измерялись концентрации диоксида серы, окиси углерода, окиси и двуокиси азота, массовая концентрация аэрозоля, температура, давление, скорость и направление ветра, относительная влажность. Получены поляризационные соотношения вариаций всех измеряемых параметров для различных периодов и длин волн. Обнаружена зависимость азимутов распространения мезомасштабных волн в зависимости от скорости среднего ветра. Показано, что зависимость плотности упругой и горизонтальной энергии мезомасштабных волн существенно различны для разных масштабов.
ВВЕДЕНИЕ
Из всего спектра атмосферных вариаций мезо-масштабные процессы наименее исследованы. Ранее исследователи строили спектры флуктуаций атмосферных параметров и усредняли их во времени или по большому числу реализаций [1]. при этом мезомасштабные процессы давали наименьший вклад в общую дисперсию атмосферных параметров. Исследования [2, 3] показали, что такие процессы как ВГВ, относящиеся к мезомасштабному минимуму, должны давать значительный вклад в динамику и энергетику атмосферы. Известно также, что макротурбулентные процессы, конвективная неустойчивость Кельвина-Гельмгольца существенно усложняют поля атмосферных параметров [4].
Авторами ранее было показано, что интенсивность мезомасштабных процессов в приземном слое непостоянна, иногда они вносят значительный вклад в дисперсию атмосферных параметров, в том числе приземных примесей [5, 6]. Экспериментальные исследования пространственной структуры мезомасштабных вариаций атмосферных параметров и особенно загрязняющих примесей требуют сложной организации эксперимента - пунктов сбора данных, разнесенных на относительно малые расстояния, измерений концентрации примесей и других атмосферных параметров с большой частотой.
Для исследования мезомасштабных процессов в приземном слое использовались данные периода ежеминутных синхронных измерений 1996-1999 гг. сетью из пяти автоматических станций в г. Альметьевск [53° К, 51° Е], Республики Татарстан, России.
Пункты наблюдения рассредоточены в пространстве и разнесены на расстояние от 1 до 6 км. Станции одновременно измеряют приземные концентрации диоксида серы, окиси углерода, окиси и двуокиси азота, массовую концентрацию аэрозоля, температуру, давление, скорость и направление ветра, относительную влажность.
Нами обнаружено, что в приземном слое часто наблюдаются когерентные в пространстве вариации концентрации примесей, часто совпадающие во времени с аналогичными вариациями скорости ветра или относительной влажности. Периоды этих вариаций - от 5 мин до 16 часов. Время существования значимых вариаций всегда более 4-6 периодов волны, несколько часов, иногда более суток. Такие вариации наблюдаются достаточно часто и, как правило, почти синхронно на всех станциях. Появление вариаций не зависит от времени суток. Данная работа продолжает исследования мезомасштабных вариаций в приземном слое, опубликованные в [5-7].
Так, ранее нами [5] были исследованы временны е характеристики синоптических, сезонных, суточных и мезомасштабных вариаций интенсивности и их взаимосвязи. В [6] приведены результаты исследований мезомасштабных вариаций концентрации примесей и проведен сравнительный анализ методами Фурье- и вейвлет-преобразований при определении свойств доминирующих периодично-стей. Работа [7] посвящена изучению свойств локальных и планетарных волн по синхронным измерениям примесей. В частности, обнаружены внут-рисезонные вариации параметров атмосферы,
которые имеют свойства волн Россби и Кельвина, проверены их дисперсионные соотношения.
В данной работе сделан акцент на выделение волновых процессов по методике, основанной на анализе фазового вейвлет-спектра временных рядов, определены основные энергетические свойства - поведение термобарической и упругой части энергии волн в зависимости от масштаба и периода с учетом поведения составляющей кинетической энергии. Также определены поляризационные соотношения примесей и метеопараметров, азимуты прихода волн и их связь со скоростью среднего ветра.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНОВЫХ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ВАРИАЦИЙ
Были проанализированы синхронные временны е ряды всех атмосферных параметров, включая концентрации приземных примесей в пространственно разнесенных пунктах. С целью обнаружения квазипериодических возмущений ряды всех измеряемых величин подвергались вейвлет-преоб-разованию с материнской функцией Морле [8]. Вейвлет Морле был выбран нами исходя из следующих соображений:
- он хорошо приспособлен для анализа квазипериодических процессов, так как имеет хорошую локализацию в частотном пространстве, поэтому мы можем сопоставить вейвлет-спектр спектру атмосферных волн, являющихся собственными колебаниями атмосферы [3], которые принято считать квазипериодическими;
- комплексный вейвлет позволяет анализировать не только амплитуду, но и фазу процесса.
В работе [9] показано, что амплитудный и фазовый вейвлет-спектры с материнской функцией Морле оцениваются так же, как спектры Фурье.
Амплитудный вейвлет-спектр Морле характеризует изменение во времени относительного вклада периодических компонент различного масштаба в исследуемый сигнал, т.е. в каждый момент времени мы можем оценить интенсивность мезомасштаб-ных вариаций всех исследуемых атмосферных параметров. В полученных по данным с разных станций амплитудных вейвлет-спектрах временных рядов, привязанных к одному периоду времени, выбраны значимые с вероятностью не менее 80% по критерию х2 возмущения концентрации примеси или метеопараметров, выявленные одновременно на всех станциях. Этот критерий позволяет предварительно принять гипотезу квазипериодических вариаций атмосферных параметров, одновременно существующих в каждом пункте измерений. По локализации максимумов амплитудного вейвлет-спектра с учетом частотного и временного разре-
шения для материнской функции [9] устанавливались периоды вариаций и временная привязка.
Следующий критерий отбора возможной волновой вариации - распределение фазового вейвлет-спектра - имеет узкий максимум в течение времени существования этой вариации [8]. Этот критерий также должен выполняться в каждом пункте измерений. Постоянство фазовых характеристик свидетельствует о волновых процессах мезомасштаба, распространяющихся в пространстве, причем вей-влет-преобразование локализует эти процессы во времени. Для более достоверных результатов проводится сглаживание полученных фазовых спектров, причем для получения одинакового уровня значимости для разных временны х масштабов сглаживание проводится по различному числу точек, пропорциональному периоду выделяемой вариации. Подобный метод сглаживания выбран в [11] для оценки вейвлет-спектров когерентности межгодовых вариаций геофизических данных.
Фазовая часть вейвлет-преобразования, соответствующая времени локализации максимальной амплитуды возмущения, на каждой из станций имеет различные значения. Но разность фаз в каждой паре пунктов постоянна, пока волна существует.
Одновременные фазовые спектры, полученные в пространственно разнесенных пунктах, позволяют оценить горизонтальные фазовые скорости перемещения волновых возмущений Сх, их пространственные размеры (длины волн Ах). Волновые числа волновых процессов, определяющих пространственно-временны е вариации, находятся из решения уравнения линейной регрессии:
2п 2 п
Ф = Т"х + Т" У + Фо,
где ф - фазовый вейвлет-спектр данной вариации, Ах, Ау - длины волн в зональном х и меридиональном у направлении. Гипотеза существования волновых вариаций принимается при условии линейности фазовой зависимости с вероятностью более 90%. Это является третьим необходимым условием отбора волновых вариаций.
Совокупность критериев значимости не только для амплитудного, но и для фазового спектров, проверка уровня значимости и оценка параметров волн по каждой из пяти станций сети, проверка постоянства фазового спектра на протяжении жизни волны, проверка гипотезы линейности фазовой зависимости в пространстве увеличивают статистическую надежность отбора именно волновых вариаций из всех мезомасштабных.
Конфигурация сети станций и выбранный доверительный уровень обеспечивает ошибки оценки фазовых сдвигов, не превышающие 13°, что дает возможность исследовать вариации с масштабами от 1 до 157 км для сети в г. Альметьевске.
600
1 400
о я
о я н
о ^
к ч
^ 200
0 50 100
Длина волны, км
400
200
Ж
150 0
5 10
Периоды, ч
15
Рис. 1. Экспериментальные распределения периодов и длин волн мезомасштабных вариаций температуры, скорости ветра, относительной влажности, 802, суммарной концентрации N0 и N02, массовой концентрации аэрозоля.
Большая часть вариаций атмосферных примесей не является волновой. Это относится к суточному ходу метеопараметров и концентраций примесей. Изменение состава атмосферы происходит также в результате выбросов в нее различных веществ в результате природных процессов и хозяйственной деятельности человека. Суточный цикл является вынужденным и определяется как антропогенным влиянием (для примесей), так и суточными вариациями нагрева подстилающей поверхности.
ЭМПИРИЧЕСКИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕЗОМАСШТАБНЫХ ВОЛН
Распределения фазовых скоростей Сх длин волн Хх, построенные для различных атмосферных параметров и примесей, совпадают с вероятностью 95% по критерию Пирсона, т.е. выборки параметров принадлежат к одной генеральной совокупности. Это означает, что вариации температуры, скоро
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.