УДК 551.510,522:551.510.62
Временные корреляции вертикального градиента показателя преломления атмосферы в восточных регионах России
Н. Ц. Гомбоев*, А. С. Батороев*
По 10-летним данным 30 аэрологических станций, расположенных на территории Восточной Сибири и Дальнего Востока России, рассчитаны и проанализированы временные корреляционные функции вертикального градиента показателя преломления атмосферы в нижнем 300-метровом слое атмосферы с временным сдвигом в 1, 2 и 3 сут. Выявлено пять типов сезонных изменений корреляционных функций в зависимости от физико-географических и климатических особенностей регионов.
Важнейшим параметром, характеризующим рефракционные свойства атмосферы, и, следовательно, условия распространения в ней радиоволн, является показатель преломления атмосферы, значения которого зависят от таких физических параметров, как атмосферное давление, температура и влажность воздуха.
Показатель преломлении п или связанный с ним так называемый индекс преломления N рассчитывается по известной формуле [2, 7]:
т. т , п 1л6 77,6 ( 481 Ое N = (п - 1) -10 = ——I р +-
П Т ,
(1)
где р — атмосферное давление, гПа; е — парциальное давление водяного пара, гПа; Т— абсолютная температура, К.
При изучении рефракции ультракоротких радиоволн в тропосфере важны не столько абсолютные значения я, сколько его вертикальный градиент, определяемый как
„ _ А» _ «2 - "1 т
~ ДА ~ - А, ( )
Здесь Л[ и пг — значения показателя преломления атмосферы на высотах
Й| И Й2-
Чтобы иметь более полное представление об особенностях пространственно-временной структуры поля показателя преломления атмосферы, кроме изучения его статистических моментов распределения [7] необходимо проанализировать его пространственные и временные корреляции. Пространственные корреляции п и gn рассмотрены нами в [4—б]. К настоя-
* Бурятский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук.
тему времени в климатологии исследованы временные корреляционные функции температуры и влажности воздуха г(г). Согласно этим исследованиям, у поверхности земли существует связь между температурой воздуха смежных суток (г ~ 0,8) и соответствующими значениями относительной влажности (г ~ 0,6—0,7). Наблюдаемые значения температуры и влажности становятся практически независимыми только через 2,5—3 сут [10, 12]. Насколько нам известно, исследования временных корреляций в радиометеорологии еще не проводились. Поскольку радиометеорологические параметры п и g„ являются комплексными величинами, зависящими от температуры, влажности и давления [9], то естественно ожидать, что между рядами л и g„ также существует временная связь. Это нами было подтверждено в предварительном сообщении в [3].
Цель данной работы — проанализировать для обширной территории временные корреляционные функции г(г) вертикального градиента показателя преломления g„ нижних слоев атмосферы, что позволит корректно оценить погрешности выборочных статистических характеристик параметра g„, а также послужит целям типизации их распределений.
В качестве исходного материала послужили данные четырехсрочных аэрологических наблюдений на 30 станциях Восточной Сибири и Дальнего Востока России за 10-летний период (1961—1971 гг.) из архива срочных данных ВНИИГМИ-МЦД (архив "Погслой"). Указанный архив удовлетворяет условиям климатологической однородности [14]. Кроме того, в процессе обработки эти данные были подвергнуты нами дополнительному статистико-вероятностному контролю, который выявил и позволил устранить значительное число грубых ошибок. Поэтому качество первичного материала, использованного для радиоклиматологической обработки, можно считать вполне удовлетворительным. Список станций и схему их расположения можно найти в [14].
Индивидуальные значения и для высот 2 и 300 м и g„ для слоя 2—300 м за каждый срок измерений вычислялись по формулам (1) и (2). Коэффициенты корреляции г(г) вертикального градиента показателя преломления атмосферы в нижнем 300-метровом слое вычислялись для каждого срока (6, 12, 18, 0 ч) и центральных месяцев сезона (январь, апрель, июль, октябрь) отдельно для временных сдвигов в 1, 2 и 3 сут, а затем усреднялись за 10-летний период. Расчеты r(t) =rtJ велись по формуле, рекомендованной в [13]:
^pëtlifëtlj
г„ = -............(3)
' Nm If Nn
ï
S nik ^ p & ni / 1S njk - N¿1
4=1 k=\
\ A
где gait, gajk — пары сопряженных значении параметра g„; к — номер пары; Np — число пар.
В предположении стационарности процесса изменения gn величины г усреднялись для всех разностей l=j- i, имеющих одинаковое значение. В качестве аргумента такой усредненной корреляционной функции рассматривается соответствующий сдвиг во времени т. 40
В соответствии с общепринятыми опенками значимыми считались корреляционные функции при г(г) > 0,3- По нашим оценкам, средние квадра-тические ошибки расчета величин г(г) при объеме выборки порядка 300 находятся в пределах аг = 0,11—0,20.
Анализ таблиц и графиков корреляционных функций г(г) показал, что существует значительная временная связь между величинами gn в нижнем 300-метровом слое атмосферы при сдвиге в 1 сут, а по данным некоторых станций эта связь значима и при сдвиге в 2 сут. Максимальные значения г(г) по данным большинства станций наблюдаются в зимнее время и достигают значений 0,40—0,65 при сдвиге в 1 сут, а в остальные сезоны значения г(г) незначимы (г < 0,3).
Для всей исследуемой территории можно выделить пять типов сезонных изменений г(т).
На большей части территории максимальные значения г(г) наблюдаются в январе (г = 0,40—0,65) и постепенно уменьшаются к осени. Это основной тип сезонных изменений г(г).
Для котловинных станций Якутии Верхоянск и Оймякон (полюсы холода) имеется второй тип сезонного хода величин г(т) с максимумом (г = 0,55—0,65) в переходные сезоны и со значениями г - 0,3 в зимнее и летнее время.
На северо-востоке территории (станции Сеймчан, Омолон, Марково) наибольшие значения г(г) (0,50—0,60) наблюдаются зимой и в переходные сезоны, а минимальные (г < 0,3) — летом.
На тихоокеанском побережье (станция Аян) и на острове Сахалин (По-ронайск) имеются свои особенности в сезонных изменениях г(г): в Аяне максимум г(г) отмечается в апреле (г = 0,3—0,5), а в Поронайске — в июле (г = 0,35—0,45).
В таблице представлены усредненные за весь период наблюдений сезонные значения г(т) с временным сдвигом 1 сут, так как при больших сдвигах (2 и 3 сут) за редким исключением коэффициенты коррекции не-
Сезонные значения г(т) с временным сдвигом 1 сут
Станция Сезон Станция Сезон
жма весна лето осень зима весна лето осень
Верхоянск 0,33 0,35 0,21 0,50 Богучаны 0,38 0,25 0,15 0,15
Игарка 0,39 0,32 0,20 0,11 Киренск 0,42 0,19 0,20 0,17
Жиганск 0,33 0,20 0,17 0,17 Аян озз 0,35 0,24 0,23
Омолон 0,56 0,41 0,17 0,43 Красноярск 0,54 0,26 0Д6 0,20
Марково 0,59 0,34 0,06 0,36 Нижнеудинск 0,37 0,23 0,11 0,11
Вилшйск 0,29 0,34 0,05 0,18 Жигадово 0,34 0Д5 0,14 0,10
Оймякон 0,33 0,50 0,23 0,45 Могоча 0,43 0,15 0,09 —
Сеймчан 0,54 0,42 0,19 0,51 Уеть-Баргузин 0Д8 0,16 0,14 0,12
Якутск 0,33 0,19 0,12 0,16 Иркутск 0,21 0,19 0,11 0,10
Подкаменная Тунгуска 0,52 0,21 0,23 0,06 Чита 0,34 0,22 0,13 0,21
Олекминск 0,52 0,35 0,13 0,15 Кызыл — 0,08 0,12 0,14
Ванавара 0,31 0,18 0,15 _ Борзя 0,33 0,11 0,09 0,08
Бухта Нагаева 0,52 0,25 0,12 0,18 Красный Чикой 0,41 0,23 0,10 0,16
Витим 0,50 0,19 0,19 0,15 Благовещенск 0,46 0,21 0,16 0,11
Алдан 0,40 0,17 0,19 0,03 Поронайск 0,23 0,17 0,42 0,18
значимы. Что касается суточных изменений г(т), то они каких-либо закономерностей не обнаруживают.
Полученные результаты показывают, что показатель преломления атмосферы п и его вертикальный градиент g„ в нижнем 300-метровом слое атмосферы обладают значительно меньшей связностью (г ~ 1 сут) по сравнению с основными метеовеличинами (температура, влажность и давление), время корреляции которых, как отмечено выше, составляет 2,5—3 сут. Слабая связность временных рядов я и g„ является благоприятным фактором при радиоклиматологической обработке метеорологических данных, так как наличие более тесной связи между элементами исследуемого ряда уменьшает число эквивалентно независимых членов ряда, что увеличивает ошибки определения статистических характеристик [1,8, 11, 15].
Полученные нами данные о г(т) могут быть использованы для оценки ошибок выборочных моментов параметра gn с учетом связности их рядов, как это делается в климатологии. Кроме того, результаты работы могут найти применение для целей типизации полей показателя преломления атмосферы.
В заключение подведем итоги выполненной работы.
1. Впервые по многолетним (10 лет) аэрологическим данным подробно изучены временные корреляции вертикального градиента показателя преломления атмосферы в нижнем 300-метровом слое над всей территорией Восточной Сибири и Дальнего Востока России.
2. Установлена значительная временная связь между значениями g„ при сдвиге в 1 сут, а на некоторых станциях эта связь значима и при сдвиге в 2 сут.
3. Максимальные значения г(г) по данным большинства станций наблюдаются в зимнее время и достигают значений 0,40—0,65 при сдвиге в 1 сут.
4. На исследуемой территории выявлено пять типов сезонных изменений г(х).
5. Время корреляции вертикального градиента показателя преломления атмосферы значительно меньше (г ~ 1 сут), чем время корреляции основных метеовеличин (г ~ 2,5—3 сут).
6. Полученные данные о коэффициенте корреляции г(г) позволят в дальнейшем повысить точность расчета статистических характеристик параметров «Hg, в результате учета связности их рядов.
Литература
1. Алексеев Г. А. Методы оценки случайных погрешностей гидрометеорологической информации. — Л., Гидрометеоиздат, 1975, 96 с.
2. Бин Б. Р., Даттон Б. Дж, Радиометеорология. /Пер. с англ. под ред. А. А. Семенова. —Л., Гидрометеоиздат, 1971,362 с.
3. Гомбоев Н. Ц. Временные корреляции индекса рефракции в восточных регионах 42
России. /В сб.: Тезисы докл. XIX Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн", Казань, 1999, с. 212—213. 4. Гомбоев Н. Ц. Вертикальные корреляционные связи индекса рефракц
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.