Исследование вихревой активности как фактора изменений оптических свойств атмосферы

Глобальные климатические изменения вносят существенные коррективы во многие сферы человеческой деятельности, в том числе и в практику астрономических наблюдений. Эффективность наземной наблюдательной базы, весьма дорогой и громоздкой, сильнейшим образом зависит от состояния астроклимата в пунктах наблюдений. Поиск мест для размещения крупных телескопов продолжает занимать центральное место в ряду астроклиматиче-ских проблем. Однако, как стало очевидно в последние годы, оценки фактических астроклиматических условий* предполагаемого места установки недостаточно, все большее значение приобретает проблема прогноза возможных изменений условий наблюдения. В качестве примера можно привести высокогорные обсерватории вдоль западного-побережья Южной Америки, на которых в последнее десятилетие появилась тенденция*ухудшения астроклиматических характеристик. Являются ли эти изменения локальными и непродолжительными или связаны с общей глобальной тенденцией изменения циркуляции атмосферы в Южном полушарии не ясно, и это существенно осложняет планирование будущих астрономических наблюдений и проектирование новых обсерваторий. Поэтому представляет большой, интерес попытаться связать характеристики астроклимата с метеорологическими и климатическими, параметрами и оценить возможность использования последних для астроклиматического районирования’и прогноза возможных изменений условий, наблюдений в будущем.

Специфика задачи состоит в том, что прогнозировать необходимо не столько средние значения метеопараметров, сколько их изменчивость, причем, большей частью, в высокочастотном диапазоне, наблюдения в котором регулярно не проводятся. Действительно, изменчивость температуры в пункте наблюдения, например, существенно влияет на степень неоднородности плотности атмосферы и, как следствие, на качество оптических наблюдений.

К сожалению, методы прогноза изменчивости климатических характеристик пока еще несовершенны. Кроме того, изменчивость температуры является производной величиной^ от вихревойактивности, неоднородностей крупномасштабного распределения температуры, количества влаги в атмосфере и т. д., зависящих от разных факторов. Проследить все эти связи и построить аналитическую модель пока не представляется возможным, поэтому мы вынуждены использовать упрощенный1 подход — оценить статистическую связь астроклиматических характеристик с характеристиками циркуляции и перейти затем к их изучению.

Предварительные оценки показали, что для такого важного* астрокли-матического параметра, как оптическая нестабильность земной атмосферы (ОНЗА), наиболее близкой метеорологической характеристикой является вихревая активность атмосферы. Как мы уже отмечали выше, эта характеристика не является единственной, влияющей на ОНЗА, поэтому первой задачей, которая была поставлена перед диссертантом, была задача оценки тесноты связи между вихревой активностью и ОНЗА в зависимости от географического пункта, высоты в атмосфере и сезона.

Следующей задачей было" исследование общих тенденций во временной динамике ОНЗА и вихревой активности и возможности их прогноза. Следует отметить, что изучение вихревой активности имеет не только прикладное, но и фундаментальное значение. Важная роль вихревой активности в динамике атмосферы обусловлена сопоставимостью вихревых переносов тепла и влаги, количества движения с переносами этих субстанций крупномасштабными течениями. Быстрые изменения циркуляции атмосферы в последние годы сопровождаются сильными и не всегда понятными изменениями вихревой активности. Это определяет актуальность исследований вихревой активности не только в прикладном, но и в фундаментальном отноше-'.

НИИ. Наиболее перспективным методом изучения вихревой активности является моделирование, однако численные схемы .пока еще имеют низкое пространственное, разрешение, недостаточное для? адекватного/ воспроизведения вихревой активности и вихревых-переносов. Приходится использовать эмпирические методы исследований. Такой подход был использован и в диссертационной* работе., Мы попытались связать вихревую активность с центрами действия и модами циркуляции в надежде, что методы прогнозакрупномасштабных элементов циркуляцииокажутся более: удачными, чем методы прогноза вихревой активности. Рассматривались такие полусферные и глобальные моды, в. частности, как Арктическая. осцилляция (АО) и летнее Азиатское колебание. этом направлении? были получены интересные и важные результатьг, касающиесяне только связей между вихревой активностью и хмодами циркуляции, но и механизма формирования самих мод. .

Наибольшее внимание в последние годы привлекает Арктическая осцилляция^, с которой связывают климатические изменения в высоких и умеренных широтах Северногополушария. Механизм раскачки этой моды достоверно не известен. Наиболее распространенной является гипотеза положительной обратной связи полярнофронтового струйного течения с волновойи вихревой активностью [67, 37]. Однако, как. показали проведенные нами исследования, возбуждение волновой и, вихревой активности является скорее следствием, чем причинойфаскачки Арктической осцилляции. На это указывает отсутствие тесной корреляции во времени между индексом АО и характеристиками вихревой: активности, а также пространственная структура корреляций.

Не менее интересно летнее Азиатское колебание, хотя оно и не показало тесной связи с вихревой активностью. Это колебание является глобальным и связывает аномалии давления в летний период в Северном и Южном полушариях. Колебание имеет сильный межгодовой тренд, а на декадных интервалах времени такую же пространственную структуру, как и реакция приземного барического поля на вариации солнечной активности. Очень сильные изменения в рамках этой моды происходят в районе Циркумантарктиче-ской депрессии. Существуют работы, в которых изменения Циркумантаркти-ческой депрессии связывают с колебаниями. Полярного вихря над Антарктикой и колебаниями содержания озона в стратосфере [60]. Так что, возможно, найденные корреляции^ отражают физические связи в системе циркуляции атмосферы Южного полушария.

Еще одним фактором прямого или косвенного влияния на вихревую активность является космическая погода. Механизмы влияния гелиогеофизи-ческих факторов пока неизвестны, исследований в этой области немного и наука находится большей частью на стадии накопления фактов. Не претендуя на решение фундаментальных задач, в рамках диссертационной работы мы попытались оценить количественно степень связи вихревого индекса с некоторыми из гелиогеофизических параметров. При решении прикладных задач прогноза* это позволило бы более реалистично расставить акценты относительно факторов, влияющих на вихревую активность и астроклиматические характеристики.

Некоторые из полученных в диссертации результатов имеют фундаментальное значение, а в прикладном отношении позволяют наполнить содержанием цепочку связей, необходимых для решения задачи прогноза одной из основных астроклиматических характеристик — оптической нестабильности земной атмосферы.

Заключение

.

Выполненная работа представляет собой первый этап исследований в области долгосрочного прогноза астроклиматических характеристик. Ключевое значение в постановке задачи исследований имели найденные ранее связи между локальными оптическими свойствами атмосферы и синоптическими погодными явлениями. Эти связи позволили выделить в задаче прогноза астроклимата климатическую составляющую со всеми атрибутами и проблемами, присущими специфике климатических прогнозов. Прогноз климата сейчас является одной из наиболее актуальных научных задач. Созданы основы математической теории климата, однако-численная реализация построенных моделей сталкивается со множеством трудностей. В итоге более или менее удовлетворительными являются расчеты лишь некоторых основных климатических характеристик. К сожалению, в этот список не входят характеристики, наиболее важные для астроклимата, в частности, вихревая активность атмосферы, определяющая оптическую нестабильность атмосферного воздуха.

Ситуация, при которой модельные расчеты не обеспечивают климатолога необходимым количеством данным, достаточно типична. Многие климатические характеристики, необходимые, например, для прогноза поведения техногенных систем, не являются выходными параметрами климатических моделей. Для их расчета обычно применяют статистические методы. По данным наблюдений оцениваются связи между выходными параметрами моделей и искомыми характеристиками, которые затем используются для прогноза недостающих величин на основании результатов расчетов. Этот метод несвободен от недостатков, в частности, нельзя быть уверенным в сохранении найденных связей при существенных изменениях состояния климатической системы. Однако других вариантов решения многих задач прикладной климатологии фактически не существует.

Эффективное применение статистического анализа в дополнение к модельным расчетам зависит от правильного выбора предикторов. Для решения задач, поставленных в диссертации, необходимо было выбрать из длинного списка погодных явлений, воспроизводимых моделями, только те, которые могут быть наиболее тесно связаны с вихревой активностью. Основной причиной вихревой активности считается бароклинная неустойчивость струйных течений. К сожалению, струйные течения столь же плохо воспроизводятся климатическими моделями, как и вихри. Однако для прогноза важны не сами струйные течения, а их изменчивость, которая может контролироваться общей циркуляцией атмосферы. Мы предположили, что контроль могут осуществлять центры действия атмосферы или собственные колебаниями ОЦА, в первую очередь, т.н. кольцевые моды — Арктическая и Антарктическая осцилляции и квазидвухлетнее колебание. Эти гипотезы были проверены в диссертационной работе. При этом мы столкнулись с достаточно типичной ситуацией в физике атмосферы — недостаточно хорошим пониманием закономерностей общей циркуляции. Полученные результаты противоречили некоторым традиционным гипотезам возникновения крупномасштабных атмосферных аномалий, что заставило проводить дополнительные исследования. В итоге, кроме полученных статистических оценок связи между вихревой активностью и предполагаемыми предикторами, были сформулированы некоторые выводы и предположения, имеющие на наш взгляд, фундаментальное значение для физики ОЦА, в частности, вывод об ошибочности традиционных представлений о причинах раскачки кольцевых мод.

Кольцевые моды представляли наибольший интерес, поскольку связь с вихревой активностью традиционно считается основой механизма раскачки колебаний. Корреляция между вариациями индекса Арктической осцилляции и вихревым индексом действительно была установлена, но она не является результатом механизма раскачки, а, скорее, следствием влияния Арктической осцилляции на общую циркуляцию атмосферы. Этот результат стимулировал поиски других возможных механизмов раскачки кольцевых мод. Было показано, что в низкочастотном диапазоне таким механизмом может быть воздействие на полярнофронтовые струйные течения крутильных колебаний. В отличие от корреляций с вихревой активностью этот механизм одинаково проявляется и в Северном и в Южном полушарии.

В отличие от кольцевых мод, летнее Азиатское колебание привлекло наше внимание по другим причинам. Это колебание имеет глобальную структуру, совпадающую со структурой наиболее сильных трендов в приземном барическом поле Северного и Южного полушарий. Близкую структуру, кстати, имеют отклики ОЦА на колебания ЭНЮК (Эль-Ниньо — Южное колебание). Учитывая то, что в Южном полушарии наблюдаются значительные тренды вихревой активности, представляло интерес оценить связь между ними. Дополнительное исследование показало, что источником глобальных колебаний ОЦА, имеющих структуру летнего Азиатского колебания, скорее всего, являются процессы в Циркумантарктической депрессии.

Были получены важные результаты, касающиеся механизма воздействия экваториальной С>ВО на возмущенность атмосферы внетропических широт. Увеличение уровня вихревой активности при Восточной фазе вследствие сдвига к северу линии нулевого зонального ветра, ограничивающей меридиональное распространение планетарных волн, имеет место в период установления зимней циркуляции. Во второй половине зимы наоборот, более высокий уровень вихревой/волновой активности отмечается в Западной фазе и сопровождается не ослаблением, а углублением Полярного вихря. Этот результат заставляет усомниться в возможности влияния экваториальной (£ВО посредством сдвига критической линии на установившуюся зимнюю циркуляцию и на внезапные стратосферные потепления.

Обнаружены значимые корреляции между вихревой активностью и субтропическими антициклонами. Это указывает либо на эффект «накопления» барических аномалий вихрей, либо на активное влияние субтропических антициклонов на вихревую активность в тропиках и субтропиках — районах с благоприятным астроклиматом. Гипотеза тесной связи долговременных вариаций вихревой активности с океаническими центрами действия низкого давления не подтвердилась.

Сложность задачи прогноза усугубляют возможные связи климата с внешними факторами, в частности, с факторами космической погоды — солнечной и геомагнитной активностью. При этом существуют указания на то, что космические факторы могут непосредственно воздействовать на вихревую активность. Эти гипотезы были также проверены в диссертационной работе. Убедительных доказательств подобного влияния на вихревую активность получено не было, хотя найденные корреляции внешних факторов и средних полей в атмосфере представляют интерес при построении моделей гелиогеофизического воздействия на циркуляцию атмосферы.

Результаты выполненных исследований можно сформулировать следующим образом.

1. Построены и исследованы пространственные распределения оптической нестабильности земной атмосферы на различных уровнях тропосферы и в нижней стратосфере по данным архива ЖЖР/1ЧСАК Кеапа1уз1з. В нижней тропосфере ОНЗА оказалась значительной в областях повышенной циклонической активности вблизи береговых линий и фронтальных зон. Это можно было ожидать, учитывая адвективный характер вариаций температуры в нижних слоях атмосферы. В верхней тропосфере и стратосфере более высокие значения ОНЗА отмечались в районах с неустойчивой циркуляцией вблизи струйных течений и в области Полярного вихря. Это указывает на повышенную роль вихревой активности в формировании ОНЗА.

2. Изучены пространственные распределения вихревой активности в тропосфере и стратосфере. Для оценки вихревой активности использован вихревой индекс, предложенный Wallace и Hsu. Распределения вихревой активности сопоставлены с распределениями ОНЗА. В нижней тропосфере различия существенны и обусловлены тем, что кроме вихревой активности для возникновения оптической нестабильности атмосферы необходимы горизонтальные градиенты температуры. На более высоких уровнях вариации температуры носят конвективный характер, и роль вихревой активности выше.

3. Учитывая большое значение вихревой активности в формировании температурных вариаций, исследованы распределения коэффициентов корреляции межгодовых вариаций ОНЗА и вихревой активности. В нижней тропосфере более высокий уровень связи отмечен в тропиках и субтропиках, т. е. там, где абсолютные значения ОНЗА не очень высоки и условия для астрономических наблюдений лучше, чем в умеренных широтах. В этих районах прогноз долговременных изменений ОНЗА можно строить на основе прогноза вихревой активности. В верхней тропосфере и стратосфере коэффициенты корреляции выше в умеренных широтах, там, где вихревая активность является основной причиной колебаний температуры.

4. Выполнена оценка долговременных тенденций изменений ОНЗА и вихревой активности. Наибольшие темпы возрастания обеих характеристик отмечены в Южном полушарии. Там же наиболее сильными являются и изменения общей циркуляции атмосферы. В Южном полушарии размещена сеть оптических инструментов, поэтому прогноз изменений астроклимата особенно важен.

5. Прогноз изменений вихревой активности представляет более сложную задачу, чем прогноз средних полей, и выполняется статистическими методами. Для их применения необходимо выявление объектов ОЦА, с которыми вихревая активность имела бы более тесную связь. В диссертации вариации вихревой активности были сопоставлены с вариациями среднего приземного барического поля, центрами действия атмосферы и основными модами колебаний циркуляции атмосферы — Арктической и Антарктической осцилля-циями, летнего Азиатского колебания. Рассчитанные коэффициенты корреляции менялись в зависимости от сезона и географического положения региона. Необходимы дальнейшие исследования для выделения наиболее устойчивых и физически обоснованных связей.

6. Более детально были изучены связи между вихревой активностью и кольцевыми модами — Арктической и Антарктической осцилляциями. Эта задача имеет не только прикладное, но и фундаментальное значение, поскольку вихревая активность считается основным элементом раскачки колебаний. Полученные оценки поставили под сомнение эффективность данного механизма. Был найдена еще одна возможная причина раскачки кольцевых мод в низкочастотном диапазоне — крутильные колебания.

7. Важное значение имело исследование летнего Азиатского колебания. Корреляция этой моды с вихревой активностью оказалась невысокой, однако сделанные оценки позволили пролить свет на источник колебаний. Рассматривались два варианта — влияние ЭНЮК и раскачка в районе Циркумантарк-тической депрессии. Второй вариант оказался предпочтительнее, так как обладал более высокой теснотой связи с летним Азиатским колебанием и долговременными тенденциями изменения давления в восточном полушарии.

8. В рамках диссертации выполнено сопоставление вихревой активности в периоды высокой и низкой солнечной активности, при разных фазах С) ВО и в периоды с высоким и низким уровнем геомагнитной возмущенности. Из-за небольшой длины рядов надежность этих сравнений не очень высока. Можно говорить о том, что данные эффекты играют второстепенную роль в изменениях вихревой активности и не представляют интереса для прогноза долговременных астроклиматических изменений.

9. Исследования воздействия экваториальной (£ВО на возмущенность атмосферы показали, что во внетропических широтах увеличение уровня вихревой активности при Восточной фазе вследствие сдвига к северу линии нулевого зонального ветра имеет место в начале зимы. В конце зимы более высокий уровень вихревой/волновой активности отмечается в Западной фазе. Это позволяет усомниться в возможности влияния экваториальной С) ВО посредством данного механизма на установившуюся внетропическую зимнюю циркуляцию, а также на внезапные стратосферные потепления.