Эволюции суточного хода гидрометеорологических элементов над Юго-Восточной Балтикой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эволюции суточного хода гидрометеорологических элементов над Юго-Восточной Балтикой

В.Ф. Дубравин,

Ж.И. Стонт,

О.А. Гущин

Аннотация

В настоящей статье приводятся результаты анализа данных натурных наблюдений температуры воздуха Ta, температуры точки росы Td, атмосферного давления на уровне моря P0 и скорости ветра W, полученных с помощью автоматической гидрометеорологической станции МиниКРАМС-4, установленной на морской ледостойкой стационарной платформе ООО "ЛУКОЙЛ - Калининградморнефть" (Д-6) на высоте 27 м. На основании модели временного ряда, состоящей из нерегулярной внутрисуточной, регулярного суточного хода, межсуточной, нерегулярной внутригодовой, регулярного сезонного хода и межгодовой компонент получены оценки вкладов каждого вида колебаний в суммарную временную изменчивость Ta, Td, P0 и W. Рассмотрен суточный цикл изменчивости этих метеоэлементов.

дискретность наблюдений, структура временного ряда: короткопериодная (внутрисуточная, суточный ход, синоптическая) и долгопериодная (нерегулярная внутригодовая, регулярный сезонный ход, межгодовая) изменчивости; дисперсионный и гармонический анализ; аномалии суточного хода

Введение

Многообразные физические процессы, протекающие в Мировом океане и в атмосфере над ним, приводят к формированию неоднородностей в распределениях свойств (параметров или характеристик). Эти неоднородности охватывают широкий спектр как во времени (от мелкомасштабных до многовековых периодов [1, 2]), так и в пространстве (от мелкомасштабных до глобальных [3, 4]). В ряде работ [3, 5-7]) предлагается соответствие пространственных масштабов временным.

Материал и методика. В настоящей работе временной исходный ряд X(t) складывается из короткопериодной (высокочастотной) x(t) и долгопериодной (низкочастотной) x*(t) изменчивости, которые, в свою очередь, состоят из нерегулярной внутрисуточной (ВСИ), регулярного суточного хода (СХ) Следует иметь в виду, что СХ гидрометеоэлементов, вызываемый суточным ходом солнечной радиации согласно [1, 5, 7], относится к синоптической изменчивости, а согласно [2, 3], как и в нашем случае, к мезомасштабной, т.е. T = 1 сут - для нас - граница между мезомасштабной и синоптической компонентами., межсуточной (синоптической) (СИ) и нерегулярной внутригодовой (ВГИ), регулярного сезонного хода (СезХ) и межгодовой (МГИ) компонент:

X(t) = x(t) + x*(t), (1)

X(t) = ВСИ + СХ + СИ + ВГИ + СезХ + МГИ. (2)

Технология оценки отдельных членов (2) близка по смыслу к использованной в [1, 5]. После того как исходный ряд был сглажен скользящим месячным осреднением и получен ряд

x*(t) = ВГИ + СезХ + МГИ, (3)

производилась оценка членов в рамках модели [5]. СезХ получается из многолетнего ряда x*(t) после осреднения значений для каждого месяца за все годы, МГИ - из многолетнего ряда после осреднения за каждый год, ВГИ получалась как остаточная.

Вычитание x*(t) из X(t) даст короткопериодную изменчивость x(t)

x(t) = X(t) - x*(t) (4)

или

x(t) = ВСИ + СХ + СИ. (4а)

Сглаживание x(t) с периодом сутки дает возможность получить реализацию СИ [1], осреднение x(t) за каждый час - СХ, после чего составляющая ВСИ получалась как остаточная.

Для анализа временной высоко- и низкочастотной изменчивости использовались данные натурных наблюдений температуры воздуха Тa (°C), температуры точки росы Тd (°C), атмосферного давления на уровне моря P0 (гПа) и скорости ветра W (м/с), полученных с помощью автоматической гидрометеорологической станции (АГМС) МиниКРАМС-4, установленной на морской ледостойкой стационарной платформе (МЛСП) ООО "ЛУКОЙЛ - Калининградморнефть" (Д-6) на высоте 27 м [8] (дискретность 30 с, данные осреднялись до среднечасовых значений за 2004-2008 гг.).

Исходные ряды обрабатывались с применением дисперсионного и гармонического анализа [9].

Структура временных рядов гидрометеорологических полей. На основании предложенной нами модели временного ряда рассмотрим их структуру для Тa, Тd, W и P0 на Д-6 (дискретность 1 ч) (табл. 1).

Таблица 1. Дисперсия (верхняя строка) и относительная доля (нижняя строка) коротко-периодной и долгопериодной составляющих временной изменчивости метеоэлементов на платформе Д-6 за 2004-2008 гг.

Так, вклад дисперсии короткопериодной составляющей в общую дисперсию исходного ряда для тепло- и влагофизических параметров (Ta и Td) на Д-6 составил 18,2-29,0 %, а динамических (W и Р 0) - 79,0-80,4 %. В то же время вклад долгопериодной изменчивости в общую составил 71,0-81,8 % для Ta и Td и 18,3-18,4 % для W и Р 0. При этом вклад СХ как у тепло- и влагофизических, так и динамических параметров в общую дисперсию невелик (у Ta и W - 0,1-0,2 % и у Td и P0 - 0,01-0,02 %). Доля ВСИ в общей возрастает от 1,9-3,2 % у Ta и Td, до 8,8 % у P0 и до 34,0 % у W. Вклад СИ в дисперсию ИР наименьший для Ta и Td (16,1-25,8 %), средний - для W (46,3 %) и наибольший - для Р 0 (70,3 %).

Таким образом, проведенный анализ структуры временных рядов метеоэлементов над акваторией исследования показал, что выводы о распределении высоко- и низкочастотной составляющих метеополей, полученные в 1 для Северной Атлантики, и термических полей воды и воздуха в северо-восточной части Черного моря 10 справедливы и для нашего региона. Кроме того, проведенные расчеты структуры временных рядов позволяют говорить о синоптической изменчивости динамических параметров как о ключевом механизме взаимодействия океана и атмосферы не только в Северной Атлантике 1, но и на Балтике.

Суточный ход. Регулярный СХ температуры воздуха Тa в исследуемом регионе характеризуется преобладанием суточной волны с большой устойчивостью.

Среднемноголетняя суточная температура воздуха Ta = 9,3 єC, максимальная - 9,8 єC (с наступлением максимума в 15-16 ч), минимальная - 8,7 єC (с наступлением минимума в 6-7 ч), размах - 1,1 єC. Следует иметь в виду, что в течение года меняются не только среднесуточные значения (средние за месяц) от минус 3,6ч4,5 єC в I-III до 16,0ч20,5 єC в VII-VIII, но и моменты наступления экстремумов (минимум между 5 и 10 ч, максимум - 14 и 19 ч) или размах суточных колебаний от 0,2ч0,6 єC в XI-I до 1,5ч2,4 єC в IV-VI.

В СХ влажности Тd и скорости ветра W появляется полусуточная составляющая, в СХ атмосферного давления P0 полусуточная составляющая является преобладающей (рисунок, табл. 2). Среднемноголетняя суточная скорость ветра W = 7,8 м/с, максимальная - 8,1 м/с (с наступлением максимума в околополуночные часы - 22-02h), минимальная - 7,6 м/с (с наступлением минимума в послеполуденные часы - 12-16h), размах - 0,5 м/с. Заметим, что в течение года у динамических параметров (как и у тепло-влагофизических) меняются не только среднесуточные значения (у W от 4,9ч5,9 м/с в V-VII до 9,5ч12,1 м/с в XII-I), но и моменты наступления экстремумов или размах суточных колебаний. Так, с IV по VI, как и в среднем за год, максимум наблюдается в околополуночные часы; с VIII по III в утренние часы появляется еще один максимум, причем в XI и III этот максимум становится основным. В II-III, VI-VIII и X размах суточных колебаний W составляет 0,7ч2,3 м/с, возрастая до 1,5ч3,0 м/с в IV-V, IX и XI и до 0,9ч5,6 м/с - в I.

В отличие от других метеоэлементов в суточном ходе атмосферного давления наиболее выражена полусуточная волна. Среднемноголетнее суточное атмосферное давление P0 = 1012,8 гПа, максимальное - 1013,2 гПа (с наступлением максимума в 11 ч; вторичный максимум -1013,1гПа, в 20 ч), минимальное - 1012,4 гПа (с наступлением минимума в 4-5 ч; вторичный минимум -1012,7 гПа, в 17 ч), размах - 0,8 гПа. Отметим, что в течение года меняются не только среднесуточные значения (средние за месяц) с полугодовой периодичностью от 1003-1015 гПа в I-III или от 1007-1010 гПа в VIII до 1010ч1020 гПа в IV-VI или до 1011-1023 гПа в IX-X, но и моменты наступления экстремумов (минимумы между 2 и 6 ч или между 16 и 19 ч, максимумы - 9-14 и 20-23 ч) или размах суточных колебаний от 0,5ч1,0 гПа в XII-II до 1,5ч6,0 гПа в V-VI. При этом самое низкое среднесуточное давление (в среднем за месяц) наблюдалось в 03.2008 г. - 999,0 гПа, а самое высокое в 01.2006 г. - 1028,8 гПа. Наибольший размах суточных перепадов давления (11,4 гПа) зарегистрирован в 04. 2007 г.

В табл. 2 приведены результаты гармонического анализа СХ метеоэлементов на платформе Д-6. Первая строка это гармоники кривых аномалий СХ (см. рис.), а вторая и третья строки выборки максимума и минимума из всего ряда рассчитанных гармоник суточного хода. Как видим, за пятилетний период наблюдений даже для температуры воздуха Тa - метеоэлемента с самым устойчивым суточным ходом - в отдельных случаях суточная волна отсутствовала вовсе (qTaI = 0,001), или когда суточная волна менялась на полусуточную (qTaII = 0,754). Или для атмосферного давления P0 иногда полусуточная волна отсутствовала вовсе (qP0II = 0.000), или когда полусуточная волна менялась на суточную (qP0I = 0,990).

Рис. Осредненные за 2004-08 гг. аномалии суточного хода метеорологических элементов на платформе Д-6

Таблица 2

Гармонические постоянные суточного хода (средние и предельные значения) метеорологических элементов на платформе Д-6 за 2004-2008 гг.

Авторы выражают благодарность ООО "Лукойл-Калининградморнефть" за предоставление данных мониторинга для настоящего исследования. воздух температура роса

Список литературы

1. Гулев С.К. Синоптическое взаимодействие океана и атмосферы в средних широтах/ С.К. Гулев, А.В. Колинко, С.С. Лаппо.- СПб: Гидрометеоиздат, 1994. - 320 с.

2. Монин А.С. Прогноз погоды как задача физики/ А.С. Монин. - М.: Наука, 1969. - 184 с.

3. Каменкович В.М. Синоптические вихри в океане/ В.М. Каменкович, М.Н. Кошляков, А.С. Монин. - Л.: Гидpометеоиздат, 1982. - 264 с.

4. Озмидов Р.В. О некоторых особенностях энергетического спектра океанической турбулентности / Р.В. Озмидов // ДАН СССР. - 1965. - Т. 2161. - № 4. - С. 828-832.

5. Лаппо С.С. Крупномасштабное тепловое взаимодействие в системе океан-атмосфера и энергоактивные области Мирового океана/ С.С. Лаппо, С.К. Гулев, А.Е. Рождественский. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 336 с.

6. Мамаев О.И. О простраственно-временных масштабах океанских и атмосферных процессов / О.И. Мамаев // Океанология. - 1995. - Т. 35. - № 6. - С. 805-808.

7. Woods J.D. Do waves limit turbulent diffusion in the ocean? // Nature. - 1980. - Vol. 288. - № 5788. - P. 219-224.

8. Гущин О.А. Ветровые условия в прибрежной зоне Куршской косы (2004-2007 годы) / О.А. Гущин, Ж.И. Стонт // Проблемы изучения и охраны природного и культурного наследия национального парка "Куршская коса". - Вып. 6. - Калининград: Изд-во РГУ им. И.Канта, 2008. - С. 133-143.

9. Бpукс К. Пpименение статистических методов в метеоpологии/ К. Бpукс, Н. Каpузеpс. - Л.: Гидpомеоиздат, 1963. - 416 с.

10. Титов В.Б. Оценка вкладов разномасштабной временной изменчивости температуры воды и воздуха в северо-восточной части Черного моря / В.Б. Титов // Метеорология и гидрология. - 2009. - № 5. - С. 79-85.

Размещено на Allbest.ru