Все научные статьи

Рябченко Е.Ю., Шерстюков О.Н. Влияние квазидвухлетнего цикла атмосферной циркуляции на 2-32-суточные вариации параметров Es-слоя

Научная статья

 

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 91аа циркуляции на 2-32-суточные вариации параметров Es-слоя

Рябченко Е.Ю. freug@ksu.ru), Шерстюков О.Н.

Казанский государственный университет, 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, кафедра радиофизики

Введение

Ионосфера является частью земной атмосферы и ее целостное изучение невозможно без рассмотрения метеорологических процессов, происходящих на высотах тропо-, страто-, мезо- и термосферы. Влияние процессов в нижележащей атмосфере на динамику ионосферы было обнаружено еще в 30-е годы прошлого столетия. Особенно сильное метеорологическое влияние испытывает ионосферный спорадический слой Е. В отличие от регулярных слоев, образование &-слоя с повышенной относительно is-слоя электронной концентрацией не относится к постоянным и предсказуемым событиям, объясняемым только вариациями гео- и гелиопараметров.

В 1960-х гг. была предложена метеорологическая концепция образования &-слоя -теория ветрового сдвига, которая до сих пор остается доминирующей для среднеширотной ионосферы. В свою очередь, на возникновение ветрового сдвига значительное влияние оказывают процессы в нижележащей атмосфере, вызывая суточные, сезонные и межгодовые вариации параметров &-слоя. В настоящее время не построена физическая модель, адекватно описывающая пространственно-временную структуру &-слоя с учетом глобального метеорологического влияния, обусловленного, в частности, планетарными волнами [1] и атмосферной циркуляцией [2]. Поэтому важным представляется изучение метеорологического влияния на образование &-слоя в планетарном масштабе для объяснения закономерностей в вариациях параметров &-слоя от масштабов планетарных волн (2-30 суток) до межгодовых.

В работе [3] проведен анализ усредненных вейвлет-спектров 2-32-суточных колебаний параметров &-слоя за 20-50-летний интервал времени. В результате обнаружено, что во временных рядах предельной частоты fJLs и относительной электронной концентрации слоя Es преобладают колебания с периодами 4-6 и 14-16 суток. Эти колебания наиболее ярко проявляются на летних спектрах среднеширотных ионосферных станций, для ряда станций данные периодичности были обнаружены и в другие сезоны. Известно, что этот диапазон периодов соответствует планетарным волнам в атмосфере, следовательно, существование возможности влияния последних на динамику Es-слоя не вызывает сомнений.

На образование &-слоя вплоть до полярных широт способны значительно повлиять метеорологические процессы планетарного масштаба, такие как квазидвухлетний цикл (КДЦ) атмосферной циркуляции [2], фаза которого (восточная или западная) определяется направлением преобладающего зонального ветра экваториальной стратосферы. Влияние КД - атмосферной циркуляции может сказываться как на общей интенсивности &-слоя, так и на амплитудах колебаний его параметров с периодами планетарных волн (ПВ), при этом влияние может проявляться на всех широтах.

В данной работе было проведено исследование влияния КД - на динамику Es-слоя северного полушария. На основе данных NGDC по измерениям предельной частоты fJLs (1965-1989 гг.) проведена интерполяция среднесуточных значений fJLs и вейвлет-амплитуд

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 92аа Методы обработки данных

Основным методом спектрального анализа временных рядов в настоящем исследовании является интегральное (непрерывное) вейвлет-преобразование (ИВП) на основе базисной функции (вейвлета) Морле [3,4]. Данный метод позволяет получать частотно-временные спектры рядов, т. е. информацию об изменении спектрального состава во времени и является дальнейшим развитием метода анализа на основе оконного Фурье-преобразования (ОФП). Выбор вейвлета Морле обусловлен следующим: 1) вейвлет имеет хорошую частотно-временную локализованность; 2) вейвлет является комплексной функцией и соответственно имеет нулевые коэффициенты Фурье при отрицательных частотах, что важно для анализа временных рядов; 3) вейвлет представляет собой локализованное во времени почти гармоническое колебание с оконной функцией Гаусса, что соответствует задаче исследования гармонических волн в атмосфере в линейном приближении. Рассматриваемое ИВП на основе вейвлета Морле имеет вид:

(W^f(t))(b,a) = 7 I /(tj-lfflp (-^^) ехр ("^^) А.

Чоо

где Wxv Ч оператор ИВП на основе вейвлета \|/(х), fit) Ч анализируемая функции или временной ряд, а Чмасштаб, Ъ Ч сдвиг на оси времени, у Ч нормирующий множитель, Q Ч собственная частота вейвлета Морле. Для удобства интерпретации амплитудных вейвлет-спектров \(Wxvf(t) )(b,a)\ авторами предлагается аналитически обоснованный выбор следующих значений параметров: Q. = Itz для получения соответствия масштаба а в ИВП и периода Т в ОФП, у = 11а для соответствия модуля ИВП амплитуде /а в ОФП для гармонического сигнала f(t)=f0 exp(i (2л/Г) t). Авторами также получен вид вейвлет-спектра в переменных (Ь,а) для реального ограниченного во времени гармонического сигнала [4]. При вычислении ИВП интегрирование заменяется суммированием:

{ЩМШ а) = Ч 2^ ^v (Ч-Ч ,

fc=o \ а /

где {s} Ч исследуемый временной ряд, дискретизированный во времени с шагом & и числом отсчетов N, Ъ Ч индекс анализируемой точки в ряде {s}, \|/(х) Ч вейвлет Морле (о =1):

ф(х) = =ехр Ч Ч-г) ехр(гОж).

W2ttа \ 2сг /

Для исследования волновых свойств скалярного поля геофизических параметров авторами разработана интерполяционная модель пространственно-временных колебаний (ИМПВК). В основу модели положена интерполяция значений данного параметра на фиксированной сетке географических координат на основе измерений параметра на произвольно расположенных станциях. При этом для выделения колебаний в интересующей полосе периодов ряды измерений предварительно обрабатываются ИВП или цифровым полосовым фильтром (ЦПФ). Пусть гm(tk) Ч значение параметра ?, на m-ой станции (m=l,..,n) в момент времени tk (шаг во времени постоянен), 9т и фт Ч географические координаты (широта и долгота) станции, a fm(tk) = V[гm(tk) ] Ч выделенное колебание, где V обозначает действие ИВП или ЦПФ. Тогда при интерполяции получаем поле колебаний f(9i,(f>j,tk), определенное уже на всей дискретной сетке координат (0i,(f>j), причем точность интерполяции будет зависеть от количества и равномерности распределения станций.

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 93аа f(9, ip) Ч f{x, у, z) Ч f(cos9 cos<^>, cos ^sin^, sin9).

Для интерполяции скалярных значений fm(tk) использован метод мулътиквадрик, изначально примененный Р. Харди [5,6] для восстановления поверхностей (в двухмерных координатах) по нерегулярно расположенным опорным точкам. В данной работе метод распространен на случай трехмерных декартовых координат [7]. Значения поля fix,y,z) аппроксимируются функцией

f{xt у, z) = ]Г с, [(xj - х)2 + [у[ - у)2 + (*> - z)2]1/2.

?'=1

где x'j, у'и z'i Ч координаты /'-ой опорной точки (станции), сг Ч коэффициенты, которые находятся решением системы из п инейных уравнений, образованных подстановкой fm вместо fix,y,z) и х'т, у'т, z'm вместо х, у, z.

Результаты обработки экспериментальных данных

В работе использованы данные международной сети ионосферных станций вертикального зондирования, доступных на Интернет-сервере National Geophysical Data Center (

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 94аа

POINT ARGUELLO (34.6c.ui., 120.6з.д.)

IRKUTSK

(52.5с.ш., 104

жжжА-)

KIRUNA

(67.8с.ш.

20.4-в.д.)

а)

5)

в)

г)

0.21 0.17 0.12 0.0S

0.04

0.1В 0.14

0.11 0.07

0.04

0.31 0.25 0.1Э 0.12

о.ое

0.21 0.17 0.1Э 0.09

0.04

0.16 0.12 0.09

0.06 0.03

0.17 0.13 0.10 0.07 0.03

0.37 0.30 0.22 0.1 Б 0.07

0.1 Б 0.12 0.09

0.06 0.03

о.эо

0.24

0.19 0.12 'Г'Л"5

0.33 0.26 0.20 0.13

0.07

0.25 0.20 0.15 0.10 0.0Б

0.34 0.27

0.20 0.13 0.07

14а 20а 2Ва 32

14аа 20аа 26а 32

14аа 20а 26а 32

Период, сут

Период, сут

Период,сут

Рис. 1. Среднесезонные спектры fJLs (а - зима, б - весна, в - лето, г - осень). Вертикальными

отрезками обозначены доверительные интервалы для межгодовых средних значений амплитуд,

рассчитанные исходя из доверительной вероятности 0.95

При анализе полученных среднесезонных спектров всех рассмотренных станций северного полушария (всего около 120 станций), были выделены доминирующие периодичности 4-6, 14-16 и 22-28 суток, наиболее четко проявляющиеся на средних широтах в летний период. Наличие 2-32-суточных колебаний в параметрах &-слоя, вероятно, связано с возмущениями этих периодов в нижележащей атмосфере, которые способны проникать на высоты MLT-области как в зимнее время, когда этому благоприятствуют западные ветры в стратосфере, так и в летнее время, когда это может быть обусловлено гравитационными волнами, промодулированными колебаниями с периодами ПВ, а также проникновением ПВ из зимнего полушария в летнее через экватор. Возрастание амплитуд колебаний летом, очевидно, также связано с сезонным увеличением ионизации Е-области под действием солнечного излучения.

Полученные с помощью вышеописанного метода временные ряды амплитуды 4-24-суточных колебаний fJLs для всех станций северного полушария, имеющих достаточно надежные и непрерывные данные за 1965-1989 гг., были использованы для интерполяционного моделирования динамики глобального распределения 4-24-суточных колебаний на координатной одноградусной сетке северного полушария для широт 15-75 с.ш.аа Для изучения влияния КД - атмосферной циркуляции на Es-сяой был рассмотрен

индекс и Ч среднемесячные значения средней скорости зонального ветра в слое 19-31 км над экватором Ч основной индекс КД - в циркуляции атмосферы [8]. Далее был проведен

корреляционный анализ среднегодовых значений индекса и и интерполированных значений foEsаа иаа амплитудаа 4-24-суточныхаа колебаний fJLs.аа Ваа качествеаа мерыаа корреляцииаа взят выборочный коэффициент корреляционного отношения Пирсона. В таблице 1 приведены коэффициенты корреляции для среднегодовых значенийаа fJLs и амплитуды 16-суточного колебания fJLs.

В результате установлена значимая корреляция индекса и с fJLs и амплитудами 4-24-суточных колебаний fJLs в секторе долгот 30-270 (отсчет к востоку от нулевого меридиана) и широт 15-75аа с.ш.: интенсивность &-слоя и амплитуды 4-24-суточных колебаний f0Es

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 95аа Таблица 1. Коэффициенты корреляции среднегодовых значений и с интерполированными

значениями предельной частоты fJLs и амплитуды квази 16-суточного колебания fJLs (1965-1989

гг.). Жирным шрифтом выделены области значимой корреляции______________________

	Долгота (к востоку от Гринвича)
Широта	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330
	foEs
15	-0.09	-0.20	-0.27	-0.38	-0.45	-0.54	-0.51	-0.41	-0.41	-0.33	-0.27	-0.17
30	-0.15	-0.20	-0.34	-0.42	-0.51	-0.46	-0.49	-0.47	-0.47	-0.39	-0.32	-0.26
45	-0.05	-0.13	-0.34	-0.37	-0.45	-0.16	-0.23	-0.26	-0.24	-0.11	-0.23	-0.28
60	-0.13	0.08	-0.17	-0.21	-0.28	-0.11	-0.35	-0.17	0.04	0.21	-0.09	-0.20
75	-0.26	-0.27	-0.24	-0.20	-0.34	-0.39	-0.41	-0.39	-0.24	-0.16	-0.17	-0.23
	Квази 16-суточноеколебаниеf0Es
15	-0.04	-0.15	-0.27	-0.49	-0.55	-0.56	-0.41	-0.27	-0.34	-0.29	-0.16	-0.12
30	-0.10	0.01	-0.09	-0.44	-0.49	-0.42	-0.37	-0.24	-0.29	-0.34	-0.13	-0.14
45	-0.09	0.06	-0.08	-0.26	-0.20	-0.05	-0.36	-0.20	-0.29	-0.19	-0.10	-0.12
60	0.03	0.12	-0.05	0.10	-0.10	-0.22	-0.28	0.09	-0.13	-0.19	-0.02	-0.01
75	-0.03	-0.12	-0.16	-0.10	-0.18	-0.18	-0.08	-0.04	0.01	0.02	-0.00	-0.00

Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 96аа В результате вейвлет-анализа экспериментальных данных по измерениям предельной частоты foEs в северном полушарии получены сред несезонные спектры 2-32-суточных колебаний с выраженными 4-6, 14-16 и 22-28-суточными максимумами. На основе разработанной интерполяционной модели пространственно-временных колебаний получены распределения 4-24-суточных амплитуд fJLs в северном полушарии за 1965-1989 гг. С помощью корреляционного анализа обнаружено влияние квазидвухлетнего цикла атмосферной циркуляции на интенсивность и амплитуды 4-24-суточных колебаний предельной частоты &-слоя. Связь амплитуд колебаний fJLs с КД - атмосферной циркуляции может быть обусловлена: 1) влиянием КД - на интенсивность ионизации в Es-слое под действием солнечного излучения, 2) амплитуды 2-32-суточных колебаний fJLs могут испытывать влияние динамики планетарных волн, которые, в свою очередь, уже модулируются КД - экваториальной стратосферы. Большинство последних исследований указывает на справедливость второго предположения.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант №05-05-64651-а.

итература

1. Хантадзе, А. Г. Ионосферные эффекты планетарных волн / А. Г. Хантадзе, 3. С. Шарадзе // Волновые возмущения в атмосфере. Ч Алма-Ата: Наука, 1980. Ч С. 143Ч 158.
2. Егорова, Л. В. О взаимосвязи квазидвухлетних вариаций в параметрах слоя Es и метеохарактеристиках нейтральной атмосферы в цикле солнечной активности / Л. В. Егорова // Геомагнетизм и аэрономия. Ч 1994. Ч Т. 34, №6. Ч С. 163-166.
3. Шерстюков, О. Н. Синоптические колебания в параметрах среднеширотного спорадического слоя Е / О. Н. Шерстюков, Е. Ю. Рябченко // Геомагнетизм и аэрономия. Ч 2004. - Т. 44, 5. Ч С. 661-667.
4. Sherstyukov, О. N. Time-Frequency Analysis of Data Using Morlet Wavelet / O. N. Sherstyukov, E. Yu. Ryabchenko // Georesources (International Journal of Science). Ч 2001.

Ч 2(5).Ч P. 36-39.

1. Hardy, R. L. Multiquadric equations of topography and other irregular surfaces / R. L. Hardy 1П. Geophys. Res., 1971.ЧV. 76.ЧP. 1905-1915.
2. Максютин, С. В. Пространственная аппроксимация ионосферных параметров методом мультиквадрик / С. В. Максютин, О. Н. Шерстюков. Казанский ун-т. Ч Казань, 1996.

Ч Рус.-Деп. в ВИНИТИ. 06.12.96. N3538-B96. Ч 16 с.

• Sherstyukov, О. N. Wave behaviour of sporadic E-layer variations at the latitudes 30-70 N / O. N. Sherstyukov, E. Yu. Ryabchenko // Adv. Space Res. Ч 2005. Ч V. 36, 11. Ч P. 2207-2211.
• Сидоренков, H. С. Мониторинг общей циркуляции атмосферы / Н. С. Сидоренков // Труды Гидрометеоролог, науч.-исслед. центра Рос. Федерации. Ч 2000. Ч Вып. 331. Ч С. 12-41.
     Все научные статьи