книги из ГПНТБ / Гайгеров С.С. Исследование синоптических процессов в высоких слоях атмосферы

величины, что и в тропосфере, поскольку в стратосфере возрастает как характер­ ная скорость и, так и характерный размер L . Таким образом, можно ограничиться двумя членами разложения горизонтальных слагающих скорости по степеням ki, и, следовательно, справедливость квазигеострофического приближения для стра­

тосферы сохраняется [114, 151].

Опытные прогнозы по схемам, основанным на решении уравнений (40) и (41), рассчитывались до уровня 2 мб и оказались удовлетворительными [43].

В. М. Ермаков, Т. Ш. Мусаелян, В. С. Пурганский исследовали возможность восстановления поля ветра в верхней атмосфере ме­ жду пунктами ракетного зондирования [87].

Учитывалось, что стратомезосферные вихри отличаются от тропосферных бо­ лее значительными горизонтальными и вертикальными размерами, продолжи­ тельностью существования, а также большим характерным временем, в течение которого движения в вихре можно считать стационарными. Исходя из этого, для описания ветрового режима в осесимметричном квазистационарном вихре использовали систему уравнений термогидродинамики в адиабатическом и циклострофическом приближении.

Поле ветра находили по полученному точному решению уравнений, исполь­ зуя в качестве одного из краевых условий данные ракетного зондирования, а также данные радиозондов в качестве другого, нижнего краевого условия. В результате установлена возможность восстановления поля ветра для зимних условий при расстоянии между станциями ракетного зондирования до 2000 км (и наличии достаточной освещенности до высот 30 км), что является полезным указанием для планирования сети ракетного зондирования.

Кроме того, результат работы [87] позволяет надеяться, что при дальнейшем усовершенствовании модели будет целесообразен учет восстановленных значений для построения карт высоких уровней.

2.О ВОЗМОЖНОСТИ ВЛИЯНИЯ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ НА СЛОИ АТМОСФЕРЫ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ НИЖЕ

Впериоды геомагнитных возмущений происходят сильнейшие колебания температуры верхней атмосферы. Так, по результатам

и уменьшение температуры в экваториальной области на 90° К. Измерения производились на спутнике ОГО-VI с помощью фран­ цузской аппаратуры [251, 376]. Использовался сферический интер­ ферометр Фабри—Перо, дающий профиль линии кислорода 630 нм в дневном свечении атмосферы на различных высотах между 200 и 350 км. Температура нейтральных компонентов атмосферы опре­ делялась по этим измерениям с точностью ±50° К. Как видно на рис. 102, где приведены почти одновременные данные, имеют место резкие пространственные колебания температуры верхней атмо­ сферы в диапазоне от 1500 до 900° К. Выше уже приводились вре­ менные разрезы, свидетельствующие о распространении потеплений

из нижней термосферы и верхней мезосферы в стратосферу. По­ этому представляет интерес указать на возможности примене­ ния точного решения одномерной системы уравнений гидромехат ники [15].

В. И. Бекорюковым и В. С. Пурганским [15] показано, что ме­ ханизм реакции атмосферы на термическое возмущение носит ха­ рактер термического прилива. При наличии в верхней атмосфере

источника тепла, локализованного по высоте, как выше, так и ниже его возникают вертикальные токи, которые осуществляют преобразование f(z) ->f(г + ф), где f — любой термодинамический параметр атмосферы, ф — интеграл от источника по времени. Сле­ довательно, источник тепла в этом случае является импульсом, который позволяет атмосфере черпать энергию из своего начальт ного состояния (внутреннюю энергию).

Недостаток одномерной модели заключается в неучете горизон­ тальных потоков. Если источник тепла расположен в ограниченной области атмосферы, то вследствие возникновения градиентов дав­ ления образуется горизонтальный перенос воздуха, который в ка­ кой-то степени сглаживает возмущение. Поэтому модель нужда­ ется в усовершенствовании.

В. Д. Решетовым проведено синоптико-статистическое исследо­ вание взаимосвязи колебания давления в стратосфере с измене­ ниями давления у Земли за период 1—3 дня. При этом исполь­ зуются некоторые физические предпосылки о взаимосвязи явлений агеострофичности и нестатичности с изменениями давления, полу­ ченные им несколько ранее [185].

Из этих представлений следует, что в области высотного анти­

времени этот процесс, имеющий небольшую интенсивность, пере­ крывается колебаниями давления у Земли, связанными с адвек­ цией и переносом атмосферных возмущений. Но в интервалы в не­ сколько дней, когда приобретает большее значение эволюция барического поля, взаимосвязь изменений давления у Земли с со­ стоянием циркуляции в верхних слоях атмосферы может прояв­ ляться более отчетливо. Кроме того, наряду с причинными связями могут иметь значение и связи типа прогностических при­ знаков, когда признаки изменения давления у Земли появляются сначала на больших высотах в стратосфере.

Получены линейные уравнения регрессии, в которых прогнози­ руемыми элементами являются изменения давления у Земли за 2—

с распределением отклонений давления на различных уровнях на основе нелинейных уравнений регрессии, построенных в виде мно­ гочленов второй степени.

Судя по полученным данным, влияние стратосферы на изменения давления у Земли не может, по-видимому, обусловить полностью колебание давления у Земли. Но оно может определить его на­ чальную направленность и явиться причиной дальнейшего разви­ тия возмущений того или иного знака за счет энергии неустойчи­ вости движений в тропосфере.

Таким образом, приведенные выше предварительные теоретиче­ ские соображения свидетельствуют о возможных влияниях термосферных источников тепла на нижележащие слои атмосферы. С другой стороны, синоптико-статистические исследования указы­ вают на возможное стратосферно-тропосферное взаимодействие, имеющее прогностическое значение.

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРАТОСФЕРНЫХ ДАННЫХ В ДОЛГОСРОЧНЫХ

ПРОГНОЗАХ ПОГОДЫ

В советской школе долгосрочных прогнозов Б. П. Мультановского под естественным синоптическим (е. с.) сезоном понимается промежуток времени (близкий к двум месяцам), в течение кото­ рого большинство (75% и более) е. с. периодов (около 5—7 дней)

аналогично друг другу по географическому распределению термо­ барических полей в тропосфере. В 1964 г. С. Т. Пагава предложил использовать для сезонных прогнозов по тропосфере данные о циркуляции в стратосфере. В пользу этого предложения говорит следующее. Во-первых, макропроцессы в стратосфере выражены рельефнее, чем в тропосфере, так как число мелких термобариче­ ских возмущений с высотой значительно уменьшается. Во-вторых, хорошо выражена сезонность стратосферных процессов, т. е. в те­ чение е. с. сезона в стратосфере преобладает определенное рас­

в тропосфере и нижней стратосфере и предвестниками е. с. сезонов [156]. Найдены связи между сроками наступления е. с. сезонов

можно определить, какая из особенностей циркуляции в нижней стратосфере должна соответствовать наступлению е. с. сезона зимы в тропосфере по первому району (ограниченному 30° з. д. и 90° в. д., 35 и 70° с. ш.). Аналогично предвестником е. с. сезона весны в тропосфере по тому же району является наступление пе­ риода разрушения вихря в нижней стратосфере.

Установленные синхронные и асинхронные связи между стра­ тосферными и тропосферными процессами используются в Гидро­ метцентре СССР при составлении прогнозов на сезон [158, 184]. При этом С. Т. Пагава подчеркнул важность использования на­ ряду с картами поверхности 100 мб всех имеющихся карт до по­ верхности 10 мб включительно [155].

В 60-х годах в ряде работ было обращено внимание на значе­ ние высоких слоев атмосферы как предиктора тропосферных про­ цессов на долгий срок [274, 302, 434]. В частности, Эбдон установил зависимость общей характеристики погоды от времени перехода к восточной циркуляции на поверхности 50 мб [274, 275]. Лабитцке обнаружила связь экваториального квазидвухлетнего цикла цир­ куляции стратосферы с характером лета в Европе: западным по­ токам цикла соответствует жаркое лето, восточным — холодное и влажное [332]. Кроме того, Лабитцке установила, что ранние ве­ сенние перестройки происходят, как правило, в годы, когда эква­ ториальные ветры на поверхности 20 мб в период январь—апрель были западными или менялись на западные, а поздние весенние

указали на преимущественное распространение особенностей

ваются с циркуляцией летнего стратосферного антициклона [297].

Изучение квазидвухлетней цикличности в Гидрометцентре СССР

приняло прогностическую направленность в последние 4—5 лет. Были организованы специализированные рейсы научно-исследова­ тельских судов по проблеме «Квазидвухлетняя цикличность в эк­ ваториальной стратосфере и ее отражение в процессах внетропи-

Особенности квазидвухлетних колебаний циркуляции у эква­ тора (и в зоне 5—15° широты от экватора) состоят в том, что на высотах от 18 до 35 км происходит периодическая смена западных и восточных ветров. На высоте 23—24 км, где цикл выражен наи­ более отчетливо, средняя его продолжительность составляет 26 ме­ сяцев. Выше 35 км имеет место полугодовой цикл экваториальной циркуляции с западными ветрами в переходные сезоны и восточ­ ными зимой и летом. Через 24—30 месяцев западные потоки ше­ стимесячного цикла проникают в среднюю стратосферу и дают на­ чало западным потокам квазидвухлетнего цикла. Скорость опуска­ ния западных и восточных ветров составляет около 1 км в месяц. При западных ветрах у экватора существенно возрастает меридиональность внетропической циркуляции и вероятна ранняя весенняя перестройка в стратосфере; при восточных потоках возрастает ин­ тенсивность зональной циркуляции и вероятна поздняя весенняя перестройка [ПО]. А. И. Угрюмовым найдены корреляционные связи среднего месячного поля давления в июне со сроками весен­ ней перестройки стратосферной циркуляции, построены типовые карты АТ500 и карты приземного давления в годы ранних и позд­ них перестроек [205].

С учетом перечисленных выше связей в Гидрометцентре СССР

составляются прогнозы общего характера весенней погоды в за­ падной половине СССР. К составлению прогноза привлекаются данные специализированных рейсов научно-исследовательских су­ дов, проводящих высотное зондирование в экваториальных широ­ тах. Для прогноза на весну 1970 г., например, привлекались дан­ ные зондирования в районе экватора в начале июня 1969 г. В эк­ ваториальной зоне западный цикл был в максимальной фазе, на высотах 20—30 км наблюдались западные ветры, восточный ветер обнаруживался выше 32 км [38]. Нижняя граница зоны восточных

ветров через 10—11 месяцев должна была опуститься (с учетом средней скорости опускания) до высоты 21—22 км. Таким образом была предсказана поздняя перестройка циркуляции. Были подоб­ раны аналоги, и в соответствии с ними был дан прогноз ранней и теплой весны. Точно так же прогнозы были составлены на весну 1971 г. и весну 1972 г. [206].

4. НЕОБХОДИМОСТЬ ОПЕРАТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ПРОГНОЗОВ

Информация о высоких слоях атмосферы и прогнозы для верх­ ней атмосферы необходимы не только для учета в прогнозах по­ годы для тропосферы. Разносторонние сведения о все более высо­ ких слоях атмосферы прежде всего нужны развивающейся авиа­ ции и космонавтике. В ближайшие годы самолеты поднимутся в верхнюю стратосферу и потребуется оперативное обеспечение сведениями о метеорологических параметрах на этих уровнях,

атакже прогнозами состояния атмосферы [179].

Всвязи с развитием ракетной техники и космонавтики возни­ кают требования по обеспечению запуска кораблей, входа в плот­ ные слои атмосферы и обеспечению полета корабля от района входа к месту посадки. Коснемся этого вопроса, опираясь в ос­ новном на данные монографии Боллермана [253, 384].

При запуске больших ракет необходимы точные сведения о поле ветра и плотности. Большие космические ракеты при взлете сильно перегружены горючим, которое может составлять 90% по­ летного веса. Под воздействием серии сдвигов ветра возникающие изгибающие моменты в сочетании с реакцией системы управления могут вызвать повреждение тонкостенной конструкции ракеты. Оценено, что приблизительно 50% различных характеристик кон­ струкции типичной большой управляемой ракеты чувствительно к сопротивлению ветра и нагрузкам сдвига ветра. Поле ветра с вы­ сокими скоростями представляет наибольший источник боковой нагрузки конструкции. Найдено, что ветровая нагрузка может представлять опасность как причина возникновения резонансов сгибания, а также преждевременного отделения ступени ракеты до высоты 90 км. Плотность представляет другой атмосферный пара­ метр, который оказывает влияние на летные качества ракеты. Плотность может изменяться до 50—80% своего первоначального значения и в силу этого воздействовать на тягу, торможение, аэродинамические моменты и аэродинамическое нагревание боль­ ших ракет. Для обеспечения оперативной информацией о ветровом режиме и плотности при запуске космических ракет в США, как указывалось выше, были разработаны недавно метеорологические ракеты с потолком зондирования более 100 км.

Еще важнее знать плотность при обеспечении входа ракеты в плотные слои атмосферы. Например, изменение плотности ат­ мосферы между высотами 45 и 100 км в течение испытаний ракеты «Скаут» обусловило различие скоростей нагревания ракеты во время входа до 20%. Судя по литературным данным, необходимо

к космическим кораблям и ракетам, осуществляющим вход в плот­ ные слои атмосферы в режиме гиперзвукового планирования или квазигоризонтальный полет в плотной атмосфере протяженностью в несколько тысяч километров.

Рис. 1036. Синоптическая карта плотности на высоте 40 км за 10 января 1968 г.

Усл. обозначения см. рис. 103а.

Исходя из прикладных целей уже начали составлять синопти­ ческие карты плотности на различных уровнях, о чем указывалось

потепления в декабре 1967 г. Карты плотности западной части по­ лушария, опубликованные в работе [415], были проанализированы Л. М. Коломийцевой с учетом данных станций о. Хейса и Волго­ град.

плотность мала. С другой стороны, имеются свидетельства значи­ тельного упреждения мезосферных процессов по сравнению со стратосферными, в особенности при весенней перестройке. Летний антициклон, как мы видели по данным станции Молодежная (см. рис. 95), развивается в верхней мезосфере, и распространение

мических параметров из термосферы в более низкие слои. Приве­

нено, что вследствие изменения температуры термосферы и, следо­ вательно, изменения оптической толщины происходит перестройка функции нагревания во всем слое атмосферы от 120 до 30 км. По­ лучены и эмпирические данные, характеризующие взаимодействие между слоями атмосферы. Проведена оценка влияния колебаний давления в верхней атмосфере на изменения давления в тропо­ сфере.

Таким образом, создается представление о перспективности учета процессов в высоких слоях атмосферы при прогнозировании для нижней атмосферы. Уже теперь стратосферные данные исполь­ зуются в долгосрочных прогнозах на сезон в Гидрометцентре СССР. На основе квазидвухлетней цикличности сроки весенней перест­ ройки практически используются как предикторы для сезонных прогнозов на весну и летом. Положительным оказался опыт опе­ ративного составления карт для уровней 35—60 км. Следует ожи­ дать, что улучшение информации позволит в дальнейшем созда­ вать многоуровенные прогностические схемы, учитывающие вклады высоких слоев атмосферы.

Разносторонняя информация и прогнозы термодинамических параметров, скорости ветра и турбулентности высоких слоев атмо­ сферы становятся все более необходимыми для обеспечения иссле­ дования и использования космического пространства, для разви­ вающейся высотной авиации. Точность маневра космического аппарата при движении в атмосфере Земли существенно зависит от состояния атмосферы по траектории. Например, номинальные тра­ ектории входа космического аппарата в плотные слои атмосферы обычно рассчитываются по стандартной атмосфере. Неучет факти­ чески наблюдающихся экстремальных отклонений плотности от стандартных условий (превышающих управляющие возможности космического аппарата) может привести к нерасчетным отклоне­ ниям траектории. Встречаются случаи очень больших и быстрых отклонений параметров верхней атмосферы от стандартных усло­ вий. Таким образом, прогноз подобных возмущений и оператив­ ная информация о состоянии атмосферы необходимы для осуще­ ствления полетов в космосе.