Статистическая гидрометеорология как географическая наука
Рожков В.А.
Статистическая гидрометеорология
Часть 1
Термодинамика
2012
Содержание.
Предисловие.
Введение. СГМ как географическая наука
Гл.1
Статистический анализ термодинамических параметров атмосферы и океана.
1 1 Основные положения статистической термодинамики.
1.2 Термодинамика системы " Солнце — Земля, океан-атмосфера".
1.3. Статистический анализ температуры воздуха..
1.4 Атмосферное давление и центры действия атмосферы..
1.5 Облака и осадки. .
1.6. Статистический анализ температуры и солености морской воды. .
1.7. Лед в океанах и морях..
Познание любого объекта природы проходит три ступени:
— непосредственное его созерцание
(внешнее ознакомление с объектом во всей его целостности);
— анализ объекта (выделение его из общей естественной связи, расчленение его на части и отражение его сторон рядом абстракций);
— синтез (восстановление исходной целостности объекта, но на новой, высшей ступени проникновения в сущность этого объекта).
Б.М. Кедров
Предисловие
Гидрометеорология изучает гидросферу и атмосферу, их свойства, динамику, взаимодействие этих сред между собой и с другими элементами географической оболочки Земли. Изучение проводится как теоретически, так и по натурным данным. Теоретиков в основном интересуют причинно-следственные зависимости между процессами и факторами, их обусловливающими, формализация этих зависимостей чаще всего ищется в виде аналитических или численных решений системы дифференциальных уравнений механики жидкости и газа, выражающих законы сохранения массы, импульса, энергии. Обобщение натурных данных, полученных как на сети гидрометстанций, так и со спутников, проводится с использованием методов теории вероятностей (ТВ) и математической статистики (МС).
|
|
|
Характерным свойством гидрометеорологических процессов и полей является их пространственно-временная изменчивость в различных диапазонах (мелко-, мезо-, макромасштабах) времени (от секунд до десятков лет) и пространства (от сантиметров до тысяч километров).
Физическая интерпретация закономерностей этой изменчивости требует знания не только вероятностных моделей (случайного события, случайной величины или функции), но и представлений об атомно-молекулярном строении вещества (воздуха и воды), квантово-волновой природе солнечного излучения, турбулентном характере движения, а также основных положений статистической физики, термодинамики, гидромеханики. Учитывая результативность этих разделов физики, а также успехи статистической лингвистики, целесообразно и в гидрометеорологии выделить как специфичный раздел статистической гидрометеорологии.
|
|
|
Предметом статистической гидрометеорологии (СГМ) можно считать описание и физическую интерпретацию закономерностей разномасштабной изменчивости процессов и полей в атмосфере и гидросфере. Термин «изменчивость» подчеркивает вероятностную и статистическую методологию описания ее закономерностей на основе модели многомерной случайной функции, удовлетворяющей системе уравнений статистической гидромеханики и постулатам неравновесной статистической термодинамики.
Данный курс предназначен для специалистов и магистров гидрометеорологического профиля и читается на 5 году обучения. Все гидрометеорологические термины и понятия предполагаются известными из общих курсов географии, метеорологии, гидрологии и океанологии, курсов теории вероятностей и математической статистики.
В настоящем курсе предпринята попытка рассмотреть с единых позиций фундаментальные вопросы гидрометеорологии с учетом основных факторов, стохастизирующих гидрометеорологические процессы и поля, и формализации детерминистических концепций в виде «неслучайных функций» случайных аргументов.
|
|
|
Литература
Рожков В. А. Вероятностный анализ и моделирование океанологических процессов // Исследование океанов и морей. Вып. 2. М.: Гимиз, 1995. С. 292–299.
Рожков В. А. На пути к статистической гидрометеорологии // Труды ГОИН. Вып. 209. СПб.: Гимиз, 2005. С. 217–247.
Рожков В. А. Основные результаты и проблемы вероятностного анализа и моделирования океанологических процессов и полей // Исследование океанов и морей. М.: Гимиз, 1983. С. 171–184.
Рожков В. А. Статистическая гидрометеорология как географическая наука // Труды 12 съезда РГО. Т. 5. СПб., 2005. С. 137–143.
Рожков В. А. Статистическая океанология // Океанология в Санкт-Петербургском университете. СПб.: Изд. СПбГУ, 1997. С.89–108.
Рожков В. А. Теория вероятностей случайных событий, величин и функций с гидрометеорологическими примерами. СПб.: Прогресс-погода, 1996. 560 с.
Рожков В. А. Теория и методы статистического оценивания вероятностных характеристик случайных величин и функций с гидрометеорологическими примерами. СПб., Кн. 1. 2001. 340 с. Кн. 2. 2002.С. 343–780.
Введение.
Статистическая гидрометеорология как географическая наука
Данное введение писалось для всего курса статистическойц гидрометеорологии. Здесь автор кратко излагает материал курса, представляющего из себя 6 направлений исследований (выделенных нумерацией во введении). Каждое из этих направлений планировалось сделать отдельной главой книги. В этом издании публикуется только первая часть намеченной книги, т. е. термодинамика.
|
|
|
1. Статистический анализ термодинамических параметров атмосферы и океана.Вода и воздух состоят из атомов и молекул, следовательно, подчиняются законам статистической физики, а как сплошные среды описываются законами гидромеханики.
При решении гидрометеорологических задач методами механики, термодинамики сплошных сред в соответствующие уравнения всегда входят неизвестные параметры или функции, например уравнение состояния жидкости или газа, т. е. зависимость плотности от температуры и давления, теплоемкость жидкости, ее коэффициенты вязкости и т. д. Все эти зависимости и параметры можно определить экспериментально (феноменологическими методами). Статистическая физика позволяет вычислить эти величины, если известны силы взаимодействия между частицами. Большое число частиц в макроскопических телах приводит к появлению статистических закономерностей в поведении тел, не зависящих от конкретных начальных условий (от точных значений начальных координат и скоростей частиц). Важнейшее проявление этой независимости состоит в том, что система, изолированная от внешних воздействий, приходит в термодинамическое равновесие, зависящее от числа частиц, их суммарной энергии и т. д. Колебания числа молекул в объеме стохастичны и малы по сравнению со средними значениями.
Атмосфера (А) и океан (О) получают энергию от Солнца в виде электромагнитного и теплового излучения. Они являются частями климатической системы, под которой понимается совокупность взаимодействующих между собой, обменивающихся энергией и веществом подсистем (газовая оболочка Земли, Мировой океан со всеми морями, криосфера, литосфера и биосфера). Состояние каждой из подсистем описывается конечным числом определяющих экстенсивных (внутренняя энергия, энтальпия, энтропия) и интенсивных (температура, давление, концентрация) параметров.
Атмосфера и океан как в целом, так и раздельно (объемы воздуха и воды) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к термодинамическим системам. Совокупность свойств системы, таких как температура, давление, влажность, соленость и т. д., определяет состояние термодинамической системы, а изменение ее состояния и свойств называют процессом. Любые преобразования энергии, изменения количества вещества и его свойств, обмен теплом, паром и количеством движения между атмосферой и океаном, океанические и воздушные течения, изменения агрегатного состояния воды — это термодинамические процессы. Если при протекании процесса система не обменивается веществом с окружающей средой, то ее называют закрытой, а если она не обменивается еще теплом и работой, то ее называют полностью изолированной. Атмосфера и океан не являются ни закрытыми, ни тем более изолированными системами. Однако их в целом с достаточной степенью точности можно принять за закрытую термодинамическую cистему.
Термодинамика неравновесных процессов рассматривает системы как непрерывные среды, а их параметры состояния — как полевые переменные, т. е. непрерывные функции координат и времени. Количественное описание неравновесных процессов заключается в составлении уравнений баланса для элементарных объемов на основе законов сохранения массы, импульса и энергии, а также уравнений баланса энтропии и феноменологических уравнений, не рассматривая деталей механизма молекулярных взаимодействий. В законы сохранения входят такие величины, как поток диффузии, поток тепла и тензор давлений, которые характеризуют перенос массы, энергии и импульса.
Исходя из уравнений состояния к основным параметрам, применительно к атмосфере, следует отнести температуру (Т), влажность воздуха и атмосферное давление (Р), а к океану — температуру, соленость (S) и плотность (r) морской воды. Кроме того, состояние системы АО зависит от термодинамических процессов: испарения, образования облачности, осадков, ледяного покрова.
Первые статистические обобщения исходных данных были сделаны по синоптическим картам. Учитывая ручной съем информации в узлах заданной сетчатой области, интервал временной дискретности и продолжительность архива, вполне оправдано, что атмосферное давление дано лишь в терминах средних значений по месяцам, а температура воздуха описана в терминах средних и среднеквадратичных отклонений (СКО) от них.
Для архива синоптических карт рано было ставить вопрос о взаимной зависимости гидрометеорологических полей. С течением времени благодаря улучшениям методов сбора, хранения и обработки данных были вычислены по временным рядам как средние, так и среднеквадратичные отклонения Т и Р, оценены параметры многолетних трендов. В настоящее время в результате международного сотрудничества подготовлен многолетний массив реанализа метеорологических полей в узлах сеточной области в синоптические сроки на основе усвоения исторических исходных данных в атмосферной гидродинамической модели. Этот ансамбль дает возможность широкого применения методов многомерного статистического анализа для выявления неоднородности системы полей с учетом их градиента, пространственной, временной и межэлементной связности. Простейшими физически обоснованными гипотезами, положенными в основу обобщения результатов обработки данных, являются годовой и суточный циклы, обусловленные движением Земли вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси. Эта характерная особенность учитывается вероятностной моделью периодически и бипериодически коррелированного случайного процесса (или поля).
Специфика методов статистического анализа термодинамических параметров системы связных гидрометеорологических полей состоит в учете:
— неоднородности их пространственного распределения (путем совместного рассмотрения полей скалярных величин и векторов их градиентов);
— бипериодической (год, сутки) нестационарности;
— характерной особенности пространственно-временной изменчивости полей в виде сезонной перестройки пространственного распределения их одноточечных и двухточечных моментов.
2. Турбулентное движение воды и воздуха. Турбулентность — это явление, присущее подавляющему большинству течений, встречающихся в природе (атмосфере, реках, озерах, морях). В турбулентных течениях скорость V, давление, температура и другие гидродинамические величины беспорядочно пульсируют, крайне нерегулярно изменяются в пространстве и во времени.
Статистическая гидромеханика изучает закономерности этих движений на основе системы дифференциальных уравнений, записанных в терминах моментов распределения вероятностей и спектральных плотностей случайных полей давления, скорости движения и плотности жидкости и газа. Для замыкания этой системы используются гипотезы подобия и теория размерностей, вводятся понятия коэффициентов турбулентной вязкости, теплопроводности, диффузии; обосновываются безразмерные комбинации в виде чисел (Рейнольдса, Прандтля, Шмидта, Пекле, Нусселя, Стентона, Грассхофа, Релея) или универсальных функций.
Мелкомасштабную турбулентность характеризуют в терминах функции распределения пульсаций T, S, V; ее спектральную плотность аппроксимируют законом «минус пять третей». Синоптическую изменчивость атмосферных полей интерпретируют как крупномасштабную турбулентность, ее спектры подчинены закону «обратного куба».
Теория общей циркуляции атмосферы и Мирового океана учитывает передачу турбулентной энергии по каскаду масштабов, карты скорости V ветра и морских течений построены с учетом пространственного распределения средней и вихревой энергии турбулентного движения.
Специфика методов статистического анализа турбулентных движений системы связных гидрометеорологических полей состоит в:
— расширении системы термодинамических параметров за счет включения векторных полей скорости движения и тензорных полей их градиентов, полных производных скалярных и векторных гидрометеорологических величин;
— выделении движущихся барических образований как фактора, определяющего синоптическую изменчивость системы гидрометеорологических полей;
— стилизации этих образований в виде модели импульсного случайного процесса или поля.
3. Волновое движение воды и воздуха. Под волнами понимают изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Основное свойство всех волн, независимо от их природы, состоит в том, что в виде волн осуществляется перенос энергии, как правило, без переноса вещества. Отличить волны от турбулентности можно по дисперсионному соотношению между волновым вектором k и частотой w колебаний. Волны возникают из-за возвращающих сил, как реакция на воздействие внешних сил.
Атмосферу представляют как тонкую пленку на вращающейся сфере, обладающую определенными упругими свойствами, связанными со сжимаемостью воздуха. Плотностная неоднородность атмосферы при устойчивой стратификации способствует благодаря силам плавучести возникновению коротких гравитационных волн (с цикличностью 5–10 мин). Для движений самых крупных размеров в виде циклонических вихрей определяющую роль играют гироскопические силы. Кроме того, под действием сил притяжения Луны и Солнца, а также в результате теплового воздействия Солнца, в атмосфере возникают приливные движения, наиболее хорошо проявляющиеся в виде суточных (полусуточных) колебаний атмосферного давления в тропиках.
Океан находится в постоянном движении. Большая часть этих движений имеет волновой характер. Турбулентный воздушный поток вызывает на поверхности водоемов (озер, морей и океанов) ветровые волны, перемещающиеся барические системы порождают сгонно-нагонные, анемобарические колебания уровня, сейши, штормовые нагоны.
Приливные движения в океане в виде колебаний уровня, скорости течений, внутренних волн выражены весьма ярко: в прибрежных районах приливные колебания уровня в 5–6 м не редкость (в заливе Фанди они достигают 18 м). Скорости приливных течений 5–10 узлов в проливах — обычное явление, наиболее разительны внутренние волны приливной природы. Характерным свойством приливных движений является их регулярная повторяемость, обусловленная гравитационным взаимодействием Земли, Луны и Солнца. Однако приливные движения в Мировом океане протекают на фоне и во взаимодействии с разномасштабными гидрофизическими процессами, поэтому наиболее общей моделью является полипериодически коррелированный случайный процесс.
Расслоенность океана по плотности приводит к развитию волн внутри водной толщи, поддерживаемых силами плавучести (внутренние бароклинные волны). Более длиннопериодные из внутренних волн чувствуют вращение Земли и видоизменяются под действием силы Кориолиса в пределе до чисто инерционных круговых движений в горизонтальной плоскости. Еще более крупномасштабные и медленные волны — волны Россби (планетарные волны) — поддерживаются благодаря изменению силы Кориолиса по широте.
Волны цунами возникают при резких вертикальных смещениях отдельных участков дна океана, вызываемых подводными землятрясениями, вулканическими извержениями или подводными оползнями. В развитии цунами с момента их возникновения обычно выделяют три стадии: формирование волн и распространение их вблизи очага зарождения; свободное распространение волн в открытом океане большой глубины; выход волн в район материковой отмели шельфа, где под действием мелководья происходит сильная деформация волн вплоть до их разрушения и вскатывания на сушу. По источнику возникновения цунами стохастичны, по трассе их распространения и месту выхода на мелководье — тоже.
Специфика методов статистического анализа волновых движений гидрометеорологических полей состоит в том, что:
— основной вероятностной характеристикой волн является частотно–направленная спектральная плотность S(w, q, r, t);
— элементы волн (высота, длина, период), групп волн, последовательности штормов и окон погоды рассматриваются как функционалы участков исходных реализаций и их огибающих, а их статистические характеристики — как набор параметров Q спектра.
4. Гидродинамическая неустойчивость движения и диссипативные структуры. В атмосфере и океане постоянно происходит активное взаимодействие различных полей в широком диапазоне масштабов. Кинетическая и потенциальная энергия, тепло, количество движения, завихренность переносятся как по направлению градиентов соответствующих свойств, так и против градиентов. В результате создаются слои или области, фронтальные зоны (ФЗ), в которых контрасты гидрометеорологических величин оказываются резко увеличенными по сравнению с окружением. В них появляется возможность роста малых возмущений, которые принимают вид волн и вихрей. Характеристики возмущений определяются свойствами их источников и потока, в котором они распространяются. Если возмущения затухают, то движение устойчиво; если растут, то движение неустойчиво. Теория гидродинамической неустойчивости описывает явления, связанные с перестройками атмосферных и океанических полей, волно- и вихреобразованием различных масштабов. К ним относят баротропную и бароклинную неустойчивость, комбинированную баротропно-бароклинную, инерциальную и симметричную неустойчивость, неустойчивость Кельвина — Гельмгольца и конвективную неустойчивость.
В океане в мелкомасштабном диапазоне изменчивости типична тонкая структура гидрофизических полей, возникающая из-за разнонаправленного движения сравнительно тонких смежных слоев (порядка 10 м) воды, модулированного вариациями с приливной и инерционной цикличностью. Тонкая структура вертикальных профилей температуры и солености имеет вид неупорядоченного чередования по глубине участков с низкими и высокими градиентами.
И. Пригожин предложил называть пространственные, временные или пространственно- временные структуры, которые могут возникать вдали от положения равновесия в нелинейной области, когда параметры систем превышают критические значения, диссипативными структурами.
В неравновесных системах вместо энтропии следует рассматривать производство энтропии, т. е. изменение энтропии за счет процессов притока и оттока, которое может быть как положительным, так и отрицательным. Следовательно, в открытых системах могут без нарушения второго закона термодинамики образовываться и существовать структуры.
Важнейшее физическое условие возникновения упорядоченного состояния в неравновесных системах заключается в согласованности (когерентности) поведения подсистем (молекул). Формирование структур при необратимых процессах связано с качественным скачком (фазовым переходом) при достижении пороговых значений (критических параметров). Предпосылкой для формирования упорядоченных структур в открытых системах является существование определенного соотношения между производством энтропии и обменом энтропией со средой. Структуры могут возникнуть в природе, когда выполняются следующие 4 необходимых условия:
— система является термодинамически открытой, т. е. может обмениваться веществом и /или энергией со средой;
— динамические уравнения системы нелинейны;
— отклонение от равновесия превышает критическое значение;
— макроскопические процессы происходят синергетически (кооперативно, согласовано).
Конвекция является самой распространенной формой движения жидкости и газа. Если слой жидкости сильно нагреть снизу, то возникает разность температур между нижней и верхней поверхностями. При разности температур выше критической начинается конвекция, при этом формируется система правильных шестиугольных ячеек. Эта система ячеек Бенара является типичным примером упорядоченной диссипативной структуры. В диапазонах синоптической и сезонной изменчивости для океана типична плотностная конвекция, формирующая, в частности, деятельный слой океана.
Атмосферный фронт (АФ) разделяет воздушные массы с различными свойствами (важнейшей его характеристикой являются контрасты температуры). Термин «фронтогенез» употребляется для обозначения процесса увеличения горизонтального градиента температуры в данной точке или внутри данного индивидуального объема воздуха. Концентрация энергии может быть результатом неоднородного нагревания воздушных масс над участками подстилающей поверхности с резко различным тепловым балансом (например, морем и сушей, континентом и океаном). В более узком смысле этим термином называют процессы возникновения и обострения высотных ФЗ и АФ. Развитие и усиление ФЗ как зоны высокой бароклинности — есть процесс увеличения энергии (как доступной потенциальной, связанной с горизонтальными градиентами температуры, так и кинетической, связанной с вертикальными сдвигами ветра, появляющимися вместе с горизонтальными градиентами температуры) атмосферных движений с масштабами от нескольких десятков до сотен километров.
Фронтогенез синоптических масштабов происходит от движений больших масштабов путем переноса тепла и количества движения воздушными течениями (результат нелинейного взаимодействия полей температуры и ветра). Этот процесс фронтогенеза является вторичным по отношению к процессу возникновения бароклинных систем (гребней и ложбин, циклонов и антициклонов). Однако возникновение барических образований тесно связано с ФЗ.
Развитие атмосферных вихрей, передача энергии от движений одних масштабов к движениям других масштабов — это процесс, двумя сторонами которого являются фронтогенез и цикло- (антицикло-) генез, идущий в атмосфере непрерывно и охватывающий широкий диапазон движений планетарного и синоптического масштабов.
В пассатном потоке зарождаются тропические циклоны — тайфуны, условием возникновения которых является превышение температуры поверхности океана значения 26,1–26.8°С; в дальнейшем тайфун либо трансформируется во внетропический циклон, либо выходит на сушу и заполняется, либо заполняется над океаном.
Океанические фронтальные разделы как физическое явление характеризуются свойством длительного самоподдержания. Они, с одной стороны, выступают в качестве границ между водами с различными физическими характеристиками, а с другой — как области интенсивного перемешивания. Фронты связываются с динамическими и кинематическими особенностями, которые возникают при передаче энергии и энстрофии по каскаду масштабов. Эта концепция фронтов проходит становление, аналогично тому как представление о непрерывной вертикальной стратификации вод океана уступило место представлению о тонкой структуре. Традиционно описательная океанография (по аналогии с климатологией) признавала существование водных масс лишь в планетарном смысле (субтропические конвергенции, субполярные и полярные фронты). Современная точка зрения исходит из того, что фронты в океане встречаются во всем спектре пространственных масштабов от метра или метров до размеров океана. Описание фронтов не нуждается в концепции «водной массы». Фронты всегда характеризуются экстремальным значением пространственного градиента физической характеристики (Т, S, r, V).
Синоптические движения в океане состоят из фронтальных меандр на струйных течениях и вихрей, порождаемых внутренней бароклинной неустойчивостью. Синоптические вихри в океане оказываются в десятки раз меньшими по размеру и в сотни раз более медленно перемещающимися и долгоживущими, чем в атмосфере. Энергетика синоптической изменчивости сопоставима со средней циркуляцией океана и атмосферы. Роль вихрей состоит в поддержании градиентов средних геофизических полей в обостренном состоянии в особых энергоактивных зонах.
Специфика методов статистического анализа гидрометеорологических полей состоит в:
— параметризации пространственных неоднородностей с совместным использованием как значений поля, так и его градиента;
— необходимости оценки продолжительности жизни выявленной неоднородности;
— учете переходов от волновых движений к турбулентным пульсациям.
5. Взаимодействие океана и атмосферы. Атмосфера и океан непрерывно обмениваются значительными количествами внутренней и механической энергии и вещества в разных масштабах, начиная с молекулярных пленок на поверхности воды (толщиной »0,1 мкм) и кончая планетарной циркуляцией (размером до 10 тыс. км). Взаимодействие между этими двумя средами происходит на их границе благодаря потокам тепла, влаги и количества движения. Эти потоки условно можно разделить на те же масштабы, что и взаимодействующие среды.
Под микропроцессами обычно понимают процессы, происходящие непосредственно не только на поверхности раздела, но и в прилегающих слоях воды и воздуха толщиной в несколько десятков метров, в которых происходит обмен количеством движения, водяным паром, теплом, энергией, газами и солевыми частицами. На самой поверхности расположен слой поверхностного натяжения, его толщина определяется радиусом молекулярного притяжения. В этом дельта-слое (толщиной 0,01–0,02 мм), где вода подобна твердому телу, основной поток тепла снизу обусловлен молекулярной теплопроводностью; oсуществляется охлаждение океана за счет эффективного теплового излучения в атмосферу (42%), испарения (51%), контактного теплообмена (7%).
Ниже (до 3–10 мм) расположен переходной слой со смешанным молекулярно- турбулентным характером движения. Верхний квазиоднородный слой (ВКС) воспринимает изменения погоды и формируется суточным конвективным перемешиванием. Процессы перемешивания длятся от нескольких часов до нескольких недель. Наиболее быстрое перемешивание — вихри Ленгмюра, они охватывают весь ВКС от поверхности до нижней границы. При формировании и углублении ВКС необходимо преодолеть устойчивую стратификацию. Устойчивость создается в теплой части океана, главным образом, за счет нагревания сверху, в холодной части — за счет опреснения воды осадками, речным стоком, таянием льдов. В умеренных широтах происходит смена устойчивости с температурной на соленостную (ВКС зимой — 180 м; летом — 20 м). В приводном слое атмосферы потоки импульса, тепла и влаги остаются приближенно постоянными по высоте (от 20 до 50 м); характерное время установления квазистационарного режима — 2–3 ч.
Планетарный пограничный слой включает области, расположенные по обе стороны поверхности раздела; течения в этих областях описываются двойной спиралью Экмана, дивергенция вертикального потока количества движения является величиной одного порядка с силой Кориолиса и силой градиента давления; потоки тепла, влаги и солености определяют вертикальное распределение этих субстанций. Турбулентные потоки по мере удаления от границы раздела двух сред уменьшаются, и взаимосвязь между погранслоями осуществляется вертикальными движениями и проникновением турбулентности (вовлечение) в соседнюю нетурбулентную область (свободная атмосфера или глубинный слой океана).
Деятельный слой (ДС) океана испытывает сезонные изменения температуры и подвержен сезонному перемешиванию (100–400 м). Синоптическое взаимодействие проявляется от структурных особенностей атмосферных образований и океанских фронтов до типов атмосферной циркуляции и неустойчивых струйных течений в атмосфере и океане.
Анализ натурных данных подтверждает гипотезу К. Хассельмана о возбуждении океана короткопериодными нерегулярными атмосферными колебаниями (красношумовая реакция океана на белошумовое воздействие атмосферы).
Специфика статистических методов состоит в:
— совместном анализе ансамбля пространственно-временных полей;
— многомерном анализе векторных потоков тепла, влаги и количества движения между А и О.
6. Климат и его изменчивость. Климатом называется статистический ансамбль состояний, проходимых системой атмосфера–океан–суша (АОС) за промежуток времени в несколько десятилетий. Математически климат — многокомпонентное случайное поле, система АОС глобальна, т. е. климат — понятие глобальное.
Э. Лоренц считает, что фазовое пространство этой системы распадается на ряд множеств Аi с определенными вероятностными мерами Р(Аi) и фазовые траектории могут длительное (но конечное) время пребывать в каждом из этих множеств и переходить из одного множества в другое. Математическим образом такого движения, описываемого системой нелинейных дифференциальных уравнений, является аттрактор (от английского слова “аttract” — притягивать).
В. П. Дымников одним из 5 направлений теории климата считает статистическое, целью которого является описание климата современными статистическими методами на основе данных измерений или четырехмерного анализа данных.
Совокупность данных измерений всех гидрометеорологических величин, выполненных в разное время в различных точках пространства, представляет единственную реализацию климатического ансамбля состояний. Поскольку измерения неравномерно распределены в пространстве и не охватывают во времени всех возможных ситуаций, то конструирование климатического ансамбля может быть достигнуто лишь на основе усвоения имеющихся натурных данных в моделях климатической системы, описывающих взаимодействие всех ее звеньев. По способу получения исходных данных в дискретном наборе пространственных точек и в синоптические сроки за ограниченные промежутки времени (десятки, реже сотни лет) все результаты гидрометеорологических наблюдений zj (ri, tk) являются фрагментами одной (абстрактной) многомерной реализации X (r, t) системы связных полей.
Специфика многомерного статистического анализа (МСА) состоит в том, что:
— усвоение данных измерений в климатической модели АОС позволяет вскрыть не только вероятностные закономерности отдельных процессов и полей, но и их взаимосвязь;
— климатические модели АОС используют для создания гипотетических сценариев, МСА которых является как источником верификации модели, так и аппаратом проверки гипотез;
— результаты МСА климатической натурной и модельной информации служат для построения статистических моделей климата[38].
Итак, хотя каждый из вопросов, перечисленных выше, нельзя считать новым, поскольку он обсуждался в отдельных монографиях, но для понимания факторов, обусловливающих изменчивость гидрометеорологических процессов, и закономерностей описания структуры и динамики полей гидрометеорологических величин, требуется их систематизация в названных 6 направлениях СГМ.
Литература
Белышев А. П., Клеванцов Ю. П., Рожков В. А. Вероятностный анализ морских течений Л.: Гимиз, 1983. 264 с.
Бортковский Р. С. Тепло- и влагообмен атмосферы и океана при шторме. Л.: Гимиз, 1983 .160 с.
Взаимодействие океана и атмосферы с окружающей средой / под ред. А. И. Дуванина. М.: Изд. МГУ. 1983.
Гарвей Д. Атмосфера и океан .М.: Прогресс, 1982 г.
Гилл А. Динамика атмосферы и океана. М.: Мир, 1986. Т. 1и 2.
Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флюктуации. М.: Мир, 1973.280 с.
Глобальный климат / под ред. Д. Е. Хотона. Л.: Гимиз, 1987.
Госсард Э. Э, Хук У. Х. Волны в атмосфере. М.: МИР, 1978. 532 с.
Груза Г. В. Ранькова Э. Я. Структура и изменчивость наблюдаемого климата. Температура воздуха Северного полушария Л.: Гимиз, 1980. 72 с.
Грузинов В. М. Гидрология фронтальных зон Мирового океана. М. Гимиз. 1986.
Грузинов В. М. Фронтальные зоны Мирового океана. М.: Гимиз, 1975. 198 с.
Давидан И. Н., Лопатухин Л. И. Рожков В. А. Ветровое волнение в Мировом океане. Л.: Гимиз, 1985. 256 с.
Давидан И. Н.,Лопатухин Л. И. Рожков В. А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс.Л.: Гимиз, 1978. 287 с.
Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964.456.с.
Дикий А. А. Теория колебаний земной атмосферы.Л.: Гимиз, 1969 196 с.
Должанский Ф. В., Кляцкин В. И., Обухов А. М. Нелтнейные системы гидродинамического типа. М.: Наука, 1974.
Доронин Ю. П. Взаимодействие атмосферы и океана. СПб, 1984 г.
Драган Я. П., Рожков В. А., Яворский И. Н. Методы вероятностного анализа ритмики океанологических процессов. Л.: Гимиз, 1987. 319с.
Дымников В. П. Филатов А. Н. Основы математической теории климата . М.: ВИНИТИ, 1994.
Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1974. 304 с.
Каган Б. А. Взаимодействие океана и атмосферы. СПб, 1992 г.
Калацкий В. И. Моделирование вертикальной термической структуры деятельного слоя океана. Л.: Гимиз, 1978. 216 с.
Китайгородский С. А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. Л.: Гимиз, 1970. 284 с.
Кондратьев К. Я. Глобальный климат. СПб.: Наука, 1992.г.
Коняев К. В., Сабинин К. Д. Волны внутри океана. СПб.: Гимиз, 1992. 272 с.
Краус Е. Взаимодействие атмосферы и океана. Л.: Гимиз, 1976 .
Лавренов И. В. Математическое моделирование ветрового волнения в пространственно-неоднородном океане. СПб.: Гимиз,1998. 500 с.
Лаппо С. С., Гулев С. К. Рождественский А. Е. Крупномасштабное тепловое взаимодействие в системе океан-атмосфера и энергоактивные области Мирового океана. Л.: Гимиз, 1974г.
Лоренц Э. Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы 1970
Мамедов Э. С., Павлов Н. И. Тайфуны. Л.: Гимиз, 1974. 139 с.
Марчук Г. И., Каган Б. А. Динамика океанских приливов. Л.: Гимиз, 1991.
Миропольский Ю. З. Динамика внутренних гравитационных волн в океане. Л.: Гимиз, 1981.302 с.
Моделирование и прогноз верхних слоев океана. Л.: Гимиз, 1979. 367 с.
Монин А.С. Введение в теорию климата. Л.: Гимиз, 1982. 246 с.
Монин А. С., Каменкович В. М., Корт В. Г. Изменчивость Мирового океана. Л.: Гимиз, 1974 г.262 с.
Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. М.: Наука. Ч. 1. 1965. 640 с.; Ч. 2. 1967. 720 с.
Монин А. С., Озмидов Р .В. Океанская турбулентность. Л.: Гимиз, 1981. 319 с.
Мурти Т. С. Сейсмические морские волны — цунами. Л.: Гимиз, 1981.412 с.
Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 2003. 342 с.
Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.Мир.1979.512 с.
Океанология. Физика океана.т.1. Гидрофизика океана. 455 с. т.2 Гидродинамика океана. 455 с. Наука. М. 1978 г.
Перри А. Х. Уокер Д. М. Система океан-атмосфера. Л.: Гимиз, 1979. 195 с.
Плахотник А. Ф. Взаимодействие океана и атмосферы. 1978.
Поляк И. И. Многомерные статистические модели климата.Гимиз 1989.
Пригожин И. Р. Введение в термодинамику необратимых процессов. 2001.159 с.
Проблемы исследования и математического моделирования ветрового волнения / под ред. И. Н.Давидана. СПб.: Гимиз, 1995. 472 с.
Процессы переноса вблизи поверхности раздела океан-атмосфера / под ред. А. С. Дубова. Л.: Гимиз, 1974. 240 с.
Ролль Г. У. Физика атмосферных процессов над морем. Л.: Гимиз, 1968.
Сеидов Д. Г. Моделирование синоптической и климатической изменчивости океана. 1985. 207 с.
Сеидов Д. Г. Синергетика океанских процессов. Л.: Гимиз, 1980.286 с.
Стехновский Д. И. Барическое поле Земного шара. М.: Гимиз, 1962. 150 с.
Фаулер Р., Гуггенгейм Э.Статистическая термодинамика. М.; Л, 1949. 612 с
Федоров К. Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л.: Гимиз, 1976.184 с.
Федоров К. Н. Физическая природа и структура океанических фронтов. Л.: Гимиз, 1983. 296с.
Филлипс О. М. Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гимиз, 1980.
Формирование, структура и флуктуации верхнего термоклина в океане. Л.: Гимиз, 1971. 143 с.
Фукс В. Р. Введение в теорию волновых движений в океане. Л.: Изд. ЛГУ. 1982. 200 с.
Хакен Г. Синергетика М. Мир. 1980. 404 с.
Чепмен С., Линдзен Р. Атмосферные приливы (термические и гравитационные). М: Мир, 295 с.
Шакина Н. П. Гидродинамическая неустойчивость в атмосфере. Л.: Гимиз, 1990. 308 с.
Шакина Н. П. Динамика атмосферных фронтов и циклонов Гимиз.Л. 1985.263 с.
Kalnay E., et al. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project. Bulletin of the American Meteorological Society. 1996. № 3. March.
Статистический анализ
термодинамических параметров атмосферы и океана
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 489; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!