Лидарные исследования пространственно-временных вариаций стратосферного аэрозоля над Северным Тяньшанем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ÜÍ Ль'ЛЕРСГСО ВиСсЗГО 11 СРЕДНЕГО ОЩШЬНОГО ОЙ»АЗОЗАЙИЯ

рис?

ТОМСКИЙ 0РД2Н03 ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВСШЩЕИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНА12НИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕЬШЯ км. В.В.КУйаШЕВА

На правах рукопЕСз УДК 551.501.7; 551.511 -

ISUffiíH ВЛАДУ.йИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ЖШРПн§ ИССЛШЗАШЗ ПРОСТ?АНСТВВННО-ВРESüEal ВАРИАЦИЙ СТРАТОСФЕРНОГО &2Р0501Я НАД СЕЗЗРНШ! ХННЬШЕМ

(спецязльаосвь 01.04.05 ■■ enrase)

АВТОРЕФЕРАТ

дгсоергвцна за соискание учезоь сгелео аьвдвдвга фззило-аагензтачеекпх ааук

Tomos - 1589

Ребогг шкншекз г ¿5?со<§еаачв<жоа вногагутв &Н Казахской ССР

Нзуч«гц<г руеоводеигеяа: докгор фааико-иагенаивчесиа: наук Хапенов Вудат Хулеаевгч доктор физико-иагеиагаческях наук, профессор Самохвалов Игнагкй Викторович

Офвязальше оппоненты: донгор фазино-иэтзыахичееккх наук Краков Георгий Михайлович иандздаг физико-иагеывгических наук Еншин Анатолий Васильевич

Ведуцая организация: Научко-нсследовагедьский институт физики Ленинградского орденов Левина и Трудового Красного Знамени Государственного унизер-сюета.

Задаха диссертации состойся "_в.__15_г.

ъ И час. 30 чин.' на заседаний специализированного совета К С63.53.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-махе-ка!и«зсаих наук при Томском орденов Октябрьской Революция и Трудового Красного Знамена государственном университете вы. В.В.КуЁ-Лыаева (634010, г. Томск, пр. Ленина, 36, главный корпус,, зуд. 136).

С диссертацией иоано ознакомься з научной библиотеке Томского уыиверсигега.

Автореферат разослан п_"__19_г.

Ученый секретарь специализированного совета,

«.«¿.-ц.в. ,.,(;, / <м, / Г.М.Дейкова

¿ь * ■ v

'Л

Актуальность темы.

Исследования аэрозольных слоев атмосферы все более инициируются, с одной стороны, интересом к кал как к специфичным атмосфер-К-Л! образованиям, отличающимся своими происхождением к законами существования, и, с другой сторог их значительным влиянием на погоду и климат в целом.

Избенке пространственно-временных вариаций стратосферного аэрозоля является одной из ватаейгшх составных частей исследований закономерностей существования наиболее мощного аэрозольного слоя средней атмосферы. Эти исследования приобретают особое значение учитывая отмечаемую в последнее время взаимосвязь состояния этого слоя с состоянием озонослоя Земли« Работа над созданием адекватной ' модели стратосферного аэрозольного слоя, впервые обнаруженного прямыми кетодемк Х.Юнге в 50-х годах, обязательно должна включать исследование динамики стратосферы и, в частности, самого аэрозольного слоя» Причем, с точки зрения как физики стратосферного аэрозоля, так и ряда прикладных задач (одной из которых является прогностическое моделирование атмосферных геофизических процессов) следует рас-сматр1пга?ь изучение регулярных фяуктуалий различных компонент стратосферы, в их связи с основными метеоэлементами атмосферы, как одну из наиболее ва*кых задач. Необходимо отметить и важность задачи разработки методов исследования динамики физических процессов, происходящих в средней атмосфере, используя аэрозоль стратосфера и кезосферы в качестве трассера.

Исследование таких фдуктуаций, особенно среднего и малого пространственно-временного ыасзтаба требует достаточно высокого пространственного и вреуенного разрепеккя, оперативности,- при ятом методы исследований долкны быть, по возможности, дистанционными и бесконтактными. Этим требованиям в наиболее полной мере удовлетворяет метод лазерного зондирования атмосферы. Кроме того, исследование пространственно-временных вариаций яидарного сигнала при его прохождении через атмосферу является само по себе важной прикладной задачей внутри и внеатмосферной лазерной локации.

Состоянда вопроса.

Развитие в последние гсды как прямых, так и дистанционных методов исследования атмосферы позволило продолжить планомерное изучение стратосферного аэрозоля, начатое ецэ в работах по прожек-

торнему, аэростатному н суыаречноьу зондировании. Так, модель атмосферного аэрозоля, предложенная Эдьтерманои по результатам прожекторного зондирования была одной из первых, которая учитывала существование аэрозольного слоя на высотах М-ЗШш, Дальнейшие нс-следования» выполнанныэ как с по^огцьэ оптических, так н с помощью ташактарных к фильтровых приборов на аэростатах, самолетах и ыетео-ракетах, а, в особенности, лмдаркые методы позволили конкретизировать сведения о стратосферном аэрозольном слое. Достигнутые к нас-то яцеу у Еремзнн результаты исследования стратосферного аэрозоля достаточно хорошо освещают средние физические, химические и оптические свойства аэрозольных частиц стратосферы. Сформировано представление о средней глобальном распределении стратосферного аэрозоля, его вертикальном распределении б спокойные и послевулканические периоды. 3 то не время, остаются неизученными и тонкие детали поведения стратосферного аэрозоля, необходимые для всестороннего поникания природа стратосферно.-о аэрозоля. Так, многие исследователи наб-лядаот проявление тонкой структура высотных профилей концентрации аэрозолей и их оптических характеристик в стратосфере, однако отсутствие достаточно длительных временных рядов наблюдений не по.-золяет предпринять попытку объяснить эффект расслоения. То же самое мояно сказать . о наблздаемых как в пряии, так у дистанционных исследованиях вариациях содержания аэрозоля внутри отдельных слоев в ста-тосфере.

Было установлено, что . л? еысотныз профили счетной концентрации частиц аэрозоля, так ш оптические характеристики стратосферного аэрозоля на разных уровнях варьирует в течение нескольких суток и даже нескольких часов. Подобные изменения особенно заметны в периоды повышенной замутненности стратосферы после крупных изверчений вулканов. То есть, строго говоря оптико-физические модели стратосферы должны учитывать динамику ее аэрозольной составлявшей. Лидаркые исследования динамики средней атиосферы проводились группой французских исследователей, где изучались флуктуации плотности атмосферы на высотах 30-80км в предположении существования только релеевского рассеяния (отсутствия аэрозоля), и группами М.Ф.Лагутина, З.Бдарю-на и Б.Клеиешя по исследовании динамики слоя атмосферного натрия ист одой резонансного рассеяния. Установлено, что флуктуации свето-рассеивагх^их компонент атмосферы, а таюге флуктуации концентрации и высоты слоя ¡¡атрия могут иметь регулярный характер. Причем периоды флуктуьцкй обычно детат в пределах от нескольких минут до нескольких часов.

Лндаркнэ исследования стратосферного аэрозоля, особенно в периода вулканической активности показали сезоннуэ зависимость высота ыаксга«ут аэрозольного слоя, корреляция профилей аэрозоля к температуры, тенденции к постепенному уменьшения отношения обратного рассеяния (отношение сук«арпго наблюдаемого коэффициента обратного рассеяния к только молекулярному коэффициенту обратного рассеяния) до фэноБкх величин в послевулканкческие периоды, В ряде работ наблндались я быстрые вариации отношения обратного рассеяния, но природа их осталась невыясненной.

Та;<:ед образом, назрела необходимость систематических экспериментальных исследований стратосферного аэрозоля и формирования на кг основе представления о динамических процессах з стратосфере, • взакмодействуящих с асрозолеи и влияецих на его высотнув стратификации и пространственно-вреискну» изменчивость.

Цель работа.

Проведение лидаркых исследований пространственно-прекеннкх вариаций оптических характеристик стратосферного аэрозоля в горккг условиях и разработка для этюс целе^ соетзетствувцкЕ иетодкк и аппаратуры.

Основные задачи работы заключались з следупцем: -обоснование применимости яидарного метода к исследовании периодически пространственно-временных вариаций оптического сигнала, обусловленного стратосферный аэрозолей;.

-разработка методики изучения волновых процессов на высотах стратосферы, протекащкх с участием аэрозоля;

-разработка лударного комплекса на базе 1-иетрэвого астрономического телескопа для исследования динамики атмосферы; -проведении регулярных лвдарныг наблюдений за динамикой стратосферного аэрозоля над Северный Тянь-Шанеи и построении на их основе физической модели короткопериодных (от минут до единиц часов) воз-ггуп;ений стратосферного аэрозоля.

Основные положения, вцносккые на защиту: I.Использование стратосферного аэрозоля в качество трассера, обусловленное тесной связьп обратного аэрозольного рассеяния с концентрацией аэрозольных частиц и эффектом увлечения стратосферного а»- ' розоля дреГ1фоБ1а! двхз.ениеы в поле волновых зозкучзний, позволило применить лидзрный метод для обнаружения и исследования пространственно-временных неодаородностей стратосферы. Выявление пзркоди-

- б -

ческкх фдутугуаций адрозольной компоненты лвдарнего сгчгнаяа основывается на исследовании спехтральньш йурье-анализом временных рядов отношения измеряемого суммарного коэффициента обратного рассеяния (j'„ (И) к расчетному молекулярное ). ¿.Исследована®с помощь» яидара ка базе 1-метрового телескопа периодичности флуктуации отношения обратного рассеяния R(H)~67?(H)/ffkn(Н) з диапазоне периодов от 6 до I3Q шн. обладает следующими особенностями:

-спектры модности фауктуаций R (Н ), как правило, имеют два макск муиа, один в диапазоне периодов 50-90 шн., второй - 15-30 мин.; "изменение спектров мощности флуктуаций R (Н) в стратосфере приходится на область высот ветровых сдвигов и изменений температурных градиентов.

3.Факторами, влияющими на периодические флуктуации R (Н) являются нймуцения, генерируемые вечерним солнечным терминатором, и орографические возмущен'/я, при этом:

-солнечный терминатор увеличивает дол» высокочастотных флуктуаций R (Н ) а вечерние часы (после захода Солнца) по сравнению с утренними (предвосходньши);

-добавки в спектры мощности флуктуаций R (Н ) орографических воз-мущениГ явгг"7гся особенностью горных условий; -орографические и терминаторкые волновые возмущения являются одной из причин пространственных неоднородностей в стратосфере.

Научная новизна результатов работы.

Разработан к введен в действие оригинальный комплекс аппаратуры на базе 1-метрового астрономического телескопа для исследования средней атмосферы методом лазерного зондирования.

Впервые проведены регулярные лидарнке исследования стратификации и пространственно-временной изменчивости стратосферного аэрозоля в горных ус-овиях Северного Тянь-Шаня.

проведенные лкдяркые исследования позволили получить ряд новых результатов:

-об:1арулекы периодичности в движении стратосферного аэрозоля, поручены спектральные оценки врсызшлле рядов наблюдений отношения обратного рассеяния для диапазона высот 10-35 км, позволявшие сделать ьывод о значимости возмудеяиЯ от различных источников (в том

орографические возмущения); -пслут-епы экспериментально и подтверждены расчетами данные о пространственной трансфориагии спектров мощности флуктуаций откоЕегия

обратного рассеяния в стратосфере з затязгоет*: от профилей цвтоо-парзкетров Ст¿"/лер?.туры, схэрсетк и напразлгнчя зотра), позволь©™ сделат?» ьнзсд и (гльгртазяг свойств:« птмосферк яак мяновод-ной сисге!гг;

- гкспергаегл адьно подтаср^зло существование в стратосфере зсдна-вкх вог;$ущзкчй, гснзрнрусмкт: сох -ечкка тзршшатором.

Научное к птгекгичоское значение результатов ваботы.

05нзяутвнтз и иссдедсгвкнне закономерности в динамике стратосферного аэрозоля когуг бить испояьэозаны ири создании динамической цодсли атмосферы. Даише о периодических пространственно-зрсменнкх вариациях откотпш обратного рассзяния необходим* прк разработке методик;; стратосферного аэрозольного ионатеркнга, а такче »гтодюс лазерной яояации, требующих учета флугтуаций "помехи обратного рассеяния". Методика, позволявшая нзутать зэяновке пронесен в средней атмосфере (особенно в области нейтральной атмосфера) необходима при проведении зсошлексгах исследований распространения золновнх воз«ущ81К-й черег зткосфяру в, в частности, передачи энергии из тропосфер« в ионосферу.

Конкретике данные работа и методика гсскедозанкй могу? быть использованы пса изучении влияния различны* псточнжов волновых возмущений на перенос оптического излучения в атмосфере, стимулировать исследования лидаркыа методом геофизических процессов, происходящих 2 средней атмосфера, используя аткосферннй аэрозоль в качестве трассера.

Использование результатов работы.

Содержащиеся в диссертации результаты исследований использованы в Институте Оптики Атмосферы СО АКСССР при разработке прогностической модели оптико-физических характеристик стратосферы; в Институте Ионосферы АК Казахской ССР при создании методик коштлекс-ного изучения распространения волновых возмущений в атмосфере; в Астрофизической институте АН Казахской ССР при разработке методик, аппаратам н проведении лаззрного зондирования стратосферного аэрозоля.

Обеспечивайся достаточно бозьппм дзя статистических выводов сбъемоы иабдиздательксго материала, лвзучоняогс з рззздасгз сезоны и в различных :-5етео-сикопткчееких сяутхяс» етс.г.'.еткческой обеспеченность» даяние зкеперпигктов я кг спеэтральнкх сценок, ана-

зквзк вззшш нкгодкчаашж и эксперименгалькл сиибок» а такяе качественная союгасЕеж шьсдов с результатами редаэфкэ'-чесхих, дянюти к ссугнэддавшс наследований средней атмосферы и модельных

растит с у о

Оскоаггка результата работы докладывались и обсуждались на П и Ш Всесопзшх совееркаях по распространении оптического излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1932, КБ5); ЛИ (Томск, 1535) и IX (Красноярск, 1337) Всесоюзных симпозиумах по распространена лазерного излучения в атмосфере; УШ (Туапсе, 1986) Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондирования атмосферы; ХУ Всеаоюзной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987); П Всесоюзном совещании советских участников программы ВАГС (Иссык-Куль, 1988); на семинарах Астрофизического института АН Каз.ССР, Проблемного Совета "Астрономия и физика ионосферы", лабораторий Института Оптики Атмосферы.СО АНСССР (е тоы числе совместных с кафедрой "ОЭП" ТГУ), лаборатории "Оптических исследований атмосферы" Астрофизического кчститута АН Каз.ССР.

Структура и объем работы.

Диссертация-состоит из введения, >рех глав и заключения, списка литературы.- В ней содержится 142 страниц машинописного текста (включая список литературы из 200 наименований), 48 рисунков и 4 таблицы.

Содержание работы.

Во введении обосновывается "актуальность теш, анализируется состояние рассмотренных в диссертанта вопросов, определяются цели и задачи исследований, перечислены основные защищаемые положения, отмечается научная и практическая генность полученных результатов.

В первой главе приводится краткий обзор литературных данных по исследованиям динамических процессов в средней атмосфере, и в частности, по волновым возмущениям. Приводятся некоторые сведения о физико-химических характеристиках аэрозоля стратосферы (спектрахразмеров и химическом составе частиц).

Далее анализируется информативность обратно рассеянного лидарного сигнала относительно концентрапии аэрозольных частиц в стратосфере. Для этого проводился анализ нормированных индикатрис рассеяния свита в области локационных углов для модельных сред.

йспэльэов&гго расчеты по формула» Ии дкя нормированного г«»»--рас"лерц;;>~л-.г:;.. ч-лсхс. частиц по размера».«., тааолненные КХ.Яетржг.-'. и И .Зепы'.гу.а.сгхяц кодкдицнровзшого гакма-распределенкк Д.Дэ'г-гчйигтака «оркальто-лорарвфгтескоро распределения, втохненжв З.Г.йновкцхк» и З.О.Думанскнм» В результате показано, что обратно аэрологическое рдссеякке наиболее тесно связано с объемным рассек-

& следовательно с концентрацией частщ в рассеивающее объема, для узких распределений числа частиц по размерам, характерных для етратссфернах 5-: мезосфершх аэрозольных образований. Таким образом, обосновывается применимость дкдарнзго метода ж исследованиям стратосферных аэрозольных образований.

Влияние периодических (волнообразных) возмуцений атмосферу на аэрозоль выражается в увлечении частиц дрейфовым движением. Характер *;е этого движения зависит от параметров волнового процесса. Так расчеты Л.А.Дикого для реальной те-'лературной стратификации показали, что в случае длгннсперкоднмх волновых возмущений (внутренних гр&ветацконкых волн) частицы движутся в основном в горизонтальном направлении. Рассмотрение дрей'фа стратосферных аэрозольных частиц в поле коротко- и среднепериодкых волновых возмущений в атмосфере показывает, что в зависимости от ориентации волнового вектора внутренних гравитационных золк (ВГВ) дрейфовая скорость частиц хст.е? быть ориентирована в различных направлениях, в той числе э верхнюю полусферу (если, например, источит возмущений расположен в тропосфере)или вниз (если источник расположен выше аэрозольного слоя). При этом происходит замедление или ускорение гравитационного оседания аэрозольных частиц. А поскольку эффективный размер частиц, увлекаемых дрейфовым движением зависит от параметров БГВ, расчет показал, что ка высотах 15-35 км ВГВ с вертикальней амплитудой 0.5-5 км, периодами 10-100 мин. и горизонтальной длиной волны порядка десятков километров увлекают дрейфовым движением уравновезиващии гравитационное оседание частицы стратосферного аэрозоля размерами от 0.05 мкм до • желтков мяк, т.е. практически весь характерный для стратосферы спектр размеров частиц* То есть аэрозоль стратосферы может служить трассером при исследовании волновых Есзмущений.

Метод лазеркз-докашокного обнаружения и исследования волновых возмущений б стратосфере осногывается с одной стороны на существовании эффекта увлечения аэрозоля в поле еолновых возмуцений и теской связи обратно рассеянного лидарного сигнала с концентрацией аэрозольных частиц, а с другой сторон:! на еозмо.тности еыязэть

перноднчззогта в фяуктуациях экспершентально измеряемых параметров спеетрплыгый Фурьз-аналкз к изучению времешшх рядов наблюдений. Поскольку абсолютные величины коэффициентов обратного рассеяна кЕ восстановленного по методикам одночастоткого зондирования, обратного аэрозольного рассеяния зависят от величины коэффициента молекулярного обратного рассеяния , определяемого расчетным путем, то целесообразно анализировать не временной ряд этих величин, а вре&енкоЯ ряд величин отношения обратного рассеяния, показывающего изменения наблюдаемого сигнала обратного рассеяния нормированного на коэффициент обратного молекулярного рассеяния» Таким образ о;.! 5 в любом диапазоне высот наблвдаемая и за-тэм анализируемая величина представлена в одинаковом масштабе, что позволяет сопоставлять ме«щу собой данные, полученные на разных высотах к в разных сериях наблюдений.

Применение спектрального анализа предъявляет к получению экспериментального материала вполне конкретные требования, относящиеся к частоте наблюдений и длине рядоз наблюдательных данных. Так для решения поставленной задачи предложенным методом необходимы ряды наблюдений длиной не менее нескольких десятков точек и с дисг-.етностью не более 3-5 минут»

В заключительной части первой главы в соответствие с предлагаемым методом лидарного исследования волновых процессов, происходящих с участием азроз<-тя, формулируются основные требования к экспериментальной лидарной установке для изучения динамических процессов в стратосфере.

Во второй главе рассматриваются Еопросы изучения динамических процессов в атмосфере на основе ее лазерного зондирования, методик проведения измерений на специально созданном лндариом комплексе и восстановления профиля отношения обратного рассеяния. Оценены погрешности измеряемых и восстанавливаемых величин и параметров. Особое внимание уделено спектральному Фурье-анализу временных рядов наблюдений.

Основными требованиями к используемому в работе лидару были обеспечение пространственного и временного разрешения, поэ-волящеро на высотах стратосферного аэрозольного елок исследовать динамические процессы волнового характера с периодами, характерными для возмущений типа ВГВ ( или волн плавучести). Разработанная и введенная в действие при активном участии автора лэдарная систгма жеег базу £ расстояние ыекау оптическими осями прини-маэдего телескопа и излучате/л) в 1,2 м, излучателем сличит ла-

- и -

о ер 113-25 (АИГ: со средней мощностью излучения ( \ =532ям)

0.6 и частотой посылок 12.5; 25; 50 Гц „ Прием осуществляется на 1-метровый зеркальный телескоп с эффективной плозадьп зеркала

„ В качестве фотодетектора используется Фотоэлектронный умноти-тель ФЭУ-Х36, рабст"ищкй а рет.име счета фотонов. Регистрация сигналов осуществляется специально рагработаннкм анализаторам лидар-нсго эхо-сигнала. Лидэр позволяет получать статистически обеспеченные данные до высоты 40 км с пространственным разрешением не менее С. 5 км и временнил не хуче 3-5 ыкг/т. При этом ошибка измерений не превышает 3-5 % на высоте 35-40 км. Трасса зондирования мояет меняться в пределах зенитного угла 0°-80° и любого азимута. Размещение лвдара на Еысоте 2700 ы над ур.моря в 8С км ог г.Алма-Аты обеспечивает дополнительные благоприятные условия .для зондирования стратосферы из-за минимального влияния наиболее замутненных никних слоев атмосферы.

Вертикальные профили отношения обратного рассеяния 12 (И) -- С^о (Н) *(Н1]/(Г/гн (Н) (где Н - высота зондируемого слоя; бив и - коэффициенты обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния, соответственно) восстанавливались из профилей обратно рассеянных атмосферой лидарных сигналов. Г^и этом предполагалось, что слои атмосферы, соответствующие локальным минимумам величины

(где N (Н) - сигнал с высоты Н, за вычетом фонсвого сигнала, представляющего собой сумму фонового сигнала ночного неба, видимого приемником, и сигнала собственных яуыов ФЭУ) свободны от аэрозоля, что является основой метода калибровки по сигналу молекулярного рассеяния. Локальные минимумы выбирались в диапазоне высот 15-35 км после графического сопоставления измеряемого профиля с нормирующим профилем сигнала молекулярного рассеяния. Причем, при нормировке принимались во внимание несколько близких по времени профилей с целью наиболее обоснованного выбора высот нормировки. Нормирующий профиль строился по данным аэрологического зондирования, а для высот больше потолка аэрологического зондирования - по данным модели атмосферы (Стандартной атмосферы США 1976 года и Стандартной атмосферы СССР 1982 года) наиболее согласующимися с проф!ием ыетеопараметроБ атмосферы над Алма-Атой.

А:плиз погрешностей измерений сделан на основе дидарксго уравнения: ёп 5(Н) = £п$Тг(Н) + £п Тг(Н) , где = Ы(Н)Н*{А (А - константа, зависящая от пропускания приемо-передатчика, квантовой эффективности фстолриемника, площади приемной оптики, длительности и энергии импульса излучения лазера), Т^СН) - прозрач-

ность ахмосферн на двойке« пути от дкдаря до рассеивающего объема для дли:« волны зовдируЕЩЗгс кмлульса. Статистика фотоетсчетов считалась пуассоковскоГ.. Особое внимание уделено анализу возможных погрегсностей измер'жкЬ, сЗуслсЕ-лсгэак влиянием кратно рассеянного свота в 5олза блкзюа, че.« зондируемой слоях атмосферу а нестабильной работой й-ЗУ в случае его "ослепления" бедьг.ии сенатом от нижних слоев воздуха, & таьет систематической сшибке счета одно-елвктрониых импульсов с анода {КО'. Расчеты на основании данных специально проььдокного аногоугдогого зондирования позволяли установить, что указанные воде факго'ры практически ае зкоелт дополнительных погрешностей б статистическую саибку измерений, Таким образом, можно считать статистическую ошибку принимаемых сигналов основны-; источником погрешностей измерений в ночных (отношение сигнал/шум » I) условиях. Относительная ошибка восстановления профиля отношения обратного рассеяния с учетом условий измерений и места базирования лкдара оценивается из выражения:

Г (0,03?)*,

I Я(Н) \ - I Ы(Н) 1 1 Д'(Но) 1

где Н0 - высота слоя локального ккшзлуюа 5 (Н), по которому проводится нормировка.

Полученные такиа образом, профили Я Ш) слуккли основой для проведения спектрального йурье-акализа с целью зысЕлекия периодич-ностей в флуктуация* А? СН), которые на высоте стратосферы в значительной степени определяйся флухтуаикями содержания аэрозоля. Анализ проводился методом Блзкмана-Тьвки наиболее приспособленным для анализа экспериментальных данных, являющихся отражением процессов, представленных смесью некоторых регулярных изменен;® и помех. Рассматриваются вопросы плашфеванкя спектрального анализа и практического оценивания спектров. Сглаживание спектральных оценок проводилось с помощь» корреляционного окна Тьпки. Рассматривается влияние выбора шфины полоса частот корреляционного окна на сглаживание спектральных оценок, а также определение оптимальней длины ряда наблюдений, исходя ::з ширины существенных деталей спектра. Для улучшения выборочных опенок б интересующем диапазоне частот проводилась цифровая фильтрация данных измерени"-, позволяющая устранять тренды и сглаживать флуктуации ряда данкле. 3 случае отсутствия достаточно длинного временного ряда, а так^.е для выявления периодичностей, характерных для серии рядов наблюдательных данных применялся метод наложения эпох, заключающийся в об--единении нескольких временных рядов в один общий (в пресечении одинакоро:?::

их стг.тист-г-гессих свойств). Для записей недостаточной длины производилось "сбивание" наблидательных рядов, полученных для соседних диапазонов высот, чем достигалась необходимая статистическая обеспеченность данных спектрального анализа в этом случае анализируемый ряд представлялся в вцде:

где { - время наблюдений; п - количество временных отрезков наблюдет!*.; I - номер первого дчалапона шсот; j - номер последнего диапазона высот.

В случае поиска особенностей спектров,'характерных для длительного временного периода (несколько ночей или несколько серий в течение более длительного срока) метод наложения эпох заключался в нанесении всех рядов наблюдений на одну временную ось

/т

где т - количество серий наблюдений.

Уровень значимости и доверительные интервалы спектральных оценок определялись в предположении соответствия дисперсии спектральных оценок распределению вида

( ЛИ - квадрат), где главным параметром распределения является количество степеней свободы, соответствующее количеству независимых уленов в разложении в ряд Фурье.

В третьей главе рассматриваются результаты лидарного исследования динамики стратосферных сдоев атмосферы. Приведены результаты выборочных спектральных оценок для временных рядов наблюдательных данных. Рассматривается взаимосвязь этих оценок с метеорологическими параметрами: температурным профилем, профилем скорости и направления ветра; особенности спектров флуктуация отношения рассеяния характерные для орографических везмущений. Обсуждаются результаты исследования волновых возмущений генерируемых солнечным термина, орок, а такче долгопериодные (сезонные) флзтетуации отношения рассеяния в стратосфере.

8 диссертации использован наблюдательный материал, полученный в период с осени 1984 года по осень 1987 годе.. Анализировались более 700 вертикальных профилей отношения обратного рассеяния с пространственным разрешением от 0.5 до 2 км, какды? из которых являлся результатом накопления отклика атмосферы ня 1500-5000 импульсов излучения за 3-10 минут. При ртом погрешность определения

(К) не превывала 10% в диапазоне высот 10-35 км. Ло результата: измерений было рассчитано более 500 спектров мощности флуктуаяий отношен/л обратного рассеяния для диапазона высот 10-35 км.

Анализ высотных профилей /? (К) отчетлива показал постоянное существование слоя стратосферного аэрозоля (слоь Юнге). Высота главного максимума R СН5 колеблется oi 17-19 км dkmqKvi9-2I га-; летом, при этом средняя величина R (К) в максимуме слоя Dh-p мо^ет достигать г-оякч1!ж R =1.25-1.40 летом к R =1.6-1.8 в зимнее время. Вертикальные- профили Р, Ш) характеризуются значительней изменчивостью. Это проявляется ь появлении, кроме главного максимума слоя, других г.обочшх максимумов, прячем вариации величины РЛУи: A(H)*6k/#tH) , где и} - среднеквадратичеекое отклонение Я (К) ы&кеггмалька вблизи этяг максимумов, а кх величии больке зимой, чем летом, когда Д (Н) обычно не превышает 107^-Это свидетельствует о том, что наиболее изменчивы слог, поваленной мутности, т.е. содержащие больше аэрозоля.

Зимой аэрозольный слой опускается ните я становится массивнее, чем летом к кинкмум R (Н) каблвдается на высоте 27-30 км (летом минимум обычно наблпдается икт:е - 26-28 км). Нередко в верхней части слоя наблюдается еще едга локальный максимум R (Н). Он располагается на шеоте 23-26 юл и ему обычно соответствует локальный максимум Л (Н) „ Вказ минимума R (Н) практически. всегда присутствуют сильно меняющиеся во времени слои повыпекиой мутности толщиной 1-3 км, которые переыежавтея слоями относительно незамутненного воздуха.

Сопоставление вертикальных проф/лей R (К), полученных за соседние промежутки времени позволило установить, что паркапки профиля R (Н) носят характер вертикальнее синхронных смещений отдельных слоев. Причем это перемещение ебьгчно сопровождается изменением мутности каждого такого слоя.

Характер временных вариаций профиля Н (К) и наливке оффехта расслоения дает основание попытаться объяснить кабдздаемые явления с позиции воздействия на аэрозоль стратосфера волновых возмущений типа ЗГВ. Поэтоцу целесообразно исследовать временные рада величины R (К) методом спектрального ^урье-анслиза.

Лнелис полученных спектров врехекккх й-дуктуелк? R (Н) показал,, что основная их догм в о'.'лестк стратосферного аэрезельього слоя приходится на делгеперяод'-эе (5луЕгуьцк2, пред??авда*пяе ссСоГ медленна кеняэдкесл тр-кды i ".:.*:нн R С К). Кг. фгкь гсякжггс» к более быстрее флуктуации с периодами от 6-10 акн, до 100-120 ккн. При ето/- в слоях относительно чистого (величина ¡1 (Ш близка к

единице) воздуха долгопериодные тренда отсутствует;, а максимумы спектров флухтуаций R (Н) более явно выражены в наиболее замутненных слоях. Сказанное подтверждает возыожность использования аэрозоля в качестве трассера для исследования волновых возмущений. Вариации ß (К) с периодам от 6 до 150 мик. соответствует возмущениям типа внутрен..лх гравитационных волн (волн плавучести). Спектры мощности флуктуачий Rill) имеют, как правило, два максимума: один в диапазоне периодов 50-90 мин., второй - 15-30 мин. Значимость этих максимумов превышает 80-95 Й-ный уровень значимости, определенный по критерия " %г Спектры флуктуаций R (Н) изменяются с изменением енсоты рассматриваемого слоя. При этом происходят сдвиг спектра в высокочастотную сторону на участках возрастания высотного градиента температура. Это согласуется с расчетами для гравитационной ветви возмущений, проведенными на основе решения дисперсионного уравнения с учетом поправки на высотный градиент температуры. Состав спектра меняется такие при достижении высот велопаузы (скорость ветра составляет единицы м/сек), особенно :зно влияет на спектр флуктуаций существование ветрового сдвига в стратосфере, характерного для развития летнего циркумполярного антициклона. Этот результат согласуется с представлением о критическом уровне для волновых возмущений, когда скорость ветра и горизонтальная фазовая скорость распространения возмущения становятся равными.

Орографические возмущения могут быть выделены из общего спектра по факту присутствия их в диапазоне высот нияе критического слоя и отсутствия их выше него. Поскольку орографические возмущения типа бегущей волны, которые и могут быть обнаружены списанным методом, образуются при обтекании горных массивов порывистыми (пульсирующими) воздушными потоками и распространяются под углом к вертикали. Возмущения tes возникающие при обтекании горного массива постоянным или медленно меняющимся потоком, создают стационарную (относительно препятствия) волновую картину. Для таких возмущений критическим слоем является слой велопаузы. Сочетание этих двух типов возмущений создают сложную волновую картину, которая и проявляется в существовании ниже критических уровней дополнительных "орографических" максимумов в спектре флуктуашй ß (Н).

Сравнительный анализ спектров флуктуашй, полученных в вечерние (сразу после захода Солнца) и в утренние (перед восходом Солнца) часы показал, что вечерние спектры смещены в высокочастотную область по сравнению с утренними. Это смещение наиболее ярко проявляется на высотах более 15-20 кы в период равноденствия (сен-

тябрь<, что согласуется с расчетами динг вши еолноеых возмущений, генерируемых солнечный терминатором.

Появление в спектрах флуктуации дополнительных максимумов и изменение относительного вклада различных частей спектра, связанные с орографическими Еозъ-ущенияни к влкянке« вечернего терминатора сопровождается появлением дополнительных каксиь^оз в профиле /?(Ш. Это подтверждает впводн расчетов гл.1 о Еозыотаои( увлечении асрозолыдлс частиц стратосферы дрейфовым движением в поле болноеыа ' возмущений. При это;.; дисперсны? состав аэрозоля на ка«до2 высоте начинает определяться еще и эффективно действущюм на дакноГ' высоте волновьта воздуценкямл, ускоряЕС^ап-: и заыедляициии оседание в поле гравитации частиц определенного размера, «то мочет приводить к расслоению первоначального аэрозольного слоя.

Опираясь на вышеизлоченные результаты кокка сфор:.улгфовать некоторые требования к проведению аэрозольного стратосферного мониторинга. Для того, чтобы данные наблюдений наиболее адекватно отражали реальную ситуация в стратосфере необходимо проводить циклы измерений, перепрывапциа по длгггельности периоды значимых флуктуации R (Н)„ Длительность таккх циклов должна быть не иенее 2 часов за ночь, причем в этом случае ке теет значения длительность каждого отдельного наблюдения в цикле. С учетом вагмояяоегей трансфор-нации спектров флуктуация R (Н) в течение кочи, достаточно провести за ночь 2-3 геккх двухчасовых цикла наблюдений. Именно такой подход бал реализован для исследования долгопериодных сезонных вариаций R (К). Оценивалась флуктуаг.;!я интегрального коэффициента

обратного аэрозольного рассеянкя для диапазона шсот ХЗ-ЗО км

/Sûkpi

¡Гто (h)tfh

_ iir»

. Ззл-чхна ù kq зкхой повышается, доел ал значений (JVj -» CI.M.9) ÎOgygp-I , a летсы уиеиьсается до значений Oî™ = (С.2--0.3) I0*ygp~{. При. этом ке отмечается тевденакк снижения киин-мальшх зпгченкй величины С^о за каблцзаеиг-хй период. Г.склгченио составляет аныний сезон IS35-IS36 г.г., когда поклгекьая замутне^н-остъ стратосфера сохранялась к в течение вес®; 1986 г, Иакскмзлькие значения бда огмзчаытся в январе, а ¿шншальше в киле. Спектрально анализ показал суцестБование значимых пиков в спектре мощности флуктуация G~;-q соответствггедих периодам 4^.5 к 3 нес. Отмечено, что реальна?! аицитуда сезонных вариаций мавжг о-г.личатьйя, если расокагривать всегда только сзсР. вше —розопаузы. Сз района Северного Тянь-Шаня летняя тропопаузы мож©£ подншажьс» до K'Ù ,

а такге при неучете сезонных флуктуацкй плотности молекулярной стратосферы.

3 заключении приведены основные итоги работы. Основные результаты диссертационной работы содержатся в следующих публикациях:

1. Ляд*ин В.А. Резу .ьтаты статистического анализа рассеяния света назад при модельных индикатрисах. - Изв.АН СССР "МО", т.13, 12, с.1328-1331.

2. "Оптические исследования атмосферы", Алма-Ата, Наука, 1964, Ляд-тин Б.А. Гл.2. "Анализ модальных индикатрис в области больших углов рассеяния" с.46-69.

3. Оптическое зондирование атмосферы. Ч.1./ Ташенов Б.Т., Торопова Т.П., Лядчин В.А. и др. - Алма-Ата, Наука, 1985.1яджин З.А., Тале-i:ob Б.Т., Кауль Б.В., Самохвалов И.В., Кузнецов З.П., Уточкин К.П. Гл.4 Аппаратура и методика лазерного зондирования атмосферы, стр. 93-106.

4. Лядкин З.А., Таленов Б.Т., Кузнецов В.П. и др. Лидар астрофизического института АН КазССР для исследования средней атмосферы.- В кн. Ш Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения з дисперсной среде. Ч.Ш., Обнинск, IS65, с.32-35.

5. Лядтин Б.А., Ташенов Б.Т., Торопова Т.П. Лазерное зондирование стратосферного аэрозоля. - В кн. 1 Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде. 4.1., Обнинск, 1965, с.94-97.

6. Ляд»ин В.А., Ташенов Б.Т., Торопова Т.П., Саламахин K.Ü. Некоторые результаты лазерно-локационного исследования аэрозоля в горных условиях. - В кн.Материалы Ш Всесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. 4.1., Томск, I96G, с.50-53.

7. Лядчин В.А., Ташенов Б.Т., Торопова Т.П. Некторые данные о рассеянии света стратосферным аэрозолем. - 3 кн. Труды IX Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Ч. I., Томск. IS87, с.138-142.

8. Лядкин В.А., Таленов Б.Т., Дробчев В.И., Сомсиков В.М. О возможной связи вариаций лицарного сигнала с атмосферными волнами.- 3 кн.Труды IX Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы.4.I, Томск, IS87, с.143-146.

9. Антонова В.Л., Лядтин В.Л., Дроб»ев З.И. и др. Комплексное зк-спериуентдльное исследование волн в атмосфере, генерируемых солнечном терминатором.- В кн.Волновые процессы в атмосфере. Алма-Ата, Наука КазССР, 1987, с.72-117.

10. Антонова В.П., Ляджкн В.А., Ташенов Б.Т. я др. Комплексное экспериментальное исследование волк в атмосфере, генерируемых солнечна терминатором. - Изв.АН СССР, "ФАО", 1208, т.24» V? 2,

с.134-143.

11. Л«Д1ККН В.А., Ташеноз Б.Т., Торопова Т.П. Лазерное зондирование атмосферы в А$И AK K&sCCP. - Зестник АН КазССР, Алма-Ата, 1987, К 12, с.36-42.

12. Дробхев В.И., Яядяин В.А., Такенов Б.Т. и др. Дазерно-локаги-онное исследование волновых воз?^уцени5 в атмосфере, генерируемых солнечным терминатором."Оптика ¿атмосферы", 1938, т.1, ?> 8, C.I05-II0.