Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS
Irkutsk, Russian Federation
The work presents the results of a study of the atmospheric temperature in the mesopause region, determined by measuring the characteristics of hydroxyl emission, during the spring and fall transition of the middle atmosphere circulation in 2012-2018. It was revealed, that in spring the largest temperature variability is observed before the transition data. In the fall period, in most cases, increased variability of the mesopause temperature is observed after the transition data. A possible reason of the revealed effects may be disturbances in the dynamics of the middle atmosphere, and intensification of wave activity during periods of seasonal (spring/fall) transition of atmospheric circulation.
atmosphere, circulation, mesopause
Представлены результаты исследования температуры атмосферы в области мезопаузы, определяемой по измерению характеристик излучения гидроксила, в периоды весенней и осенней перестройки циркуляции средней атмосферы в 2012-2018 гг. Выявлено, что в весенний период наибольшая температурная изменчивость наблюдается перед перестройкой атмосферной циркуляции. В осенний период, в большинстве случаев повышенная изменчивость температуры мезопаузы наблюдается после даты перестройки. Возможной причиной выявленных эффектов могут быть возмущения динамики средней атмосферы и интенсификация волновой активности в периоды сезонной (весна/осень) перестройки атмосферной циркуляции.
Волновые процессы являются основным механизмом переноса энергии между различными атмосферными слоями. Волны могут распространяться на значительные расстояния и переносить энергию с нижних атмосферных уровней на большие высоты, обеспечивая процесс взаимосвязи атмосферных слоев. Мезопауза (область атмосферы 80-100 км) характеризуется наиболее низкими значениями температуры в течение всего года, а ее температурный режим испытывает активное воздействие как солнечного излучения, так и влияния энергии диссипации волновых процессов, возникающих в нижних слоях атмосферы.
Целью настоящей работы являлся анализ температуры области мезопаузы и ее изменчивости в периоды сезонной перестройки циркуляции средней атмосферы.
Используемые данные и методика анализа
Для анализа были использованы данные за период 2012-2018 гг о вращательной температуре молекулы гидроксила (полоса ОН(6-2) 834.0 нм, ~87 км), получаемой из спектрометрических измерений в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (51.8°N, 103.1°E, Торы) с временным разрешением 10 мин. Вращательная температура молекулы гидроксила отображает температуру атмосферы на высотах мезопаузы. Даты сезонной перестройки атмосферной циркуляции (изменение направления зонального потока на 60 с.ш. на высотном уровне 10 гПа) были определены по данным реанализа MERRA2.
Известно, что межсуточные изменения температуры в мезосфере и нижней термосфере в основном обусловлены воздействием планетарных волн. Для анализа температурной изменчивости были рассчитаны остаточные вариации температуры после вычитания регулярного сезонного хода из ряда экспериментальных данных усредненных за каждую ночь значений температуры. Сезонные вариации определялись при помощи гармонического анализа. Подробно методика анализа представлена в работах [1, 2]. Для каждой ночи наблюдения рассчитывалось среднее значение температуры. Затем определялись гармоники сезонных вариаций путем аппроксимации по методу наименьших квадратов полученного ряда средненочных значений температуры функцией вида
,
где - средняя температура, n - номер гармоники, An и φn – ее амплитуда и фаза, td –день года. Аппроксимация проводилась суммой первых трех гармоник сезонного хода с периодами 12, 6 и 4 месяцев. После исключения из ряда средненочных значений температуры сезонных вариаций анализировались остаточные отклонения температуры, обусловленные, в основном, распространением планетарных волн в атмосфере.
Результаты и обсуждение
Ранее мы проводили анализ усредненных за 2008−2015 гг сезонных вариаций межсуточной изменчивости температуры мезопаузы с периодами планетарных волн, который выявил повышенную изменчивость в зимние месяцы и в периоды весеннего и осеннего равноденствий [2]. В настоящем исследовании проанализированы рассчитанные для каждого дня года усредненные за ночь значения температуры мезопаузы и остаточные отклонения температуры после вычитания гармоник сезонных вариаций в периоды весенней и осенней перестройки атмосферной циркуляции (±30 дней от даты сезонной перестройки) для 2012-2018 гг. Во время сезонной перестройки циркуляции средней атмосферы происходит смена направления зональной циркуляции с западного на восточное весной, и с восточного на западное осенью. В таблице 1 приведены даты перестройки, которые определялись по данным реанализа MERRA2 [3] как дата изменения направления зонального потока на 60 с.ш. на высотном уровне 10 гПа.
Таблица 1. Даты сезонной (весна/осень) перестройки атмосферной циркуляции - изменение направления зонального потока на 60 с.ш. на высотном уровне 10 гПа по данным реанализа MERRA2
|
Год |
Весенняя перестройка |
Осенняя перестройка |
|
2012 |
19.04.2012 |
24.08.2012 |
|
2013 |
04.05.2013 |
23.08.2013 |
|
2014 |
28.03.2014 |
25.08.2014 |
|
2015 |
03.04.2015 |
21.08.2015 |
|
2016 |
06.03.2016 |
28.08.2016 |
|
2017 |
08.04.2017 |
23.08.2017 |
|
2018 |
16.04.2018 |
21.08.2018 |
Рис. 1. Вариации усредненных за ночь значений температуры мезопаузы Т (левая панель) и остаточных отклонений температуры ΔT после вычитания гармоник сезонных вариаций (правая панель). День «0» - дата весенней перестройки атмосферной циркуляции.
На рисунке 1 показаны вариации усредненных за ночь значений температуры мезопаузы и остаточных отклонений температуры после вычитания гармоник сезонных вариаций для временного интервала ±30 дней от даты весенней перестройки атмосферной циркуляции. То же, что на рисунке 1, но для осенней перестройки циркуляции представлено на рисунке 2. Обнаружено, что в анализируемые временные интервалы наблюдалось усиление температурной изменчивости. В весенний период наибольшая температурная изменчивость наблюдается перед сезонной перестройкой атмосферной циркуляции. В осенний период, в большинстве случаев повышенная изменчивость температуры мезопаузы наблюдается после даты перестройки. В период, предшествующий осенней перестройке циркуляции атмосферы, наблюдаются пониженные значения температуры мезопаузы. Возможной причиной выявленных эффектов могут быть возмущения динамики средней атмосферы и интенсификация волновой активности в периоды сезонной (весна/осень) перестройки атмосферной циркуляции.
Рис. 2. Вариации усредненных за ночь значений температуры мезопаузы Т (левая панель) и остаточных отклонений температуры ΔT после вычитания гармоник сезонных вариаций (правая панель). День «0» - дата осенней перестройки атмосферной циркуляции.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России. В работе были использованы данные оптического комплекса, входящего в состав ЦКП «Ангара» [http://ckp-angara.iszf.irk.ru].
Волновые процессы являются основным механизмом переноса энергии между различными атмосферными слоями. Волны могут распространяться на значительные расстояния и переносить энергию с нижних атмосферных уровней на большие высоты, обеспечивая процесс взаимосвязи атмосферных слоев. Мезопауза (область атмосферы 80-100 км) характеризуется наиболее низкими значениями температуры в течение всего года, а ее температурный режим испытывает активное воздействие как солнечного излучения, так и влияния энергии диссипации волновых процессов, возникающих в нижних слоях атмосферы.
Целью настоящей работы являлся анализ температуры области мезопаузы и ее изменчивости в периоды сезонной перестройки циркуляции средней атмосферы.
Используемые данные и методика анализа
Для анализа были использованы данные за период 2012-2018 гг о вращательной температуре молекулы гидроксила (полоса ОН(6-2) 834.0 нм, ~87 км), получаемой из спектрометрических измерений в Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН (51.8°N, 103.1°E, Торы) с временным разрешением 10 мин. Вращательная температура молекулы гидроксила отображает температуру атмосферы на высотах мезопаузы. Даты сезонной перестройки атмосферной циркуляции (изменение направления зонального потока на 60 с.ш. на высотном уровне 10 гПа) были определены по данным реанализа MERRA2.
Известно, что межсуточные изменения температуры в мезосфере и нижней термосфере в основном обусловлены воздействием планетарных волн. Для анализа температурной изменчивости были рассчитаны остаточные вариации температуры после вычитания регулярного сезонного хода из ряда экспериментальных данных усредненных за каждую ночь значений температуры. Сезонные вариации определялись при помощи гармонического анализа. Подробно методика анализа представлена в работах [1, 2]. Для каждой ночи наблюдения рассчитывалось среднее значение температуры. Затем определялись гармоники сезонных вариаций путем аппроксимации по методу наименьших квадратов полученного ряда средненочных значений температуры функцией вида
,
где - средняя температура, n - номер гармоники, An и φn – ее амплитуда и фаза, td –день года. Аппроксимация проводилась суммой первых трех гармоник сезонного хода с периодами 12, 6 и 4 месяцев. После исключения из ряда средненочных значений температуры сезонных вариаций анализировались остаточные отклонения температуры, обусловленные, в основном, распространением планетарных волн в атмосфере.
Результаты и обсуждение
Ранее мы проводили анализ усредненных за 2008−2015 гг сезонных вариаций межсуточной изменчивости температуры мезопаузы с периодами планетарных волн, который выявил повышенную изменчивость в зимние месяцы и в периоды весеннего и осеннего равноденствий [2]. В настоящем исследовании проанализированы рассчитанные для каждого дня года усредненные за ночь значения температуры мезопаузы и остаточные отклонения температуры после вычитания гармоник сезонных вариаций в периоды весенней и осенней перестройки атмосферной циркуляции (±30 дней от даты сезонной перестройки) для 2012-2018 гг. Во время сезонной перестройки циркуляции средней атмосферы происходит смена направления зональной циркуляции с западного на восточное весной, и с восточного на западное осенью. В таблице 1 приведены даты перестройки, которые определялись по данным реанализа MERRA2 [3] как дата изменения направления зонального потока на 60 с.ш. на высотном уровне 10 гПа.
Таблица 1. Даты сезонной (весна/осень) перестройки атмосферной циркуляции - изменение направления зонального потока на 60 с.ш. на высотном уровне 10 гПа по данным реанализа MERRA2
|
Год |
Весенняя перестройка |
Осенняя перестройка |
|
2012 |
19.04.2012 |
24.08.2012 |
|
2013 |
04.05.2013 |
23.08.2013 |
|
2014 |
28.03.2014 |
25.08.2014 |
|
2015 |
03.04.2015 |
21.08.2015 |
|
2016 |
06.03.2016 |
28.08.2016 |
|
2017 |
08.04.2017 |
23.08.2017 |
|
2018 |
16.04.2018 |
21.08.2018 |
Рис. 1. Вариации усредненных за ночь значений температуры мезопаузы Т (левая панель) и остаточных отклонений температуры ΔT после вычитания гармоник сезонных вариаций (правая панель). День «0» - дата весенней перестройки атмосферной циркуляции.
На рисунке 1 показаны вариации усредненных за ночь значений температуры мезопаузы и остаточных отклонений температуры после вычитания гармоник сезонных вариаций для временного интервала ±30 дней от даты весенней перестройки атмосферной циркуляции. То же, что на рисунке 1, но для осенней перестройки циркуляции представлено на рисунке 2. Обнаружено, что в анализируемые временные интервалы наблюдалось усиление температурной изменчивости. В весенний период наибольшая температурная изменчивость наблюдается перед сезонной перестройкой атмосферной циркуляции. В осенний период, в большинстве случаев повышенная изменчивость температуры мезопаузы наблюдается после даты перестройки. В период, предшествующий осенней перестройке циркуляции атмосферы, наблюдаются пониженные значения температуры мезопаузы. Возможной причиной выявленных эффектов могут быть возмущения динамики средней атмосферы и интенсификация волновой активности в периоды сезонной (весна/осень) перестройки атмосферной циркуляции.
Рис. 2. Вариации усредненных за ночь значений температуры мезопаузы Т (левая панель) и остаточных отклонений температуры ΔT после вычитания гармоник сезонных вариаций (правая панель). День «0» - дата осенней перестройки атмосферной циркуляции.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России. В работе были использованы данные оптического комплекса, входящего в состав ЦКП «Ангара» [http://ckp-angara.iszf.irk.ru].
1. Perminov V. I., Semenov A. I., Medvedeva I. V., Percev N. N. Izmenchivost' temperatury v oblasti mezopauzy po nablyudeniyam gidroksil'nogo izlucheniya na srednih shirotah // Geomagnetizm i aeronomiya. 2014. T. 54. №: 2. S. 246–256. DOI:https://doi.org/10.7868/S0016794014020151.
2. Medvedeva I.V., Ratovskiy K.G. Sravnitel'nyy analiz atmosfernoy i ionosfernoy izmenchivosti po izmereniyam temperatury oblasti mezopauzy i maksimuma elektronnoy koncentracii NmF2 // Geomagnetizm i aeronomiya. 2017. T. 57. № 2. S. 236-248. DOIhttps://doi.org/10.7868/S0016794017020109.
3. Annual Meteorological Statistics MERRA2 [Elektronnyy resurs]. URL: https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/metdata/annual/merra2 (data obrascheniya 21.01.2025).
