Диссертация (1145308), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Корреляционные связи, наблюдаемыемежду атмосферными характеристиками и солнечно-геофизическими факторами, оказываютсянеустойчивыми во времени: они могут усиливаться, ослабевать, менять знак или совсемисчезать в зависимости от временного интервала. Очевидно, что временная неустойчивостьсолнечно-климатических связей часто служит основанием для сомнений в их реальности.В этой связи показателен пример корреляционных связей, обнаруженных между нижнейоблачностью и вариациями галактических космических лучей Маршем и Свенсмарком [Marshand Svensmark, 2000]. Высокая положительная корреляция между указанными величинами,наблюдавшаяся в период 1983-2000 гг., рассматривалась как экспериментальное свидетельствов пользу физического механизма солнечно-климатических связей, включающего влияниекосмических лучей на состояние облачности.
Тем не менее, нарушение данной корреляции вначале 2000-х гг. поставило под сомнение не только влияние космических лучей наинтенсивность микрофизических процессов в облаках, но и их вклад в физический механизмсолнечно-климатических связей. В связи с этим исследование эффектов космических лучей вциркуляции нижней атмосферы и погодно-климатических характеристиках, которое позволилобы оценить реальную роль космических лучей как одного из связующих звеньев междусолнечной активностью и нижней атмосферой, приобретает особую актуальность.Таким образом, для формирования четкого представления о механизме влияниясолнечной активности на состояние нижней атмосферы, погоду и климат и создания физикоматематической модели данного влияния необходимо всестороннее изучение характера ипричин пространственно-временной структуры отклика атмосферы на явления, обусловленные6солнечной активностью.
Результаты настоящего исследования позволяют улучшить пониманиенекоторых аспектов данного механизма, а также могут служить экспериментальной базой дляпостроения физико-математических моделей солнечно-атмосферных связей и прогностическихмоделей изменения климата.Цели и задачиЦелью данной работы является исследование характера и причин пространственновременной структуры эффектов космических лучей в вариациях давления атмосферы иэволюции циклонической деятельности во внетропических широтах на разных временныхшкалах.
Особое внимание уделяется установлению причин временной изменчивостикорреляционных связей, наблюдаемых между атмосферными характеристиками (давлением,состоянием нижней облачности) и гелиогеофизическими индексами на мультидекадной шкале.Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:1) Провести всестороннее исследование эффектов кратковременных вариаций космическихлучей (солнечных протонных событий, Форбуш-понижений галактических космическихлучей) в вариациях давления атмосферы и дать интерпретацию наблюдаемых эффектов сточки зрения эволюции внетропических барических систем.
Определить областинаиболее значимых эффектов космических лучей и исследовать особенности этихобластей.2) Исследовать пространственную структуру эффектов галактических космических лучей ввариациях давления в масштабе 11-летенго цикла солнечной активности. Выявить рольосновных элементов крупномасштабной циркуляции атмосферы в формированиипространственного распределения вариаций давления, обусловленных вариациями ГКЛ.3) Исследовать временную изменчивость корреляционных связей между атмосфернымихарактеристиками и вариациями СА/ГКЛ.
Выявить периодичности во временнóм ходекоэффициентов корреляции между давлением атмосферы и характеристиками солнечнойактивности на мультидекадной временной шкале.4) Исследовать долговременные изменения эволюции циркумполярного вихря каквозможной причины изменчивости солнечно-атмосферных связей на мультидекаднойшкале.Основные положения, выносимые на защиту1) Наиболее статистически значимые эффекты вариаций КЛ в эволюции барических системнаблюдаются в североатлантическом регионе, где имеют место низкие порогигеомагнитного обрезания, допускающие высыпание частиц с минимальными энергиямиот ~100 МэВ до ~2−3 ГэВ. В зависимости от энергии высыпающихся частиц происходит7активизация атмосферных процессов на высокоширотных арктических фронтах или наполярных фронтах умеренных широт.2) Солнечные протонные события (СПС) с энергиями частиц, достаточными дляпроникновения в стратосферу (Е > 90 МэВ), сопровождаются понижением давления надСевернойАтлантикойвследствиеинтенсификациивторичногоуглубления(регенерации) циклонов в районе юго-восточного побережья Гренландии (областиформирования арктических фронтов).3) Форбуш-понижениягалактическихкосмическихлучей(ГКЛ)сопровождаютсяповышением давления над восточной частью Северной Атлантики, Скандинавией иЕвропейской территорией России, обусловленным более интенсивным формированиемблокирующих антициклонов на полярных фронтах умеренных широт.4) Северная Атлантика является особым регионом для формирования эффектов вариацийКЛнакороткихвременныхшкалах(порядканесколькихсуток).Структуратермобарического поля, благоприятная для развития циклонов у побережья Гренландии(высокие контрасты температуры, расходимость изогипс над океаном) и антициклонов ввосточной части Северной Атлантики (прогретость атмосферы над теплым СевероАтлантическим течением, сходимость изогипс над континентом) сочетается с низкимипорогами геомагнитного обрезания, допускающими высыпания космических частиц, внаибольшей степени модулируемых солнечной активностью.5) Пространственная структура вариаций давления, наблюдаемая в связи с изменениямипотока ГКЛ в 11-летнем цикле солнечной активности, определяется климатическимположением главных атмосферных фронтов.
Наиболее значимые коэффициентыкорреляции атмосферного давления и интенсивности ГКЛ имеют место на полярныхфронтах умеренных широт и в высокоширотной области, ограниченной арктическимифронтами. В северном полушарии эффекты ГКЛ в высокоширотной области и наполярных фронтах имеют противоположный знак.6) Временная структура эффектов СА/ГКЛ в вариациях давления тропосферы высоких иумеренных широт характеризуется четко выраженной ~60-летней периодичностью.Обращения знака корреляции между приземным давлением во внетропических широтахи числом солнечных пятен обнаружены в 1890-х гг., начале 1920-х гг., в 1950-х гг., атакже в начале 1980-х и 2000-х гг.7) Изменения характера корреляционных связей между динамическими процессами внижнейатмосфереихарактеристикамиСА/ГКЛсвязанысизменениямикрупномасштабной циркуляции атмосферы, обусловленными эволюцией стратосферногоциркумполярноговихря.Выявлена~60-летняяпериодичностьввариациях8интенсивности циркумполярного вихря.
Показано, что усиление циклоническихпроцессов на полярных фронтах умеренных широт имеет место только при сильномвихре. Показана роль эволюции циркумполярного вихря как вероятной причинывременной изменчивости солнечно-атмосферных связей.8) Корреляционные связи, наблюдаемые между облачностью и потоками ГКЛ в умеренныхширотах в масштабе 11-летнего солнечного цикла, обусловлены влиянием ГКЛ наразвитие циклонической деятельности. Положительная корреляция нижней облачности ипотоков ГКЛ в период 1983-2000 гг.
объясняется усилением циклогенеза при ростеинтенсивности ГКЛ, имеющим место при сильном циркумполярном вихре. Нарушениекорреляции между облачностью и потоками ГКЛ в начале 2000-х гг. произошло врезультате резкого ослабления циркумполярных вихрей обоих полушарий, что привело кизменению эффектов ГКЛ в вариациях внетропического циклогенеза.Научная новизна1) Показана важность изменений скорости ионизации в связи с вариациями КЛ дляэволюции внетропических барических образований. Увеличение скорости ионизации входе СПС способствует интенсификации циклонических процессов, уменьшениескорости ионизации в ходе Форбуш-понижений ГКЛ − антициклонических.2) Обнаружено, что в зависимости от энергии космических частиц имеет место измененияциклонической деятельности на арктических фронтах высоких широт или полярныхфронтах умеренных широт.
Высыпания солнечных протонов с энергиями ~100 МэВ ввысоких широтах приводит к активизации атмосферных процессов на арктическихфронтах, вариации более энергичных галактических космических лучей − на полярныхфронтах.3) Впервыепримененсиноптическийанализдляинтерпретациивариацийметеорологических характеристик, наблюдаемых в связи с явлениями солнечнойактивности.4) Дано объяснение особой роли североатлантического региона для формированиякратковременных эффектов вариаций КЛ в эволюции внетропических барическихсистем как области, где сочетаются благоприятные атмосферные условия (особенностиструктурытермобарическогополя)игеофизическиеусловия(низкиепорогигеомагнитного обрезания заряженных космических частиц).5) Впервыепоказано,чтопространственнаяструктураизмененийдавления,коррелирующих с вариациями ГКЛ, определяется климатическим положением главныхатмосферных фронтов.96) Выявлена ~60-летняя периодичность во временном ходе коэффициентов корреляциимежду давлением нижней атмосферы и характеристиками солнечной активности и вэволюции стратосферного циркумполярного вихря.
Показано, что изменения знакаэффектов СА/ГКЛ в вариациях атмосферного давления происходят при измененияхсостояния вихря7) Показано, что наиболее благоприятные условия для эффектов вариаций ГКЛ винтенсивностивнетропическогоциклогенезаимеютместоприсильномциркумполярном вихре.8) Дано объяснение нарушению корреляции между количеством нижней облачности ипотоками ГКЛ в начале 2000-х гг. Показано, что данное нарушение обусловлено резкимослаблением циркумполярных вихрей.9) Показана роль эволюции стратосферного циркумполярного вихря как вероятнойпричины временной изменчивости солнечно-климатических связей.Достоверность научных положенийНаучные положения, выносимые на защиту, основаны на обработке большого объемаэкспериментального материала с использованием современных архивов метеорологических игеофизических данных, в том числе:•архив реанализа NCEP/NCAR,•архив приземного давления MSLP (Climatic Research Unit, East England University),•данные аэрологических зондирований (Датский Метеорологический Институт),•синоптические карты,•данные аэростатных измерений потоков космических частиц в стратосфере (ФИАН),•данные Международного спутникового проекта по климатологии облачности ISCCP.Достоверность полученных результатов обеспечивается высоким уровнем статистическойзначимости,котораяоцениваласьнаосновесовременныхматематическихметодов,позволяющих устранить влияние серийной корреляции в исследуемых рядах, в том числестатистического моделирования по методу Монте-Карло.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
