Диссертация (1150760), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Детали обработки данных смотри в Приложениях.Результаты. Для годичных рядов измерений низкочастотные части спектров Фурьепоказаний всех трех каналов сейсмометра и вариаций давления атмосферы приведены на рис.2.2.Обращает на себя внимание самый большой пик в спектрах. Он лежит выше уровнязначимости 99% и соответствует периоду около 50 дней, что попадает в диапазон периодовОМД 30 - 90 суток. На рис.
2.3 дан типичный пример всех четырех спектров для рядаизмерений длиной 30 суток.27Рис. 2.2. Построенные по годичным рядам измерений спектры мощности вариаций приземногодавления атмосферы и осцилляций, регистрируемых трехканальным сейсмометром STS-2.Горизонтальная штриховая линия соответствует 99%-ному уровню достоверности.28Рис. 2.3. То же самое, что на рис.
2.2, но для отрезка ряда с 23.02.2002 по 24.03.2002.Обозначения кривых: атмосферное давление сплошная толстая линия, Z-компонентасплошная тонкая линия, N-компонента штриховая толстая линия, E-компонента штриховая тонкая линия.Все эти спектры показывают наличие статистически значимых осцилляций с периодамидлиннее 2 суток. Значит, мы можем ожидать появление значимых пиков в динамическихспектрах. Рис.
2.4 как раз их и демонстрирует. Для Z-компоненты наблюдается давольно многосовпадений с максимумами спектра давления в диапазоне периодов 5-20 суток (диапазон волнРоссби). На рис. 2.4 для N- компоненты совпадения наблюдаются в основном зимой. Чтокасается Е-компоненты, то совпадения тут редки, проявляются преимущественно зимой (такжекак и для N-компоненты).Чтобы уменьшить эффект проявления неустойчивости волн в спектрах, динамическиеспектры получены для последовательности более коротких рядов измерений длиной 15 суток.Рис.2.5 демонстрирует пример всех четырех спектров для 15 суточных рядов.
Здесь также пикистатистически значимы.На рис. 2.6 представлены динамические спектры вариаций давления и показанийсейсмометра. Как и ожидалось, спектральные особенности на более коротких периодах четчевыражены на рис. 2.6, чем на рис. 2.4. Так же как и для 30-суточных рядов, обнаружено многосовпадений спектральных особенностей с максимумами вариаций давления для Z-компоненты,для N- и E-компонент особенности наблюдаются преимущественно в зимний период.2965а5647.531021513060901201501802102402703003305б5647.531021513060901201501802102402703003306в5305647.53102151306090120150180День210240270300330Период, суткиЧастота, 1/30 сутки63030Рис.
2.4. Динамические Фурье-спектры мощности (в относительных единицах) вариацийприземного давления атмосферы и осцилляций, регистрируемых трехканальным сейсмометромSTS-2, по измерениям в 2002 г для рядов длиной 30 суток. Динамический спектр вариацийдавления представлен на всех панелях сплошным затемнением; усиление затемнениясоответствует увеличению спектральной мощности.
Динамические спектры осцилляций,регистрируемых сейсмометром, для Z-, N- и E-компонент представлены последовательно напанелях а, б и в контурными линиями, причем спектральная мощность, начиная с линии второйпо величине мощности, выделена штриховкой.30Рис. 2.5. То же самое, что на рис. 2.2, но для отрезка ряда с 23.02.2002 по 9.03.2002.Обозначения кривых: атмосферное давление - сплошная толстая линия, Z-компонента сплошная тонкая линия, N-компонента штриховая толстая линия, E-компонента штриховаятонкая линия.Для сравнения с Фурье спектрами получены вейвлет-спектры (рис.2.7).
На всех четырехспектрах обнаружены общие особенности для периодов выше двух суток. Наиболееинтенсивные колебания наблюдаются в зимний период. Кроме этого проявляется спектральнаяособенность с периодом порядка 50 суток.315а67.51015567.510155в67.51015ДеньРис. 2.6. То же самое, что для рис. 2.4, но для рядов длиной 15 суток.Период, суткиЧастота, 1/30 суткиб3215264352151307.510Атмосферноедавление0.650100150200250300509035021564352151307.510500.6Z-компонента5010015020025030090350152643251307.510150.650N-компонента50100150200250300902643257.510151300.650E-компонента10015020025030064321684211/21/41/81/161/321/6464321684211/21/41/81/161/321/643501550Период, суткиЧастота, 1/30 сутки64321684211/21/41/81/161/321/649064321684211/21/41/81/161/321/64350ДеньРис.
2.7. Вейвлет-спектры (в относительных единицах) вариаций приземного давленияатмосферы и осцилляций, регистрируемых трехканальным сейсмометром STS-2, по измерениямв 2002 г. Контурные линии соответствуют 95%-ному уровню достоверности.33Обсуждение. Как указано во Введении, на показания вертикального сейсмометра (Zкомпонента)атмосферные движения влияют в основном за счет вариаций ньютоновскогопритяжения маятника перемещающимся воздухом. Естественно предположить этот жемеханизм воздействия на показания горизонтальных каналов сейсмометра: перемещающийсявоздух создает вариации ньютоновского притяжения в горизонтальных направлениях.
Нельзяаприори исключить влияния на показания горизонтальных каналов меняющегося наклоназемной поверхности, обусловленного перепадом давления атмосферы при перемещениивоздуха.Принаклонахпоказанияэтихканаловнебудутстрогосоответствоватьгоризонтальным направлениям вдоль меридиана и параллели: к показаниям с разным весомможет «подмешиваться» направленная по вертикали сила тяжести.Величину указанных наклонов можно оценить сверху, основываясь на максимальномпорядке величины амплитуды колебаний приземного давления атмосферы, ps, прираспространении волн Россби. Оценка производится на основе простой модели [Forbes, 1995]собственных колебаний изотермической атмосферы, в которой невозмущенное давление p0 напроизвольной высоте z определяется барометрической формулойp0 = ps exp( z/H) ,(2.1)где ps невозмущенное приземное давление (p0 при z = 0), H высота однородной атмосферы,принимаемая для всей атмосферы постоянной.
В указанной модели волна Россби являетсяволной Лэмба. Поэтому при распространении волны Россби амплитуда колебаний высотыизобарической поверхности, соответствующей давлению p0, z, связана с тем же, но длядавления ps, zs, формулойz = zs exp(z/H) ,(2.2)где = (cp cv)/cp, а cp и cv теплоемкости газа при постоянном давлении и объемесоответственно. Для малых возмущений поля давления связь амплитуды колебания давления pна высоте z с амплитудой колебания высоты изобарической поверхности, соответствующейдавлению p0, z, определяется уравнением гидростатики:p/p0 = z/H .(2.3)Формулы (2.1) (2.3) дают для амплитуды колебания приземного давления, ps, соотношениеps p0 z. 1ps H(2.4)34Для наиболее интенсивных волн Россби, которые реализуются в диапазоне периодов~ 5 20 суток, наблюдения дали максимальный порядок z = 70 м для p0 = 500 гПа [Lindzen etal., 1984].
Поскольку для воздуха = 2/7, то, принимая характерные ps = 1000 гПа и H = 7.5 км,получаем для волн Россби максимальный порядок ps = 8 гПа.В работе [Sorrells, 1971] при использовании модели упругого полупространстваполучены формулы для вертикального и горизонтального смещений и наклона плоскойповерхности в случае распространения вдоль нее синусоидальной волны давления. Посколькуволны Россби распространяются вдоль параллели, вызванные ими в этом направлении наклоныземной поверхности могут быть оценены с помощью формулы для наклона из указаннойработы. Максимальная скорость волн Россби в рассматриваемом диапазоне периодов имеетместо на экваторе для волн с s = 1 и периодами ~ 2 суток и равна ~ 200 м/с, что много меньшескорости сейсмических волн.
Поэтому для оценки наклона использована формула в предельномслучае нулевой скорости волны давления. Грубость оценки позволяет пренебречь численнымразличием между константами Ламэ и . В результате для максимального угла наклонаповерхности к горизонтальному направлению, α, при распространении волны давления самплитудой ps получается формулаp s 2 3p s,~2 4(2.5)показывающая независимость α от длины волны. Горизонтальная структура возмущения вволнеРоссбивдольокружности,проходящейчерезобаполюса,тоженоситквазипериодический характер (см., например, рис.
1 в работе [Ahlquist, 1982]). Однако этаструктура носит сложный, несинусоидальный характер и сильно меняется с изменениеминдекса n и числа s. Поэтому для грубых оценок угла α в меридиональном направлении тожецелесообразно использовать формулу (2.5). В верхних слоях земной коры значения константы принадлежат диапазону 0.1 1011 4 1011 дин/см2 (см., например, [Бончковский, 1948]).Согласно (2.5) для ps = 8 гПа это дает диапазон значений ~ 108 106 рад. Для сравнения,характерныймаксимальныйнаклонповерхности,перемещающейся системой циклонов-антициклонов,создаваемыйнасреднихширотахоценивается по порядку величины в107 рад, а определяемое по среднемесячным полям давления максимальное возмущениенаклона поверхности, связанное с сезонным циклом, имеет порядок 10 8 рад [Rabbel, Zschau,1985].Для оценки воздействия вариаций ньютоновского притяжения маятников сейсмометраперемещающимся воздухом на показания горизонтальных каналов сейсмометра требуется35специальное исследование.
Поэтому в настоящее время нельзя сказать, какой механизмвоздействия через ньютоновское притяжение или в силу наклона земной поверхности преимущественно влияет на показания горизонтальных каналов.36Заключение по главе 21. Впервые выполнено исследование возможности обнаружения длиннопериодных волни колебаний атмосферы (от периодов волн Россби ~ 2 суток до периодов осцилляцийМаддена-Джулиана ~ 50 суток) в вертикальных и горизонтальных каналахсейсмометроводновременно.измерениямиприземногоСравнениемдавленияссинхроннымивпервыепоказано,барометрическимичтогоризонтальныесейсмометры или их каналы уверенно регистрируют волны и колебания атмосферыуказанногодиапазонапериодов.Темсамымустановленаприродашума,регистрируемого в данном диапазоне периодов в показаниях любых сейсмическихприборов.2. Оценено, что перемещения массы воздуха, сопровождающие распространение волнРоссби, может приводить к наклонам земной поверхности таким же по порядкувеличины как при циклонах и антициклонах.37Глава 3. Короткопериодные глобальные колебания в атмосфере3.1 Выявление признаков гравитационных собственных колебанийатмосферыПредметом исследования в данной главе являются собственные колебания атмосферы(СКА) часового диапазона периодов (периоды ~ 1 5 ч) (см.
главу 1). Были использованы те жеданные, что и в главе 2.Спектральный анализ. Перед проведением спектрального анализа исходные рядыизмерений были усреднены по 5-минутным интервалам, а затем подвергнуты фильтрации,чтобы исключить влияние интенсивных низкочастотных колебаний на высокочастотную частьрегистрируемого спектра колебаний. Фильтрация проводилась по методу Ланцоша [Duchon,1979] для 5 частот обрезания спектра 40, 80, 120, 160 и 200 мкГц. Поскольку процедурафильтрации сильно ослабляет амплитуду колебаний на частотах близких к частоте обрезания,во внимание принимались колебания с частотами, превышающими на 10 мкГц частотуобрезания.Как указывалось в главе 1, появление и исчезновение СКА сильно зависит от измененийдвижений атмосферы в масштабе всей планеты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
