Картографическая визуализация как метод изучения связи генезиса полей серебристых облаков c тропосферными явлениями

Аннотация

Влияние избранных тропосферных факторов на появление и эволюцию серебристых облаков умеренных широт изучается методом построения и анализа синтетических карт. Рассмотрены основы метода, позволяющего сопоставить наиболее точные данные дистанционного спутникового зондирования верхней атмосферы с объективными показателями физического состояния тропосферы. При этом оба вида информации имеют картографическое представление, в котором наличествуют числовые характеристики развития метеорологических явлений. Детально рассмотрен процесс построения синтетических карт на основе применения стандартных программных средств и процедур. На ряде типичных примеров показано наличие явной связанности в расположении полей серебристых облаков с развитием специфических быстроразвивающихся процессов в тропосфере. Особенного внимания заслуживает влияние фронтогенеза и связанных с ним циклонов и окклюзий на формирование полей мезосферных серебристых облаков. Предлагается объяснение выявленных связей на основе представлений о генерации внутренних гравитационных волн и их влиянии на поле температуры в мезосфере. Предложены перспективы дальнейшего развития исследований рассматриваемого феномена.

Введение

Раннее нами было показано наличие феноменологической связи между развитием тропосферных процессов в летний период в северном полушарии Земли и формированием полей мезосферных серебристых облаков (в дальнейшем MCO) умеренных широт в мезосфере [1-2]. Предположения о возможном влиянии тропосферных процессов на генезис MCO, без метеорологической детализации звучали как в работах давнего времени, так и в новейших [3-4]. При этом если информация о наличии и типе серебристых облаков в прошлом получалась в ходе наземного мониторинга MCO, то сейчас мы располагаем данными спутникового мониторинга. Два способа наблюдений за развитием MCO не конкурируют, но удачно дополняют друг друга. Причём, чем южнее расположены поля МС0, тем большее преимущество приобретают наземные наблюдения [5-6]. Метеорология тропосферы изучалась по стандартным картам развития атмосферных процессов на различных высотах. Сопоставление информации из этих источников прежде выполнялось приближенно. При этом трудно было избежать субъективности в выводах.

Методы исследования

Впоследствии нами была реализована идея составления синтетических карт путём наложения картин развития тропосферных процессов на изображения глобального поля серебристых облаков северного полушария, получаемые по данным спутника AIM. При этом учитывалось соответствие времени получения изображений полей MCO и метеорологических данных.

Первые опыты такого рода дали интересные результаты. Оказалось, что поля MCO умеренных широт тяготеют к расположению в подстилающем слое тропосферы определённого круга процессов [5]. Физическое объяснение этому можно связать с влиянием масштабных вертикальных движений воздушных масс, имеющих корни в тропосфере. Такие движения способны порождать локальные волны плотности или внутренние гравитационные волны (ВГВ - далее). Достигая мезопаузы, они могут за счёт адиабатного снижения температуры вызывать конденсацию паров воды, что ведёт к формированию MCO.

C целью проверки этого предположения был предпринят анализ массива синтетических карт, составленных по данным сезона наблюдений - 2015 года.

Метеорологические карты были предоставлены Северо-Казахстанским отделением Казгидромета, а изображения полей MCO получены с сайта спутника AIM. На синтетических картах на каждые сутки сезона сопоставлялись характеристики двух слоёв атмосферы.

Процедура наложения двух типов карт включала точное совмещение координатных сеток и важнейших географических элементов. Однако, сравнительно с описанным подходом [6], были внесены важные изменения.

Оптимальным при создании синтетических карт оказалось использование программ Paint.NET и FastStone Image Viewer, позволяющих наряду с просмотром производить редактирование и преобразование изображений. Эти программы отличаются минимальной трудоёмкостью при максимальном удобстве пользователя и, к тому же, являются бесплатными и общедоступными.

При помощи этих программ, во-первых, рисунок переведен в негатив, что значительно улучшает восприятие карты в целом, а, во-вторых, балансировкой уровней темных и светлых областей можно добиться наиболее информативной картины распределения полей серебристых облаков.

Результаты исследования

Это иллюстрирует сравнение карт на Рисунках 1 и 2, полученных для одной даты. Казалось бы, одно только изменение тональности изображений позволило упростить и уточнить визуальный анализ карт.

Изучению подверглись 61 карта для всех дат июня и июля 2015 года.

Рисунок 1 Синтетическая карта, отображающая расположение полей серебристых облаков и развитие метеорологических процессов над Евразией на 30.06.2015, построенная по методике, изложенной в работе [6]

Детальное изучение карт выявило, что поля серебристых облаков умеренных широт (южнее 70 градусов северной широты) как правило, располагаются в тыловой части холодных атмосферных фронтов (Рис. 3), вблизи окклюзий, а также близ центров циклонов (Рис. 4). Такие ситуации оказались типичными, поэтому они были изучены статистически. Для этого на всех картах выполнены линейные измерения взаимного расположения полей MCO и тех типичных тропосферных образований, которые способны генерировать ВГВ достигающие высот мезосферы. Определённые

ограничения при этом связаны с недостатками качества спутниковых карт - обрезанием облачных структур в южных широтах.

К числу выявленных факторов влияния тропосферных процессов на генезис MCO относятся:

движение холодных фронтов, вытесняющих тёплые воздушные массы вверх, и при значительных скоростях движения генерирующих ВГВ;

Б) концентричное расположение систем двух холодных фронтов, вызывающее появление наиболее ярких полей MCO (Рис. 3);

  1. движение циклонов в широтном направлении с высокой скоростью, когда они смещаются из области низкого в область более высокого рельефа, например, пересекают Уральский хребет или с моря надвигаются на гористые части Скандинавии (при этом поскольку с циклонами всегда связаны фронты, влияние этих факторов разделить сложно);

Г) окклюзии - области смыкания тёплого и холодного фронтов, вызывающие интенсивные вертикальные движения воздушных масс и порождающие ВГВ;

Д) грозовые очаги своим возникновением обязаны быстрому конвективному подъёму воздушных масс и, как следствие, должны порождающие ВГВ. Здесь также могут действовать специфические факторы, способствующие вертикальному переносу водяных паров из тропосферы в верхние слои атмосферы [7];

Е) встречное движение холодного (с севера) и тёплого (с юга) фронтов из простых физических соображений вызывающее вертикальные воздушные потоки и порождающее ВГВ (рис. 5). Факторы Б и E прежде не были нами отмечены и выделены отдельно в ходе данного исследования.

Заключение

Полный анализ набора карт, созданного для сезона 2015 года, не выявил ни одного случая, когда бы серебристые облака умеренных широт, показанные на спутниковых изображениях, не были бы связаны с одним или несколькими одновременно указанными выше тропосферными факторами. Однако, обратное утверждение, вообще говоря, не верно, и этот вопрос мы обсудим далее.

Литература:

  1. Solodovnik A.. Kudabayeva D. Variation in the Area of the Global Field OfNoctilucent Clouds of the Northern Hemisphere in 2007-2012 Seasons // Geomagnetism and Aeronomy, vol. 55, No 2, pp. 261- 265.
  2. Солодовник A.A., Кудабаева Д.А., Крючков B.H., Леонченко А.С.// Серебристые облака: проблема образования и вопрос о дефинициях.// Известия HAH PK, № 4, 2011. - С. 105-110.
  3. P. Daliu A. Pogoreltsev, N. Pertsev, V. Perminov, N. Shevchuk, A. Dubietis, M. Zalcik. S. Kulikov, A. Zadorozhny. D. Kudabayeva. A. Solodovnik, G. Salakhutdinov, and I. Grigoryeva // Evidence of the fonnation of noctilucent clouds due to propagation of an isolated gravity wave caused by a tropospheric occluded front// Geophys. Res. Lett, 42, 2037-2046, doi:10.1002/2014GL062776.
  4. Бронштэн В.А.. Гришин Н.И. Серебристые облака. M.: Наука. 1970. 360 с.
  5. Солодовник А. А. Журавлёв П. Л / Серебристые облака: проблема происхождения, изучение примера антропогенного генерирования облачного поля / Материалы XXIII Международной научно-практической конференции «Наука и Современность - 2013», РФ, г. Новосибирск. - С. 19-23.
  6. Солодовник А. А. Журавлёв П. Л / Методика и первые результаты картографического анализа связи генезиса серебристых облаков с метеорологией тропосферы/ Сборник материалов XII Международной научно-практической конференции «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований». Новосибирск, 2014, - С. 17-22.
  7. Солодовник А. А. / Атмосферное электричество и происхождение серебристых облаков / Земля и Вселенная. №6, 2007. - С. 64-69.
Год: 2019
Категория: Биология