Для зимы сезонная флуктуация равна 73.
6%, для весны 68.
1%, для лета 56.
7%, для осени 88.
1%. Относительная флуктуация обычно является наиболее удачной характеристикой неспокойности климата, что объясняет ее осенний максимум.
Оценим частоту встречаемости значений высоты нижней границы облаков (ВНГО). Для этого разобьем интервал высот от 0 до 2.5 км на отрезки по 200 м каждый и посчитаем количество случаев попадания наблюдаемых значений ВНГО в каждый из интервалов. Количество падания в каждый интервал далее выразим в процентах от общего объема выборки. Результат представим в виде гистограммы на рисунке 8.
Рис. 8. Частота встречаемости значений ВНГО.
Наиболее часто встречаются высоты облаков в интервале от 200 м до 400 м (31%). На высоты менее 1000 м приходится 82.
2% всех случаев.
Найдем эмпирические регрессионные соотношения между высотой нижней границы облаков (ВНГО) и относительной влажностьи дефицитом точки росы:
Для этого воспользуемся методом наименьших квадратов:
Здесь A и B — матрицы систем уравнений, L — матрица измерений (в данном случае в качестве измерений — ВНГО). Получены следующие численные оценки:
Стандартное отклонение остаточных разностей для обеих формул составило 350 м. При исключении грубых отклонений (по критерию два сигма, т. е. более 700 м) коэффициенты почти не меняются:
(19).
Сравнивая эти формулы с формулами Ипполитова (12) и Ферреля (14) можно заметить, что значения коэффициентов почти совпали.
2.
2. Зависимость высоты нижней границы от формы облаков и времени суток.
В соответствии с заголовком текущего раздела найдем средние значение высоты нижней границы облаков (ВНГО) для родов облаков, имеющих основание в нижнем ярусе. Информацию о типах облаков мы привлекаем с ближайшей метеостанции Москва (ВДНХ), 19 км от аэропорта Шереметьево. На основании этой архивной выборки нами рассчитаны следующие значение: 961.
5 м для кучево-дождевых облаков (Cb), 1084.
8 м для кучевых облаков (Cu), 724.
9 м для слоисто-кучевых облаков (Sc)и 245.
5 для слоистых (St).
Рис. 9. Зависимость ВНГО от рода облаков. ВНГО табл — значения из таблицы 1, ВНГО эмп — эмпирически полученные значения для аэропорта Шереметьево.
Интересно нанести эти величины на гистограмму совместно с соответствующими значениями ВНГО из таблицы 1 раздела 1.1 (рисунок 9). Как видно, эмпирически полученные значения высоты облаков хорошо подтверждают данные таблицы 1.
а.
б.
в.
г Рис. 10. Суточный ход ВНГО и относительной влажности зимой (а), весной (б), летом (в), осенью (г).
Далее рассмотрим вопрос о суточных изменениях ВНГО. Внутрисуточный ход был получен путем усреднения суточных трендов за отдельные дни в каждом из четырех климатических сезонов. Поскольку дискретность исходных данных составляет полчаса, то для каждого среднего суточного хода получено 48 значений. Результаты представлены на рисунке 10.
Как можно видеть, амплитуда суточного хода ВНГО максимальна летом и составляет примерно 1370 м, а минимальная зимой — 120 м. Весной и осенью амплитуда равна 420 м и 720 м соответственно. Момент достижения наибольшего значения ВНГО приходится на период с 16 до 20 часов московского времени. Минимум случается между 4 и 8 часами. Отметим, что суточный ход, вообще говоря, является функцией притока лучистой энергии Солнца, поэтому графики на рисунке 10 должны были бы быть построены относительно местного среднесолнечного времени. Однако разность между московским (MSK) и среднесолнечным (LST)временем достаточно мала и определяется как:
(20).
где UT — всемирное время, λ≈37.5° - Долгота Шереметьева.
На рисунке 9 также дополнительно показан суточный ход приземной относительной влажности. Как и следовало ожидать, ход ВНГО и относительной влажности имеют зеркальный вид в полном согласии с формулой Ипполитова (12). Причины наблюдаемых суточных вариаций объясняются следующим образом [5]. В более холодное ночное время давление насыщения имеет сравнительное малое значение, благодаря чему уже на малой высот достигается уровень конденсации. С восходом Солнца начинается рост температуры, а вместе с ней растет и давление насыщения. Значение относительной влажности поддерживается за счет испарения с земной поверхности, однако к полудню этот ресурс исчерпывается, но в тоже время давление насыщения продолжает расти. Возникает быстрое убывание относительной влажности и, соответственно, подъем уровня конденсации. К этому добавляется конвективный теплообмен с выносом более теплого приземного воздуха в более высокие слои. К вечеру остывание воздуха приводит к уменьшению давления насыщения, что приводит к понижению уровня конденсации.
Выводы к главе 2.
В главе проведена обработка годичного ряда высоты нижней границы облаков, полученной для аэропорта Шереметьево. Установлено, что в годичном ходе высота облаков имеет максимум летом, минимум зимой, весеннее значение больше осеннего. Вариация высоты облаков также максимальна летом и минимальна зимой. Показано, что в 31% всех случаев высоты облаков лежат в интервале от 200 м до 400 м, в 20% в интервале от 0 м до 200 м. На высоты менее 1000 м приходится 82.
2% всех случаев. Найдены эмпирические параметризации для высоты нижней границы облаков, которые практически совпали с известными формулами Ипполитова и Ферреля. Была проверена и подтверждена связь формы облков и высотой их основания. Также установлено, что в суточном ходе высота облаков имеет максимум ранним утром, а минимум вечером. Амплитуда суточного хода меняется от 120 м зимой до 1370 м летом .
Заключение
.
Подведем основные итоги работы. В теоретической части работы показано, что давление водяного пара убывает с высотой медленнее, чем давление насыщения, благодаря чему существует уровень конденсации, на котором относительная влажность достигает значения 100%. Высота уровня конденсации хорошо параметризуется через приземную относительную влажность или приземное значение дефицита точки росы. При этом увеличение приземной относительной влажности ведет к уменьшению высоты уровня конденсации. В свою очередь уровень конденсации можно считать теоретической оценкой высоты нижней границы облаков. Далее указано, что морфология облаков взаимосвязана с высотой их основания. Указано, что особое значение параметр высоты нижней границы облаков играет в авиации, вследствие последнего аэропортовые метеостанции снабжаются высокоточными измерителями ИВО. Архив аэропорта Шереметьево был использован для статистических расчетов.
В практической части работы показано, что высота нижней границы облаков в сезонном ходе имеет максимум летом, а минимум — зимой. Подтверждена обратная взаимосвязь между приземной относительной влажность и высотой облаков. Показано, что в 82% случаев нижняя граница облаков лежит ниже высоты 1000 м. Найдены эмпирические регрессионные соотношения для высоты нижней границы относительно дефицита точки росы и относительной влажности. Отмечено, что найденные регрессии практически идентичны формулам Ферреля и Ипполитова. Найдено, что в сутуночном ходе высота нижней границы облаков имеет максимум между 16 и 20 часами, а минимум между 4 и 8 часами. Также подтверждена связь между высотой облаков и их морфологией.
Список литературы
Алисов Б. П., Полтараус
Б. В. Климатология. — М.: МГУ, 1974. — 300 с.
Бочарников Н.В., Брылев Г. Б., Кузнецова Л. И. и др. Автоматизированные метеорологические радиолокационные комплексы «Метеоячейка». — СПб: Гидрометеоиздат, 2007. — 246 с.
ГОСТ 4401–81. Атмосфера стандартная. — М.: Издательство стандартов, 2004.
Зуев С. В. Моностатический оптико-электронный измеритель высоты нижней границы облаков. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Томск: 2014. — 120 с.
Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л.:Гидрометеоиздат, 1965. — 876 с.
Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 3. Ч. 1. — Л.:Гидрометеоиздат, 1985. -301 с.
Островский Е.В., Фридзон М. Б. Тонкая структура вертикального профиля влажности, влияющая на распространение радиоволн в тропосфере / Научный вестник МГУ ГА. Серия радиофизика и электроника. — № 133, 2008. — с. 30 — 39.
Собхи А.А. Ю. Эмпирические формулы изменения упругости водяного пара с высотой в атмосфере Египта / интернет-вестник Волг.
ГАСУ. Политематичская серия. — Вып. 2, № 7.
Стернзат М. С. Метеорологические приборы и наблюдения. — Л.:Гидрометиздат, 1968. — 464 с.
Тимофеев Ю. М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и поверхности. — СПб.:СПбГУ, 2010. — 129 с.
Guide to meteorological instruments and methods of observation, ed. 17. — Geneva: WMO, 2008. — 681 p.
Датчик высоты облаков лазерный ДОЛ-2:
http://www.lomo-meteo.ru/Devices/DOL-2.html.
