НОВИ РЕЗУЛТАТИ ЗА ГЛОБАЛНОТО РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛИМАТОЛОГИЯТА НА АТМОСФЕРНИТЕ ПРИЛИВИ ПОЛУЧЕНИ ОТ

SABER/TIMED (2002-2007 г.)

Физика на Земята, атмосферата и космоса – съвременни проблеми

Основни задачи

• Чрез прилагане на усъвършенствувана методика за анализ на спътникови измервания върху данните на SABER за 6 пълни години да се определи климатологията и глобалното разпределение на мигриращите и немигриращи 12- и 24-ч приливи с вълнови числа от -4 до 4 в страто-мезосферата и ниската термосфера (20-120 км).

• Нови свойства на приливите получени чрез прецизното им отделяне от SABER данните

Атмосферни (Термични) Приливи

Мигриращи и Немигриращи Приливи

• Мигриращ - зоналната фазова скорост е равна на привидната скорост на движение на Слънцето

stAf cos~

sdtdC ph

- фазова скорост на прилива

1 nn 242

1 където

Ако вместо универсално време t се използва локално време, като

tL= t + λ/σ1 , то:

nstA Lncos

За мигриращи приливи -s = n, или: LntAcos

Линейна Теория на Атмосферните Вълни

0cos

1sin2

av

t

u

01

sin2

au

t

v

H

kJwN

zt

2

01

coscos

10

0

wz

vu

a

Ако се допусне решение от вида: tsiwvuwvu exp,,,,,,

Частно диференциално уравнение от 2ри реда за Φ(θ,z) с решение основано на разделяне на променливите:

n

nn zG

T.к. [Θn(θ)] е пълна система от ортогонални функции то: zJJ n

nn

Като резултат от разделяне на променливите се получават следните уравнения:

nnn

n Jdx

d

NiG

h

kH

dx

Gd0

2/10'

2

'2

4

1

0

1

11222

22

2222

2

nnnn s

f

f

f

s

fd

d

fd

d

μ=sinθ и εn = (2Ωa)2/ghn

приливно уравнение на Laplace

Вертикална структура за принудени вълни

nnn

n Jdx

d

NiG

h

kH

dx

Gd0

2/10'

2

'2

4

1

xFG

dx

Gdn

n '22

'2

или

xixin BeAeG ~'

С решение от вида:

Ако hn < 0 или hn > 4kH, то тогава α2 < 0 →x

n eG ~'

това решение описва “trap” (неразпространяващи се) моди

Ако 0 < hn < 4kH, то тогава α2 > 0 и ако Cgx > 0 при xxi

n eG ~'- разпространяващи се моди

Широтна структура; приливно уравнение на Laplace; класификация на атмосферните моди

0

1

11222

22

2222

2

nnnn s

f

f

f

s

fd

d

fd

d

Θn са ограничени при μ=±1

,,,,

sn

sn

snSF

за всяко s и σ съществува набор от (εn, Θn) → (s, n) мод на

даден прилив За 12-ч прилив εn>0 – състои се само от разпространяващи се

моди За 24-ч прилив εn може да бъде както εn>0 така и εn<0 →за

ширинин ±30о 24-ч прилив се състои от разпространяващи се

моди, а за по-високи ширини – от “trap” моди

Широтна структура- Hough Functions на денонощните приливи

-9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0L a titu d e (d e g re e )

-3

-2

-1

0

1

2

3

Hou

gh f

unct

ion

(1 ,-1 )(1 ,-2 )(1 ,-3 )

D IU R N A L E X P A N S IO N F U N C T IO N ST rap p e d m o d e s

-6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0L a titu d e (d e g re e )

-2

-1

0

1

2

Hou

gh f

unct

ion

(1 ,1 )(1 ,2 )(1 ,3 )(1 ,4 )

D IU R N A L E X P A N S IO N F U N C T IO N SP ro p ag a tin g m o d e s

Резултати от анализа на измерванията на температурите чрез прибора SABER на спътника TIMED за периода януари 2002 – декември 2007 г.

Глобално разпределение: h= 20-120 км; φ=±50o

MLT RegionMLT Region

• SABER данните предоставят непрекъсната информация за стратосферата, мезосферата и ниската термосфера за ширини от 50оN до 50оS

• Мезопаузата е най-студената част в атмосферата на Земята и оказва влияние на вертикалното разпространение на вълните

• Динамиката на МНТ се доминира от вълни с големи амплитуди като част от тях дисипират в областта на мезопаузата.

Метод за анализ на SABER даннитеВисочини: 30 - 120 km на всеки 5 km

Ширини: 50oN – 50oS на всеки 10o

60-дневни плъзгащи сегменти със стъпка от 1 ден

ltRsltkC

slB

sltT

Atlt

k sksks

sss

j sjs

jjsr

,360

2

360

2

24

2cos

360

2

360

2cos

360

2

360

2

24

2cos,

2

1

4

4

3

1

4

1

3

30

100 коефициента определени от ~1000 измервания (Pancheva et al., Part 1, JASTP, 2009; Mukhtarov et al., JGR, 2009)

Квази-синхронизиран със Слънцето спътник

Сравнение между GSWM02 и SABER (24-ч мигриращ прилив)

-5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

L atitu d e (d eg ree )

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

0

3

6

9

1 2

1 5

1 8

S A B E R A m p litu d e (K ), M arch

S A B E R P h ase (h ), M arch

-5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

L a titu d e (d eg ree )

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 2

-8

-4

0

4

8

1 2

GSWM 24-ч мигриращ прилив за h=111.5 км

Ширинна структура на 24-ч мигриращ прилив (Mukhtarov et al., JGR, 2009)

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0L

atit

ude

(deg

ree)

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

1 8

2 4 -h W 1 T id e h = 9 0 k m

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

Lat

itud

e (

degr

ee)

1 .1

2 .2

3 .3

4 .4

5 .5h = 5 0 k m

Височинна структура на 24-ч мигриращ прилив над екватора

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 22 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

5

1 0

1 5

2 0

2 5

2 4 - h W 1 T i d e ( e q u a t o r )

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

QBO вариабилност на 24-ч мигриращ прилив над екватора

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

1 1 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-2 .0

-1 .5

-1 .0

-0 .5

0 .0

0 .5

1 .0

1 .5

2 .0Q B O V ar o f A 2 4 -h W 1 T id e (eq u a to r)

0 1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

0

4

8

1 2

1 6

2 0T

idal

Am

plitu

de (

K)

Tid

al P

hase

(de

gree

)

-1 8 0

-1 2 0

-6 0

0

6 0

1 2 0

1 8 0 2 4 -h W 1 T id e (h = 9 0 k m , eq .)

Вертикална структура и климатология на 24-ч мигриращ прилив над екватора

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 22 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

4

8

1 2

1 6

2 02 4 -h W 1 T id e (eq u a to r)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 2

M o n th s

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

Вертикална структура на 24-ч мигриращ прилив в средни ширини

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 22 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

4

8

1 2

1 6

2 0

2 4 - h W 1 T i d e ( 4 0 N )

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

Сезонен ход на 24-ч “trap” денонощни моди

0 1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

0

1

2

3

4

5

Tid

al A

mpl

itude

(K

)

Tid

al P

hase

(de

gree

)

-1 8 0

-1 2 0

-6 0

0

6 0

1 2 0

1 8 0 2 4 -h W 1 T id e (h = 5 0 k m , 4 0 oN )

Широтна структура- Hough Functions на денонощните приливи

-9 0 -8 0 -7 0 -6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0L a titu d e (d e g re e )

-1

0

1

2

Hou

gh f

unct

ion

(1 ,-1 )(1 ,-2 )

D IU R N A L E X P A N S IO N F U N C T IO N ST rap p e d m o d e s

-6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0L a titu d e (d e g re e )

-2

-1

0

1

2

Hou

gh f

unct

ion

(1 ,1 )(1 ,2 )

D IU R N A L E X P A N S IO N F U N C T IO N SP ro p ag a tin g m o d e s

Hough моди на SABER 24-ч мигр. прилив

0 1 2 3 4 5 6 7A m p litu d e (K )

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

Hei

ght

(km

)

(1 ,-2 )(1 ,-1 )(1 ,1 )(1 ,2 )

M arch

0 1 2 3 4 5 6 7A m p litu d e (K )

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

Hei

ght

(km

)

(1 ,-2 )(1 ,-1 )(1 ,1 )(1 ,2 )

Ju ly

-1 2 -9 -6 -3 0 3 6 9 1 2P h ase (L T )

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

Hei

ght

(km

)

(1 ,-2 )(1 ,1 )

M arch

-1 2 -9 -6 -3 0 3 6 9 1 2P h ase (L T )

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

Hei

ght

(km

)(1 ,-2 )(1 ,1 )

Ju ly

Немигриращи SABER 24-ч приливи

s = 2 (eq .)

6 1 2 1 8 2 4 3 0

P erio d (h o u rs)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

1 1 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)0 .0

0 .8

1 .7

2 .5

3 .3

4 .2

5 .0

s = 3 (eq .)

6 1 2 1 8 2 4 3 0

P erio d (h o u rs)

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

1 1 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

0 .0

1 .3

2 .7

4 .0

5 .3

6 .7

8 .0

Вертикална структура на немигриращия 24-ч Е3 прилив над екватора

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 27 0

8 0

9 0

1 0 0

1 1 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

3

6

9

1 2

1 5

1 82 4 - h E 3 T i d e ( e q u a t o r )

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

7 0

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

Ширинна структура на немигриращия 24-ч Е3 прилив

2 4 -h E 3 T id e h = 1 0 5 k m

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

Lat

itud

e (

degr

ee)

3

6

9

1 2

1 5

1 8

QBO вариабилност на 24-ч Е3 прилив

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

1 1 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 .0

-0 .5

0 .0

0 .5

1 .0

Q B O V ar o f A 2 4 -h E 3 T id e (eq u a to r)

0 1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

0

4

8

1 2

1 6

2 0

Tid

al A

mpl

itude

(K

)

Tid

al P

hase

(de

gree

)

-1 8 0

-1 2 0

-6 0

0

6 0

1 2 0

1 8 0A m p litu d e o f 2 4 -h E 3 T id e (h = 1 0 5 k m , eq .)

Вертикална структура и климатология на 24-ч Е3 прилив

2 4 -h E 3 T id e (eq u a to r)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 22 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2

M o n th s

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

Вертикална структура на немигриращия 24-ч Е2 прилив над екватора

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 28 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

2

4

6

8

1 02 4 -h E 2 T id e (eq u a to r)

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

Ширинна структура на 24-ч Е2 прилив

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

Lat

itud

e (d

egre

e)

h = 1 1 0 k m2 4 -h E 2 T id e

2

4

6

8

1 0

QBO вариабилност на 24-ч Е2 прилив

0 1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

0

2

4

6

8

1 0

Tid

al A

mpl

itude

(K

)

Tid

al P

hase

(de

gree

)

-1 8 0

-1 2 0

-6 0

0

6 0

1 2 0

1 8 0A m p litu d e o f 2 4 -h E 2 T id e (h = 1 1 0 k m , eq .)

Вертикална структура и климатология на 24-ч Е2 прилив

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 28 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

1

2

3

4

5

6

7

82 4 -h E 2 T id e (eq u a to r)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 1 2

M o n th s

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

Сравнение между GSWM02 и SABER (12-ч мигриращ прилив)

-5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

L a titu d e (d eg ree )

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

0

4

9

1 3

1 7

2 2

2 6

S A B E R A m p . (K ), A u g u st

-5 0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0

L a titu d e (d eg ree )

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 8 0

-1 2 0

-6 0

0

6 0

1 2 0

1 8 0

S A B E R P h ase (d eg ), A u g u st

Ширинна структура на 12-ч мигр. Прилив(Pancheva et al., Ann. Geophys., 2009)

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0L

atit

ude

(de

gree

)

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

1 2 -h W 2 T id e h = 1 1 0 k m

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

-5 0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

Lat

itud

e (

degr

ee)

1

2

3

4

5

6

7

8

9h = 9 0 k m

Височинна структура на 12-ч W2 прилив

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 27 0

8 0

9 0

1 0 0

1 1 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

3

6

9

1 2

1 5

1 8

2 1

2 4

2 7

1 2 - h W 2 T i d e ( 2 0 N )

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

7 0

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 5 0

-1 0 0

-5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

Удивително регулярен сезонен ход

0 1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

0

1 0

2 0

3 0

Tid

al A

mpl

itude

(K

)

Tid

al P

hase

(de

gree

)

-2 4 0

-1 8 0

-1 2 0

-6 0

0

6 0

1 2 0 1 2 -h W 2 T id e (h = 1 1 0 k m , 2 0 oN )

QBO вариабилност на 12-ч W2 в средни ширини

1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2

M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

11 0

1 2 0

Hei

ght

(km

)

-1 .5

-1 .0

-0 .5

0 .0

0 .5

1 .0

1 .5

Q B O V ar o f A 1 2 -h W 2 T id e (4 0 N )

0 1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2M o n th s (2 0 0 2 -2 0 0 7 )

0

1 0

2 0

3 0

Tid

al A

mpl

itude

(K

)

Tid

al P

hase

(de

gree

)

-1 8 0

-1 2 0

-6 0

0

6 0

1 2 0

1 8 0 1 2 -h W 2 T id e (h = 1 1 0 k m , 4 0 oN )

Нови свойства на SABER приливите• За пръв път от спътникови данни са отделени

trap модите на мигриращия 24-ч прилив. Изследвана е тяхната вертикална и ширинна структура, както и климатологията им.

• Установено е, че за h=45-50 км 24-ч W1 прилив се формира предимно от (1, -2), за h=60-75 км е комбинация от (1, -2) и (1, 1), докато над 75 км - предимно от (1, 1).

• Намерена е QBO вариабилност на мигриращия 24-ч прилив, както и отрицателен тренд на амплитудите вероятно свързан с понижение на слънчевата активност от 2002 до 2007 г.

• Намерената нова климатологична глобална структура на 24-ч W1 прилив, както и QBO вариабилността и зависимостта от слънчевата активност ясно показват, че е необходимо да се преразгледа ролята на стратосферния О3 като източник на този прилив.

• Намерени са глобалната структура и климато- логията на немигриращите 24-ч Е3 и Е2 приливи.

Тези приливи показват също QBO вариабилност, както и зависимост от слънчевата активност.

• Климатологичната фазова структура на 24-ч Е3 прилив отново показва принос на trap моди във формиране на този ниско ширинен прилив.

• За пръв път е показано, че в ширинния интервал ±50о най-силният мигриращ 12-ч прилив се намира не в средни ширини, а в тропичната ниска термосфера.

БЛАГОДАРЯ!