Исследование эффектов когерентных вариаций температуры атмосферы в периоды сейсмической активности

Данные спутникового дистанционного зондирования играют важную роль в изучении динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы, и взаимодействия между слоями атмосферы и литосферой в периоды сейсмической активности. В исследованиях атмосферных эффектов, обусловленных воздействием сильных землетрясений, важной физической характеристикой, которая описывает динамику и состояние атмосферы, а также может являться признаком происходящих в атмосфере возмущений, является температура. При том, что изменения температуры носят сложный характер, наиболее чувствительными к воздействию различного рода возмущающих факторов и активности атмосферных волн являются области, в которых происходит смена знака вертикального градиента температуры (Sverdlik, Imashev, 2020). Наше исследование построено на анализе пространственно-временных изменений температуры в верхней тропосфере / нижней стратосфере. Существенное отличие характеристик в этих разделенных тропопаузой областях атмосферы позволяет исследовать эффекты временной, пространственной и частотной когерентности между вариациями температуры над эпицентральными областями сильных землетрясений.
Важной частью проводимого исследования являлось расширение набора сейсмических событий, необходимое для установления закономерностей проявления сейсмоатмосферных эффектов сильных землетрясений. На данный момент проанализированы 55 событий, произошедших в сейсмически активных регионах Тянь-Шаня и Северного Памира (Sverdlik, Imashev, 2020; Kashkin et al., 2020), Центральной и Юго-Восточной Азии (Япония, Россия, Непал, Китай, Суматра) (Свердлик, Имашев, 2017) и Средиземноморском регионе Европы (Италия, Турция, Крит) (Свердлик, Имашев, 2019). Примерно 80 % рассмотренных событий с магнитудами M>5.0 характеризовались отчетливыми предсейсмическими аномалиями температуры в области тропопаузы.
Диагностирование аномальных возмущений проводилось с использованием разработанного алгоритма, который основан на расчете интегральных показателей, служащих фактически мерой временной и пространственной когерентности между вариациями температуры на изобарических уровнях выше и ниже тропопаузы (Свердлик, Имашев, 2019). Алгоритм построен на выделении короткопериодных спектральных составляющих с последующим анализом не только степени аномальности по амплитуде, но и особенностей изменения в фазовой и временной области.
При общей положительной статистике результатов диагностирования в относительно небольшом числе случаев аномалии температуры в области тропопаузы не были выявлены. Что определило необходимость проведения дополнительных исследований для выяснения особенностей вариаций температуры в каждом конкретном случае. Было установлено, что одним из возможных вариантов усовершенствования алгоритма обработки спутниковых данных состоит в комбинированном использовании разных высотных интервалов, поскольку закономерности, выявленные в области тропопаузы, отчасти справедливы и для уровней выше и ниже стратопаузы.
Проведено исследование динамики периодичностей и выполнены оценки изменения во времени квадратичной функции когерентности между коэффициентами вейвлет-преобразования спектров вариаций температуры на двух изобарических уровнях, которая характеризует корреляции, которые существуют между отдельными спектральными компонентами. Эффект сильной когерентности проявлялся в диапазоне периодов 4-12 суток за несколько суток до сильных землетрясений. Длительность аномального повышения меры когерентности существенно выше для уровней, расположенных вблизи тропопаузы. Установлено, что интервал возникновения аномальных возмущений температуры согласуется с временем проявления когерентных колебаний, а выделенный диапазон периодов, в котором эффект наблюдается наиболее четко, совпадает с экспериментально полученными оценками наиболее информативных спектральных составляющих, которые использовались в расчетах интегральных показателей аномальных вариаций (Sverdlik, Imashev, 2020).
Результаты проведенного исследования показывают наличие эффектов временной, пространственной и частотной когерентности аномальных вариаций температуры в разделенных тропопаузой областях верхней тропосферы / нижней стратосферы в периоды сейсмической активности.
Работа выполнена в рамках государственного задания Федерального государственного бюджетного учреждения науки Научной станции Российской академии наук в г. Бишкеке (тема № AAAA-A19-119020190064-9).