ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 3, с. 12-23
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ СВОЙСТВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ АТЛАНТИКИ
НА МЕЖГОДОВЫХ МАСШТАБАХ © 2012 г. В. Н. Еремеев1*, А. Н. Жуков2, А. А. Сизов2
1Океанологический центр НАН Украины, Севастополь 2Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь *E-mail: director@ibss.iuf.net Поступила в редакцию 27.04.2011 г.
Представлены результаты исследований пространственной изменчивости поля температуры поверхности (SST) Атлантического океана на межгодовых масштабах. Анализ выполнен по среднемесячным спутниковым данным AVHRR Pathfinder Data JPL NOAA/NASA за 1985—2001 гг. Описаны особенности структуры полей средних за 17 лет значений SST, а также полей градиента и дисперсии временных рядов SST по каждому узлу сетки данных. С помощью ритмодинамического подхода показано существование пространственных тепловых волн в межгодовой изменчивости поля SST по двум основным направлениям — зональному и меридиональному.
Ключевые слова: температура поверхности, межгодовая изменчивость, ритмодинамика, общепланетарное поле тепловых волн, Атлантический океан
ВВЕДЕНИЕ
В ряде работ последних лет активно исследуется повторяемость периодов аномально высоких температур на европейском континенте. Яркий пример — аномально жаркое лето 2003 г. (Blacke et al., 2004; Schar et al., 2004). Это явление, названное "тепловой волной", связывают с особенностями крупномасштабной циркуляции атмосферы в Атлантико-Европейском регионе (Schar etal., 2004), которые, в частности, приводят к формированию знакопеременных структур аномалий поверхностной температуры в Северной Атлантике (Blacke et al., 2004).
В работах (Еремеев и др., 2006а, 20066; 2007а, 20076), посвященных исследованиям общих закономерностей временной и пространственной изменчивости спектральных характеристик геофизических процессов и полей (т.е. их ритмоди-намики), было предложено обобщенное представление о возможной природе явлений такого рода. Так, в (Еремеев и др., 2007б) показано существование пространственных волн в изменчивости температуры поверхности Черного моря на межгодовых масштабах. Там же с учетом результатов, полученных в (Еремеев и др., 2007а), было сделано предположение, что такое волновое поле является общепланетарным (ОВП).
Цель данной работы - проверка этого предположения с помощью массива спутниковых данных по температуре поверхности Атлантического океана.
Выбор Атлантики связан с тем, что водные массы этого бассейна в своей динамике полноценно представляют оба полушария планеты, а его протяженность позволяет изучать как меридиональную, так и зональную составляющие ОВП. Решение этой задачи предполагает исследование особенностей пространственной изменчивости температуры поверхности Атлантического океана, поиск устойчивых масштабов такой изменчивости и определение их характеристик на основе аналитических подходов (Еремеев и др., 2006б;2007а, 2007б).
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Данные спутниковых наблюдений температуры поверхности (tw) Атлантики за период 19852001 гг. были взяты из архива AVHRR Ocean Pathfinder Data JPL NOAA/NASA (http://podaac.jpl.nasa. gov/woce/woce3). Использовались среднемесячные значения tw для ночного времени наблюдений на равномерной сетке 0.5° х 0.5° (~54км). Всего было использовано 43200 узлов сетки в пределах прямоугольника 60° с.ш.—60° ю.ш. и 70° з.д.— 20° в.д. (рис. 1).
Полученное после проведенных расчетов поле средних за все время наблюдений (17 лет) значений tw Атлантики (рис. 1а) хорошо согласуется как с данными контактных измерений, так и с известными представлениями об особенностях
60 N
8
-60°
-^60° -40° -20° 0° Е 20 Долгота
W-60° -40° -20° 0° Е20° Долгота
Рис. 1. Поле средней за 1985-2001 гг. ^ Атлантики по спутниковым данным (а) и географическое расположение трех его фрагментов (А, В, С), выбранных для анализа пространственной изменчивости (б).
циркуляции воды в этом бассейне (Булатов, 1977; Бурков, 1980; Ьеукш е! а1., 2005; Deser е! а1., 2010). Сравнение рис. 1а с аналогичным рисунком из (Булатов, 1977) показывает, что за разделяющие их несколько десятилетий в поле температуры произошли некоторые изменения.
Так, между п-овом Лабрадор и Гренландией ^ увеличилась в среднем на 2°С. Изгиб к северу изотермы 26°С в районе Малых Антильских островов и Пуэрто-Рико сместился выше с 19° с.ш. до 26°-27° с.ш. Аналогичные изменения произошли в положении этой изотермы у Ресифи и Сальвадора (Бразилия), она сдвинулась к югу с 14° ю.ш. до 21° ю.ш. Эти свидетельства повышения температуры Атлантического океана за последние два десятилетия XX в., в первую очередь в районе Ньюфаунленда и в экваториальной области, будут более подробно рассмотрены ниже.
Характерной чертой поля ^ Атлантики является известная асимметричность между севером и югом, западом и востоком (рис. 2а, б). Графики на этом рисунке были получены путем осреднения средних за 17 лет значений температуры каждого узла сетки данных по всем узлам каждой из частей поверхности Атлантики - севером, югом, западом и востоком. При этом границей между севером и югом был выбран экватор, а между западом и востоком (без равенства числа узлов по половинам) - 25.0° з.д. Учитывались только узлы с обеспеченностью среднемесячными значениями не менее 95%. В основном полученные зависимости
для Атлантики совпадают с известными результатами анализа межгодовой изменчивости, полученными по контактным (Ьеукш е! а1., 2005) и спутниковым данным (Артамонов и др., 2008). Вместе с тем есть и определенные отличия от данных (Ьеукш е! а1., 2005) - прежде всего, по Южной Атлантике.
Более детальные оценки ^ были получены аналогичным образом для четвертей поверхности океана - северо-запада (СЗ), северо-востока (СВ), юго-запада (ЮЗ) и юго-востока (ЮВ). На рис. 2в, г температуры приведены после удаления постоянной составляющей. При этом граница между западом и востоком с учетом примерного равенства числа узлов сетки по четвертям - это 32° з.д. на севере и 18° з.д. на юге. Полученные результаты показывают очевидную разницу не только в средней температуре этих четвертей (до 6°С между СЗ и ЮЗ), но и в их изменчивости. Межгодовые колебания ^ в четвертях и в океане в целом заметно несинхронны, особенно между севером и юго-западом.
В целом за 17 лет наблюдений ^ на СЗ и СВ увеличилась примерно на 0.7-0.8°С. На ЮЗ и ЮВ она снизилась на 0.1°С и 0.2°С соответственно. Таким образом, общее повышение температуры Атлантики за исследуемый период до 0.4°С является следствием потепления преимущественно ее северной части. Кроме того, с учетом результатов (Еремеев и др., 2007б) было выполнено срав-
О 20
св
р
£
св
р
О С
о Н
18
16
1985 1990 1995 2000 Год
О
св
р
£
св
р
О С
о Н
1990 1995 Год
2000
О
св
р
£
св
р
о с
о Н
О
св
р
£
св
р
О С
о Н
18.5 18.0 17.5 17.0
Запад б
- — — h- ', . Восток - V— — — | -
1985 1990 1995 2000 Год г
0.2 0 0.5 0.4
! W ¡F^—~ 1 кл я " х fc^/ir* н " х д_4 р
у \ \ 1 W* i
ЮЗ w t } ,1 1 i ЮВ 1 1
1985 1990 1995 2000 Год
1985 1990 1995 2000 1985 1990 1995 2000
Год Год
Рис. 2. Средние по пространству ряды среднегодовых значений и аномалий ^ Атлантики, ее частей (половины и четверти) и Черного моря: а — север, юг, весь океан; б — запад, восток, весь океан; в — СЗ (ромбы), СВ (звезды); г — ЮЗ (ромбы), ЮВ (звезды); д — весь океан; е — Черное море.
нение общего хода межгодовой изменчивости ^ Черного моря (рис. 2е), Атлантики в целом и ее частей. Из рис. 2в—2е следует, что изменчивость ^ Черного моря наиболее близка к СВ Атлантики, что следовало ожидать. Вместе с тем определенное сходство заметно и с ее ЮВ четвертью.
В связи с этими особенностями был проведен спектральный анализ рядов ^ по каждому узлу сетки данных Атлантики. На рис. 3 приведены примеры полученных результатов для трех узлов сетки, отмеченных на рис. 1б как а, Ь и с. Как хорошо видно, спектральные оценки временной изменчивости ^ показывают доминирование масштабов 2.0—2.5 года и 4—5 лет. При этом основные отличия в изменчивости ^ в большинстве случаев обусловлены влиянием ее низкочастотных (НЧ) составляющих. Несмотря на ряд особенностей, в целом по своей структуре большинство полученных спектров не имеют принципиальных отличий между собой и близки к аналогичным характеристикам Черного моря (Еремеев и др., 2007б).
Близкие по значениям результаты спектрального анализа, полученные как с помощью традиционного преобразования Фурье (Дубравин и др., 1999; Tanimoto, Xie, 1999), так и вейвлет-анализа (Higuchi et al., 1999), указывают на существование в межгодовой изменчивости tw Атлантики по всей ее акватории трех групп устойчивых колебаний — 2—4 года, 5—7 лет, 11—17 лет. Данные величины получены по многолетним (от 50 до 100 лет) контактным измерениям не только tw, но также давления и температуры воздуха в приземном слое. В целом эти результаты спектрального анализа соответствуют представлениям об общепланетарном характере данных групп колебаний для межгодовой изменчивости указанных параметров (White, Tourre, 2003; Еремеев и др., 2006а, 20066).
Вместе с тем для некоторых участков поверхности океана было заметно существенное доминирование в полученных спектрах гармоники с периодом 17 лет, что указывало на трендовый характер изменчивости. Кроме того, для этих участков была характерна и повышенная амплитуда
О 10.6
1985
1990 1995 Год
2000
О
24.0
св &
£
св &
О
С %
<о
Т
23.5
1 1 в 1 1 Д|
А/ и л V
/ \ 1 — \Т 1
' V | 1 V |\ |
1985
1990 1995 Год
2000
8 М
Я
о
% л
св
0.4
0.2
О 0.3
8 М
Я
о
% л
св
1-е
ч с
0.2
0.1
6 9 12 Период лет
15 18
3 6 9 12 15 18 Период лет
1985 1990 1995 2000 Год
3 6 9 12 15 18 Период лет
Рис. 3. Ряды среднегодовых значений Атлантического океана, их НЧ-составляющие (---) для узлов сетки с координатами: 25.25° з.д., 57.75° с.ш. (а); 67.75° з.д., 31.25° с.ш. (в); 57.75° з.д., 47.75° ю.ш. (д) и соответствующие спектры этих рядов (б, г, е).
0
3
г
0
межгодовых колебаний, что свидетельствовало о значител
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.