ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 3, с. 341-353
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ КЛИМАТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СИСТЕМЫ ОКЕАН-АТМОСФЕРА
© 2004 г. В. И. Бышев1, Н. К. Кононова2, В. Г. Нейман1, Ю. А. Романов1
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Институт географии РАН, Москва Поступила в редакцию 04.08.2003 г.
Работа посвящена исследованию современных климатических изменений системы океан-атмосфера. Показано, что основные характеристики океана и атмосферы имеют тесную связь с типами атмосферной циркуляции, а их изменчивость определяется особенностями вариаций последней. Диагноз структуры временнЫх изменений в системе океан-атмосфера позволил выделить три независимых режима ее поведения: короткопериодные возмущения (2-8 лет), циклические колебания (20-50 лет) и вековой тренд. Обсуждается вопрос об устойчивости выделенных режимов и о возможности прогноза тенденций поведения системы океан-атмосфера. Выводы, сделанные в работе, подкреплены результатами выполненного дисперсионного анализа и оценками корреляционных связей между различными элементами системы океан-атмосфера. В работе намечены перспективы дальнейших исследований динамики современного климата.
1. ВВЕДЕНИЕ
Циклоническая и антициклоническая активность атмосферы является основным фактором, определяющим состояние и изменчивость погоды на Земле [14]. Аналогично атмосфере, синоптические вихревые возмущения имеют место и в Мировом океане, формируя в нем свои "погодные условия". Циклогенез в этих двух взаимодействующих средах, реализуя механизм бароклинной неустойчивости, осуществляет процесс крупномасштабного турбулентного массо- и энергообмена, направленного на разрушение непрерывно формирующейся вертикальной и горизонтальной стратификации планетарного масштаба.
Многолетние срочные наблюдения на глобальной сети метеорологических станций, позволяющие следить за энергетикой и кинематикой вихревых возмущений, показывают, что в отдельные промежутки времени происходят значительные вариации интенсивности циклогенеза и изменение траекторий генерального перемещения вихревых образований. Наиболее значительные контрасты в атмосфере возникают при смене направлений турбулентного переноса с зонального на меридиональное и наоборот, когда либо превалирует зональный перенос тепла, влаги и других свойств с океанов на материки, либо преобладает межширотный обмен.
Длительные периоды господства зонального или меридионального макротурбулентного обмена в атмосфере принято отождествлять с различными фазами климата. Все более частые аномальные погодные ситуации, возникающие в последнее время почти повсеместно, наводят на
мысль об их возможной связи с изменениями климата. Если в данном отношении определяющими являются именно климатические изменения, то установление причин их естественных и антропогенных изменений приобретает дополнительный смысл в интересах оценки долгосрочных тенденций формирования глобальных и региональных погодных условий. Недаром эта и подобные ей задачи были положены в основу многих крупных национальных и международных программ, например, таких как РАЗРЕЗЫ, GARP, TOGA, AC-SYS, WOCE, CLIVAR и др.
Мультикомпонентность, многофакторность и, возможно, интранзитивность климатической системы [18, 22, 27] превращают ее в исключительно сложный и слабо детерминированный объект исследований. Разнообразные глобальные и региональные особенности современного климата, суперпозиция которых, по-видимому, формирует текущие погодные условия, могут порождать предположение о случайности поведения климатической системы и ее предсказуемости лишь в вероятностном смысле [23, 24]. Вместе с тем, в результате совместного анализа многолетних рядов измерений океанических и метеорологических характеристик удается обнаружить статистически обеспеченные признаки глобальных связей между процессами в океане и атмосфере [21, 26, 28].
В нашей работе рассматриваются особенности изменчивости некоторых важных гидрометеорологических характеристик в контексте глобальных климатических колебаний на протяжении последних ста лет - отрезка времени, к которому будет относиться используемое в дальнейшем понятие "современный климат". Представляется,
что одним из плодотворных подходов к изучению динамики климатической системы может быть разложение сложной проблемы изменчивости климата на ряд последовательных более простых задач. Результаты использования такого приема составляют основное содержание настоящей статьи.
Анализ временной структуры различных климатических рядов (приземной температуры воздуха [5], температуры поверхности океана и потоков тепла из океана в атмосферу [8]), а также атмосферной циркуляции - связующего звена всех этих и других изменений [4], позволил нам выделить три составляющих низкочастотную изменчивости: короткопери-одные возмущения (~2-8 лет), циклические колебания (~20-50 лет) и вековой тренд (~100 лет).
Мы полагаем, что речь можно вести о трех режимах изменений климата, каждый из которых, обладая своими особенностями, демонстрирует определенную независимость и поддерживается конкретными источниками и механизмами.
На основании анализа изменчивости атмосферной циркуляции - главного механизма климатической системы - в работе сделана попытка свести проблему изменчивости современного климата к исследованию трех вышеназванных режимов с выявлением особенностей и установлением природы каждого из них.
2. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
В работе используется календарь типов элементарных циркуляционных механизмов (ЭЦМ) [16] за период с 1 января 1899 г. по 31 декабря 2000 г., составленный на основе типизации Дзерд-зеевского [12] и содержащий детальную информацию о параметрах циркуляции атмосферы Северного полушария в XX столетии. Заметим, что в основу различного рода типизаций, в том числе типизации Дзердзеевского [1, 9, 10, 25], положены наблюдаемые вторжения арктических воздушных масс в умеренные широты, их пространственная характеристика и сезонные особенности. Определенными достоинствами типизации Дзердзеевского являются ее связь с индексами циркуляции [13], относительно высокая степень соответствия формализованной классификации [15] и наличие корреляции с изменениями различных физических характеристик [8, 11, 19, 20].
В результате анализа синоптических процессов для Северного полушария Дзердзеевским выделено 13 типов и 41 подтип ЭЦМ, которые объединяются в 4 группы циркуляции:
1. Зональная (полярные вторжения отсутствуют, имеют место 2-3 прорыва южных циклонов одновременно).
2. Нарушение зональности (одно полярное вторжение и 1-3 прорыва южных циклонов одновременно).
3. Меридиональная северная (одновременно от 2 до 4-х полярных вторжений и 2-4 прорыва южных циклонов). При этих трех группах циркуляции на полюсе наблюдается антициклон.
4. Меридиональная южная (полярных вторжений нет, но имеют место 2-4 прорыва южных циклонов). При этой группе циркуляции на полюсе наблюдается циклон.
Для описания региональных особенностей атмосферной циркуляции Северное полушарие разделено на 6 секторов: Атлантический (б0°-0° з.д.), Европейский (0°-60° в.д.), Сибирский (60°-120° в.д.), Дальневосточный (120°-170° в.д.), Тихоокеанский (170° в.д.-120° з.д.) и Американский (120°-60° з.д.). Для каждого из них Дзердзеевским выделено по 10 групп циркуляции, различающихся направлением преобладающего переноса воздушных масс, осуществляемого соответствующими вторжениями циклонических и антициклонических образований (смотри ниже).
1. Зональная западная.
2. Меридиональная северная.
3. Меридиональная южная.
4. Меридиональная южная и зональная западная.
5. Зональная западная и стационарная.
6. Меридиональная северная и стационарная.
7. Зональная восточная.
8. Меридиональная северная и зональная западная.
9. Меридиональная северная и меридиональная южная.
10. Меридиональная южная и стационарная.
Заметим, что вышеуказанные 41 подтип
ЭЦМ несут в себе полную информацию о том, какая из 10 групп циркуляции осуществляется в каждом из 6 секторов Северного полушария и в какой сезон.
В нашем исследовании группы 1 и 5, 2 и 6, 3 и 10 были объединены, что привело к сокращению анализируемых групп в секторах до 7. Для каждого сектора за 102 года нами были подсчитаны годовые суммы числа дней продолжительности каждой из 7 групп, и полученные ряды подвергнуты статисти-ко-вероятностному и спектральному анализу.
На рис. 1а представлены временные реализации для 4-х групп циркуляции атмосферы Северного полушария. Реализации демонстрируют хорошо выраженные возмущения с периодами 2-8 лет. Кроме того, на них обнаруживаются циклические колебания с периодами 20-50 лет. Там же для каждой группы жирными линиями выделен вековой тренд. На рис. 16 представлены вековые тренды основных типов атмосферной циркуляции во всех 6 секторах. Вековые тренды различ-
Северное полушарие
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Годы
(б)
Сектора Северного полушария
сут/год
280 -
240 -
200 -
160 -1 + 5
120 - 4 __
80 -
Атлантика
3 + ---1 _ I__I---I I— Т -1-1-Я
Н
Дальний Восток
3 + 10
1 + 5
J_111111111
280 240 200 160 120 80 40
280 240 200 160 120 80 40 0
Европа
- 1 + 5
4
3 „ - -
7 | | Т I___J____I____J____I I I I
Тихий океан + 5
3 + 10 ✓ ^ ^ 2 + 6
л——I I I---1 _|__I__|_I_|_
Америка
2 + 6 4
1900 1920 1940 1960 1980 2000 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Годы Годы
4
9
8
Рис. 1. Вековые тренды доминирующих групп циркуляции атмосферы.
(а) - Северное полушарие (реализации - тонкие линии, 11-летние сглаженные - полужирные, тренды - жирные); (б) -тренды по секторам (цифры у линий - группы циркуляции).
ных типов циркуляции были выделены с помощью полиномов 3-й степени. Далее временные ряды были центрированы (путем удаления из них тренда) и подвергнуты спектральному анализу. Спектры рассчитывались путем преобразования Фурье корреляционных функций, максимальный сдвиг которых с целью увеличения спектрального разрешения задавался равным 1/3 от длины ряда.
Спектральный состав колебаний типов атмосферной циркуляции в Северном полушарии и в каждом из сектор
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.