УДК 551.513.7:551.526.6(265-062.5)
Отклик глобальной циркуляции атмосферы на два типа Эль-Ниньо
И. В. Железнова*, Д. Ю. Гущина*
Композиционный и корреляционный анализ позволил определить структуру взаимного отклика аномалий циркуляции зонального ветра и аномалий температуры поверхности океана (ТПО), соответствующих двум типам Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Показано, что сигнал, поступающий в атмосферу от источника тепла в океане, распространяется из тропиков в умеренные широты симметрично относительно экватора в годы канонического явления Эль-Ниньо — южное колебание (ЭНЮК) и асимметрично в годы ЭНЮК Модоки, для которого характерно распространение сигнала в Северном полушарии только в пределах тропических и субтропических широт. Абсолютные значения аномалий, так же как и теснота корреляции, оказываются больше для Эль-Ниньо Модоки, что определяется большей чувствительностью атмосферы к воздействию со стороны океана в районах локализации аномалий ТПО, характерных для этого типа ЭНЮК.
Ключевые слова: аномалия циркуляции зонального ветра, аномалия температуры поверхности океана, Эль-Ниньо, Ла-Нинья, глобальная циркуляция атмосферы.
Введение
Наиболее ярким примером климатической аномалии межгодового масштаба в тропической зоне Тихого океана является Эль-Ниньо — квазипериодическое изменение температуры поверхности океана (ТПО), имеющее временной масштаб 2—8 лет. Несмотря на повторяющийся характер этого явления, оно отличается значительной изменчивостью в широком спектре временных масштабов. В последние десятилетия эти изменения оказались настолько существенными, что появилось предположение о существовании новой разновидности явления Эль-Ниньо, которая характеризуется аномалиями ТПО, локализованными в центре Тихого океана, в отличие от канонического Эль-Ниньо, развивающегося на востоке [8, 9, 14].
Новый тип Эль-Ниньо в литературе имеет несколько названий, однако наиболее часто используются термины центрально-тихоокеанское Эль-Ниньо [13, 20] или Эль-Ниньо Модоки [9, 10]. В свою очередь, каноническое Эль-Ниньо называют также восточно-тихоокеанским Эль-Ниньо. Несмотря на достаточно высокий интерес исследователей к Эль-Ниньо Модоки, множество вопросов, связанных как с механизмами его формирования, так и с удаленным откликом на него, остаются неизученными. Увели-
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова; е-таИ: уе1еипоуа@ gmail.com.
чение повторяемости Эль-Ниньо Модоки в последние десятилетия позволяет поставить вопрос о взаимосвязи между модификацией ЭНЮК и глобальным потеплением климата.
Вследствие изменения локализации аномалий ТПО в период Эль-Ниньо Модоки отклик климатической системы как в пределах тропиков, так и в удаленных районах может существенно изменяться. При этом оценка влияния явлений ЭНЮК на климат удаленных районов, полученная в предыдущих исследованиях [4, 8, 15], может быть составлена из совокупности влияний двух разных мод Эль-Ниньо и не отражать адекватно особенности удаленного отклика для каждого из типов Эль-Ниньо. Отметим, что существуют разные точки зрения на вопрос о влиянии локализации аномалий ТПО на характер удаленного отклика. Одни авторы считают, что по мере распространения сигнала из тропиков в умеренные широты в результате его взаимодействия со средним потоком во внетропической атмосфере сигнал преобразуется, и начальное положение аномалии ТПО не играет существенной роли [17, 18]. Согласно исследованиям других авторов [9, 19], изменение локализации ТПО в период Эль-Ниньо Модоки в некоторых районах вызывает отклик, противоположный тому, что наблюдается при каноническом Эль-Ниньо. Поэтому исследование отклика глобальной атмосферы на явление Эль-Ниньо Модоки, локализованное в центральной части Тихого океана, является актуальным научным вопросом.
Важно отметить, что эффективность удаленного атмосферного отклика зависит не только от величины аномалий ТПО, но и от чувствительности ат мос фе ры к возде йствию со сто ро ны океа на. Она макси маль на в ре ги о не индо-тихоокеанского теплого бассейна, где наиболее интенсивно развиты процессы глубокой конвекции, в то время как максимальные аномалии ТПО наблюдаются значительно восточнее. Поэтому удаленный отклик будет в большей степени "управляться" процессами, происходящими в центре, а не на востоке Тихого океана. На этом основании можно предположить, что Эль-Ниньо Модоки, максимум аномалий ТПО при котором смещен на запад по сравнению с каноническим Эль-Ниньо, будет давать больший отклик в аномалиях погоды в удаленных районах земного шара.
Атмосферный отклик на аномальный нагрев экваториальной части Тихого океана в первую очередь проявляется в аномалиях атмосферной циркуляции, которые через изменения направления потоков реализуются в аномалиях погоды, а именно температуры воздуха и осадков. В настоящей работе особое внимание обращается на отклик крупномасштабной атмосферной циркуляции на явление Эль-Ниньо. Петросянцем и Гущиной [5] для характеристики глобальной циркуляции атмосферы был предложен индекс циркуляции — циркуляция скорости зональной составляющей вектора ветра вдоль круга широты, близкий к индексу Блиновой [1]. Величина циркуляции пропорциональна интегральной относительной завихренности на каждом широтном круге и, как было показано в работах [2, 7], позволяет более детально, чем индекс Блиновой, характеризовать особенности движения атмосферы в разных широтных поясах. Предложенный индекс представляет по существу новый путь исследования взаимодействия океана и атмосферы, основанный на анализе обобщающего индекса циркуляции, характеризующего основные черты глобального распределения потоков в атмосфере. В предыдущих исследованиях с помощью предложенного индекса был рассмотрен отклик глобальной циркуляции на
аномалии ТПО в экваториальной части Тихого океана за период с 1982 по 1994 г. [5]. В связи с возникновением новой модификации Эль-Ниньо представляло интерес сравнить отклик атмосферной циркуляции на два типа Эль-Ниньо, а также значительно расширить исследуемый временной период (с 1948 по 2012 г.).
Данные и методика
Для расчета циркуляции скорости ветра по кругу широты были использованы данные реанализа КСБР/ЫСЛЯ о средних месячных полях зональной составляющей скорости ветра и на изобарических поверхностях 850, 500 и 200 гПа за период с 1948 по 2012 г. Данные имеют пространственное разрешение 2,5 х 2,5°.
Для построения непрерывных рядов индексов центрально-тихоокеанского (ЦТ) и восточно-тихоокеанского (ВТ) ЭНЮК использовался метод, описанный в работе [16]. Согласно этой методике, разделение явления на два типа осу ществля ет ся следу ю щим об ра зом. Аномалии ТПО в тро пи ческой части Тихого океана раскладываются на эмпирические ортогональные функции (ЭОФ), при этом две первые моды описывают максимальное количество изменчивости (68 и 14% соответственно). Режим ЭОФ1 соответствует структуре распределения аномалий ТПО, наблюдающейся при Эль-Ниньо канонического типа, т. е. максимум аномалий ТПО локализован вблизи побережья Южной Америки, а режим ЭОФ2 — структуре аномалий ТПО, характерной для Эль-Ниньо Модоки, с положительными аномалиями ТПО в центральной части Тихого океана и отрицательными значениями к западу и востоку.
Пер вым двум модам со от ве тству ют вре мен ные ряды основ ных ком по-нентов РС1 и РС2, которые и используются для построения индексов Эль-Ниньо. При этом в работе [16] показано, что сами по себе ряды РС1 и РС2 не явля ют ся реп резен татив ны ми с точ ки зре ния разде ле ния Эль-Ниньо на два типа. Если построить распределение месячных значений коэффициентов для декабря — февраля в осях РС1—РС2, то можно заметить, что точки, соответствующие явлениям Эль-Ниньо, не располагаются вдоль осей РС1 и РС2. Однако в пространстве РС1—РС2 можно выделить два режима ЭНЮК: режим чрезвычайно теплого события (например, явления 1982— 1983 и 1997—1998 гг.) и режим, включающий холодные, нейтральные и умеренно теплые годы. Точки, характеризующие второй режим, ложатся близко к диагональной оси, которая была обозначена как индекс ЦТ, а ортогональная ей ось как индекс ВТ. Большая часть точек ложится близко к оси либо индекса ЦТ, либо ВТ, т. е. данные индексы позволяют разде -лить две моды Эль-Ниньо. Так как оси индексов ЦТ и ВТ являются диагональными в пространстве РС1—РС2, то для расчета их значений необходимо повернуть оси на 45°. Тогда индексы ЦТ и ВТ будут вычисляться по следу ю щим формулам:
вт = РС1 ^ РС2, (1)
ЦТ = РС1 +^РС2. (2)
Расчет индексов циркуляции. Для анализа интенсивности циркуляции по кругу широты и в центрах действия атмосферы был использован
индекс циркуляции, введенный М. А. Петросянцем и Д. Ю. Гущиной (индекс Петросянца — Гущиной) [5]:
Ар= |, м(^1Ф . (3)
Для характеристики глобальной циркуляции вычисляется циркуляция вектора скорости зональной составляющей реального ветра и(ф) вдоль круга широты /ф.
Сглаживание рядов индексов циркуляции. Для выполнения корреляционного анализа была проведена фильтрация внутригодовых колебаний в исследуемых временных рядах циркуляции, так как масштабы временной изменчивости циркуляции зонального ветра и температуры поверхности океана существенно различаются. Как было показано в работе [6], максимальные значения корреляции достигаются при 13-месячном сглаживании (13-месячное скользящее среднее исходных временных рядов) временных рядов циркуляции скорости, при этом сглаживание рядов индексов ЦТ и ВТ Эль-Ниньо очень незначительно влияет на результаты корреляционного анализа, поэтому оно было проведено только для рядов индексов атмосферной циркуляции.
Расчет кросс-корреляционных функций. Были рассчитаны кросс-корреляционные функции между рядами среднемесячных значений циркуляции скорости ветра вдоль круга широты и индексами ЦТ и ВТ Эль-Ниньо со сдвигом до 24 месяцев (шаг по времени — один месяц). Коэффициент корреляции r рассчитывался по формуле
r = KT - т )(l - о, (4)
(n - 1)агаг
гд е T и T — текущее и среднее по выборке значения индексов ЦТ или ВТ; / и / — текущее и среднее по выборке значения циркуляции скорости по контурам или по кругу широты; ат и а/ — сре
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.