УДК 551.524.3+553.3 (215-17)
Оценка современных изменений температуры воздуха и скорости ветра в тропосфере Северного полушария
Ю. П. Переведенцев*, К. М. Шанталинский*
Выполнен статистический анализ современных изменений температуры воздуха и скорости ветра в тропосфере Северного полушария по данным Отдела исследования климата Университета Восточной Англии о приповерхностной температуре по всему земному шару за 1850—2013 гг. (HadCRUT4) и реанализа ЖЕР/ЖАЛ (1948—2013 гг.). Выявлены долгопериодные тенденции изменения температуры воздуха и скорости ветра на разных изобарических поверхностях. Установлена упреждающая роль зональной циркуляции атмосферы в долгопериодной изменчивости осредненной по зоне 30— 70° с. ш. температуры воздуха в нижней тропосфере. Вклад скорости ветра, согласно результатам корреляционного анализа, в изменчивость температуры составляет в отдельных районах Северного полушария не менее 60%.
1. Введение
Проблема глобальных и региональных изменений окружающей среды и климата в настоящее время стала особенно актуальной в связи с усиливающимся влиянием разных факторов, основными из которых являются солнечная активность, процессы, происходящие в земной коре и ядре, и антропогенные факторы [17, 21, 22]. По современным представлениям, климат отражает физическое, химическое и биологическое состояние компонентов земной климатической системы (атмосферы, океана, суши, криосферы, биоты), поэтому для понимания его изменчивости необходима оценка динамики их параметров [2, 7, 10]. По существу понятие климатической системы становится сейчас адекватным понятию окружающей природной среды. Причем эволюция этой сложной самоорганизующейся системы определяется, с одной стороны, взаимодействием ее природных сред, а с другой стороны, — непрерывным воздействием на нее человека [5], поэтому те глобальные и региональные изменения, которые в последние годы происходят в окружающей среде, несомненно, должны повлиять и на состояние климата.
Особое внимание при этом следует уделить роли атмосферной циркуляции. Еще в 1930-х годах известный метеоролог Е. И. Тихомиров отразил этот аспект в определении понятия "климат": "...климатом какого-нибудь района следует называть состояние атмосферы, являющееся результатом более или менее длительного (порядка десятилетий) взаимодействия между атмосферной цир-
* Казанский федеральный университет; e-mail: YPereved@kpfu.ru, Konstantin.Shantalinsky@ kpfu.ru.
куляцией данного района и его физико-географическими условиями, понимая последние в самом широком смысле" [18].
Вопросам изучения глобальных и региональных климатических процессов посвящен также цикл работ [1, 6, 8, 19]. В частности, результаты статистического анализа современных изменений климата в тропосфере и стратосфере Земли и в отдельных регионах Северного полушария до 2014 г. представлены в работах [11—15].
В данной статье рассматриваются пространственно-временные изменения температурно-ветрового режима в целом по Северному полушарию и в зоне умеренных широт (30—70° с. ш.) в период 1948—2013 гг. Особое внимание уделено долгопериодным изменениям температуры воздуха и скорости ветра.
2. Материалы и методы
В качестве исходных материалов для данного исследования использовали временные ряды аномалий HadCRUT4 приповерхностной температуры по всему земному шару (1850—2013 гг.) Отдела исследования климата Университета Восточной Англии (данные CRU) [20, 23, 25], а также данные реанализа NCEP/ NCAR о приповерхностной температуре воздуха и составляющих скорости ветра в тропосфере и стратосфере (1948—2013 гг.) Северного полушария за последние 66 лет (1948—2013 гг.) [24].
Были построены поля средних многолетних значений и характеристик временной изменчивости указанных метеорологических величин для Северного полушария. При этом основное внимание уделялось исследованию процессов в умеренной зоне Северного полушария (30—70° с. ш.). Поскольку в характере циркуляционного режима нижней половины тропосферы в северной и южной частях этой зоны наблюдаются существенные различия, то расчеты проводили как для всей широтной зоны 30—70° с. ш., так и для ее северной (50—70° с. ш.) и южной (30—50° с. ш.) частей. Кроме того, режим циркуляции умеренных широт зимнего (декабрь — февраль) и летнего (июнь — август) периодов также существенно различается, поэтому особенности циркуляционных условий и их влияние на приповерхностную температуру исследовали отдельно для этих сезонов.
Проведено осреднение исследуемых метеовеличин по разным регионам умеренной зоны, исследовалась долгопериодная динамика полученных в результате осреднения временных рядов. Выделение низкочастотного компонента осуществлялось с помощью низкочастотного фильтра Поттера [9] с точкой отсечения 10 лет и более.
По данным реанализа как в узлах сетки, так и по осредненным данным рассчитывали значения коэффициентов корреляции рядов температуры и составляющих скорости ветра (множественный коэффициент корреляции температуры и зональной и меридиональной составляющих ветра, парные и частные коэффициенты корреляции температуры и отдельных составляющих скорости ветра).
3. Результаты и обсуждение
Тенденции изменения приповерхностной температуры Северного полушария. Рассмотрим временной ход аномалий осредненной по полушариям температуры за весь период инструментальных наблюдений с учетом 2013 г.
по данным CRU. Кроме того, по данным реанализа проведем пространственно-временной анализ температуры за последние 60 лет от поверхности земли до 30 км и после применения низкочастотной фильтрации изучим ее долгопериодную динамику.
Наблюдаются различия (рис. 1а, б) в изменениях аномалий температуры Северного и Южного полушарий. Так, аномалия средней годовой приповерхностной температуры, осредненной по всему Северному полушарию, достигла своего максимума на отрезке времени 1850—2013 гг. в 2005 г. (0,719°С), а затем понизилась к 2008 г. до 0,558°С и вновь повысилась к 2010 г. до 0,713°С. В Южном полушарии максимальная аномалия температуры воздуха зафиксирована в 1998 г. (0,460°С), в период наиболее интенсивного явления Эль-Ниньо, и далее началось ее плавное понижение, согласно сглаживающей кривой до 0,217°С в 2008 г., в последующем отмечено некоторое ее увеличение.
Рис. 1. Временной ход аномалий средней годовой приповерхностной температуры воздуха Северного (7) и Южного (2) полушарий и их долгопериодного компонента (период 30 лет и более; соответственно 1' и 2') (а) и интенсивности изменения их долгопериодного компонента (б); в, г — то же при сглаживании низкочастотным фильтром Поттера (полоса пропускания 10 лет и более).
Аномалия средней за зиму температуры (декабрь — февраль) в Северном полушарии проявляется аналогично среднегодовой, ее максимум в Северном полушарии отмечен зимой 2006/07 г. (1,013°С), в Южном (июнь — август) она соответственно равна 0,537°С и зафиксирована в 1998 г. Далее происходит уже отмеченное понижение температуры в Южном полушарии на протяжении 10 лет.
Аномалии осредненной по полушариям температуры за летний период изменяются следующим образом. В Северном полушарии летом (июнь — август) максимум 0,795°С отмечен в 2010 г. (в 1998 г. 0,696°С, в 2008 г. 0,560°С, в 2012 г. 0,720°С), в Южном (декабрь — февраль) максимум отмечен летом 1997/98 г. 0,522°С (летом 2009/10 г. — 0,499°С), т. е. Северное полушарие, где больше суши, летом прогревается значительнее, чем океаническое Южное, где большую "охлаждающую" роль играет ледниковая Антарктида.
Рассмотрим особенности изменения аномалий приповерхностной температуры воздуха за период с 1850 по 2013 г. (данные CRU) и более детально — с 1948 по 2013 г. (данные реанализа NCEP/NCAR). Анализ рядов, сглаженных низкочастотным фильтром Поттера, показывает, что за последние более чем 150 лет инструментальных наблюдений при общем весьма существенном, но достаточно неравномерном повышении средней годовой температуры Северного полушария имели место и периоды ее понижения (рис. 1в, г).
Первое существенное похолодание за указанный период наблюдалось с 1875 по 1909 г. и составило 0,11°С за 34 года, второе — с 1946 по 1972 г. — 0,10°С за 26 лет. После похолоданий следовали более интенсивные потепления. Первое наблюдалось с 1909 по 1946 г., в результате среднегодовая температура Северного полушария увеличилась на 0,40°С за 37 лет; второе — с 1972 по 2013 г. и, судя по ходу кривой скорости потепления, практически завершилось. Таким образом, потепление продолжалось около 40 лет, а величина повышения температуры за этот период составила 0,67°С.
Обращает на себя внимание некоторое увеличение со временем скорости понижения температуры с -0,03 до -0,04°С за 10 лет и более значительное увеличение скорости ее повышения с 0,11 до 0,16°С за 10 лет. Отчетливо проявляется в ходе аномалий средней годовой приповерхностной температуры Северного полушария 60—70-летнее колебание (рис. 16), а также более слабое 20-летнее, наиболее активно проявляющее себя в периоды похолоданий (рис. 1г). Заметим, что данный эмпирический факт выявлен для периода 1850—2013 гг. Таким образом, при сохранении ансамбля выявленных колебаний температуры в ближайшем будущем можно ожидать некоторого уменьшения темпов потепления, которое уже наметилось, и даже, возможно, небольшого похолодания на фоне уже достигнутых больших значений.
На факт замедления современного потепления было обращено внимание в работах [3, 14], где на основании оценок линейных трендов пространственно осредненной температуры для земного шара, Северного и Южного полушарий и территории России показано, что в Южном полушарии определенно отмечается замедление темпов потепления — в основном над океанами (с 2003 г.) и несколько меньше над континентами (с 2005 г.). В Северном полушарии, согласно [3], наиболее интенсивное ослабление потепления отмечено над океанами (с 2005 г.), в то время как над сушей скорость потепления достигла своего максимума лишь в 2007 г.
Перейдем к рассмотрению характеристик изменения температуры воздуха в разных регионах Северного полушария по данным реанализа в период 1948— 2013 гг. Сравнение хода аном
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.