ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 1, с. 52-60
УДК 551.515
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НА РАСПАД БЛОКИНГОВ ПРОЦЕССОВ ПЛАНЕТАРНОГО МАСШТАБА С АНАЛИЗОМ ФАЗОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ И ЭНСТРОФИИ
© 2007 г. А. Р. Лупо*, И. И. Мохов**, С. Достоглоу*, А. Р. Кунц*, Дж. П. Буркхардт*
*Университет Миссури, Колумбия, США **Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: mokhov@ifaran.ru Поступила в редакцию 13.01.2006 г., после доработки 31.05.2006 г.
Показано, что резкие изменения крупномасштабной структуры атмосферных течений могут приводить к быстрому распаду блокинга. Анализ фазовых траекторий позволил идентифицировать, когда происходят резкие изменения в общей динамике системы. Оценена связь с ними распада бло-кингов на примере трех блокирующих ситуаций в Южном полушарии. Наряду с анализом фазовых портретов для диагностики блокирующих режимов анализировалась также энстрофия. Согласно результатам проведенного анализа можно выделить четыре различных сценария распада блокин-гов: при недостатке синоптической подпитки, при активной роли синоптических процессов и каждый из отмеченных режимов во взаимодействии с резким изменением характера течения планетарного масштаба.
ВВЕДЕНИЕ
Атмосферные блокирующие режимы (блокин-ги) широко исследовались в последние десятилетия с точки зрения понимания динамических процессов, которые влияют на их существование, интенсивность и длительность [1-7]. Начиная с ранних работ в целом считается [11-13], что бло-кинги являются результатом взаимодействия между усиливающимися волнами синоптического масштаба и квазистационарной волны планетарного масштаба. Блокирующие режимы поддерживаются притоком антициклонической завихренности в область блокирования усиливающимися волнами синоптического масштаба [1-7]. В этих исследованиях для выяснения факторов, влияющих на рост, поддержание или распад блокингов, применяются различные диагностические методы.
В последние годы в целом ряде исследований блокингов в Северном и Южном полушариях используется разделение атмосферных режимов на компоненты планетарного и синоптического масштаба с целью анализа или относительной роли каждого масштаба и их взаимодействия, или природы такого взаимодействия как в Северном, так и в Южном полушариях [1-9]. Также при анализе изменчивости атмосферной циркуляции процессы можно разделить на высокочастотные, с временными масштабами 2-6 сут, и низкочастотные - продолжительнее 10 сут [10]. При этом, как отмечено в [10], максимумы низкочастотной изменчивости, ко-
торая вносит существенный вклад в общую изменчивость атмосферной циркуляции, расположены в областях с максимальной повторяемостью блокирующих ситуаций.
На основе отмеченных и более ранних исследований [11-15] выявляется, что синоптический масштаб играет важную роль в жизненном цикле атмосферных блокингов. Согласно многим исследованиям, влияние синоптического масштаба (синоптический форсинг) велико по сравнению с влиянием (форсингом) планетарного масштаба. В то же время в ряде работ сделан вывод о том, что влияние планетарного масштаба очень существенно для жизненного цикла блокингов [16, 17]. Хотя в отмеченных выше публикациях и не преуменьшается роль компонентов планетарного масштаба, они сфокусированы больше на роли вкладов синоптических масштабов.
В модельном исследовании [16] предполагается, что блокирующие режимы будут разрушаться, когда есть существенное изменение в режиме течений планетарного масштаба. В [17] акцент сделан на роли деформации течений планетарного масштаба как обеспечивающей условия для формирования блокингов (Со1исс1, 2003, частное сообщение). Эти исследования поддерживают точку зрения, что хотя процессы планетарного масштаба сами по себе могут и не приводить к формированию блокингов и их поддержанию, они могут создавать режим, благоприятный для взаимодей-
ствия с процессами синоптического масштаба. В случае существенного изменения режима крупномасштабного течения блокинги без необходимой поддержки должны достаточно быстро разрушаться.
Цель данной работы - анализ влияния изменений крупномасштабной структуры атмосферных течений на режим блокингов на примере конкретных блокирующих ситуаций в Южном полушарии [7-9].
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА
При анализе использовались данные КСЕР/КСЛЯ реанализа [18] для шестичасовых интервалов при широтно-долготном разрешении 2.5° х 2.5° на 17 стандартных уровнях от 1000 до 10 гПа. Эти данные включают данные для стандартных атмосферных переменных - геопотенциальных высот, температуры, относительной влажности, вертикальной и горизонтальных компонент скорости ветра и данных для поверхности. Данные на стандартных уровнях интерполировались (квадратично по 1пр, где р - давление) на уровни с дискретностью в 50 гПа [19].
Для определения времени образования и разрушения блокингов использовался критерий согласно [20] (см. также ссылки во введении). Этот критерий является модификацией индекса блокирования [45]. В таблице представлены характеристики выбранных для анализа блокингов в Южном полушарии над Тихим океаном. Климатологическое, синоптическое и динамическое описание трех блокирующих ситуаций, отмеченных в таблице, для июля-августа 1986 г. и июля 2001 г. с использованием диагностики потенциальной завихренности дано в [7, 8]. Используемый в этих работах метод диагностики описан в [19]. Потенциальная завихренность рассчитывалась на поверхностях 300 гПа, поскольку эти поля потенциальной завихренности подобны рассчитанным на изэнтропической поверхности [19].
Акцент в данной работе сделан на анализе фазовых портретов, в частности для демонстрации того, что изменения режимов течений планетарного масштаба могут быть коррелированы с образованием и распадом блокингов. Для выделения атмосферной изменчивости планетарного масштаба использовались, с модификациями, методы, предложенные в [21, 22] (см. также [23-25]) или в [26] для выделения межгодовых вариаций из временнь'и рядов. Подобный анализ проводился в [27] с целью понять поведение течения планетарного масштаба, связанное с блокингом. Упомянутые методы основаны на классических методах анализа динамических систем.
Характеристики анализируемых блокингов
Период существования Длительность, сут Интенсивность блокингов (определяется согласно [43])
1 23 июля-2 августа 1986 г. 10.5 3.64
2 3-16 августа 1986 г. 13.5 4.06
3 13-24 июля 2001 г. 11.0 3.33
При анализе использовались временные ряды для высоты 500 гПа в июле и августе 1986 г. и июле 2001 г. В частности, поля геопотенциала планетарного масштаба осреднялись для региона в 40° по широте и 60° по долготе в области блокирования. При этом режим характеризуется одним числом в каждый момент времени. Использовавшаяся процедура аналогична предложенной в [28] при определении индекса амплитуды волны, за исключением того, что в данной работе сначала используется фильтрование полей, а затем осреднение по региону. В [28] проводилось осреднение геопотенциальной высоты в поясе средних широт с последующей фильтрацией для получения одного числа для временного периода.
Для отделения длин волн планетарного масштаба от длин волн синоптического масштаба использовался двухмерный фильтр второго порядка [29]. В результате применения этого фильтра остается соответственно 2%, 44% и 80% исходного вклада длин волн 3000, 4500 и 6000 км на широте 45°К (или 45°8). Детальное описание особенностей применения подобной процедуры фильтрации дано в [3].
В атмосферных потоках планетарного масштаба в средних широтах проявляются циклические режимы [28, 30-32], связанные, в частности, с распространением в атмосфере волн Россби [33, 34]. В то же время возможны два и более относительно устойчивых состояния атмосферных течений планетарного масштаба [31, 35-37]. В частности, в Северном полушарии осенью наряду с режимами устойчивого западного переноса в тропосфере средних широт проявляются квазирегулярные "аномалии" - блокинговые режимы типа "бабьего лета", которые в [33, 38] связаны со стационирова-нием волн Россби. В данной работе особое внимание уделялось диагностике изменений в режиме
10
Н (500 гПа), м 5500
5475 5450 5425 5400 5375 5350 5325 5300 5275 5250
5600 5500 5400 5300 5200
(а)
20
30
(б)
40
50
60
20 40 60 80 100 Время (с шагом в 12 ч)
Рис. 1. Изменение средней высоты 500 гПа (с 12-часовым шагом по времени) для регионов с блокированием в юго-восточной части Тихого океана: а - в 2001 г. (в июле), б - в 1986 г. (20 июля-31 августа).
атмосферных течений в связи с формированием и распадом блокингов на примере конкретных блокирующих режимов.
Для выявления особенностей динамики формирования и эволюции блокирующих режимов анализировались траектории на фазовой плоскости с абсциссой X и ординатой на основе
временны х рядов для переменной (характеристики блокинга) Х(0 аналогично [21-25]. При режимах с доминирующим циклом процесс можно приближенно описать гармоническим осциллятором. Для гармонического осциллятора траектории на фазовой плоскости круговые. Для устойчивых режимов траектории приближаются к аттрактору, в частности к предельному циклу. При этом режим аттрактора, вообще говоря, может изменяться. Следует отметить, что круговые траектории не обязательно соответствуют аттрактору. (Траектория может находиться вблизи цикла достаточно долго и в случае, когда цикл слабо неустойчив).
Для диагностики особенностей режимов, связанных с блокингами, их динамики и устойчивости можно использовать также показатели Ляпунова [10], достаточно широко применяемые при исследовании устойчивости динамических систем. Применительно к рассматриваемым задачам можно анализировать, например, локальные показатели Ляпунова для баротропного уравнения завихренности с форсингом [39] (см. также [9]). Численная реализация этого в [39] с использованием данных для трехлетнего периода после применения 15-суточного фильтра (планетарный масштаб) для областей над Северной Атлантикой и Западной Европой выявила сильную корреляцию суммы положительных показателей Ляпунова, собственных значений линеаризованного баротропного урав
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.