УДК 551.513.7:551.526.6(261.1+215-17)
Синхронные и асинхронные связи между аномалиями температуры поверхностных вод Северной Атлантики и особенностями крупномасштабной циркуляции атмосферы над Северным полушарием
А. В. Муравьев*, И. А. Куликова*, Ю. Д. Реснянский*
Рассматриваются пространственные и временные взаимосвязи аномалий температуры поверхности океана (АТПО) в Северной Атлантике и крупномасштабных особенностей циркуляции средней тропосферы Северного полушария в летний и зимний периоды. Результаты базируются на анализе индексов атмосферной циркуляции, введенных Уоллесом и Гатцлером для выяснения физической основы низкочастотных колебаний в атмосфере. Определены уровни экстремальности и экстремальные ситуации в средней тропосфере, с помощью которых построены композитные карты АТПО со сдвигами назад от 0 до 3 месяцев. Оказалось, что экстремальным фазам противоположных знаков некоторых индексов циркуляции атмосферы соответствуют синхронные и асинхронные композитные карты АТПО со статистически разделяемыми пространственными типами, что может интерпретироваться как свидетельство влияния океана на крупномасштабные аномалии средней тропосферы на внутрисезонных интервалах. Отмечается, что при формировании гребней и блокирующих ситуаций важная роль как в синхронном, так и в асинхронном взаимодействиях принадлежит тропической зоне Северной Атлантики. Связи западно-атлантического колебания с АТПО Северной Атлантики оказались значительно слабее, чем аналогичные связи восточно-атлантического колебания.
1. Введение
Вопросы, связанные с взаимодействием океана и атмосферы, являются ключевыми при разработке методов долгосрочных прогнозов погоды и ко-роткопериодных колебаний климата. Одним из основных параметров, характеризующих влияние океана на атмосферу, является температура поверхности океана (ТПО). Аномалии температуры поверхности океана (АТПО) служат одним из важнейших индикаторов не только изменчивости внутренней динамики океана, но и всей климатической системы в целом.
За последние годы достигнут значительный прогресс в исследовании низкочастотной изменчивости атмосферы, связанной с вариациями термических характеристик океана в низких широтах. Это касается в первую
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: muravev@mecom.ru.
очередь глобального явления Эль-Ниньо — южное колебание (ЭНЮК), включающего в себя фазы Эль-Ниньо и Ла-Ниньа. В районе Атлантики в годы Эль-Ниньо изменяется интенсивность пассатных ветров, меняется положение внутритропической зоны конвергенции, исландский минимум и азорский максимум смещаются в северо-восточном направлении. Изменения ТПО и циркуляции в тропических широтах над океанами находят отклик далеко за пределами тропиков [27, 33]. Увеличиваются перепады атмосферного давления между северными и южными районами Северной Атлантики (североатлантическое колебание). В годы Ла-Ниньа североатлантическое колебание ослабевает, а исландский минимум и азорский максимум смещаются на юг. В годы Эль-Ниньо в средних широтах Северного полушария усиливаются западные ветры, увеличивается степень барок-линности атмосферы, наблюдается сдвиг шторм-треков в Северной Атлантике [19]. При этом в Западной Европе и Северо-Восточной Атлантике число дней с циклонической и антициклонической циркуляциями увеличивается для лет Эль-Ниньо и Ла-Ниньа соответственно.
Исследованных механизмов низкочастотной изменчивости атмосферы, связанной с АТПО за пределами тропических широт, существенно меньше. Их объяснение основывается на разных гипотезах, иногда взаимно дополняющих, иногда друг другу противоречащих [14, 16, 25, 26, 28, 29]. Например, один из механизмов формирования АТПО во внетропических широтах объясняется влиянием процессов теплообмена между двумя средами и ветровых течений. С другой стороны, находит поддержку предположение о том, что АТПО вследствие своей большой инерционности оказывают заметное влияние на состояние атмосферной циркуляции и могут использоваться в качестве предикторов при долгосрочном прогнозе как в атлантическом секторе, так и на территории Евразии. В [15] показано, что использование совместной модели океана и атмосферы вместо модели общей циркуляции атмосферы существенно увеличивает изменчивость средней месячной температуры воздуха над данным регионом. В [17, 18] обнаружена статистически значимая связь между АТПО и геопотенциалом Н500 со сдвигами по времени до 6 месяцев (осенью, летом и весной). В то же время по результатам интегрирования гидродинамических моделей получены свидетельства того, что отклик атмосферы на АТПО во внетропиче-ских широтах меньше собственной внутренней изменчивости атмосферы [21].
Еще в 1970-е годы в книге [7] отмечалось, что число предложенных механизмов, объясняющих связи между океаном и атмосферой, "вызывает большое беспокойство". По высказыванию авторов [8], выполненные к тому времени работы "не разрешили, а лишь с большей отчетливостью очертили трудности и противоречия, связанные с изучением крупномасштабного взаимодействия". За годы, прошедшие после опубликования этой книги, проблематика взаимодействия и взаимовлияния океана и атмосферы не утратила своей остроты и остается одной из самых важных в современной геофизике.
Как правило, анализ взаимодействия предваряется выбором исследуемых пространственно-временных масштабов, или идентифицированных и именованных процессов и явлений, которые обладают относительной устойчивостью и повторяемостью. В данной статье будут рассматриваться крупномасштабные внутрисезонные и межгодовые характеристики взаи-
модействия температуры поверхности Северной Атлантики и атмосферной циркуляции над Северным полушарием, которые могут быть информативными для долгосрочного прогноза метеорологических условий. Важными для долгосрочного прогноза погоды являются такие колебания атмосферы, характерный период которых выходит за пределы детерминированной предсказуемости (около 10 сут). Согласно классификации атмосферных движений, предложенной в работе [10], колебания, имеющие периоды от недель до месяцев, относятся к глобальным. В список глобальных атмосферных колебаний включен "цикл индекса", т. е. цикл колебаний планетарной циркуляции между преимущественно зональным и преимущественно меридиональным типами атмосферных течений. Проявлением крупномасштабных колебаний в атмосфере являются так называемые дальние связи, прослеживаемые по корреляции между главными центрами действия и характеризуемые индексами циркуляции [34]. Синоптические колебания с периодами от многих часов до нескольких дней имеют энергетический максимум около 4 сут. Однако в высокочастотной части этого интервала происходит каскадная передача энергии, а в низкочастотной — передача энергии в обратном направлении, к течениям общей циркуляции атмосферы, согласно закономерностям квазидвухмерной макротурбулентности. С учетом концепции режимов погоды [30] долгосрочный прогноз метеорологических полей не может быть надежным без включения синоптического диапазона изменчивости атмосферных процессов.
Диапазон колебаний в океане описан в книге А. С. Монина [9]. Океанские синоптические процессы отличаются от атмосферных тем, что их пространственные размеры значительно меньше, а временные — значительно больше. Это усложняет диагноз и прогноз процессов взаимодействия океана и атмосферы — приходится сопоставлять однотипные динамические процессы с разными характерными пространственно-временными масштабами. Оценки типичного времени реакции океана на атмосферные воздействия приводятся в цитированной книге [9]. Так, время реакции течений в экмановском слое океана на ветер составляет около 3 ч, на тепловые воздействия — порядка 12 сут, а на осадки и испарение, определяющие соленость, — примерно 1 мес. Роль разных временных масштабов в процессах взаимодействия океана и атмосферы на примере данных океанской станции ЧАРЛИ описана в работе [4].
В совместной системе атмосфера — океан к середине 1990-х годов были идентифицированы пять основных колебаний, представляющих собой довольно резкие переключения одной фазы на другую: 1) североатлантическое, 2) арктическое, 3) тихоокеанское 10-летнее, 4) Эль-Ниньо -южное колебание и 5) антарктическая полярная волна. Эти колебания можно рассматривать как ключевые элементы крупномасштабного (глобального) взаимодействия океана и атмосферы, оказывающие существенное влияние на погоду и климат.
В последние годы отмечается "взрывное" повышение интереса к исследованиям взаимодействия между составными частями климатической системы Земли. Простое перечисление статей, опубликованных в 2005—2008 гг., дает некоторое представление как о направлениях исследований системы океан — атмосфера, так и о неизбежных трудностях интерпретации наблюдаемых связей. В работе [36] анализу подвергается внутрисезонная связь между колебанием Маддена — Джулиана в тропической зоне с арк-
тическим колебанием. Взаимосвязь температурного режима Индийского океана с североатлантическим колебанием выявляется в работе [13]. Авторы работы [35] обнаружили пространственную конфигурацию положительной АТПО в виде подковы, которая формируется поверхностным потоком тепла поздним летом, а затем влияет на атмосферу ранней зимы путем передачи тепла в атмосферу. Пространственная "подкова" оказывается, по мнению авторов, тем форсингом, который обеспечивает отклик атмосферы с запаздыванием более чем один месяц. С помощью теста Грейнджера на причинность авторы [24] оценивают обратное влияние суточной АТПО на североатлантическое колебание. Оказывается, что влияние АТПО, во-первых, локализовано областью Гольфстрима южнее мыса Гаттерас, во-вторых, в некотором смысле пропорционально заблаговременности. При этом с учетом АТПО дисперсия атмосферного колебания при осреднении за зимний сезон увеличивается на 10—30% и почти на 70% для годовых средних. В [32] на основе климатической модели исследована роль термического режима поверхности Северной Атлантики в глобальных климатических вариациях XX в. По результатам обработки данных моделирования удалось обнаружить наиболее отда
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.