УДК 551.524,7(98)«!959/2000»
Изменение температуры свободной атмосферы в северной полярной области в 1959—2000 гг.
В. В. Майетрова*, А. П. Нагурный*, И. И. Большакова*
Рассчитаны тренды средней по всей северной полярной области (60—90° с, ш.) температуры воздуха, свидетельствующие о потеплении в свободной полярной атмосфере ниже изобарической поверхности 400 гПа и охлаждении выше этой поверхности. Вертикальные градиенты температуры имеют тенденцию к увеличению на всех уровнях (850—50 гПа) атмосферы, что характеризует усиление ее вертикальной неустойчивости в северной полярной области.
Введение
Термический режим полярной атмосферы оказывает большое влияние на формирование планетарных термических полей и циркуляцию атмосферы в целом [6, В, И, 14]. Одной из особенностей свободной атмосферы в Арктике является наличие температурных инверсий [12, 13]. Расслоенность атмосферы существенно уменьшает интенсивность вертикального турбулентного обмена теплом и влагой и в значительной степени определяет перенос и вертикальное распределение атмосферного аэрозоля.
Созданная в настоящее время база данных климатических характеристик свободной атмосферы полярных областей, включающая обработанные по единой методике данные с 1959 по 2000 г., позволила выявить пространственно-временную изменчивость температуры воздуха различных слоев свободной атмосферы по отдельным регионам и в целом над северной полярной областью (60—90° с. ш.). Методика обработки и контроля аэрологических данных, а также статистические характеристики, используемые для анализа, описаны в [1, 2, 4]. Для вычисления средних значений по северной полярной области использован метод изолиний, реализованный в [3]. Таким способом были вычислены средние за месяц, сезон и год значения температуры на стандартных изобарических поверхностях и значения вертикального градиента температуры в слоях свободной атмосферы.
Использованные данные
Период инструментальных наблюдений за характеристиками свободной атмосферы сравнительно невелик. Начало регулярных запусков радио-
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.
зондов в отдельных пунктах относится к 1940-м годам, а появление сети станций, выполняющих регулярные наблюдения, — к началу 1950-х. В настоящей работе использованы данные аэрологических наблюдений, выполнявшихся на 116 аэрологических станциях (рис. 1), расположенных более или менее равномерно в северной полярной области, данные судовых наблюдений и наблюдений на дрейфующих станциях "Северный полюс" в 1954—1991 гг.
Для включения информации нестационарных пунктов зондирования в северной полярной области было выделено 36 климатически однородных океанических районов (рис. 1), и вся информация, поступающая в течение месяца с конкретного района океана, интерполировалась в его центр. Учитывая, что число данных над выделенными районами существенно меньше, чем над аэрологическими станциями, временные ряды для них были дополнены данными, полученными в результате анализа полей температуры.
Для получения надежных оценок изменения климата важно качество анализируемых данных. Известно, что данные измерений метеорологических величин имеют погрешности, которые зависят от методов измерения, менявшихся в течение исследуемого периода. На точность статистических характеристик влияют также методы расчета, что особенно существенно, если временные ряды были получены разными способами.
Рис. 1. Расположение стационарных (1) и нестационарных (2) (ледовых дрейфующих и океанографических, отнесенных к центру сеточной области) станций радиозондирования в северной полярной области (60—90° с. ш.).
Архивы, используемые в работе для формирования базы данных климатических характеристик, создавались в разных научных центрах. Их формат, структура, а также перечень характеристик различны для разных периодов. С учетом этого нами использовались разные методы контроля, вводились поправки в зависимости от используемых для зондирования атмосферы приборов, а также устанавливался приоритет при включении данных различных источников.
Основой для создания базы климатических характеристик послужили архивы срочных наблюдений, получаемые после внедрения в 1978 г. системы автоматизированной обработки аэрологической информации, поступающей по каналам Глобальной системы связи [4]. Для более раннего периода были использованы созданные в ААНИИ в процессе многолетних исследований климата полярных областей специализированные архивы, а также архив срочных аэрологических наблюдений на арктических станциях ("HARA" — Historical Arctic Rawinsonde Archive, Университет Колорадо, Боулдер).
В настоящее время база данных о климате свободной атмосферы северной полярной области включает совокупность статистик, программных средств и каталогов, описывающих их структуру и организацию. При осреднении использовался метод нормированных аномалий, чтобы уменьшить влияние неоднородности исходных рядов.
Аномалии и долговременные тенденции изменения температуры
Межгодовые колебания аномалии температуры, нормированной на среднеквадратичное отклонение а (рис. 2), дают представление о степени отклонения этой величины за конкретные годы и позволяют выделить годы крупных аномалий.
В межгодовых колебаниях температуры нижней тропосферы (850—700 гПа) с начала исследуемого периода до 1980 г. в основном имели место отрицательные аномалии. Максимальные отрицательные аномалии для средней по области годовой температуры в 1978 и 1979 г. (-1,6а) остались непревзойденным для всего периода. Похожая тенденция имела место и в верхних слоях тропосферы (500—400 гПа), здесь в 1978 г. нормированная аномалия температуры была -1,8. Исключение составили 1959—1962 гг., когда были отмечены положительные аномалии. После 1980 г. во всей толще тропосферы преобладали положительные аномалии температуры. При этом увеличилось число случаев аномалий температуры близких к 2а. Абсолютный максимум аномалии среднегодовой температуры в слое 850—700 гПа в 1995 г. равен 2,21а.
В слое 250—20 гПа наблюдалась обратная картина. Примерно до конца 1970-х годов в каждом сезоне преобладали положительные аномалии температуры, а после — отрицательные. С началом 1990-х годов появились аномалии, превышающие -2о (1990, 1995 и 1997 гг.). Максимальные отрицательные аномалии (-2,3а) отмечались на изобарической поверхности 30 гПа.
Значительно более сложная картина отмечалась в слое 400—250 гПа. Здесь можно выделить периоды разной продолжительности с противопо-
jS5S ttst ms
1389
im i95s mt im im im
Рис. 2, Межгодовые изменения аномалии температуры (А, °С), нормированной на среднеквадратичное отклонение а, на стандартных изобарических поверхностях свободной атмосферы в северной полярной области (60—90е с. ш.) за 1959—2000гг.
а) 10гПа; б)20гПа\в)30гПа;г) 50 гПа, д) 70гПа, е) 100гПа.ж) 150гЯа; !) 200гПа\ и) 250 гЯа; «■) 300 гПа; л) 400 гПа, м) 500 гПа; к) 700 гПа\ о) 850 гПа.
ложными знаками аномалий температуры. В этом слое значительно чаще наблюдались аномалии, превышающие ±2а.
Сравнивая знаки аномалий температуры в 1959—1979 и 1980—1998 гг., можно отметить, что во втором периоде число случаев положительных аномалий температуры в слое 850—400 гПа было в 2—2,7 раза больше, чем в первом. Примерно во столько же раз уменьшилось число случаев положительных аномалий температуры на изобарической поверхности 150 гПа и выше. В слое же 400—250 гПа число положительных аномалий в эти два периода различается незначительно.
В отличие от температуры ее вертикальный градиент увеличивался на всех изобарических поверхностях вплоть до 50 гПа (рис. 3). В межгодовых колебаниях градиента можно выделить три периода. Первый с 1959 г. до середины 1970-х годов со значительным преобладанием отрицательных аномалий вертикального градиента температуры, второй — после 1985 г. с преобладанием его положительных аномалий. Между этими периодами преобладания аномалий определенного знака не отмечается. В более высоких слоях атмосферы картина практически обратная. Исключение составляет слой 250—200 гПа. Здесь аномалии вертикального градиента температуры с начала 1960-х годов до 1995 г. для зимних, весенних и осенних месяцев были отрицательными.
Учитывая преобладание знаков аномалии, для оценки долговременных тенденций колебания температуры воздуха на изобарических поверхностях и тенденций изменения вертикального градиента температуры коэффициенты линейного тренда рассматриваются за периоды 1959—1979, 1980—2000 и за 1959—2000 гг. Полученные оценки линейных трендов среднегодовой и средней за сезоны температуры приведены в таблице.
В целом по всей северной полярной области ниже изобарической поверхности 400 гПа наблюдается потепление за весь период наблюдений, а выше этой поверхности, включая всю стратосферу (кроме поверхности 10 гПа), — похолодание. Следует отметить, что изобарическая поверхность 400 гПа совпадает с так называемым "средним энергетическим уровнем" [5], на котором потенциальная (gÄwm) и внутренняя энергия (RTm) равны друг другу и численно равны осредненным по всему вертикальному столбу потенциальной (gH) и внутренней энергии (RT) атмосферы (g — ускорение силы тяжести; R — газовая постоянная; Нш и Гад о —
геопотенциал и температура изобарической поверхности 400 гПа,
_ о _ о
# = J lldp\ Г = J Tdp). Так что на среднем энергетическом уровне
К _ 1
gH <zRTm ugH » RT. Таким образом, потепление охватывает нижнюю половину атмосферы ниже среднего энергетического уровня, а охлаждение — выше него. По-видимому, существуют механизмы перераспределения тепла, связанные с увеличением концентрации парниковых газов и обусловливающие приблизительное постоянство теплосодержания и потенциальной энергии полярной атмосферы по вертикали, так что потепление нижней части атмосферы компенсируется охлаждением ее верхней части.
Сравнивая тенденции изменения температуры за отдельные сезоны двух рассматриваемых периодов, можно отметить, что потепление тропо-
im тэ
Рис. 3. Межгодовые изменения аномалии вертикального градиента температуры (у, °С/100 м), нормированного на среднеквадратичное отклонение а, в се
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.