УДК 551.513.7.001.572
Крупномасштабные моды атмосферной изменчивости. Часть I. Статистический анализ и гидродинамическое моделирование
Д. Б. Киктев*, Е. Н. Круглова*, И. А. Куликова*
С помощью глобальной полулагранжевой модели БЬ-ЛУ, разработанной в Институте вычислительной математики РАН совместно с Гидрометцентром России, исследуется региональная предсказуемость низкочастотной изменчивости и связанных с ней режимов атмосферной циркуляции на месячных и сезонных интервалах времени в Северном полушарии. С помощью факторного анализа показано, что модель успешно воспроизводит первые основные моды изменчивости, объясняющие 85—90% накопленной дисперсии. В качестве количественных характеристик низкочастотной изменчивости используются индексы дальних связей, позволяющие идентифицировать режимы зонального потока и режимы типа блокирования. В рамках диагностической верификации в результатах гидродинамического моделирования на интервалах интегрирования 2-, 3-, 4-й месяцы полезный сигнал не выявлен. На месячном и сезонном интервалах времени качество прогнозов сильно варьируется в зависимости от региона и сезона. Статистически значимые связи (в пределах 5%-ного уровня значимости) между фактическими и прогностическими данными получены лишь для регионов Северной Евразии и Северной Америки. В прогнозах крупномасштабных структур над океанами полезной информации не обнаружено. От зимы к лету во всех случаях уровень практической предсказуемости повышается. Делается вывод о целесообразности использования полученных результатов в практике месячных и сезонных прогнозов погоды.
Ключевые слова: режимы атмосферной циркуляции, крупномасштабная изменчивость, индексы циркуляции, дальние связи, верификация.
1. Введение
Эффективность прогностической системы на длительных (месячных и сезонных интервалах времени) определяется ее способностью воспроизводить крупномасштабные структуры, связанные с низкочастотной изменчивостью атмосферы. Условно принято, что диапазон низких частот в общей циркуляции атмосферы охватывает колебания за пределами синоптической изменчивости, обусловленной формированием и разрушением вихрей. Как известно, волны синоптического масштаба (ложбины и гребни, цикло-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: kulikova@mecom.ru.
ны и антициклоны) являются проявлением бароклинной неустойчивости — свойства атмосферной циркуляции средних широт, связанного с вращением Земли и наличием горизонтальных контрастов температуры (вертикальным сдвигом ветра). Поскольку продолжительность существования бароклинного вихря составляет примерно 7—10 сут, под низкочастотной изменчивостью понимаются атмосферные флуктуации с временными масштабами порядка 7 сут и более [3, 16]. Заметим, что синоптические методы долгосрочных прогнозов Гидрометцентра России на протяжении многих лет основывались на понятиях естественного синоптического периода, естественного синоптического района и естественного синоптического сезона [1], тесно связанных с пространственными и временными масштабами крупномасштабных структур атмосферной циркуляции.
Наиболее распространенным методом выделения крупномасштабных структур атмосферной циркуляции является спектральный анализ, позволяющий идентифицировать моды атмосферной изменчивости как функции частоты и зонального волнового числа. Другой подход основывается на анализе дальних связей, или так называемых телеконнекций. Заметим, что в разных исследованиях дальние связи определяются по-разному. В работе [18] дальние связи находятся с помощью метода главных компонентов с вращением. В качестве исходной информации используются средние месячные поля геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа, взятые в 358 точках, более или менее равномерно расположенных в пределах 20— 90° с. ш., за период 1950—2000 гг. Результаты расчетов полученных таким образом индексов с суточным разрешением регулярно публикуются на сайте CPC/NOAA (Climate Prediction Centre). Сходные результаты получены также с помощью других статистических процедур, например, на основе анализа длительных аномалий циркуляции [20, 26], повернутых естественных ортогональных функций (ПЕОФ) [18, 23, 30], ЕОФ, типов главных колебаний и типов главных колебаний по ограниченному времени [21], комбинации методов главных компонентов с вращением, сингулярного спектрального анализа, а также метода фазовых портретов [27]. Несмотря на раз но об ра зие под ходов к иден ти фи ка ции основ ных мод ат мос фер ной измен чи вос ти, ин дексы даль них свя зей, полу чен ные с помощью раз личных статистических процедур (синхронная корреляция между точками полей, естественные ортогональные функции, использование разных вариантов вращения), хорошо коррелируют друг с другом и отражают сходные эквивалентно-баротропные структуры.
Актуальность исследований низкочастотной изменчивости определяется ограничением предсказуемости первого рода, связанной, с одной стороны, с неопределенностью начальных условий, которые никогда не могут быть заданы с абсолютной точностью, с другой, — наличием точек бифуркации (ветвления) для нелинейной системы с диссипацией. Результаты сравнения моделей общей циркуляции атмосферы (ОЦА), разработанных в мировых метеорологических центрах, показали, что даже для лучших гидродинамических моделей отрезок времени, называемый интервалом практической предсказуемости, составляет 5—7 сут. По разным оценкам, он может быть увеличен до 2—3 недель в зависимости от сезона, региона и устой чи вос ти ат мосфер ной цир куля ции.
Существование предсказуемости второго рода, связанной с низкочастотной изменчивостью атмосферы, определяет возможности прогноза крупномасштабных структур атмосферной циркуляции, а также статистических характеристик метеорологических полей на месячных, сезонных и более длительных интервалах времени. Физической основой сезонных прогнозов служат гипотезы о решающей роли внешних воздействий (лед, снежный покров и влажность почвы), являющихся более инерционными, а потому легче прогнозируемыми средами. По мнению В. П. Дымникова [3], "исследование природы низкочастотной изменчивости атмосферной циркуляции является в некотором смысле построением физического фундамента для долгосрочного метеорологического прогноза".
В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с возможностью воспроизведения крупномасштабных пространственных структур и связан ных с ними ре жи мов ат мос фер ной цир куля ции на ме сяч ных и сезонных интервалах времени на базе глобальной полулагранжевой модели БЬ-АУ, разработанной в Институте вычислительной математики (ИВМ) РАН совместно с Гидрометцентром России. С использованием методов диагностической верификации и факторного анализа проводится сравнение результатов гидродинамического моделирования с фактическими данными (данными реанализа). Совместное использование динамических прогнозов и статистических методов имеет целью улучшение качества долгосрочных прогнозов и увеличение предела предсказуемости. В заключение формулируются выводы о возможном использовании полученных результатов в практике месячных и сезонных метеорологических прогно-
2. Исходные данные и индексы циркуляции
В качестве исходной информации используются ретроспективные прогнозы полей геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа (Н500) за период с 1981 по 2010 г., полученные на основе глобальной полулагранжевой модели БЬ-ЛУ, разработанной в ИВМ РАН совместно с Гидрометцентром России. Модель имеет пространственное разрешение 1,125° по широте и 1,40625° по долготе, 28 вертикальных уровней и генерирует 10 членов ансамбля по начальным данным реанализа-2 КСЕР/ЫСЛЯ с использованием техники бридинг-метода выращивания быстро растущих мод. Граничными условиями служат начальные аномалии температуры поверхности океана в течение всего прогностического периода. Подробное описание модели дается в работах [4, 13, 14]. В данном исследовании рассматривают ся толь ко де терми ни ро ван ные про гно зы (сред ние по ан сам блю) полей геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа с месячным (на интервале интегрирования 1-, 2-, 3-, 4-й месяцы) и сезонным разрешением (на интервалах интегрирования 1—3-й и 2—4-й месяцы). Эталонные поля, с которыми сравниваются результаты гидродинамического моделирования, — поля средних месячных значений геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа (^500), полученные на основе архива КСЕР/ЫСЛЯ четы-рехсрочных полей реанализа на сетке 2,5 х 2,5° [24] за период с 1981 по 2010 г.
Характеристиками крупномасштабных особенностей атмосферной циркуляции и связанных с ними режимов атмосферной циркуляции служат
индексы дальних связей, предложенные в работе [32]. Расчеты проводятся по данным реанализа и гидродинамического моделирования с месячным и сезонным разрешением. Методология расчетов индексов циркуляции изложена в работе [11]. На основе анализа корреляционной структуры полей геопотенциала поверхности 500 гПа, заданных в узлах регулярной сетки, по Северному полушарию выделены 14 центров действия, объединенных в пять основных систем дальних связей (телеконнекций), а именно: тихо-океанско-североамериканское (PNA, Pacific—North American, центры A, B, C, D), восточно-атлантическое (EA, East Atlantic, центры E, F, G), западно-атлантическое (WA, West Atlantic, центры H, I), западно-тихоокеанское (WP, West Pacific, центры J, K), евразийское (EU, Eurasian, центры L, M, N) колебания. Центры действия для этих колебаний имеют следующие координаты:
Центр A B C D E F G
Широта, град с. 20 45 55 30 25 55 50
Долгота, град 160 з. 165 з. 115 з. 85 з. 25 з. 20 з. 40 в.
Центр H I J K L M N
Широта, град с. 55 30 60 30 55 55 40
Долгота, град 55 з. 55 з. 155 в. 155 в. 20 в. 75 в. 145 в.
Значения индексов циркуляции рассчитываются по следующим формулам:
EA = 1[2z(F) - z(E) - z(G)]; PNA = i[z(A) - z(B) + z(C) - z(D)];
4 4
WA = i[z(H) - z(I)]; WP = i[z(J) - z(K)]; EU = 1[-z(L) + 2z(M) - z(N)], 2 2 4
где z — нормализованное значение геопотенциала H500.
В качестве характеристики атмосферной циркуляции в пределах региона Северная Атла
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.