между квазидвухлетней цикличностью стратосферного экваториального ветра (КДЦ) и полями температуры и стратосферного озона послужили одной из причин включения индекса КДЦ в качестве одного из основных предикторов в различные мультирегрессионные модели. Однако распределение амплитуд КДЦ как в полях стратосферного ветра, так и температуры и озона имеет достаточно сложную временную, пространственную и вертикальную структуру [5, 15-18]. Это приводит к использованию в мультирегрессионных моделях различных индексов КДЦ или их комбинаций [3-5, 9-11, 19] и затрудняет интерпретацию полученных результатов.
Целью данной работы является исследование межгодовых и длиннопериодных вариаций общего содержания озона, а также зонального ветра и температуры нижней стратосферы на уровнях 20100 мб. Анализируются среднезональные среднемесячные (65°S-65°N, с шагом 5° по широте) данные за 1979-2005 гг. Основные задачи работы связаны с расчетами величин линейных трендов и их значимости, определением характерных времен затухания, оценкой взаимокоррелированности рядов ОСО, температуры и зонального ветра, а также с анализом спектрального состава этих рядов.
2. ДАННЫЕ И МЕТОДИКА 2.1. Среднезональные ряды ОСО
Для формирования среднемесячных зонально-усредненных временных рядов ОСО обычно используются среднемесячные значения ОСО, полученные с помощью спутниковой аппаратуры TOMS на ИСЗ Nimbus-7 и Earth Probe [20] (далее TOMS). Следует отметить, что данные 8-й версии TOMS, особенно для периода после 2000 г., отличаются от данных Merged TOMS-SBUV Total Ozone Data [21] (далее MOD), сформированных на основе объединения данных 8-х версий TOMS и SBUV/SBUV2 (ИСЗ Nimbus-7, NOAA 9/11/16). Методика формирования данных MOD, в которых для периода после 2000 г. были использованы только результаты измерений аппаратурой SBUV, подробно изложена в [11]. Ожидается, что причины этих расхождений будут устранены в новой версии данных TOMS, которая выйдет в конце 2007 г. (Dr R. McPeters, NASA, частное сообщение). В настоящей работе в качестве основы для формирования среднезональных рядов были использованы среднемесячные значения ОСО TOMS за 19792005 гг., содержащиеся на сайте NASA [20]. Пропуск в измерениях [20] с апреля 1993 г. по август 1996 г. был заполнен с помощью данных MOD. Для этого периода все модификации (Revision 01-03) MOD оставались неизменными. С целью сопоставить данные двух отличающихся озоновых баз
данных некоторые расчеты были проведены также для среднезональных среднемесячных данных последней версии MOD (Revision 03, сентябрь 2006).
Для того чтобы выбрать оптимальный метод заполнения содержащихся в этих данных небольших пропусков, были составлены модельные ряды и исследованы методы заполнения пропусков с помощью сплайнов, линейной, кубической интерполяции, а также на основе Фурье-анализа. Для широт от 65°S до 65°N наиболее подходящим оказался метод кубической интерполяции. Для более высоких широт реконструкция сезонного хода ОСО требует привлечения дополнительных сведений (данные наземных станций и спутниковые данные, получаемые периодически другими приборами). Поэтому в настоящей работе анализируются зонально-усреднен-ные ряды ОСО с 1979 по 2005 гг. (длиной 324 мес) только для широтного пояса от 65°S до 65°N (рис. 1).
2.2. Среднезональные ряды температуры и ветра
Для создания среднезональных (65°S-65°N с шагом 5° по широте) рядов температуры и зонального ветра за 1979-2005 гг. были использованы данные реанализа NCEP/DOE (National Center for Environmental Prediction/Department of Energy [22]). На основе этих данных были сформированы среднезональные среднемесячные значения
температуры T¡¡0 (t), tJ° (t), T50 (t), tJ00 (t) для уровней 20, 30, 50 и 100 мб, и ветра Uf (t), U3° (t),
UJ0 (t), UJ00 (t) (рис. 2-5). Указанные ряды не имеют пропусков.
2.3. Фильтрация и десезонализация
В исходных рядах общего содержания озона, температуры и зонального ветра существенный вклад в вариации, особенно во внеэкваториаль-ных зонах, вносит годовая гармоника колебаний (основная составляющая сезонного хода). При оценке трендов методами мультирегрессионного анализа, также как и при анализе межгодовых вариаций, обычной процедурой является "отбеливание", т.е. удаление из анализируемого ряда одной или нескольких наиболее мощных гармоник (операцию удаления сезонного хода обычно называют десезонализацией). В основном используется два метода. В первом методе десезонализа-цию проводят, определяя тем или иным способом (чаще на основе Фурье-разложения) параметры гармоник с периодами 12, 6, 4 и 3 мес и вычитая затем эти гармоники из ряда. Во втором методе для исключения сезонного хода рассчитываются отклонения между среднемесячными значениями и климатическими нормами для каждого месяца. Как показал анализ модельных рядов, оба метода
ОСО, е.Д.
280 260 240
А, е.Д.
ОСО, е.Д. 400
55-60°N 350 ]_,_, 300
360 320 280
25-30°N 300 250
260
^-'-'-1 240
280
260
240
А, е.Д. 5Ь
55-60°S
1980 1990 2000 20 60 100140180220 1980 1990 2000 20 60 100140180220
Рис. 1. Временные ряды и спектры общего содержания озона. Длиннопернодные колебания (ряды ОСО^) показаны жирными линиями (для различимости значения амплитуд колебаний удвоены). Справа от временны х рядов - спектры. По оси ординат спектров - спектральная амплитуда, е.Д., по оси абсцисс - период, мес.
Т20, К 230 220 210 225 220 215
225 220 215 225
220 225 220
225 220 225
220 225
А, К 0.5
230 215 200
- . 55-60°N
40-45°N
к „ 25-30°N
10-15 °N
0-5 °N 1 Г4^—------1
1 0-5 °S
Щу 10-15°S
25-30°S 1 1 ^—Т 1
1 40-45 °S
Ц/20, м/сек 20
-20
5 0 -5 10 0 -10
10 0 -10
20 0 -20 20 0 -20
10 0 -10
А, м/сек
1980 1990 2000
-51
10 0 -10
20
0
-20
20 60 100140180220 1980 1990 2000
012 1 55-60°N
210 0 40-45°N
21 25-30°N кч/Х^,
№ | 10-15 °N 'Ъу^-О-,-и и
ИЛ жм10
№ щм! 1 0-5°S
ьншк '0 0 10-15°S Л-лг—1 1—1
10..05 1 25-30°S *'!»1/| 1 ----Г 1
2 г 40-45°Б 1 0
^ 1-1-1-1-1-1 0
20 60 100140180220
Рис. 2. Уровень 20 мб. Временны е ряды и спектры температуры и зонального ветра. Длиннопериодные колебания Т
20
.20
(значения удвоены) и (значения утроены) показаны жирными линиями. Справа от временных рядов - спектры.
По оси ординат спектров - спектральная амплитуда, в К (температура) и в м/с (скорость ветра), по оси абсцисс - период, мес.
Т30, К
А, К
и30, м/сек
230 215 200
А, м/сек 2 г
1 0
55-60^
40-45°N
А/^М----1— \ 1-1
- 25-30°N
ЛкДч/?4^—,
10-15°N 1 1 1
^Лкч 1. 0-5°N 1 1 1
0-5° Б 1 1 1
10-15°Б
/11 \/ VI V | 25-30°Б ^-Г 1 1
[( 55-60° Б
1980 1990 2000
20 60 100140180220 1980 1990 2000
20 60 100140180220
Рис. 3. То же, что и на рис. 2, уровень 30 мб.
дают близкие результаты, хотя для сильно за-шумленных рядов из-за погрешностей в определении параметров гармоник первый метод может порождать дополнительные высокочастотные колебания. Оба метода предполагают постоянство периода исключаемого колебания. Если это не так, то в отфильтрованном ряде могут наблюдаться остатки гармоник годового хода.
Более точный (и занимающий больше времени) метод десезонализации может быть реализован путем модификации первого метода. Фурье-преобразование проводится в этом случае с достаточно высоким разрешением, затем из полученной периодограммы удаляются не только сами гармоники годового хода, но и интервал частот вблизи этих гармоник, и на последнем этапе выполняется обратное Фурье-преобразование. В настоящей работе с целью сопоставления с данными предыдущих работ десезонализация проводилась с помощью второго метода.
Известно, что в реальных метеорологических рядах может наблюдаться не только годовая гар-
моника и ее обертона, но и ряд других близких гармоник, например с периодами около 8 и 1315 мес. Для исключения короткопериодных гармоник часто используют методы фильтрации -скользящее среднее с соответствующим периодом или более сложные фильтры. Эти методы не свободны от недостатков, так как приводят к укорачиванию ряда наблюдений, смещению фазы колебаний. Поэтому для формирования рядов, свободных не только от наиболее мощной годовой гармоники, но и всех колебаний с периодами, меньшими выбранного, был использован метод, аналогичный [23]. Предварительно для каждого из анализируемых рядов У0 исключали линейный тренд и вычисляли классическое Фурье-преобразование с шагом по частоте 0.0001 мес-1 для периодов от 2 до 250 мес. На основе анализа полученных периодограмм для фильтрации короткопериодных колебаний был выбран граничный период, равный 14 мес. Для периодов, больших граничного, было вычислено обратное Фурье-преобразование. Полученные таким образом среднезональ-
Т50, К 225 220 215 220 215 210
210 205 210 205 200 210
205 200 210 205 200 210 205
210
А, К
£/50, м/сек
А, м/сек 1.0
220 215
220 210 200
1980 1990 2000
20 60 100140180220 1980 1990 2000
20 60 100140180220
Рис. 4. То же, что и на рис. 2, уровень 50 мб.
ные ряды (Ун) не содержат гармоник с периодами менее 14 мес.
Для того чтобы иметь возможность рассмотреть особенности более длиннопериодных межгодовых вариаций, была проведена еще одна фильтрация исходных рядов - с граничным периодом примерно 5 лет (62 мес). Временные ряды (7Д не содержащие гармоник с периодами менее 5 лет, также приведены на рис. 1-5. Для различимости на некоторых рисунках отфильтрованные ряды Уь сдвинуты относительно исходного ряда по оси ординат или же значения умножены на масштабный множитель (см. пояснения к рисункам).
2.4. Спектральный анализ
Спектральный анализ проводился с использованием модифицированного классического Фурье-преобразования [24]. Этот метод имеет большую точность в определении параметров колебаний в сравнении с методом быстрого Фурье преобразования [18]. Период гармоник Т при рас-
четах по алгоритму [24] определяется при N > 5Т с точностью, лучшей 0.1%. Заметим, однако, что время расчетов по методике [24] возрастает на порядки. Спектры всех рядов для периодов от 20 до 220 мес показаны на рис. 1-5 справа от соответствующих временных рядов. По оси ординат спектров, для того чтобы иметь возможность сопоставлять амплитуды
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.