ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 3, с. 294-300
УДК 551.515.1
О СВЯЗИ КОЛИЧЕСТВА ВНЕТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
С ИХ РАЗМЕРАМИ
© 2008 г. И. А. Рудева
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН 117997, Москва, Нахимовский пр-т, д. 36 E-mail: rudeva@sail.msk.ru Поступила в редакцию 08.08.2007 г., после доработки 28.11.2007 г.
Для идентификации внетропических циклонов использовались данные давления на уровне моря для Северного полушария реанализа NCEP/NCAR с 1948 по 2004 гг. Положение циклонов определялось с временные м интервалом 6 ч. Размеры циклонов получены с помощью численной схемы, основанной на повороте сферической системы координат таким образом, чтобы полюс новой системы координат совпадал с центром циклона. Определение размеров циклонов проводилось на каждом шаге траектории. За внешнюю границу циклона принималась последняя замкнутая изобара. В качестве характеристики интенсивности синоптического образования принимался дефицит давления в центре циклона. Оценка взаимосвязи количества циклонов и их размеров проводилась для всех внетропических циклонов Северного полушария, вне зависимости от стадии развития. Количество проанализированных случаев составило 1.5 х 106. Площадь циклонов меняется от 0.13 х 106 до 6.4 х 106 км2. Восемьдесят процентов внетропических циклонов характеризуется интенсивностью 1-15 гПа. Показано, что распределение количества циклонов в зависимости от их интенсивности носит экспоненциальный характер. Распределения количества циклонов были аппроксимированы с очень высокой степенью точности, что свидетельствует о том, что полученные закономерности являются очень устойчивыми на протяжении нескольких последних десятилетий.
ВВЕДЕНИЕ
Характеристики внетропических циклонов являются эффективными индикаторами изменений циркуляции атмосферы в средних широтах. Построение достоверных климатологий циклонов стало возможным лишь в последние десятилетия с появлением новых баз данных и развитием соответствующих технологий их обработки. Наиболее эффективным методом изучения циклонической активности является автоматическая идентификация их траекторий, или трекинг (от англ. слова "tracking"). На сегодняшний день в мире развито несколько численных схем идентификации циклонов [1-8]. Однако если климатологии циклонической активности, полученные в различных исследованиях, в целом схожи между собой, то такие характеристики циклонов, как интенсивность, время жизни, скорость перемещения и др., сильно зависят как от используемых данных, так и методологии идентификации циклонов. В последнее время исследование циклонической активности так же служит для валидации численных моделей атмосферы, так как позволяет оценить возможности моделей воспроизводить важнейшие динамические процессы.
В контексте изучения изменений климата одной из важных задач является исследование долгопериодной изменчивости циклонической активности. Многие исследования показывают, что в более теп-
лом климате происходит интенсификация внетропических циклонов [9-11]. В недавней работе [12] исследовалось изменение количества и интенсивности циклонов в модели ЕСНАМ5/ОМ для сценария 1РСС А1В. Это исследование показало, что количество циклонов мало меняется при изменении количества углекислого газа, в то время как главные различия в климате проявляются в смещении основных шторм-треков. Схожие результаты были получены и в [13] при анализе более широкого набора экспериментов с моделями ЕСНАМ4 и ЕСНАМ5.
При исследовании климатологии внетропических циклонов основное внимание уделяется частотам повторяемости циклонов. Тем не менее для оценки роли циклонов в климатической системе и ее изменчивости необходимо также количественно оценивать параметры жизненного цикла циклонов. К ним, в частности, относятся характеристики размеров и формы циклонических образований. Если для оценки таких параметров, как глубина, время жизни, скорость перемещения, скорость углубления и др., достаточно знания траекторий циклонов и характеристик давления в центре, то определение размеров циклонов связано с усложнением схемы идентификации. В первую очередь, сложности вызывает анализ полей характеристик в каждый момент трекинга, что порождает большие технологические трудности и неопределенности в интерпретации результатов. Одной из глав-
Количество циклонов ^ N 7 г
0
1
Циклоны Линейная аппроксимация
2 3 4 5 6 Площадь циклонов S х 106 км2
Рис. 1. Кумулятивная функция распределения числа циклонов ^ (N) в зависимости от их размеров за период 1948-2004 гг. Сплошной линией показана линейная аппроксимация. Коэффициент детерминации составляет г2 = 0.9667. Серым цветом отмечены квантили уровня 0.1 и 0.9.
Количество циклонов N х 10 20
5
16
12
8 -
4
Циклоны Аппроксимирующие кривые экспонента многочлен 3-го порядка
|| 6
62
Площадь циклонов S х 106 км2
Рис. 2. Кумулятивная функция распределения числа циклонов N в зависимости от их размеров за период 1948-2004 гг. Сплошной линией показана аппроксимирующая экспонента (г2 = 0.9667), пунктирной - линейная аппроксимация (г2 = 0.9999).
6
5
0
ных проблем является определение "границы" циклонического образования. Традиционно в синоптической метеорологии граница циклона определяется по так называемой "последней" замкнутой изобаре, но при таком подходе размер циклона зависит от шага, выбранного для построения изобар на синоптической карте. При использовании автоматизированного численного подхода к определению размера циклона можно использовать меньшее расстояние между изобарами, что существенно увеличивает точность в определении искомой величины. Однако существует методологическая трудность, связанная с количественным оцениванием линейных размеров на сфере в различных широтных областях. В настоящее время существует только несколько работ по данному вопросу [6, 14-17].
В работе [18] мы разработали собственную методологию определения геометрических характеристик внетропических циклонов и построили климатологию размеров циклонов средних широт Северного полушария за период 1948-2004 гг. Было показано, что средний радиус циклонов меняется от 300-400 км над континентами до 900 км над океанами. Наибольшие размеры характерны для долгожи-вущих и интенсивных синоптических образований. С динамической точки зрения интересно соотношение размеров и количества циклонов на сфере. Исследования [18] показывают, что с увеличением количества циклонов на сфере происходит линейное уменьшение их средних размеров ([18], рис. 15). Важно также отметить, что соотношение размеров
и количества циклонов на сфере согласно [18] остается относительно постоянным в рассматриваемый период.
Голицын и др. [19], используя методику определения размеров циклонов [1], показали, что кумулятивные функции распределения площадей и ин-тенсивностей циклонов и антициклонов за вторую половину XX века имеют экспоненциальный характер. Построение кумулятивных функций распределения традиционно используется в геофизике. На практике они важны для оценки рисков таких природных явлений, как землетрясения, оползни, цунами. В своей работе [19] авторы предлагают использовать подобные функции распределения для атмосферных вихрей в задачах оценки риска глобальных изменений климата. В данной работе мы проанализируем распределение циклонических образований по их размерам, используя результаты определения размеров внетропических циклонов за период с 1948 по 2004 гг. [18].
ДАННЫЕ И МЕТОДОЛОГИЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЦИКЛОНОВ
Для идентификации циклонов использовались данные давления на уровне моря реанализа ^БР^САИ [20, 21] с 1948 по 2004 гг. Данные представлены на сетке 2.5° х 2.5° с временным разрешением 6 часов. Идентификация циклонов и определение их траекторий выполнены с использованием численной схемы "Циклон", разработанной в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН (па-
Количество циклонов ^ (№) 7
(а)
Циклоны
Линейная
N. аппроксимация
\ -1-1-1
10
20
30
40
50
60
70
Количество циклонов N х 105 16
14 12 10
8 -
6 -
4
2
Циклоны Аппроксимация
0 10 20 30 40 50 60 70 Интенсивность циклонов 5р, гПа
Рис. 3. Кумулятивная функция распределения числа циклонов а - ^ (М) и б - N в зависимости от их размеров за период 1948-2004 гг. Сплошной линией показана линейная аппроксимация. Коэффициент детерминации составляет г2 = 0.9983. Серым цветом отмечены квантили уровня 0.1 и 0.9.
тент № 2006612244). Численный трекинг циклонов осуществляется в полярной стереографической проекции на сетке 181 х 181 с центром на Северном полюсе. Эта интерполяция выполнялась методом локальных процедур [22]. Используемый метод позволяет гладко интерполировать пространственные поля, заданные в произвольных точках, и не порождает дополнительных промежуточных экстремумов, сохраняя гладкость интерполяции.
Предварительная обработка данных включает динамическую интерполяцию полей приземного давления на шаг 1 час. Эта интерполяция удовлетворяет уравнению д( Р)/дг = иУ(Р), где Р - призем-
ное давление, и - вектор скорости. Интерполяция на более короткие шаги по времени позволяет уменьшить смещение циклонов и отличить их от характерных расстояний между центрами циклонов. Процедура трекинга начинается с нахождения локальных минимумов давления. Для этого рассматривается 13 соседних точек. При этом все найденные минимумы делятся на 3 категории, в зависимости от того, насколько обширной является область, принадлежащая рассматриваемому минимуму. Далее в алгоритме производится операция предварительного определения траекторий циклонов. Для этого применяется так называемый алгоритм "ближайших соседей", также использованный в схемах [23-27]. Отобранные траектории циклонов рассматриваются попарно и в случае, если в фиксированный момент времени траектории циклонов из рассматриваемой пары пересекаются или имеют совпадающие точки по времени, эти точки удаляются из меньшего по времени жизни циклона, который, таким образом, либо уменьшает свое время жизни, либо делится на два. Затем из анализа удаляются циклоны с малой продолжительностью жизни (менее 18 часов). В работе [28] данная схема была существенн
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.