ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 419-434
УДК 551.513
ОБ ОЦЕНКЕ ПОЛУВЕКОВОЙ ЭВОЛЮЦИИ МЕХАНИЗМОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ В ГОДОВОМ ЦИКЛЕ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ВЫСОКИМИ И СРЕДНИМИ ШИРОТАМИ
© 2008 г. Г. П. Курбаткин
Институт глобального климата и экологии 107532, Москва, ул. Глебовская, 206 E-mail: lkl366@mail.ru Поступила в редакцию 05.07.2007 г., после доработки 18.12.2007 г.
Представлены результаты совместного анализа: 1) доминирующих мод низкочастотной изменчивости атмосферы; 2) механизмов формирования аномалий годового хода; 3) внезапных экстремальных аномалий планетарного масштаба. Использованы данные реанализа NCEP/NCAR за 1958-1998 гг. и оперативного объективного анализа Гидрометеоцентра РФ за 2002-2007 гг. с месячным осреднением. Сделана попытка изучить случаи экстремальных среднемесячных аномалий общей циркуляции атмосферы и их последствия. Показана роль межгодовых зимних отрицательных аномалий температуры воздуха над континентами в стабилизации годового хода современного климата (наблюдавшейся в 5060-е годы). Показана роль в ослаблении годового хода климата деформации Северо-Атлантического диполя в планетарную волну, ориентированную с запада на восток (деформации, наблюдавшейся в апреле 1997 г. и вновь в 2007 г.).
Известно, что, по крайней мере, в последние 50 лет важнейшие межгодовые и декадные различия в режимах погоды в средних широтах обусловлены фазами Северо-Атлантичесих колебаний (САК). Знак и величину САК (индекс) можно определять разностью аномалий давления на уровне моря Р0 в Исландском минимуме и Азорском максимуме (Северо-Атлантический диполь). По наблюдениям [1] различимы двухлетние, 6-8-летние и 24-летние периоды изменений во времени индексов САК. Последние пока не воспроизводятся моделями; их анализы важны констатацией фактов, но встречают большие трудности с объяснением причин. В 60-е годы преобладали отрицательные фазы индексов. Конец 1980-х-начало 1990-х годов показали наиболее продолжительную положительную фазу. Изменения индексов САК от 60-х годов с низким индексом к 1990-м годам с высокими индексами сопровождались самыми большими низкочастотными изменениями САК.
Исследования возможных стабильных аномалий годового хода циркуляции проводились с помощью серии сезонных численных экспериментов с контролируемыми аномалиями граничных условий [2, 3]. В результате этих исследований достигнуто понимание механизмов формирования аномалий годового хода. Поэтому мы обращаем внимание:
1. на аномалии континентального масштаба;
2. на периоды, когда аномалии температуры тропосферы в среднем над континентом Евразии и океанами и, конечно, когда над двумя континентами и
океанами различимы в средних широтах в течение экстремальных сезонов (зима, лето);
3. на условия, когда прослеживаются зависимости таких аномалий в течение двух и более сезонов в годовом цикле;
4. на периоды, когда аномальной зимой холодный воздух преимущественно вторгается с севера на восточную часть континента, или на океан, или на западную часть континентов.
Аналогично, аномальным летом обращаем внимание на возможные варианты вторжений теплых воздушных масс с юга.
Внезапные экстремальные аномалии общей циркуляции атмосферы (речь идет о месячных, максимум - двухмесячных) с 1960-х годов привлекают внимание в качестве изучения отдельных (разных) случаев [4, 5], добиваясь при этом хотя бы описания, а не объяснения причин. Более того, структура представленного в статьях материала, "мозаична", надо признать, как и структура данной статьи. Что, возможно, является естественным на этом этапе исследований механизмов и причин низкочастотной (7-10 лет) изменчивости в годовом ходе теплообмена атмосферы между высокими и средними широтами.
Так, в результате детальных изучений предшествующих циркуляций было отмечено [5], что общая циркуляция над Северной Америкой и Тихим океаном аномальной зимой 1976-1977 гг., как бы ни генерированная, была поддерживаемой нормальным механизмом "сезонного воздействия" (притока
Рис. 1. Среднемесячные поля аномалий температуры воздуха на уровне 850 гПа (Г850), в январе 1963 г. (а) и в январе 1977 г. (б). Изолинии проведены через 2°С.
тепла), который типично порождает гребень над Западом и ложбину на востоке североамериканского континента. Изучение активности Центров действия осенью и зимой 1976-1977 гг. по сравнению с 1949-1972 гг. показало, что характерные аномалии зимней циркуляции над Северной Америкой и Тихим океаном были генерированы в предшествующую осень.
Большие изменения тропосферной циркуляции, обнаруженные между летом и осенью 1976 г., физически интерпретированы как частично вызванные сезонным изменением "воздействия" (притока тепла). Действительно, глубокая летняя ложбина у западного побережья континента и гребень вниз по течению над центральной Северной Америкой (ведущий к засухам) поддерживаемы сезонным воздействием лишь летом. Но маловероятно, что эти позиции поддерживаемы осенью. Такие среднетропо-сферные аномалии в виде длинной волны, если сохранились до осени, должны становиться подвиж-
ными и более вероятно смещаться на запад (из-за их длины), пока не попадут под влияние усиливающихся в холодное полугодие нормальных климатических квазистационарных волн, обладающих большой энергией.
На рис. 1 и 2 представлены наблюдавшиеся при самых крупных экстремальных явлениях за 1958— 1998 гг. среднемесячные поля аномалий температуры воздуха на уровне 850 гПа (i850), которые построены по данным реанализа [6]: в январе 1963 г. (рис. 1а), в январе 1977 г. (рис. 16), в январе 1989 г. (рис. 2а) и в апреле 1997 г. (рис. 26).
На рис. 3 и 4 представлены для тех же аномально экстремальных месяцев поля аномалий давления на уровне моря (P0), и, чтобы детальнее показать особое экстремальное явление в начале 1997 г., дополнительно на рис. 4а приведено поле аномалий P0 для февраля 1997 г.
Рис. 2. То же самое, что и на рис. 1: а - в январе 1989 г. и б - в апреле 1997 г.
Следует подчеркнуть, что именно в эти месяцы амплитуды аномалии внезапно и резко вырастали в 2-4 раза по сравнению с предыдущими, непосредственно ближайшими предшествующими. Все эти случаи, как отдельные явления, многократно описаны в научных журналах [7].
Поля экстремальных аномалий на рис. 1-4 объективно должно что-то объединять в разные годы, если они, как мы считаем, отчасти порождены климатической природой.
С другой стороны, из рассмотрения аномалий Т850 (рис. 1 и 2) нетрудно заметить, что в январе 1963 г. наблюдалась обширная аномалия холодного воздуха над восточной частью Евразии, в январе 1989 г. (рис. 2а) отчетливо видны обширные аномалии холодного вторжения с севера на оба океана. Но с января 1997 г. (не приведено) и до экстремального месяца - апреля 1997 г. (рис. 26) наблюдались вторжения с севера аномалий холодного воздуха в
глубь западных частей континентов, особенно над Восточной Европой и Уралом.
В то же время (рис. 3 и 4) отражают эволюцию в течение 40 лет Северо-Атлантического диполя. Действительно, в январе 1963 г. (рис. 3а) наблюдалась отрицательная фаза САК со значениями аномалий в центрах соответственно Исландского минимума и Азорского максимума +28/-14 гПа; в январе 1977 г. (рис. 36) - отрицательная фаза + 14/-6 гПа; в январе 1989 г. (рис. 3в) - положительная фаза (-12/+10) гПа.
А в феврале 1997 г. (рис. 4а) положительный диполь сильно сместился на восток; раздвоился, сохранив при этом также аномалию в Исландском секторе (-14/+6; -12/+6). К апрелю 1997 г. (рис. 46) произошла деформация в обширную трехцентро-вую волнообразную аномалию (-10/+6/-12) гПа, ориентированную, однако, почти с запада на восток вместо упомянутой выше (см. рис. 4а) первоначаль-
Рис. 3. Среднемесячные поля аномалий давления на уровне моря (Р0): а - в январе 1963 г., б - в январе 1989 г. Изолинии проведены через 5 гПа.
ной аномалии в виде двух диполей (-14/-6; -12/+6), ориентированных с севера на юг (диполь).
Такая эволюция в течение 40 лет динамической структуры аномалий может быть связана с некоторыми изменениями условий формирования многолетних режимов. С этой целью далее рассмотрим изменения аномалий в течение одного года до экстремального явления, а также в течение двух лет после него (для каждого из четырех экстремальных явлений).
Для простоты на рис. 5-8 представлены изменения во времени и по долготе средних в широтном поясе 30°-70°К аномалий Т850.
На всех диаграммах четко выделяются экстремальные месяцы. Видно, что во всех случаях до формирования экстремальных явлений наблюдается нерегулярность, более частая смена знака аномалий, и можно заметить за несколько месяцев до экстремального явления движение аномалий на запад. Выше было отмечено, что такой процесс может предшествовать экстремальному росту аномалий в годовом цикле.
Заметим, что полные среднемесячные поля Т850 (климатическая часть плюс аномалии) на диаграммах "время-долгота" не приведены. Но они четко показывают, что за период 1963-1998 гг. планетарные волны тепла и холода в экстремальных случаях сместились более, чем на 10° долготы на восток.
Вернемся к анализу рис. 5-8. Изучим эти диаграммы детальнее, чтобы описать общие черты в экстремальных аномалиях разных лет и в то же время показывать большие различия в межширотном теплообмене, произошедшие за последние десятилетия. Для удобства читателя при рассмотрении рис. 5-8 укажем на долготные границы континентов и океанов в широтном поясе 30°-70°№ Евразия простирается с запада на восток приблизительно от 0° до 130°Е, Северная Америка - от 150° до 60°№
Действительно, рассмотрение экстремальных явлений в сезонном развитии позволило отметить следующую важную общую черту. В трех первых случаях (рис. 5-7) внезапное усиление аномалий происходило в климатических зонах температурных контрастов на границах океанов и континентов
90М 80М 70М 60М 50М 40М 30М 20М 10М ЕО 90М 80М 70М 60М 50М 40М 30М 20М 10М
ЕО
180
120W
60W
60Е
120Е
180
0
Рис. 4. То же самое что и на рис. 3: а - в феврале 1997 г., б - в апреле 1997 г.
(180°-60^ и 60^-60°Е). Можно видеть, как это происходило в разные годы вопреки значительным н
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.