ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 2, с. 129-136
УДК 551.515;551.583
ОЦЕНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В ТРОПОСФЕРЕ ВНЕТРОПИЧЕСКИХ ШИРОТ К ИЗМЕНЕНИЮ
ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
© 2013 г. М. Г. Акперов, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: aseid@ifaran.ru E-mail: mokhov@ifaran.ru Поступила в редакцию 10.08.2011 г., после доработки 27.09.2011 г.
Получены количественные оценки чувствительности количества и размеров внетропических циклонов Северного полушария к изменению приповерхностной температуры с использованием 60-летних данных NCEP/NCAR реанализа в сопоставлении с оценками на основе сравнительно простой модели циклонической и антициклонической активности в атмосфере внетропических широт, связанной с характеристиками температурной стратификации атмосферы (ММПХ-моде-ли). В том числе сделаны модельные оценки для сухой атмосферы и для атмосферы с учетом влажности. В целом для внетропических широт с использованием данных реанализа отмечено общее уменьшение количества циклонов и плотности их упаковки во внетропических широтах с ростом приповерхностной температуры. При этом оценки параметра чувствительности количества циклонов в средних широтах и для внетропических широт Северного полушария в целом в ММПХ-моде-ли с учетом влажности близки к полученным на основе данных реанализа. Оценено влияние меридионального градиента приповерхностной температуры и вертикального градиента температуры в тропосфере на изменение количества и размеров внетропических циклонов по данным реанализа и модельным расчетам. Отмечено, что наиболее значимые изменения количества и размеров внетро-пических циклонов в среднем за год связаны с вертикальным градиентом температуры в тропосфере. При этом увеличение вертикального градиента температуры в тропосфере ведет к уменьшению размера циклонов. Относительное влияние вертикального градиента температуры и меридионального градиента температуры различается для разных широтных зон.
Ключевые слова: внетропические циклоны, изменения климата, данные реанализа, моделирование.
Б01: 10.7868/8000235151302003Х
ВВЕДЕНИЕ
При глобальных изменениях климата изменяются и режимы циклонической активности в атмосфере [1]. Первые оценки чувствительности характеристик внетропических циклонов в атмосфере к изменению температурного режима, полученные более двух десятилетий назад по эмпирическим данным и модельным расчетам [2—6], требуют уточнения на основе более обширных и детальных современных данных и анализа модельных результатов [7—10].
В настоящее время разработаны различные алгоритмы детектирования характеристик внетро-пических циклонов и получено достаточно много результатов анализа региональных, полушарных и глобальных режимов циклонической активности и ее изменений при климатических изменениях с использованием разных данных реанализа
и расчетов с климатическими моделями общей циркуляции (см., например; [8—20]). Организован специальный международный проект сравнения методов диагностики среднеширотных циклонов IMILAST (Intercomparison of mid latitude storm diagnostics, http://www.proclim.ch/IMILAST/ index.html). При сравнительном анализе различных данных и модельных результатов наряду с анализом средних характеристик циклонической активности и функций распределения параметров внетропических циклонов необходим анализ характеристик их чувствительности к изменениям климата.
Сравнительно простой анализ чувствительности параметров внетропических циклонов к климатическим изменениям можно провести с помощью предложенной в [2] модели циклонической и антициклонической активности в атмосфере
внетропических широт. Согласно [2] на основе этой модели описываются реальные особенности широтного распределения количества циклонических и антициклонических образований, в том числе и различия положений максимумов циклогенеза и числа циклонов и антициклонов. В [2—6] проведено сравнение модельных оценок чувствительности характеристик внетропических циклонов к изменению температурного режима в сопоставлении с доступными в то время эмпирическими данными для периода 1962—1988 гг. для Северного полушария. При этом сравнительно короткие ряды данных не позволили получить статистически значимые эмпирические оценки. Кроме того, согласно модельным оценкам на тенденции изменения вихревой активности в атмосфере внетропических широт влияют конкурирующие факторы, по-разному проявляющиеся в различных регионах. Так, при потеплении земной климатической системы уменьшение температурного перепада в тропосфере между тропическими и высокими широтами способствует снижению скорости генерации вихрей за счет действия механизма бароклинной неустойчивости. С другой стороны, уменьшение статической устойчивости атмосферы при общем увеличении вертикального градиента температуры в тропосфере способствует увеличению скорости генерации вихрей [2—6].
Цель данной работы — получить количественные оценки чувствительности характеристик внетропических циклонов Северного полушария к изменению приповерхностной температуры на основе современных данных реанализа и определить роль разных факторов в сопоставлении с модельными оценками.
МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Для получения эмпирических оценок параметров чувствительности характеристик внетропических циклонов к изменениям температурного режима в данной работе использовались 60-летние данные МСЕР/МСАЯ реанализа (1948-2007 гг.) [21]. При этом характеристики внетропических циклонов (включая их количество, размеры, плотность упаковки на сфере) определялись аналогично [8] (см. также [10].
Для анализа чувствительности параметров внетропических циклонов к климатическим изменениям использовалась предложенная в [2] модель циклонической и антициклонической активности в атмосфере внетропических широт, связанная с характеристиками горизонтальной и вертикальной температурной стратификации тропосферы (далее ММПХ-модель). При построении ММПХ-модели [2] в качестве основного механизма генерации синоптических возмущений в
атмосфере средних и высоких широт принималась бароклинная неустойчивость квазизонального потока. Для оценки характерного времени развития бароклинных возмущений использовалась простейшая двухслойная модель бароклин-ной неустойчивости Филлипса [22]. (В ММПХ-модели характерное время развития квазигеост-рофических бароклинных возмущений в средних широтах с пространственным масштабом порядка радиуса Россби Ьк оценивается периодом порядка 3 сут при характерном времени формирования устойчивых статистических режимов синоптических вихрей порядка 10 сут). Механизм бароклин-ной неустойчивости основного квазизонального потока в атмосфере средних и высоких широт в ММПХ-модели считается действующим постоянно. В рамках этой модели использовались различные распределения внетропических циклонов и антициклонов на сфере, в том числе близкая к реальной свободная упаковка вихрей [2].
В ММПХ-модели [2] учитывается, что циклоническая активность во влажной атмосфере сопровождается процессами облако- и осадкообразования с выделением скрытого тепла фазовых переходов и соответствующим влиянием на устойчивость атмосферы, скорость роста и масштаб неустойчивых мод (волн) [23-25]. При этом в области восходящих движений воздух при подъеме достигает насыщения, и параметр статической устойчивости определяется разностью ува — у, тогда как в области нисходящих движений определяющую роль играет разность уа — у.
Согласно ММПХ-модели число циклонов для разных широтных зон в случае свободной упаковки циклонов можно представить в виде
N = A
dT дф
T
-3/2
(1)
Здесь Т — температура, ф — широта, L0 = c/f — синоптический масштаб Обухова, f = 2 ю sin ф — параметр Кориолиса, ю — частота вращения Земли, c = (gH)1/2, H = RT/g — высота однородной атмосферы, R — универсальная газовая постоянная, g — гравитационное ускорение, LR = NH/f — радиус деформации Россби для бароклинной атмосферы, N = (g(d0/dz)/0)1/2 — частота Брента-Вяй-сяля, 0 — потенциальная температура, z — высота, А — размерный коэффициент, зависящий, в частности, от широты (см. [2, 4]). Характерные размеры LO и Lr можно представить в виде: LO = (RT)l/2/f, LR = = R(ya — y)1/2Tl/2g-1/2f-1, где уа — сухоадиабатическое значение вертикального градиента температуры в тропосфере у. При этом соотношение LO/LR = = (gH)1/2N-1 не зависит от параметра Кориолиса и связано со статической устойчивостью атмосферы (параметр статической устойчивости а2 = = R(ya — Y)g-1 = (LR/LO)2). Далее при оценках для
Таблица 1. Оценки параметра чувствительности (1/М)(йМ/йТ), К-1 для средних широт (40°—60°) СП по данным реанализа и на основе ММПХ-модели для сухой атмосферы и с учетом влажности
(1/N)(dN/dT), 1/К
Широты СП, град По данным реанализа ММПХ -модель
(1948—2007 гг.) сухая атмосфера с учетом влажности
40—60 —0.021(±0.013) —0.037 —0.017
Т использовались значения приповерхностной температуры.
Интегрально для полушария выражение (1) можно представить в виде
-3/2 т
N =
( т)
_ер
а
(2)
где Тер — перепад приповерхностной температуры между экватором и полюсом, штрихом отмечены нормированные (на соответствующие значения для современного режима) величины. Чувствительность количества внетропических циклонов N к изменению приповерхностной температуры Т для СП в целом можно оценить согласно (2) следующим образом:
1йМ
3 (-йТ^йТ) 1 й(Уе - У)/йТ
2 Т Т 2 (Уе - у) или в случае сухой (безоблачной) атмосферы 1 йМ „ — 3 (-йТер/йТ) 1 й(уа - у ) /йТ
ИйТ 2 Т
Т
2 (Уа - У)
(3)
(За)
При этом параметры чувствительности N к изменению Т, у и Тер для полушария в целом в (3) имеют вид:
1йМ
ИйТ~~
1йМ
N йу =
"2 Т,
1 1
2 (Те - У)'
1йМ ~ _!_
МйТер - Тер'
(4)
(5)
(6)
Здесь уе = уа — (уа — ува)5, ува — влажно-адиабатический градиент, 5 — доля объема тропосферы, занятая облачностью (в простейшем случае вклад облачности учитывается долей небосвода, покрытого облаками п) в ММПХ-модели. При 5 = 0 в сухой атмосфере с уе = уа и Ьк/Ь0 = Я(уа — у)^ выражение (5) принимает вид
1йМ, 1 1
Мйу 2 (уа - у)
(5а)
Эмпирич
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.