ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2010, том 46, № 5, с. 620-637
УДК 551.515
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВНЕТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ
© 2010 г. М. Г. Акперов, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: aseid@ifaran.ru Поступила в редакцию 14.01.2010 г., после доработки 10.03.2010 г.
Проведено сравнение трех методов идентификации циклонов внетропических широт Северного полушария (20°—80° N) по данным реанализа (1948—2007 гг.) для полей приповерхностного атмосферного давления. Анализировались различные характеристики внетропических циклонов: их количество, интенсивность, размер и время жизни. Сделаны оценки влияния орографических эффектов при идентификации циклонов и их траекторий. Сопоставлены характеристики внетропических циклонов при использовании разных данных реанализа (NCEP/NCAR, ERA-40, ERA-INTERIM) с различным пространственным разрешением.
Ключевые слова: циклоны, реанализ, модель, климат, циклоническая активность.
1. ВВЕДЕНИЕ
Внетропические циклоны и антициклоны играют важную роль в общей циркуляции атмосферы, в формировании региональных погодных и климатических режимов. С циклонами связаны пониженное давление, облачность, осадки, изменения ветра и температуры. Изменение режима циклонической активности в атмосфере, смещение характерных путей циклонов и их интенсивности приводит к усиленным осадкам в одних регионах и иссушению других. С наиболее интенсивными циклонами связаны ливневые осадки (или сильные снегопады зимой) и наводнения.
При глобальных изменениях климата изменяются и режимы циклонической активности в атмосфере [1]. Первые оценки тенденций изменений активности внетропических циклонов в атмосфере при глобальных изменениях климата, в том числе связанных с парниковым потеплением, по данным и модельным расчетам были сделаны (судя по доступным работам) в [2—4]. Позднее были получены модельные оценки в [5] (см. также [6]). Результаты разных исследований количественно различаются [7, 8]. При этом различаются методы идентификации циклонической активности, используемые данные, их разрешение и анализируемые периоды [9—21].
В данной работе проводится сравнение характеристик внетропических циклонов Северного полушария (СП), полученных с использованием различных методов их идентификации и на основе разных данных реанализа (NCEP/NCAR, ERA-40, ERA-INTERIM) для одних и тех же временных рядов.
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
В табл. 1 представлены данные, использовавшиеся для определения характеристик внетропических циклонов (20°—80° N СП.
2.1. ]ЧСЕР/]ЧСАК реанализ
Данные реанализа МСЕР/ЫСАЯ [22, 23] получены с использованием спектральной модели прогноза погоды Национального центра предсказания окружающей среды (МСЕР). Модель характеризуется спектральным разрешением Т62 с 28 уровнями в атмосфере по вертикали. Усвоение данных в модели при этом производилось при помощи трехмерного вариационного анализа (Зё-уаг) [24]. В данной работе использовались данные с января 1948 г. по июнь 2009 г. с широтно-долготным разрешением 2.5° х 2.5° и 6-часовым шагом по времени.
2.2. ЕИА-40 реанализ
Для получения данных реанализа ЕЯА-40 [25] использовалась спектральная модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕСМ^Г). Модель характеризуется спектральным разрешением Т159 с 60 уровнями в атмосфере по вертикали. Усвоение данных наблюдений также производилось при помощи трехмерного вариационного анализа [26]. Анализировались данные для периода с сентября 1957 г. по август 2002 г. с широтно-долгот-ным разрешением 2.5° х 2.5° и 6-часовым шагом по времени.
Таблица 1. Характеристики используемых данных
Данные реанализа Период Временное разрешение (часы) Пространственное разрешение
NCEP/NCAR 01/1948-06/2009 6 2.5° х 2.5°
ERA-40 09/1957-08/2002 6 2.5° х 2.5°
ERA-INTERIM 01/1989-04/2009 6 1.5° х 1.5°
2.3. ERA-INTERIM реанализ
Данные ERA-INTERIM реанализа [27] получены с использованием спектральной модели прогноза погоды ECMWF с более высоким горизонтальным пространственным разрешением, чем при получении данных реанализа ERA-40. Модель характеризуется спектральным разрешением T255 с 60 уровнями в атмосфере по вертикали. Данные усваиваются при помощи четырехмерного вариационного анализа (4d-var) с использованием данных оперативного анализа ECMWF Анализировались данные с января 1989 г по апрель 2009 г с широтно-долготным разрешением 1.5° х 1.5° и 6-часовым шагом по времени.
3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА
В данной работе сопоставляются три различных метода идентификации циклонов с использованием данных реанализа для полей приповерхностного атмосферного давления.
3.1. Метод I
Метод, разработанный в Институте глобального климата и экологии Росгидромета и РАН [9], далее метод I, как и большинство методов, основан на стандартном выделении циклона как области пониженного давления, ограниченной замкнутыми изобарами (изогипсами при использовании данных для геопотенциала). Достаточно подробное описание алгоритма выделения синоптических вихрей можно найти в [9—12].
В данной работе использовалась модифицированная версия метода I по сравнению с [9], в частности, была изменена дискретность шага при определении замкнутых изобар, добавлены условия для траекторного анализа. При временной дискретности данных в 6 часов в единую траекторию объединялись два ближайших циклонических центра, если максимальное расстояние между центрами в последовательные моменты времени не превышало 800 км и изменение давления в центре при этом не должно превышать 20 гПа.
3.2. Метод II
Алгоритм идентификации циклонов и их траекторий, разработанный в Институте океанологии РАН (метод II), описан в [13]. При этом рассматрива-
ются лишь те циклоны, значения давления в центре которых не более 1015 гПа и время жизни не менее 24 ч. В траекторию объединялись два ближайших циклона в последовательные моменты времени с расстоянием между их центрами не более 10° при временном шаге 6 часов.
3.3. Метод III
Метод III, разработанный в Климатическом диагностическом центре NOAA-CIRES, описан в [14, 15]. Каждый циклон идентифицируется как область пониженного давления с замкнутыми изобарами с шагом 1 гПа. Траектории определялись при условии, что максимальное расстояние, на которое может переместиться циклон за 6 часов (шаг по времени) не может превышать 800 км (при максимальной скорости циклона 133 км/ч) и изменение давления в центре при этом не должно превышать 20 гПа.
4. СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЦИКЛОНОВ
В данной работе проводилось сравнение внетро-пических циклонов со временем жизни не менее суток и давлением в центре циклона не более 1015 гПа.
4.1. Средние режимы характеристик внетропических циклонов СП и их межгодовая изменчивость
На рис. 1 представлены межгодовые вариации общего количества внетропических циклонов СП N за год, нормированные на среднее значение (N) для периода 1948-2007 гг., по данным NCEP/NCAR реанализа над Атлантическим (а) и Тихим (б) океанами и в целом для СП (в) с использованием различных методов (I, II, III) идентификации циклонов. В табл. 2 приведено количество внетропических циклонов в среднем за год (№) для периода 1948-2007 гг, а также для зимнего и летнего сезонов. Приведены также соответствующие среднеквадратические отклонения (СКО) количества циклонов в межгодовой изменчивости.
Согласно табл. 2, общее количество внетропиче-ских циклонов СП в среднем за год хорошо согласуется (в пределах СКО) с использованием методов I и II — (й) около 2400 циклонов в среднем для периода 1948—2007 гг. Хорошо согласуются и соответствующие среднеквадратические межгодовые отклоне-
(а)
Атлантический океан (год)
§
§
§
1950
1960
1970
Годы
1980
1990
2000
Рис. 1. Межгодовые вариации общего количества внетропических циклонов СП N за год, нормированные на среднее значение (N) для периода 1948—2007 гг., по данным NCEP/NCAR реанализа над Атлантическим (а) и Тихим (б) океанами и в целом для СП (в) с использованием различных методов (I, II, III) идентификации циклонов.
ния SN — около 60 (различия менее 9%). Существенно меньше внетропических циклонов в СП детектируется в среднем за год методом III ((N) =
= 1616) и межгодовая изменчивость при этом также существенно меньше (8^ = 43). Количество циклонов в целом за год на основе метода I только на 2%
Таблица 2. Среднее количество внетропических циклонов СП в году и для различных регионов и сезонов по данным NCEP/NCAR реанализа для периода 1948—2007 гг., определенное с использованием разных методов
Период Метод Тихий океан Атлантический океан СП
Зима I 171 (±12) 193(±13) 581 (±25)
II 161 (±15) 284(±17) 495 (±23)
III 104(±10) 141 (±10) 357 (±20)
Лето I 253 (±14) 257(±17) 616 (±26)
II 289 (±20) 350 (±19) 749 (±36)
III 185(±12) 186 (±13) 451 (±19)
Год I 713(±27) 1027 (±36) 2392 (±61)
II 856 (±37) 1265 (±42) 2445 (±68)
III 484(±22) 750 (±22) 1616 (±43)
Примечание. В скобках приведены среднеквадратические отклонения в межгодовой изменчивости.
меньше, чем на основе метода II и на 32% больше, чем на основе метода III. Следует отметить, что относительная изменчивость, характеризуемая величиной SN/(N), при использовании всех трех методов получена близкой 0.026 для метода I, 0.028 для метода II и 0.027 для метода III.
Сравнение для различных сезонов выявило общее, при использовании всех трех методов, превышение числа летних внетропических циклонов СП над зимними в среднем для 60-летнего периода (1948—2007 гг.). При этом для межсезонных вариаций отмечены существенные количественные отличия результатов использования разных методов детектирования внетропических циклонов, в том числе и методов I и II, для которых в целом за год результаты близки. Количество циклонов, выделяемых методом III, во всех случаях существенно меньше, чем определяется другими двумя методами.
Зимой наибольшее количество циклонов выявляется методом I. На основе метода I определяется на 15% больше циклонов, чем на основе метода II и на 38% больше, чем на основе метода III. Летом на основе метода I выявляется на 18% меньше циклонов, чем с помощью метод
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.