CC BY
140
О. С. Литвинова, Н.В. Гуляева
АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ИЗБЫТОЧНО ВЛАЖНЫХ И СУХИХ ПЕРИОДОВ
ОБЬ-ИРТЫШСКОГО МЕЖДУРЕЧЬЯ
Проанализирована связь между аномалиями сумм осадков за год, теплый и холодные периоды в Обь-Иртышском междуречье и формами атмосферной циркуляции Вангенгейма-Гирса и североатлантическим колебанием (1кло) в ХХ - начале XXI в. Начиная с 80-х гг. прошлого столетия наблюдается незначительное уменьшение годового количества атмосферных осадков за счет уменьшения осадков в теплый период на фоне роста повторяемости форм циркуляции W и С. Корреляция между аномалиями осадков и 1кло наблюдается лишь в отдельные месяцы.
Ключевые слова: климат; атмосферная циркуляция; осадки.
Внимание ученых всего мира привлекает растущая повторяемость аномальных природных явлений, в том числе климатических: засух, избыточно влажных периодов, наводнений и др. Изменчивость средних и аномальных величин связана с особенностями атмосферной циркуляции, физико-географическими особенностями и временем года.
Эти факторы, действуя в тесной взаимосвязи, определяют особенности распределения осадков в пространстве и во времени, как в течение года, так и от года к году.
Одним из основных факторов колебания сумм атмосферных осадков является атмосферная циркуляция. В связи с этим была использована типизация атмосферных процессов Вангенгейма-Гирса [1], в которой все многообразие атмосферных процессов в первом естественном синоптическом районе (45° з.д. - 95° в.д.) северного полушария объединено в три формы циркуляции: западную ^), восточную (Е), меридиональную (С). Процессы западной формы циркуляции отличаются наличием в тропосфере волн малой амплитуды и смещением барических образований с запада на восток. При развитии процессов восточной и меридиональной форм циркуляции в тропосфере образуются стационарные волны большой амплитуды, в результате наблюдается развитие меридиональных составляющих циркуляции.
Кроме того, использовался индекс зональной циркуляции Е.Н. Блиновой (1Б), представляющий собой осредненную для определенной широты скорость гео-строфического ветра:
и(ф) = ХасоБ ф, где Х - угловая скорость вращения атмосферы, а - радиус Земли; ф - широта. В периоды ускорения вращения Земли аномально развитыми являются зональные процессы, в периоды замедления - меридиональные [2].
В последнее время все большее внимание уделяется вопросу изменчивости тропосферной циркуляции и влияния переноса над Северной Атлантикой на климатические характеристики.
Понятие «североатлантическое колебание» подразумевает изменения поля давления и, как следствие, интенсивности зонального переноса над внетропиче-ской зоной Северной Атлантики, его количественное выражение - индекс (^Ло) - определяется как разность нормированных на стандартное отклонение аномалий приземного давления между Исландией (Рейкьявик или Стиккисхоульмюр) и Азорскими островами (Понта-Дельгада) либо югом Пиренейского полуострова (Гибралтар или Лиссабон) [3. С. 676-679].
Исследования североатлантического колебания и его вклада в климатическую изменчивость приводят к выводу о его первостепенной роли как механизма атмосферной циркуляции Северного полушария. Однако, как правило, изучение вклада NAO в изменчивость климатических параметров ограничивается зимним сезоном, когда их корреляция с INAO наиболее велика [4. С. 63].
Основные задачи исследования: на основе составленного каталога аномально влажных и сухих периодов (годовых, теплого и холодного периодов) исследовать их повторяемость с 1936 по 2006 г.; определить роль атмосферных процессов форм W, Е, С, индекса циркуляции Е.Н. Блиновой в формировании избыточно влажных и сухих периодов; выявить влияние североатлантического колебания INAO >0 и INAO <0 на циркуляцию и формирование избыточно влажных и сухих периодов Обь-Иртышского междуречья.
Исходные данные и методика анализа
Для выявления аномально влажных и сухих периодов использованы длиннорядные данные многолетних наблюдений 17 метеорологических станций ЗападноСибирского УГМС за 1936-2006 гг., расположенных в ландшафтных зонах южной тайги, лесостепи и степи (табл. 1).
Суммы осадков за период с 1936 по 1966 гг. откорректированы по единой методике, т.е. приведены к показаниям осадкомера и исправлены поправкой на смачивание.
Год (и периоды года - теплый, холодный) относился к избыточно влажному, если сумма осадков превышала 120% средней многолетней нормы (X О > 120%), и к сухому, если сумма осадков составляла 80% и меньше средней многолетней нормы (X О < 80%). Аномалии осадков рассчитывались по отношению к средней многолетней норме вычисленной за весь исследуемый период (1936-2006 гг.).
Исследование повторяемости форм циркуляции W, Е, С над рассматриваемой территорией проводилось за период 1936-2006 гг.; индекса циркуляции Е.Н. Блиновой - за период 1949-2006 гг. по сезонам года и отдельно по месяцам. С помощью линейных и кусочно-линейных трендов выявлялись тенденции изменчивости осадков, индекса и форм циркуляции за рассматриваемые периоды и в последнее двадцатилетие (рис. 1).
В ходе работы использованы среднемесячные данные INAO Климатического прогностического центра США за период 1950-2006 гг.
Повторяемость влажных (£ О > 120%) и сухих (£ < 80%) периодов в ландшафтных зонах* Обь-Иртышского междуречья в 1936-2006 гг.
Год
Ландшафтная зона О > 120% 81 > О <119% < 80%
Число случаев % Число случаев % Число случаев %
Южная тайга 6 6 61 87 4 7
Лесостепь 10 8 54 85 7 7
Степь 5 8 53 74 13 18
Теплый период (апрель - октябрь)
Южная тайга 10 13 54 76 7 11
Лесостепь 10 13 48 72 13 15
Степь 12 15 45 65 14 20
Холодный период (ноябрь - март)
Южная тайга 11 11 48 72 12 17
Лесостепь 16 24 36 49 19 27
Степь 19 27 34 49 18 24
* Ландшафтные зоны и пункты наблюдений: Южная тайга (Средний Васюган, Новый Васюган, Пудино, Парабель, Кыштовка, Северное); Лесостепь (Барабинск, Каргат, Венгерово, Здвинск, Чулым, Ужаниха, Кочки); Степь (Краснозерское, Карасук, Кочки, Родино).
W
Е 180-1 140 -
140 -, 80
и(у)
О, мм
1 80
600 1 160 - Ц
=^м-м* ;00:уЛ^п
160
У^’А'Уіа
Рис. 1. Многолетние колебания атмосферных осадков, индекса и форм циркуляции W, Е, С (дни): 1 - год; 2 - теплый период; 3 - холодный период; А - южная тайга; Б - лесостепь; В - степь;. временной ход,----------кусочно-линейные тренды
1
2
3
20
20
80
60
20
0
45 0
50
35 0
25
30
250
200
Б
20
0
В
Повторяемость избыточно влажных и сухих периодов
Территория Обь-Иртышского междуречья характеризуется значительной изменчивостью климатических элементов. Годовые суммы осадков изменяются в пределах Обь-Иртышского междуречья от 580 мм в тайге до 380-310 мм в лесостепи и степи. В их распределении проявляется одна из общегеографических закономерностей - зональность. Наряду с зональностью в пространственной структуре отмечается провинциальность: годовая сумма осадков увеличивается с запада на восток - северо-восток от 340 до 420 мм.
Для региона характерен континентальный тип годового хода осадков, максимум приходится на теплый период, когда выпадает в среднем 75-80% годовой суммы осадков. В теплый период максимум приходится на летние месяцы. Максимальное количество осадков выпадает в июле (40-80 мм), за июнь-август выпадает 46-50% годовой нормы. Наименьшее в году количество осадков выпадает в феврале и марте. Осенью осадков выпадает больше, чем весной.
Повторяемость аномалий увлажнения свидетельствует о том, что дефицит осадков отмечается как в теплый, так и холодный периоды года. В целом наибольшая повторяемость аномальных периодов увлажнения характерна для лесостепной зоны (см. табл. 1). Причем дефицит осадков здесь чаще наблюдается в холодный период года (25-27%). Особенно сухо было в 1942, 1943, 1950, 1951, 1952, 1954, 1955, 1967 гг., когда сумма осадков была ниже средней многолетней нормы на 50%.
В последнее десятилетие XX в. и в начале XXI в. чаще отмечались влажные холодные периоды: 1990, 1994, 1997, 2001, 2002 гг. Особенно много осадков выпало в холодный период 2002 г. (180% нормы, северная лесостепь).
В теплый период чаще аномалии сумм осадков повторяются в южной лесостепи (20%). В большинстве случаев сумма выпавших осадков составляла 121-134% и только в 1946 г. - 153%, что на 2,5 раза больше средней многолетней нормы. В целом за год сумма осадков за рассматриваемый период (71 год) в ландшафтных зонах изменилась незначительно, при общей тенденции к снижению в лесостепной зоне и увеличению в южной тайге и степи.
Таким образом, для всех ландшафтных зон характерна значительная изменчивость осадков. Наибольшей повторяемостью избыточно влажных и сухих периодов отличается лесостепь. Чаще отрицательные аномалии сумм осадков наблюдаются в холодный период. Начиная с 1980-х гг., во всех ландшафтных зонах наблюдается уменьшение годового количества осадков, за исключением южной тайги, где прослеживается тенденция к снижению, но пока происходит на фоне положительной аномалии. Снижение годовой суммы осадков происходит за счет уменьшения осадков в теплый период, в то время как в холодный период отмечается тенденция к увеличению осадков.
Макроциркуляционные условия влажных и сухих периодов
Для Обь-Иртышского региона установлено, что при процессах формы Е развивается циклоническое барическое поле и формируется область избытка осадков.
В период активизации процессов формы С над рассматриваемой территорией формируется антицикло-нальное барическое поле.
Во время развития процессов формы W в холодный период отмечаются положительные аномалии осадков. В теплое время года циклонические процессы при форме W также характерны, но циклоны смещаются севернее рассматриваемого региона.
В период 1980-2006 гг. уменьшение годового количества осадков отмечается на фоне роста повторяемости форм циркуляции W и С и снижения формы Е (см. рис. 1).
В работе проведен корреляционный анализ между формами циркуляции Вангенгейма-Гирса, аномалиями осадков при INAO > 0 и INAO < 0 по месяцам для севера (южная тайга) и юга (степь) рассматриваемой территории. Распределение коэффициентов корреляции между аномалиями осадков при INAO > 0 и INAO < 0 и развитии разных форм циркуляции в ландшафтных зонах междуречья Оби и Иртыша значительно меняются от месяца к месяцу. Значимые коэффициенты корреляции между аномалиями осадков и индексом NAO выявлены лишь в отдельные месяцы, тем не менее вклад этих месяцев в климатический режим может быть существенным (табл. 2).
При INAO > 0 аномально влажные периоды в южной тайге формируются в теплый период (июнь, июль, сентябрь) при развитии атмосферных процессов форм W и Е (R = 0,32-0,40), в степи (июнь) - формы Е (R = 0,47). Аномально сухие периоды формируются на рассматриваемой территории при развитии формы С (R = 0,310,49). Аномально влажные периоды в южной тайге в холодный период года (ноябрь) формируются при активизации атмосферных процессов формы W(R = 0,53), в степи (ноябрь, декабрь) - форм W и С (R = 0,43-0,44), сухие - при развитии процессов формы Е (R = 0,43). В целом при INAO > 0 наиболее тесная связь аномалии осадков с числом дней развития атмосферных процессов форм W и Е, и I получена для декабря-февраля (XII-II) в южной тайге. Значения /-статистик составили 1.21-3.11 при достоверности 1.5. При использовании индекса циркуляции Блиновой значения /статистики возрастает до 3,04-3,3, что подтверждает их репрезентативность.
При INAO < 0 избыток осадков в холодный период года в южной тайге (ноябрь-март) и в степи (январь-март) отмечается при развитии атмосферных процессов форм W и С (R = 0,34-0,55), дефицит осадков - при развитии формы Е (R = 0,34-0,49). В теплый период года наиболее тесные связи между аномалией осадков и атмосферной формой циркуляции Е получены для степи, коэффициент множественной корреляции достигает 0,44.
Для южной тайги и степи значения /-статистик в анализируемые месяцы для показателей атмосферных форм циркуляции составляют 1,5-3,3, что подтверждает их репрезентативность.
В остальные месяцы на рассматриваемой территории региона, как в теплый, так и в холодный периоды коэффициенты парной и множественной корреляции слабые, что свидетельствует о более сложной природе атмосферных процессов, влияющих на формирование аномально влажных периодов.
Множественная и парная корреляция аномалии осадков при 1^ао > 0 и 1^ао < 0 по месяцам
ІКАО > 0
Ландшафтная зона Месяц, сезон Число лет Число случаев аномально влажных периодов/ форма циркуляции (п) г Я ^статистика Формула
10> 120% 10< 80% \У Е С ІКАО О(у) \У Е С ІКАО О(у)
Южная тайга июнь 25 8/ \У(4) 7/ С (4) 0,31 - 0,04 - 0,33 1,57 - - - Х= 1,92\У+105,87
-0,30 0,31 -1,44 - Х =-1,940+117,74
июль 31 5/ Е(4) 9 - 0,38 - - 0,13 0,45 - 2,40 - - 1,36 X = 2,18Е-57,00
сентябрь 29 6/Е(5) 10/0(5) - 0,39 -0,47 - - 0,40 - 2,15 - - Х= 1,9Е+55,21
0,49 -2,76 X = -3,31С+147,39
ноябрь 23 6/ \У(3) 7 0,39 - -0,24 0,46 0,70 1,47 - -2,94 2,78 X = 1,24\У-19,69 1ЫАО+ 4,14и(у)-95,41
-0,38 0,71 -1,66 -2,78 3,36 X = -1,11Е-18,29 1ЫАО+ 4,60и(у)-91,20
зима 30 10/\У(8) 3/Е(3) 0,39 - - 0,53 0,62 1,21 - -1,69 3,04 X = 0,34\У + 3,73И(уМ8,94
-0,42 0,63 -1,48 -1,36 3,11 X = -0,29Е + 3,69Й(у)-27,31
холодный период 30 7/\У(5) 2 0,44 - - 0,25 0,52 2,6 - - 1,5 X = 0,49\У+ 2,07и(у)-1,79
-0,45 0,53 -2,68 - - 1,67 X = -0,35\У+ 2,27и(у)+37,65
лето 28 4 7/Е (6) 0,36 - - 0,38 0,28 0,52 1,62 - - 2,11 0,33 X = 0,74\У+21,22 1ЫАО+ 46,28
Степь июнь 25 5/Е(3) 11/0(8) - 0,46 - - 0,50 - 2,59 - - X = 4,5Е-62,5
-0,49 0,49 -2,52 X = -6,02С+155,97
ноябрь 23 9/ \У(5) 9 0,44 - - - 0,61 0,65 1,06 - - - 2,73 X = 6,99и(у)-241,49
декабрь 32 9/С(4) 11/Е(5) - -0,34 -0,24 0,21 0,47 - -1,59 -1,88 1,20 X = -1,54Е+30,78
0,40 0,48 1,61 Х= 2,63С-5,06
ГОД 25 3 3 - - -0,34 -0,22 - 0,45 - - -1,9 -1,4 - X = -0,35С-29,38 1КАО+ 97,60
1ыао < 0
Южная танга январь 24 8/С (6) 8 - - 0,34 - 0,41 0,53 - - 1,54 - 2,11 X = 1,750+ 2,98и(у)-23,83
февраль 25 4АУ(2) 8/Е (6) 0,56 - - - 0,45 0,58 2,0 - - - - Х=2,61\У+ 54,34
март 29 8 7/Е (7) 0,35 - -0,22 0,28 0,50 1,56 - -1,88 1,16 Х= 1,96\У-17,65 1ЫАО+ 1,68й(у)+16,36
-0,44 0,53 -1,96 -1,56 1,21 X = -1,86Е-14,36 1ЫАО+ 1,6бй(у)+63,15
октябрь 28 7 5 - - - 0,45 0,53 0,58 - - - 1,36 2,22 X = 11,92 1ЫАО+ 4,14й(у)-72,54
ноябрь 33 11/0(7) 10/Е(7) - -0,52 - - 0,52 - -3,14 - - X = -2,10Е+107,38
0,41 0,42 2,30 X = 2,440 +49,24
декабрь 24 7/ ЩЗ) 5/ Е(3) 0,44 - -0,30 0,20 0,60 2,57 - -2,2 - X = 3,2\У-25,5 1ЫАО+ 29,87
-0,38 0,49 -1,61 -1,3 - X = -1,6Е-16,23 1ыдо+54,81
теплый период 29 4 7 - - 0,25 - - 0,38 - - 1,86 - - Х= 0,420+ 13,39
весна 26 3 3 -0,21 - - -0,16 - 0,35 -1,52 - - -1,36 0,86 X = 0,45\У+62,78
Степь январь 24 8/0(6) 9 - - 0,33 - 0,38 0,55 - - 1,55 -1,48 2,27 X = 2,61С +4,72и(у)-112,35
февраль 25 11АУ(5) 11 0,51 - - - 0,44 0,55 1,52 - - - - Х = 4,28\У+ 29,79
март 29 9/ С(5) 13/ Е(9) - -0,54 - 0,38 0,59 - -2,61 - 1,43 X = -3,22Е + 2,52и(у)+56,99
0,41 0,57 2,4 2,45 X = 3,440 +4,091Ху)-76,34
май 31 10/Е(8) 11 - 0,37 - 0,24 - 0,44 - 1,94 - 1,36 - X = 2,0Е+20,74 1ЫАО+ 104,29
октябрь 28 7 5 -0,35 - 0,42 0,40 0,59 -2,08 - - - 1,80 X = -2,66\У+5,18и(у)-85,29
декабрь 24 8АУ(4) 6/Е(4) 0,36 - -0,33 - 0,56 2,40 - -2,19 - X = 4,3\У-35,99 1ЫАО+ 69,02
-0,37 0,46 -1,56 - - X =-2,16Е+ 103,22
зима 26 7/ С(5) 5 -0,44 - -0,39 - 0,49 -1,60 - -1,10 - X = -1,07\У+ 117,32
0,24 0,47 1,3 -2,02 X = 0,710-31,07 1ЫАО+ 49,95
весна 26 6 /Е(5) 7 - - - -0,23 0,31 0,55 - - - -2,22 2,52 X = -55,77 1ЫАО+ 5,27и(у)-86,28
осень 28 5 6АУ(5) -0,38 - - 0,23 - 0,50 -2,53 - - 1,54 - X = -1,44\У+20,46 1ЫАО+ 92,49
теплый период 29 5/ С(3) 6 - - 0,20 - 0,39 0,50 - - 1,7 - 2,62 X = 0,420+ 5,88й(у)-124,04
В ландшафтных зонах междуречья Оби и Иртыша наибольшая повторяемость аномальных периодов увлажнения характерна для лесостепной зоны.
В период 1980-2006 гг. уменьшение годового количества осадков отмечается на фоне роста годовой повторяемости форм циркуляции W и С, и снижения -формы Е.
Наиболее тесная связь формирования аномально влажных холодных периодов на рассматриваемой территории отмечается при 1МА0 < 0, при развитии атмосфер-
ных процессов форм W и С, сухих холодных периодов -формы Е. При 1МА0 > 0 наиболее тесные связи отмечаются при формировании аномально влажных теплых периодов в южной тайге - при развитии атмосферных процессов форм W и Е, в степи - формы Е. Сухие теплые периоды на рассматриваемой территории отмечаются при 1МА0 > 0 при развитии атмосферных процессов формы С.
Авторы статьи выражают благодарность Г.М. Виноградовой за предоставленные данные об индексе циркуляции Е.Н. Блиновой.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГирсА.А. Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 280 с.
2. Блинова Е.Н. К теории годового хода незональной циркуляции атмосферы // Труды ИФА. 1958. № 2. С. 5-22.
3. Hurrell J.W. Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: Régional temperatures and précipitation // Sciens. 1995. Vol. 269. Р. 676-679.
4. Попова В.В., Шмакин А.Б. Влияние североатлантического колебания на многолетний гидротермический режим Северной Евразии: Стати-
стический анализ данных наблюдений // Метеорология и гидрология. 2003. № 5. С. 62-74.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 29 сентября 2009 г.
