CC BY
27Исследование влияния вулканических извержений на циркуляционные процессы во внетропических широтах
северного полушария
М.М. Чернавская, Е.А. Черенкова ([email protected])
Институт географии РАН
Введение. Влияние вулканических извержений на метеорологические процессы в глобальном масштабе несомненно. В результате вулканических извержений в атмосферу попадают продукты эмиссии, из которых наиболее значимыми для атмосферного аэрозоля являются частички пепла и газообразная сера. Основная часть попавших в атмосферу частиц выпадает в окрестностях вулкана, иногда на удалении в сотни и даже более тысячи километров. Другая, меньшая часть, переносится в тропосфере на большие расстояния в соответствии с общими законами атмосферной циркуляции. Наконец, третья, наименьшая часть, попадает в стратосферу и стратосферными ветрами разносится над поверхностью земли. Время "жизни" таких частичек в стратосфере колеблется в пределах 1-2 месяцев [1].
Обобщение результатов исследований воздействия вулканического аэрозоля на процессы, происходящие в атмосфере - на прозрачность атмосферы, ослабление прямой солнечной радиации и увеличение рассеянной и, как следствие, изменение приземной температуры воздуха приведено в ряде работ [2, 3, 4, 5]. Извержение вулкана Тамбора в апреле 1815 года привело к существенному понижению температуры в Северном полушарии и формированию «года без лета» в 1816 году в Исландии, на восточном побережье Северной Америки и других местах [6].Важная роль вулканической деятельности в формировании крупномасштабных по времени изменений климата подтверждена результатами экспериментов на моделях энергетического баланса [1]. Было показано, что возникновение малого ледникового периода и средневекового потепления согласуется, в том числе с изменчивостью вулканической деятельности. Локальные и сезонные проявления воздействия вулканических извержений в поле температуры определяются изменениями в циркуляции атмосферы. Настоящая работа посвящена выявлению связи между характеристиками вулканических извержений и циркуляционными процессами в умеренных широтах Северного полушария.
Методика. Исследование влияния вулканических извержений на циркуляционные процессы проводилось на основе данных относящихся к периоду 1899 - 2003 гг. Был составлен временной ряд извержений вулканов Северного полушария, описание интенсивности извержений которых, высота пеплового столба и объем выбросов соответствовали величине индекса интенсивности извержений VEI (Volcanic Explosive Index) > 3. При такой интенсивности извержений пепловые выбросы достигают верхних слоев
тропосферы, в некоторых случаях стратосферы, накапливаются в этих слоях и оказывают влияние на процессы, происходящие в атмосфере. По системе международной классификации индексы УБ1 имеют следующие характеристики выбросов (таблица 1.).
Таблица 1. Вулканический эксплозивный индекс УБТ [по 7].
Вулканический эксплозивный индекс, УЕ1 Высота пеплового столба, м Объем выбросов, 3 м Частота извержений Пример извержений
0 <102 104 20-30 подобных извержений/год Килауэа, Гавайские острова
1 102-103 106 Одно извержение случается каждый день где-нибудь в мире Стромболи, Средиземноморье
2 1-5*103 107 2 извержения случается каждую неделю где-нибудь в мире Галерас, Колумбия, 1992
3 3-15*103 108 3 извержения за год Руис, Колумбия, 1985
4 10-25*103 109 Одно извержение в год Галунгунг, Индонензия, 1982
5 >25*103 1010 Одно извержение каждые 10 лет Сент-Хеленс, Северная Америка, 1981
6 >25*103 1011 Одно извержение каждые 100 лет Кракатау, Индонезия, 1883
7 >25*103 1012 Одно извержение каждые 1000 лет Тамбора, Индонезия, 1815
8 >25*103 1013 Одно извержение в миллион лет Йеллоустоун, Северная Америка
При формировании ряда извержений использовалась информация отечественных и зарубежных Интернет-сайтов [7, 8, 9], а также данные, приводимые в монографиях [5, 10] и в каталоге извержений [11]. Исследуемый ряд включил 365 извержений. Следуя [5] пепловые извержения были сгруппированы по широтам: извержения в низких широтах (< 20° с.ш.), в средних широтах (20-45° град. с.ш.) и в высоких широтах (> 45° с.ш.). Вулканы низких широт (178 извержений) - это наиболее активная и мощная по своей разрушительности группа вулканов (Индонезийско-Филиппинская, Центральноамериканская и островная группы). Высота многих представителей этой группы превышает 5000 метров над уровнем моря. В
группу вулканов высоких широт входят вулканы Исландии, Аляски, Камчатки, Курильских островов (152 извержения). По высоте они уступают вулканам низких широт, но также активны. Средние широты представлены средиземноморскими и японскими вулканами (35 извержений). Усредненные значения индекса VEI для этих трех групп вулканов различаются незначительно и составляют 3,0-3,3.
Для характеристики вулканических извержений были использованы следующие данные: количество извержений (за месяц, год); просуммированная за месяц и год величина вулканического эксплозивного индекса (VEI,); данные NASA [9] по оптическим характеристикам атмосферы (величина обратного интегрированного рассеяния, полученная с помощью лидаров в Северном полушарии).
Циркуляционные условия и их изменчивость анализировались на основе ряда индекса североатлантического колебания (NAO), а также рядов продолжительности действия групп элементарных циркуляционных механизмов (ЭЦМ). Индекс NAO [12] представляет собой нормализованную разницу давления между метеорологическими станциями на Азорских островах и в Исландии. Согласно типизации макропроцессов во внетропических широтах Северного полушария, разработанной Б.Л.Дзердзеевским с соавторами [13] при выделении ЭЦМ учитываются число и направление северных вторжений и южных выносов воздушных масс в умеренные широты у поверхности земли, а также число высотных гребней и ложбин, деформирующих господствующий западный перенос в нижней тропосфере. Это определяет различия между широтными и меридиональными типами элементарных циркуляционных механизмов. На основе Календаря последовательной смены ЭЦМ за исследуемый период [14, 15], были получены данные по продолжительности действия (по месяцам и годам) групп циркуляции («зональная», «нарушение зональности», «меридиональная северная» и «меридиональная южная»), а также посчитана частота смен типов циркуляции (по месяцам и годам).
Проводился поиск коррелятивных связей между синхронными рядами характеристик вулканических выбросов (число извержений, VEI, обратное рассеяние) и рядами характеристик атмосферной циркуляции (число смен типов ЭЦМ, продолжительность действия групп ЭЦМ, индекс NAO). Учитывая то, что аэрозоль вулканического происхождения имеет тенденцию к накоплению и сохранению в атмосфере в течение нескольких месяцев, для выявления максимальных значений коррелятивных связей, ряды характеристик циркуляций, перечисленных выше, смещались относительно рядов характеристик вулканических извержений последовательно на 1, 2, 3 месяца. Для исключения влияния на тесноту коррелятивных связей характеристик извержений и характеристик циркуляции атмосферы, годового хода (присущего последним), отдельно проводился анализ корреляции временных рядов для летнего сезона.
Для выявления отклика вулканических извержений с большими выбросами пепла в изменении характеристик циркуляционных процессов
был применен также метод «наложенных эпох». Были отобраны случаи (годы) с извержениями в январе и рассматривался осредненный годовой ход характеристик циркуляции атмосферы до и после момента извержения на временном отрезке до ближайшего (по времени) извержения, но не более ± 18 месяцев. Таким образом, было выделено 15 периодов по данным ряда извержений, происходивших в широтном поясе > 45°с.ш. и столько же периодов по ряду извержений в широтном поясе < 20°с.ш.
Анализ результатов. Проведенное исследование синхронных временных рядов месячных значений характеристик вулканических извержений и циркуляции атмосферы показало, что продолжительность действия типов ЭЦМ с 1 по 2, относящихся к группе циркуляции «зональная», и продолжительность действия типов ЭЦМ с 3 по 7, относящихся к группе циркуляции «нарушение зональности», отрицательно коррелируют с VEI и количеством извержений. Коэффициенты корреляции (соответственно r = - 0,12 и r = - 0,16, при n > 1000) значимы на уровне значимости а = 0,001 [16]. Следовательно, чем больше вулканических пепловых извержений, тем меньше продолжительность действия типов ЭЦМ, характеризующихся двумя - тремя прорывами южных циклонов в умеренные широты и отсутствием, или единичным полярным вторжением (антициклональной блокировкой широтного переноса).
Следует заметить, что ряды VEI и количество извержений имеют между собой высокий уровень корреляции (r = 0,99), поэтому в дальнейшем достаточно проводить сопоставление только с одной из этих характеристик извержений, например с величиной VEI.
С увеличением VEI увеличивается частота смен разных типов ЭЦМ (r = 0,17, при n > 1000). Это подтверждается и результатами корреляции с величинами интегрированного обратного рассеяния. При увеличении величины интегрированного обратного рассеяния, что соответствует снижению величины VEI, частота смен циркуляционных типов уменьшается, т.е. продолжительность действия отдельных ЭЦМ увеличивается.
Слабая положительная корреляция значений индексов NAO наблюдается с величинами интегрированного обратного рассеяния (r = 0,12, при n = 335). Значимой корреляции индексов NAO и величины VEI для периода 1899 - 2000гг. не выявлено.
Поскольку максимальная концентрация аэрозоля в атмосфере достигается в течение одного-двух месяцев после извержения, был проведен корреляционный анализ рядов характеристик вулканических извержений и сдвинутых по отношению к ним на 1 - 3 месяца рядов характеристик циркуляции атмосферы. Оказалось, что при сдвиге на 2 месяца достигается максимум положительной корреляции (r = 0,23, при n > 1000) между VEI и частотой смен типов ЭЦМ (рис. 1). При смещении на 3 месяца коэффициент корреляции снижается до исходных значений. Для других характеристик циркуляции атмосферы усиление сигнала воздействия вулканического аэрозоля не происходит, поскольку этот сигнал видимо затушевывается ярко
выраженным годовым ходом, присущим этим циркуляционным характеристикам (рис. 2). Для частоты смен типов ЭЦМ годовой ход выражен слабо.
С целью исключения влияния годового хода на величину корреляционной связи характеристик вулканических извержений и циркуляционных процессов были проанализированы ряды годовых значений этих величин, а также отдельно ряды для летнего сезона. Как видно из приведенной таблицы 2 значимая корреляция отмечается для синхронных рядов VEI и групп циркуляции «зональная», «нарушение зональности», «меридиональная южная», а также для частоты смен ЭЦМ. Напротив, для группы циркуляции «меридиональная северная» такая корреляция отсутствует, а для индекса NAO она незначима. Сдвиг анализируемых рядов относительно друг друга на год и более лет понижает значения коэффициента корреляции для всех групп циркуляции. Это означает, что наибольшее воздействие на циркуляционные процессы вулканический аэрозоль оказывает в год извержения и в ближайшие за извержением месяцы.
Таблица 2. Корреляция между годовыми значениями УБ1 и характеристиками циркуляции атмосферы (* значимые величины коэффициента корреляции на уровне значимости а = 0.001, при п = 104)
Характеристика Группы циркуляции Частота Индекс
смещения смен ЭЦМ NAO
Зональная Нарушение Меридио- Меридио-
зональности нальная северная нальная южная
Общий ряд извержений для Северного полушария
Без смещения -0.34* -0.39* -0.02 0.41* 0.41* -0.20
Смещение на 1 -0.28 -0.37* 0.002 0.36* 0.37* -0.09
год
Смещение на 2 -0.29 -0.32* 0.03 0.30 0.32* -0.20
года
Смещение на 3 -0.23 -0.29 0.06 0.26 0.20 -0.09
года
Извержения в широтном поясе < 20°с.ш.
Без смещения -0.34* -0.40* -0.02 0.41* 0.37* -0.15
Смещение на 1 -0.32* -0.37* 0.04 0.35* 0.34* 0.01
год
Смещение на 2 -0.32* -0.33* 0.05 0.30 0.28 -0.03
года
Смещение на 3 -0.26 -0.32* -.07 0.27 0.16 -0.10
года
Извержения в широтном поясе > 45°с.ш.
Без смещения -0.21 -0.28 -0.06 0.32* 0.34* -0.16
Смещение на 1 -0.08 -0.25 -0.10 0.28 0.31 -0.16
год
Смещение на 2 -0.09 -0.19 -0.05 0.20 0.31 -0.20
года
Смещение на 3 -0.11 -0.15 -0.02 0.19 0.19 -0.06
года
Извержения, происходящие в широтном поясе южнее 20°с.ш., судя по значениям коэффициента корреляции, оказывают такое же воздействие на циркуляционные процессы, как и все извержения, происходящие в северном полушарии, что может свидетельствовать о значительном вкладе вулканов тропической и экваториальной зоны в формирование аэрозольного помутнения атмосферы (рис. 3).
Корреляция синхронных рядов для июня, а также со сдвигом на 1 и 2 месяца (т.е. индекс VEI за июнь, а характеристики циркуляционных процессов последовательно за июль и за август) показало, что знак корреляционных связей остается постоянным - положительным для частоты смен ЭЦМ и отрицательным для групп циркуляций «зональная», «нарушение зональности» (таблица 3). Однако значимая корреляция отмечается только для группы циркуляции «нарушение зональности» при корреляции синхронных рядов и со сдвигом в 1 месяц. Значимая корреляция VEI с NAO при сдвиге в один месяц объясняется, видимо, в большей степени особенностями годового хода от июня к июлю (см. рис. 2) индекса NAO, чем воздействием вулканических извержений.
Таблица 3. Корреляция между средними за июнь значениями УЕ1 и характеристиками циркуляции атмосферы (* значимые величины коэффициента корреляции на уровне значимости а = 0.05, при п = 102)
Характеристика смещения Группы циркуляции Частота смен ЭЦМ Индекс NAO
Зональная Нарушение зональности Меридиональная северная
Без смещения -0.08 -0.22* -0.02 -0.10 0.02
Смещение на 1 год -0.12 -0.20* 0.02 0.15 -0.21*
Смещение на 2 года -0.14 -0.15 -0.09 0.11 -0.04
Применение метода наложенных эпох позволило получить следующие результаты. Среднее значение VEI для ряда извержений в широтном поясе (ф> 45°с.ш.) составляло 4,1. Число случаев менялось от 1 до 15. После извержения в январе, в течение до 5 месяцев, происходило уменьшение индекса NAO с 0,8 до 0 и малых отрицательных значений.
Продолжительность действия группы типов «нарушение зональности» в следующем после извержения в январе месяце уменьшалось с 8,3 дней до 6,8 (на 18% от исходной величины), а в последующие два месяца увеличивалось до 7,6-7,7, что примерно равнялось значениям, наблюдавшимся в месяцы предшествующие извержениям - в ноябре и
декабре (7,4 дня). В январе, за год до начала извержения продолжительность действия этой группы циркуляции составляла 9,5 дня. Следует заметить, что характер динамики продолжительности действия группы циркуляции «нарушение зональности» в месяцы после января с извержением и без извержения - схожий.
В годовом ходе продолжительности действия группы циркуляции «меридиональная северная» наблюдается небольшой сбой, а именно уменьшение величины продолжительности в феврале, следующем за вулканическим извержением в январе. И затем некоторое увеличение в марте и апреле, по сравнению с монотонным возрастанием величины продолжительности действия этой группы циркуляции, начиная с января при отсутствии вулканического извержения.
Характер динамики в частоте смен ЭЦМ в месяцы, следующие за январем с извержением сходен с аналогичным с январем без извержения. Однако, заметно общее повышение абсолютного числа смен в среднем на 1,5-2 случая.
Среднее значение индекса VEI в январе с извержениями в широтном поясе < 20°с.ш. составило 3,4. Число случаев менялось от 2 до 15. Влияние извержений в январе на значения индекса NAO выражено слабо. Трудно выделить закономерность в сравнении с январем и последующими месяцами за год до и через год после извержения.
Продолжительность действия группы циркуляции «нарушение зональности» монотонно уменьшается после извержений в январе с 9,2 дней до 6,1 дня в апреле. Изменение этой величины после января при отсутствии извержений характеризуется небольшим увеличением продолжительности действия этой группы циркуляции в феврале и затем понижением.
Продолжительность действия группы циркуляции «меридиональная северная» уменьшается в феврале по сравнению с январем, когда произошло извержение, с 19,8 до 15,0 дней. В условиях невозмущенного вулканическими извержениями годового хода продолжительность действия группы циркуляции «меридиональная северная» после января и до марта -апреля наблюдается рост этой величины. Эта закономерность общая и для ряда извержений на широтах > 45°с.ш.
Для частоты смен ЭЦМ, как уже указывалось выше, годовой ход выражен слабо. В феврале, следующем за январем с вулканическими извержениями, отмечается снижение числа смен с 7,2 до 5,4 дней с последующим возрастанием в марте до 7,3. В год, предшествующий извержению и в последующий за ним, снижение в феврале числа смен менее значительно - соответственно с 6,6 до 5,9 и с 6,3 до 6,2. Возрастание в марте происходит до 7,4 и 8,3 соответственно.
Таким образом, слабый сигнал воздействия вулканических пепловых извержений прослеживается в нарушении закономерностей годового хода групп циркуляции «нарушение зональности» и «меридиональная северная».
В частоте смены ЭЦМ при слабо выраженном годовом ходе наблюдается заметное снижение числа смен, составляющее 25% от
январской величины, в феврале по сравнению с январем с извержениями для ф < 20°с.ш. и около 7% для ф> 45°с.ш. Следует заметить, что рассмотренные закономерности более рельефно проявляются для ряда извержений в широтном поясе ф < 20°с.ш.
Для ряда NAO устойчивых закономерностей влияния характеристик вулканических извержений на динамику индекса NAO с применением метода наложенных эпох выявить не удалось.
Выводы. По данным за период с 1899 по 2003 год получен статистически значимый отклик продолжительности действия групп циркуляции и частоты смены типов ЭЦМ на воздействие вулканических извержений. Наиболее чувствительна к изменению содержания в атмосфере вулканического аэрозоля группа «нарушение зональности», объединяющая типы ЭЦМ с 3 по 7 и характеризующаяся одним блокирующим барическим образованием на полушарии и двумя - тремя прорывами южных циклонов. Данные корреляции месячных, годовых и сезонных (лето) характеристик, а также результаты анализа с помощью метода «наложенных эпох» показали, что с увеличением индекса VEI продолжительность действия этой группы циркуляции уменьшается. Одновременно увеличивается продолжительность действия группы циркуляции «меридиональная южная» (тип ЭЦМ 13).
С увеличением VEI возрастает частота смен ЭЦМ, т.е. накопление вулканического аэрозоля приводит к снижению стабильности циркуляционных условий.
Прослежена временная динамика воздействия вулканического аэрозоля на характеристики циркуляционных процессов. Максимум воздействия достигается через 1-2 месяца после момента извержения, затем значения возвращаются к исходным (фоновым). Анализ временной динамики в летний сезон показал, что значимая корреляция VEI с характеристиками циркуляции атмосферы отмечена только для группы циркуляции «нарушение зональности» при корреляции синхронных рядов и со сдвигом в один месяц. Годовые значения анализируемых рядов показали, что наибольшее воздействие на циркуляционные процессы вулканический аэрозоль оказывает в год извержения.
Устойчивых статистических связей индекса NAO и величины индекса VEI, применительно к месячным, сезонным и годовым значениям для синхронных рядов и рядов со сдвигом выявить не удалось.
С помощью метода «наложенных эпох» выявлены нарушения закономерностей годового хода характеристик циркуляции в зимнее время под воздействием вулканических извержений. В зимние месяцы наблюдается снижение числа смен ЭЦМ в феврале, следующим за январскими извержениями на 25% при извержениях в низких широтах и на 7% при извержениях в высоких широтах.
Воздействие всех пепловых вулканических извержений северного полушария и в отдельности извержений, происходивших в низких (< 20° с.ш.) и высоких широтах (> 45° с.ш.) на циркуляционные процессы во
внетропических широтах одинаково по знаку. По интенсивности воздействия сопоставимы извержения всего полушария и низких широт.
Благодарности. Авторы выражают признательность Н.К. Кононовой за предоставленные данные о продолжительности действия ЭЦМ по группам циркуляции.
Литература
1. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Cambridge University Press.
2. Пивоварова З.И., 1977. Радиационные характеристики климата СССР. Гидрометеоиздат Л. 335.
3. Кондратьев К.Я., 1985. Вулканы и климат. Итоги науки и техники. Сер. Метеорология и климатология. Т. 14. 203.
4. Lamb H.H., 1977. Climate: Present, Past and Future. Vol II. Climate History and Future. London: Methuen; New York: Barnes and Noble. 835.
5. Bradley, R.S. & Jones, Ph.D., 1992. Climate Since A.D. 1500. Records of explosive volcanic eruptions over the last 500 years. London and New York. ROUTLEDGE. 606 -622.
6. Ogilvie, A.E.J., 1992. 1816 - a Year without a Summer in Iceland? World climate in 1816. Canadian Museum of Nature. Ottawa. 331-354.
7. www.volcanolive.com
8. www.volcanoworld.com
9. http://eosweb.larc.nasa.gov
10. Катастрофические процессы и их влияние на природную среду, 2002. Т. 1. Вулканизм. Под ред. академика Лаверова Н.П. Министерство промышленности, науки и технологий Российской Федерации. М.
11. Гущенко И.И., 1979. Извержения вулканов мира. Каталог. «Наука». М. 475.
12. www.cru.uea.ac.uk
13. Дзердзеевский Б.Л., Курганская В.М., Витвицкая З.М., 1946. Типизация циркуляционных процессов в Северном полушарии и характеристика синоптических сезонов. Тр. Научн.-исслед. Учреждений. Сер.2 Синоптическая метеорология. Вып. 21. Л.
14. Календарь последовательной смены ЭЦМ. Материалы метеорологических исследований. Вып.13. М. 1987. 29 - 115.
15. Кононова Н.К., 2003. Исследования многолетних колебаний циркуляции атмосферы Северного полушария и их применение в гляциологии. Материалы гляциологических исследований. Вып. 95, М. 45-65.
16. Шторм Р., 1970. Теория вероятностей. Математическая статистика. Статистический контроль качества. М. «МИР», 368.
Рис.1 Корреляция (по месяцам) УБ1, числа извержений, обратного рассеяния с частотой смены циркуляционных типов, 1 - число извержений, 2 - УБ1, 3 - обратное рассеяние,
а - без смещения, б - смещение 1 месяц, в - смещение 2 месяца, г - смещение 3 месяца
Рис.2. Годовой ход индекса NAO (график-линия) и продолжительности группы циркуляции «нарушение зональности» (столбики)
| 0,25 ^ к С по
5 0,2 а 1 0,15 1-I <и п л
5 и' 1 Ъ 0,05 # о § 0 - ы а У б ш в г
■ 1 ■ 2 □ 3
Рис.3 Корреляция УБ1 (вулканического эксплозивного индекса) и частоты смены циркуляционных типов
1 - вулканы с координатами <20 град. северной широты,
2 - вулканы с координатами 20-45 град. северной широты,
3 - вулканы с координатами >45 град. северной широты, а - без смещения,
б - смещение 1 месяц, в - смещение 2 месяца, г - смещение 3 месяца.
