CC BY
17
УДК 551.582, 551.583
МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АТМОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ В ХОЛОДНЫЙ СЕЗОН ДЛЯ ОТДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
К.Ю. Суковатов, Н.Н. Безуглова
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул E-mail: sukovatovy@gmail.com, bezuglovan@gmail.com
Выявлены связи между климатическими изменениями, произошедшими в последние десятилетия в Арктике и в умеренных широтах. Установлено, что сохранение тенденции роста температуры в высоких широтах может быть одной из причин развития меридиональных атмосферных процессов и, следовательно, ослабления роста температуры воздуха (или понижения ее) в умеренных широтах. Выполнен анализ временных рядов метеорологических параметров и индексов атмосферной циркуляции для холодного сезона с использованием метода вейвлет-когерентности. Установлено наличие квазипериодических межгодовых колебаний с периодами 2-4 лет и 8-12 лет. Показано, что длиннопериодные колебания тропического происхождения могут влиять на атмосферные осадки над территорией полуострова Ямал как в условиях преобладания широтных процессов (AO - в положительной фазе, PNA - в отрицательной фазе), так и в условиях преобладания меридиональных процессов.
Ключевые слова: региональный климат, усиление потепления в Арктике, индекс меридиональности MCI, метод вейвлет-когерентности.
Дата поступления 1.06.2017
В последние десятилетия в холодный сезон в высоких и умеренных широтах участились экстремальные проявления погодных условий. Значительные аномалии холода наблюдались в Атлан-тико-Европейском секторе зимой 20092010, 2010-2011 и 2012-2013 гг. [1]. Замедляется рост температуры воздуха в северных районах умеренных широт, а в некоторых из них в последние годы наблюдается отрицательный тренд температуры.
В это же время в Арктике продолжается более быстрое потепление по отношению к потеплению в умеренных широтах. По данным [2] 2005-2010 гг. были самым теплым периодом в Арктике за всю историю наблюдений. Температура приземного слоя воздуха в Арктике с 2005 г. превышает среднюю температуру за любой пятилетний отрезок со времени начала измерений (около 1880 г.). Изменение климата в Арктике
продолжает усиливаться, что следует из сокращения площади арктического льда, уменьшения массы ледникового покрова Гренландии, быстрого уменьшения снежного покрова на континентальной части Северного полушария в начале лета. Различия климатических изменений для Арктики и умеренных широт проявляются не только у поверхности земли, но и в различных слоях тропосферы, что должно непосредственно влиять на изменение направления и скорости ветров в высоких слоях атмосферы. Усиление потепления в Арктике явилось причиной уменьшения температурного контраста (и, следовательно, температурного градиента) между Арктикой и средними широтами, особенно в весенний и зимний сезоны [3]. Поскольку этот температурный градиент является основной причиной, вызывающей преобладание широтной составляющей скорости струйного тече-
ния, ослабление градиента ведет к ослаблению широтной составляющей и, соответственно, увеличению амплитуд атмосферных волн [4-5]. При этом происходит уменьшение скорости их перемещения и усиление меридиональности атмосферных процессов, что приводит к изменениям погодных условий, а также учащению экстремальных явлений в отдельных регионах.
Для углубленного понимания причин происходящих изменений климата требуется анализ воздействия на рассматриваемую территорию различных климатообразующих факторов. Среди них важное место занимает атмосферная циркуляция, поскольку она (наряду с океанической) приводит к перераспределению тепла от низких к умеренным и высоким широтам. Цель данной работы - на основе данных дистанционного зондирования и наземных наблюдений с помощью методов корреляционного, спектрального анализа, а также метода вейвлет-когерентности определить периодические составляющие временных рядов осадков и индексов атмосферной циркуляции и показать эволюцию этих составляющих со временем. Кроме того, предполагается определить фазовые сдвиги между совместными колебаниями исследуемых параметров для определения причинно-следственных связей между определенными типами циркуляции атмосферы и изменениями метеорологических параметров исследуемой территории.
Материалы и методы
Для установления закономерностей межгодовой изменчивости атмосферных параметров на территории Западной Сибири анализировали временные ряды температуры воздуха, осадков для степных районов Алтайского края и территории полуострова Ямал и индексов циркуляции. В качестве динамических характеристик атмосферы и теплового состояния поверхности океана использованы индексы Арктической осцилля-
ции (АО), Скандинавский (SCAND), Тихоокеанский-Северо-Американский индекс (PNA), индекс меридионально-сти (MCI). В работе были использованы данные о месячных суммах осадков Климатологического центра по обработке данных об атмосферных осадках (Global Precipitation Climatology Center -GPCC) [7]. В качестве характеристик состояния атмосферной циркуляции использовались телеконнекционные индексы, полученные в результате разложения поля геопотенциала с использованием метода эмпирических ортогональных функций. Данные о телеконнекци-онных индексах можно найти на сайте Центра климатических прогнозов [8].
Значения индекса MCI рассчитаны за период 1979-2015 гг. с помощью пространственного осреднения данных о широтной и меридиональной компонентах скорости потока на высоте около 5 км для анализируемых территорий. Положительным считаем направление с запада на восток для широтных и с юга на север для меридиональных потоков. Анализ характеристик взаимной зависимости рядов климатических параметров позволит установить наличие и степень их связей, а также возможные причины колебаний исследуемых параметров.
Для выявления когерентных колебаний рядов сезонных осадков и индексов атмосферной циркуляции был использован метод вейвлет-когерент-ности. Спектр вейвлет-когерентности показывает наличие когерентных колебаний исследуемых процессов независимо от величины амплитуды колебаний на определенных временных отрезках. Таким образом, этот метод может быть использован для установления возможных физических механизмов связи между исследуемыми явлениями. Для расчетов спектров вейвлет-когерент-ности использовался комплекс программ, разработанный в Национальном Центре Океанографии в Великобритании (Natural Oceanography Center) [9].
Результаты и обсуждение
На спектрах вейвлет-когерентности, изображенных на рисунках 1-3, по вертикальной оси отложены периоды колебаний в годах, по горизонтальной -сдвиг по времени в годах. Области когерентности отмечены на спектре различными оттенками, описание шкалы (взаимно-однозначное соответствие между оттенками и значениями коэффициента когерентности) приведено на панели справа от спектра. Статистически значимые области когерентности, области для которых превышен 95 % доверительный предел по мощности сигнала, ограничены широкими линиями. Тонкой линией выделен конус доверия, в пределах которого краевые эффекты, связанные с ограниченностью вейвлет-функции, не искажают результаты расчетов коэффициентов вейвлет-когерентности. Достоверными можно считать те области когерентности, которые ограничены широкими линиями и находятся внутри конуса доверия, ограниченного тонкой линией. Для визуализации результатов расчетов разности фаз колебаний на спектры нанесены стрелки. Направление стрелки вправо означает колебания в фазе, направление стрелки влево означает колебания в противофазе. Другие направления стрелок соответствуют промежуточным вариантам.
На рисунке 1 представлен спектр вейвлет-когерентности рядов атмосферных осадков на территории Ишимской
4
■о
о
а
8
равнины за холодный сезон года, индексов АО и SCAND. Наиболее сильные когерентные колебания происходят с периодами 8-12 лет. При этом связь с индексом АО отмечена на временном отрезке 1970-1990 гг., а с индексом 8СЛШ - в 1987-2010 гг. Софазные когерентные колебания наблюдались в рядах осадков и индекса АО, характеризующего преобладание широтных процессов, противофазные - в рядах осадков и индекса SCAND, характеризующего усиление меридиональных процессов.
На рисунке 2 представлены спектры вейвлет-когерентности рядов атмосферных осадков на территории п-ова Ямал за холодный сезон года, индексов АО и PNA. Применение метода анализа вейвлет-когерентности позволило установить, что периодическая составляющая ряда осадков холодного сезона для межгодовых колебаний на территории полуострова Ямал в значительной степени зависит от колебаний индекса АО.
В результате анализа спектров вейвлет-когерентности для атмосферных осадков на территории полуострова Ямал и индекса Арктической осцилляции за холодный сезон года установлено наличие квазипериодических межгодовых колебаний с периодами 2-4 лет и 8-12 лет (рис. 2а). Колебания, аналогичные длиннопериодным колебаниям указанного типа, были выделены для атмосферных осадков и индекса PNA (рис. 2б).
Рис. 1. Спектр вейвлет-когерентности временных рядов индекса АО (а), ЗСЛКЭ (б) и осадков степной зоны
Рис. 2. Спектр вейвлет-когерентности количества атмосферных осадков зимнего сезона (декабрь-февраль) для территории п-ова Ямал и индексов АО (а), РКА(б)
Таким образом, подтверждается гипотеза о существовании двух механизмов воздействия колебаний характеристик океана и атмосферы в тропической области Тихого океана на климатические параметры в северных широтах. Показано, что длиннопериодные колебания тропического происхождения могут влиять на атмосферные осадки над территорией полуострова Ямал как в условиях преобладания широтных процессов (AO в положительной фазе, PNA в отрицательной фазе), так и в условиях преобладания меридиональных процессов (PNA в положительной фазе, AO в отрицательной фазе).
Для выявления связей между климатическими изменениями, произошедшими в последние десятилетия в Арктике и в умеренных широтах, выполнен анализ временных рядов температуры воздуха холодного сезона для полуострова Ямал и индексом меридионально-сти MCI, характеризующим преобладание меридиональных процессов над широтными [6].
MCI=
v * v
2 2 v + u
где V и и - широтная и меридиональная компоненты скорости потока в средней тропосфере (на высоте около 5 км). Его величина изменяется в диапазоне от -1
(северный ветер) до 1(южный ветер) для чисто меридиональных процессов и имеет промежуточные значения при наличии широтной составляющей. Положительным считаем направление с запада на восток для широтных и с юга на север - для меридиональных потоков.
Анализ спектра вейвлет-когерент-ности температуры воздуха зимнего сезона и индекса меридиональности для территории полуострова Ямал (рис. 3) показывает, что для исследуемого временного интервала существует область сильных когерентных колебаний с периодом около 4-6 лет, сигналы находятся в фазе. Область наиболее сильной когерентной связи (Я2 >0,9) отмечается на временном отрезке 1995-2005 гг. Можно предположить, что изменения температуры воздуха зимнего сезона на полуострове Ямал связаны, главным образом, с переносом воздушных масс в меридиональном направлении. Установлено, что область сильной когерентности наблюдается на всем анализируемом временном интервале, наиболее сильная связь наблюдается на временном отрезке 19952005 гг. Сохранение тенденции роста температуры в высоких широтах может быть одной из причин развития меридиональных циркуляционных структур и, следовательно, ослабления роста температуры воздуха (или понижения ее) в умеренных широтах.
Рис. 3. Спектр вейвлет-когерентности температуры воздуха зимнего сезона и индекса меридиональности для территории полуострова Ямал
Межгодовая изменчивость анализируемых параметров в холодный сезон года на исследуемых территориях в основном обусловлена естественными вариациями: межширотного обмена в атмосфере над Северной и СевероВосточной Атлантикой; скорости ветра в экваториальной стратосфере; темпера-
туры поверхности экваториальной области Тихого океана. В условиях увеличения частоты повторяемости меридиональных процессов 2-й и 3-й механизмы будут играть более существенную роль в межгодовых колебаниях анализируемых параметров для области умеренных широт.
Список литературы
1. Попова В.В., Шмакин А.Б. Циркуляционные механизмы крупномасштабных аномалий температуры воздуха зимой в Северной Евразии в конце XX столетия. - Метеорология и гидрология. - 2006. - №12. - С. 15-25.
2. Overland J.E., Wang M. Large-scale atmospheric circulation changes are associated with the recent loss of Arctic sea ice // Tellus A 62, 1-9. - 2010 (doi:10.1111/j.1600-0870.2009.00421.x.
3. Simmonds I. Comparing and contrasting the behaviour of Arctic and Antarctic sea ice over the 35 year period 1979-2013 // Ann. Glaciol.562015. - 2015.
4. Liu J, Curry JA, Wang H, Song M and Horton R.M. Impact of declining Arctic sea ice on winter snowfall // Proc. Natl Acad. Sci. USA1094074-9. doi:10.1073/pnas.1114910109. -2012.
5. Snow, Water, Ice and Permafrost in the Arctic (SWIPA) // Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP). - Oslo: F.L. Miller and S.J. Barry, 2011.
6. Francis J.A. and Vavrus S.J. Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes Geophys. Res. Lett.39L06801. doi:10.1029/2012GL051000.
7. Global Precipitation Climatology Center. - URL: http://precip.gsfc.nasa.gov/gpcp_v2.2_data.html.
8. Центр климатических прогнозов. - URL: http://www.cpc.ncep.noaa.gov/.
9. Natural Oceanography Center. - URL: http://noc.ac.uk/using-science/crosswavelet-wavelet-coherence.
References
1. Popova V.V., Shmakin A.B. Tsirkulyatsionnye mekhanizmy krupnomasshtabnykh anomaly temperatury vozdukha zimoy v Severnoy Yevrazii v kontse XX stoletiya. - Meteor-ologiya i gidrologiya. - 2006. - №12. - S. 15-25.
2. Overland J.E., Wang M. Large-scale atmospheric circulation changes are associated with the recent loss of Arctic sea ice // Tellus A 62, 1-9. - 2010 (doi:10.1111/j.1600-0870.2009.00421.x.
3. Simmonds I. Comparing and contrasting the behaviour of Arctic and Antarctic sea ice over the 35 year period 1979-2013 // Ann. Glaciol.562015. - 2015.
4. Liu J, Curry JA, Wang H, Song M and Horton R.M. Impact of declining Arctic sea ice on winter snowfall // Proc. Natl Acad. Sci. USA1094074-9. doi:10.1073/pnas.1114910109. -2012.
5. Snow, Water, Ice and Permafrost in the Arctic (SWIPA) // Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP). - Oslo: F.L. Miller and S.J. Barry, 2011.
6. Francis J.A. and Vavrus S.J. Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes Geophys. Res. Lett.39L06801. doi:10.1029/2012GL051000.
7. Global Precipitation Climatology Center. - URL: http://precip.gsfc.nasa.gov/gpcp_v2.2_data.html.
8. Tsentr klimaticheskikh prognozov. - URL: http://www.cpc.ncep.noaa.gov/.
9. Natural Oceanography Center. - URL: http://noc.ac.uk/using-science/crosswavelet-wavelet-coherence.
THE INTERANNUAL VARIABILITY OF ATMOSPHERIC PARAMETERS IN THE COLD SEASON AT THE SPECIFIC AREAS OF WESTERN SIBERIA
K.Yu. Sukovatov, N.N. Bezuglova
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul E-mail: sukovatovy@gmail.com; bezuglovan@gmail.com
The relationships between climate changes occurred in recent decades in the Arctic and temperate latitudes are revealed. It is found that the temperature increase continued at high latitudes may be one of the causes of the increased frequency of meridional atmospheric processes and therefore decrease of air temperature (or deceleration of temperature rise) at the middle latitudes. Using the method of wavelet coherence the analysis of time series of meteorological parameters and indices of atmospheric circulation for the cold season was made. The presence of interannual quasi-periodic oscillations with periods of 2-4 years and 8-12 years was defined. It is shown that long-period oscillations of tropical origin may influence the precipitation over the territory of the Yamal Peninsula in conditions of prevalence of latitudinal processes (AO in the positive phase, the PNA in the negative phase) and under the prevalence of the meridional processes(AO in the negative phase, the PNA in the positive phase).
Key words: regional climate, Arctic amplification, meridionality index MCI, the method of wavelet coherence.
Received June 1, 2017
