CC BY
38
УДК 531.88
Вестник СПбГУ. Сер. 7,2006, вып. 1
Н. А. Лавров
МНОГОЛЕТНИЕ КОЛЕБАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, ОСАДКОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ НА СЕВЕРЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
Глобальное потепление климата за последние 100-150 лет общеизвестно. Однако колебания температуры воздуха в зависимости от географического положения региона и сезона могут сильно варьировать. В не меньшей степени относится это к осадкам и элементам циркуляции атмосферы. Исходными материалами изучения территории на севере европейской части России (СЕЧР), заключенной в пределах 60-70° с.ш. и 30-60° в.д. послужили заимствованные из сайтов Climatic Research Unit (www.CRU.uea.ac.uk,') временные ряды осредненных по пятиградусным «квадратам» широтно-долготной сетки среднемесячных аномалий (базовый период 1961-1990 гг.) приземной температуры воздуха за период 1851-2004 гг. [1, 2], месячные суммы осадков за 1900-1998 гг., осредненные по таким же «квадратам» [3, 4], ряд среднемесячных значений приземного атмосферного давления, интерполированного в узлы широтно-долготной сетки (5x10°) за 1873-2000 гт. [5, 6], среднемесячные индексы североатлантического колебания (САК) за 1851-2003 гг. [7, 8].
Характеристики циркуляции оценивались в нижних слоях атмосферы с помощью индексов САК и локальных индексов зональной (/г) и меридиональной (1т) циркуляции воздуха, аналогичных индексам Каца, над исследуемым районом по формулам [9]
где р - среднемесячное значение атмосферного давления в узлах регулярной широтно-долготной сетки; <р, - широта места; п, т - количество широт и соответственно долгот, кратных 5 и 10°. Положительные величины ¡2, 1т указывают на преобладание в регионе СЕЧР западной и соответственно южной составляющих потока воздуха, отрицательные - восточной и северной. Используя модули разностей давления в узлах сетки, получим абсолютные значения интенсивности зональной ¿г" или меридиональной 1т" составляющих цирку ляции,-
индексом циркуляции /.
Кроме того, с помощью стандартных соотношений вычислялись среднемесячные значения лапласианов Lapl приземного давления, описывающие осредненную во времени искривленность изобарических поверхностей в нижних слоях тропосферы над СЕЧР. Расчеты проводились в западной (с центром 65° с.ш., 40° в.д.) и восточной (65° с.ш.. 50° в.д.) частях региона с пространственным шагом 5° широты и с последующим их осреднением. Знак и модуль лапласианов косвенно характеризуют повторяемость циклонов или антициклонов, а также их срелнюю интенсивность в течение месяца. Положительные значения лапласианов указывают на преобладание в регионе циклонической, отрицательные - на преобладание антициклональной деятельности.
Были вычислены и построены осредненные по плошади СЕЧР временные ряды сезонных аномалий температуры (1851-2004 гг.), сезонных сумм осадков (1900-1998 гг.), циркуляционных характеристик (1873-2000 гг.) и их линейные тренды. В качестве примеров на рис. 1-3 представлены временной ряд и линейный тренд аномалий температуры в весенний (111—V), аналогичный ряд и тренд сумм осадков в осенний (IX—XI), ряд и тренд индекса I в летний (VI -VIII) сезоны.
Как и следовало ожидать, линейные тренды температуры везде положительны. Весной и осенью они значимы на 5%-м уровне. В центральные сезоны года (лето и зима) уровень значимости близок к 5%. Наибольший тренд наблюдается весной и составляет 2.1 °С/150 лет. Осенью и зимой с конца 60-х и до начала 80-х годов XX в. имела место тенденция к понижению температуры, сменившаяся в середине 80-х ее возрастанием. Хорошо прослеживается вновь достигнутый только к 2004 г. температурный пик в 20-30-е годы. Трендовые повышения температуры воздуха осенью составляют i ,1 °С/150 лет, зимой (XII-II) - соответственно 0,7 °С/150 лет. Наименьшее трендовое повышение температуры имеет место летом (VI—VI11): 0,5 °С/150 лет. Среднегодовой тренд равен 1,0 °С/150 лет. Следуя мнению очень большого числа исследователей, будем считать, что эти потепления носят антропогенный характер.
Тренды количества осадков также положительны. Наибольшего положительного значения они достигают в осенний и зимний сезоны, где примерно равны 20 мм/100 лет. В весенне-летние сезоны тренды хотя и положитель-
определяет индекс интенсивности циркуляции всех форм, названный общим
© Н. А. Лавров, 2006
ны, но не достигают 5%-го уровня значимости. Среднегодовой тренд составляет 62 мм/100 лет. Положительные тренды осадков можно объяснить, по-видимому, увеличением испарения с подстилающей поверхности и возрастанием влагосодержания воздуха вызванных антропогенным глобальным потеплением.
О т О щ о о — — с^ ^ с> о
Годы
Рис. 1. Временной ряд аномалий температуры воздуха 7"и его линейный тренд над СЕЧР весной.
— о — чо — ч© — О — чО •—.О — чО
V-, СОГ-Г-ООХС^О'. ОО---
ОС ХОСООООСООССОСООСОС>С1С>
— чО — о — о — О — О — О — 'О —
с--) Сч| С-, О"! т}- 1Г, с О г- г- СО СО С4 О4 С4 С4 О4 С- О4 О4 С4 О4, С4 О4 О4 С4 С4
1 "оды
Рас. 2. Временной ряд сумм осадков £? и его линейный тренд над СЕЧР осенью.
Рис. 3. Временной ряд общего индекса циркуляции 1 и его линейный тренд над СЕЧР весной.
Глобатьное потепление, как известно [10-12]. в большей степени выражено в высоких широтах, чему в частности, способствует сокращение площадей морского и континентального льдов. Это приводит к уменьшению меридиональных градиентов температуры воздуха в значительной толще тропосферы обоих полушарий и, как следствие, к ослаблению зональной циркуляции, которое, в свою очередь, вызывает ослабление циклонической и антициклональной деятельности и меридиональной составляющей циркуляции. О такой возможной связи глобального потепления с циркуляцией атмосферы упоминают многие авторы (например, [11, 12]), которые исходят из общих представлений о закономерностях формирования циркуляции атмосферы или из результатов численного эксперимента с моделью общей циркуляции. По этой причине представляет особый интерес рассмотреть трендо-вые изменения циркуляционных характеристик, полученных на основе реальных наблюдений.
В табл. 1 представлены трендовые свойства всех использованных циркуляционных характеристик за все сезоны года. Заметные трендовые изменения претерпевают циркуляционные характеристики только в летний сезон. В это время года тренды индекса САК отрицательны, а общего индекса циркуляции / над СЕЧР, наоборот, положительны (см. рис. 3). В остальные сезоны года трендовые эволюции индексов САК и I отсутствуют. Отрицательные тренды индекса /г весной и летом и индекса 1т весной связаны не с ослаблением интенсивности циркуляции, а с тем, что за последние десятилетия XX в. увеличились повторяемость и интенсивность восточной и соответственно северной составляющих циркуляции атмосферы, иными словами, в эти сезоны и за данный интервал лет произошла интенсификация северо-восточных форм циркуляции.
Определенный интерес представляют кубические тренды циркуляционных характеристик весной и летом. Большинство трендов имеют повышенные значения в конце XIX в.. минимальные - в 50-70-е годы XX в. и заметный рост в конце XX в.
В табл. 2 представлены корреляционные связи между средними сезонными аномалиями температуры {'Г'), сезонными суммами осадков (О) и средними сезонными циркуляционными характеристиками. Коэффициенты корреляции, значимые на 5%-ном уровне, подчеркнуты. Следует отметить, что все связи носят высокочастотный характер и при реализации процессов сглаживания значительно ослабевают.
Таблица /. Свойства линейных трендов циркуляционных харастеристик
Сезон САК / к 1т 1мр1
Весна Нет Нет - - Нет
Лето - + - Нет +
Осень Нет Нет Нет Нет
Зима •• » - -
Примечание. Знаками «+» и «-» обозначены достоверные на уровне 85% и выше положительные и соответственно отрицательные тренды циркуляционных характеристик, слово «нет» соответствует отсутствию значимого линейного тренда.
Таблица 2. Корреляционные связи между температурой, осадками и циркуляционными характеристиками атмосферы
Параметр Сезон Г, "С Q, мм Iz 1т Lapl САК
гПа'5° широты
7" Весна Лето Осень Зима 0.36 0,06 0.33 0,49 0,61 0,14 0.54 0.61 0.31 0.60 0.39 0,13 -0,10 -0,04 -0,09 0.25 0.21 -0.29 0.32 0.52
Весна 0.36 0.23 0.38 0.50 0,10
Лето 0,06 0,11 0,40 0,66 -0,08
У Осень 0,33 0,12 0,13 0.58 0,11
Зима 0.49 0,11 0,01 0.57 0.26
Почти во все сезоны года, кроме летнего, на температуру воздуха существенно влияют знак и величина зо-напьного индекса циркуляции (г = 0,54-0,61). Летом большее влияние оказывает меридиональный перенос, описываемый индексом 1т. Увеличение северной составляющей циркуляции в этот период года, возможно, является одной из причин минимального трендового повышения температуры воздуха. Вариации САК заметно сказываются на колебаниях средних сезонных температур и в гораздо меньшей степени - на сезонных суммах осадков. Выявляется достаточно тесная зависимость сезонного количества осадков от значений лапласианов в течение всего года.
В заключение отметим, что, в отличие от хорошо выраженных трендовых повышений температуры воздуха и у величения количества осадков во все сезоны года, поведение циркуляционных характеристик неоднозначно. Возможное ослабление интенсивности циркуляции, по данным индексов САК и характеристик циркуляции над СЕЧР, не наблюдается. В ряде случаев, наоборот, за последние два десятилетия XX в. происходил рост интенсивности некоторых циркуляционных характеристик. Существенно также увеличение весной и летом за эти же годы интенсивности северо-восточных форм циркуляции.
Summary
Lavrov N. A. Long term oscillations of temperature, precipitation and atmosphere circulation characteristics in the North of European Russia.
Long term oscillations and linear trends of temperature, precipitation and atmosphere circulation characteristics in the North of European Russia in different seasons are considered. The statistical connection between temperature, precipitation and circulation characteristics of atmosphere is investigated. Positive linear trends of temperature and precipitation are well expressed. Linear trends of most circulation characteristcs are absent.
Литература
1. Jones P. D., Osborn T. J., Briffa K. R. et al. Adjusting for sampling density in grid-box land and ocean surface temperature time series // J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106. 2. Jones P. D„ New A/.. Parker D. E. et al. Surface air temperature and its variations over the iast 150 years /7 Rev. of Geophysics. 1999. N 37. 3. Hulme M. Analysis of worldwide precipitation records and comparison with model predictions // Final Report for the UK Department of the Environment, Contract PF.CD/7/10/198, Climatic Research Unit. Norwich, 1991. 4. Hulme M.. Osborn T. ./., Johns Т. C. Precipitation sensitivity to global warming /7 Geophys. Res. 1998. Vol. 25. 5. Williams J., van Loon H. An examination of the Northern Hemisphere sea-level pressure data set // Monthly Weather Review. 1976. N 104. 6. Jones P. D. The early twentieth century Arctic High - fact or fiction? // Climate Dynamics. 1987. Vol. 1. 7. Jones P. D., Jonsson Т., Wheeler D. Extension to the North Atlantic Oscillation using early instrumental pressure observations from Gibraltar and South-West Iceland // Intern. J. Climatology. 1997. Vol. 17. 8. Osborn T. J.. Briffa K. R„ Tett S. F. et al. Evaluation of the North Atlantic Oscillation as simulated by a coupled climate model /7 Clim. Dyn. 1999. Vol. 15. 9. Лавров H. А. Внутривековые низкочастотные колебания циркуляции и температуры воздуха в Атлантико-европейском секторе Северного полушария в зимние месяцы // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 1999. Вып. 4 (№ 28). 10. Будыко М. И., Винни-ков К. Я., Ефимова Н. А. Зависимость температуры воздуха и осадков от количества углекислого газа в атмосфере /7 Метеорология и гидрология. 1983. № 4. 11. Антропогенные изменения климата / Под ред. М. И. Будыко, Ю. А. Израеля. М., 1987. 12. Гройсман П. Я. Об изменении некоторых характеристик атмосферной циркуляции в процессах глобального потепления и похолодания I! Метеорология и гидрология. 1983. № 11.
Статья поступила в редакцию 17 июня 2005 г.
