CC BY
53
УДК 551.5
Ю.П. Переведенцев, К.М. Шанталинский
Казанский (Приволжский) федеральный университет, [email protected]
мониторинг изменений температуры воздуха
И СКОРОСТИ ВЕТРА В АТМОСфЕРЕ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЛ
ЗА ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ
В результате статистического анализа временных рядов аномалий приповерхностной температуры по всему земному шару (1850-2013 гг.) университета Восточной Англии и центра Хедли, а также данных NCEP/NCAR реанализа температуры воздуха и компонент скорости ветра в тропо- и стратосфере (1948-2013 гг.) установлено, что за последние 37 лет температура умеренных широт повысилась на 0.75°С, а наименьшие изменения наблюдаются в тропиках.
Ключевые слова: изменение климата; аномалия температуры воздуха; атмосферная циркуляция; скорость ветра; колебательный режим.
Введение
Проблема глобальных и региональных изменений окружающей среды и климата стала в настоящее время как никогда актуальной в связи с усиливающимся влиянием различных факторов, основными из которых являются: влияние солнечной активности; влияние процессов, происходящих в земной коре и ядре, и влияние антропогенных факторов (Логинов, 2008; Climate change ..., 2013). По современным представлениям, климат отражает физическое, химическое и биологическое состояние компонентов земной климатической системы (атмосферы, океана, суши, криосферы, биоты), поэтому для понимания его изменчивости необходима оценка динамики их параметров (Второй., 2014; Груза, Ранькова, 2012). Особое внимание при этом следует уделить роли атмосферной циркуляции.
В статье представлен анализ пространственно-временных изменений температурно-ветро-вого режима в целом по Северному полушарию в зоне умеренных широт (30-70°с.ш.) в период 1948-2013 гг.
Материалы и методы
В качестве исходных материалов использовали временные ряды аномалий приповерхностной температуры по всему земному шару с 1850 по 2013 г. (объединенный массив данных CRU и центра Хэдли - HadCRUT4), с сайта группы исследования климата университета Восточной Англии, обозначаемые далее как данные CRU, а также данные NCEP/NCAR реанализа приповерхностной температуры воздуха, температуры и компонент скорости ветра в тропосфере и стратосфере (1948-2013 гг.) Северного полушария (СП) за последние 66 лет (1948-2013 гг.).
Были построены поля средних многолетних значений и характеристик временной изменчивости указанных метеорологических величин для СП. При этом основное внимание уделяли исследованию процессов в умеренной зоне СП (30-70°с.ш.). Характер циркуляционного режима умеренных широт нижней половины тропосферы СП в северной и южной частях этой зоны существенно различен. Поэтому расчеты проводили как для всей широтной зоны (30-70°с.ш.), так и для ее северной (50-70°с.ш.) и южной (30-50°с.ш.) частей для зимнего и летнего периодов.
Проведено осреднение исследуемых метеовеличин по различным регионам умеренной зоны, исследована долгопериодная динамика полученных в результате осреднения временных рядов. Выделение низкочастотной компоненты осуществляли с помощью НЧ фильтра Поттера (Отнес, Эноксон, 1982) с точкой отсечения 10 и 30 лет и той же шириной окна.
По данным реанализа в узлах сетки и по регионам рассчитывали значения коэффициентов корреляции (КК) рядов температуры и компонент скорости ветра (множественный КК температуры и зональной и меридиональной составляющих ветра, парные и частные КК температуры и отдельных составляющих скорости ветра).
Результаты и их обсуждение
Рассмотрим временной ход аномалий осред-ненных по полушариям температур за период 1850-2013 гг. по данным CRU. Кроме того, по данным реанализа проведем пространственно-временной анализ температуры за последние 60 лет от уровня Земли до 30 км и, после применения низкочастотной фильтрации, изучим ее долгопериодную динамику.
МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И СКОРОСТИ ВЕТРА В АТМОСФЕРЕ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ ЗА ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ
лГ.^С
M
I l 1 1 1 lililí а) N ■ Сев. полушарие i'J Li*f
•--- КЬкн юлушарив 1Г
Li Ш-
j fAkul !f ■
4 Л , 1 fil
gm áJsP ' » 1 s|i
—А; i fifi w
1 ..... 1 ■ ■ i ■ 1 ■ ......
Ш 1400 [42(1 144(1 14«! I4Í0 20(10 2(1211
Рис. 1. (а) Многолетний ход средней годовой приземной температуры воздуха (°С) Северного и Южного полушарий и ее долгопериодной компоненты (30 лет и более); (б) Многолетний ход скорости изменения (°С/год) долгопериодной компоненты (30 лет и более) температуры Северного и Южного полушарий.
Наблюдаются различия (рис. 1а, б) в изменениях аномалий температуры для Северного и Южного (ЮП) полушарий. Так, средняя аномалия средней годовой приповерхностной температуры, усредненной по всему СП, достигла максимумов на отрезке времени 1850-2013 гг. в 2005 г. (0.719°С) и в 2010 г. (0.713°С). В 2008 г. наблюдался локальный минимум - 0.558°С. В ЮП максимальная аномалия зафиксирована в 1998 г. (0.460°С) в период наиболее интенсивного явления Эль-Ниньо, и далее началось ее снижение до 0.217°С в 2008 г., а в последующем опять отмечено ее увеличение.
Аномалия среднезимней температуры (декабрь - февраль) в СП ведет себя аналогично среднегодовой, ее максимум в СП отмечен в 2006/07 гг.
(0.880°С), в ЮП (июнь-август) она соответственно равна 0.696°С и зафиксирована в 1998 г. Далее происходит уже отмеченное понижение температуры Южного полушария.
Аномалии осредненной по полушариям температуры за летний период ведут себя следующим образом. В СП (июнь - август) максимум в 0.750°С отмечен в 2010 г. (в 1998 г. - 0.708°, а в 2008 г. - 0.530°); в ЮП (декабрь - февраль) максимум отмечен в 1997/98 гг. 0.521° (в 2009/10 гг. - 0.457°С). Наклон сглаженных кривых показывает, что Северное полушарие, где больше суши, летом прогревается более значительно, чем океаническое Южное, где большую охладительную роль играет ледниковая Антарктида.
iîso 1и» |42п 1440 oto то ш 2020 Рис. 2 (а) Многолетний ход средней годовой приземной температуры воздуха (°С) Северного и Южного полушария (°С), сглаженный НЧ фильтром Поттера (полоса пропускания 10 лет и более). (б) Многолетний ход скорости изменения (°С/год) средней годовой приземной температуры воздуха Северного и Южного полушария, сглаженной НЧ фильтром Поттера (полоса пропускания 10 лет и более)
4
российский журнал прикладной экологии
Отчетливо проявляется в ходе аномалий средней годовой приповерхностной температуры СП 60-70-летнее колебание (рис. 1б), а также более слабое 20-летнее, наиболее активно проявляющее себя в периоды похолоданий (рис. 2б). Таким образом, при сохранении ансамбля выявленных колебаний температуры в ближайшем будущем можно ожидать некоторого снижения темпов потепления, которое уже наметилось, и даже, возможно, слабого похолодания на фоне уже достигнутых высоких значений (Переведенцев, Шанта-линский, 2008).
Наиболее резко процессы изменения температуры по данным реанализа выражены в приполярной зоне полушария, где похолодание, составившее -0.54°С, за 13 лет сменилось потеплением, которое продолжается уже 44 года и к настоящему времени составило 2.38°С. В умеренной зоне интенсивности последнего потепления климата и предшествующего ему похолодания весьма близки и составляют +0.22 и -0.27°С/10 лет соответственно. В результате за последние 37 лет температура повысилась на 0.75°С, что почти в три раза меньше, чем в приполярной зоне. Более того, в последние годы рост средней годовой температуры в умеренной зоне СП практически прекратился. Наименьшие изменения средней годовой приземной температуры воздуха наблюдаются в тропической зоне, где за последние 39 лет температура повысилась на 0.54°С.
Обращает на себя внимание также резкое ослабление роста приземной температуры воздуха в период с 1983 по 1994 г., которое прослеживается практически во всех регионах полушария. Оно вызвано, в частности, уменьшением прозрачности атмосферы в связи с поступлением в атмосферу большого количества продуктов извержений вулканов Эль-Чичон и Пинатубо. В результате уменьшение роста температуры отмечается во всей тропосфере, а в стратосфере вследствие поглощения солнечной радиации продуктами извержения имеет место значительный рост температуры.
Над термически более инерционной подстилающей поверхностью
- океаном изменения температуры выражены слабее, чем над сушей, где наибольшие изменения имеют место в умеренной зоне Евразии. Здесь похолодание за 24 года составило 1.02°С, а потепление за 38 лет
- 1.01°С. Над океанической поверхностью наиболее активные температурные изменения происхо-
дят в северной части Индийского океана (к северу от экватора), где потепление продолжается 54 года (1956-2010 гг.) и составило 0.82°С.
Были построены вертикальные разрезы многолетнего хода межгодовых разностей низкочастотной компоненты (°С/год) изменения температуры по данным реанализа в период 1948-2013 гг. Сумма этих разностей за некоторый интервал времени дает качественное и количественное представление о ходе процесса изменения температуры на том или ином уровне тропо-, стратосферы.
Анализ вертикальных разрезов многолетнего хода скорости изменения низкочастотной компоненты (с периодом более 10 лет) средней годовой температуры (рис. 3) показывает, что в период 1972-2010 гг. в основной толще тропосферы наблюдалось потепление, причем наибольший прирост температуры за этот период наблюдается на уровне изобарической поверхности 850 гПа (более 1°С). Далее с высотой в среднем значение величины современного потепления убывает. Так, если в среднем для полушария у поверхности земли она составила 0.79°С за 39 лет, то на уровне изобарической поверхности 500 гПа (средняя высота около 5.5 км) температура за этот же период времени повысилась на 0.69°С.
Однако с начала XXI столетия в стратосфере началось потепление. Так как процессы в тропосфере и стратосфере в период с 1995 по 2010 г. идут в противофазе, то можно предположить, что в ближайшие годы в тропосфере, возможно, наступит похолодание. Процесс замедления потепления в тропосфере просматривается и в масштабах всего земного шара.
Рис. 3. Временной вертикальный разрез осредненных по территории Северного полушария изменений долгопериодной (10 и более лет) компоненты температуры воздуха (оC/год) по данным реанализа
МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И СКОРОСТИ ВЕТРА В АТМОСФЕРЕ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ ЗА ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ
Анализ распределения средней многолетней зональной компоненты скорости ветра на изобарической поверхности 850 гПа в Северном полушарии (СП) зимой и летом по данным реанализа в период 1948-2013 гг. показывает, что зимой в широтной зоне 30-40° с.ш. устанавливаются интенсивные западные потоки со скоростями 8-12 м/с над Атлантикой и Тихим океаном (очаги) и ослабленным западным переносом в умеренных и полярных широтах (~4 м/с), за исключением Южной Сибири (~8 м/с).
Летом картина усложняется: в широтной зоне 0-20° с.ш. над Индийским океаном это интенсивные западные потоки (> 14 м/с); достаточно интенсивные восточные потоки (до -10, -12 м/с) выделяются над акваторией Тихого океана. Зона пассатов расширилась, сместилась на север. Зона западных движений в умеренных широтах ослабла. Очаги западных ветров со скоростями 6-8 м/с по-прежнему сохраняются над Атлантикой и Тихим океаном.
При переходе на уровень АТ500 зональные потоки заметно усиливаются по сравнению с уровнем АТ850. Область западного переноса расширилась, скорости ветра в зоне 30-40° с.ш. над акваториями океанов достигли 35 м/с (Тихий океан), над Атлантикой - 25 м/с. Летом потоки заметно слабее.
При движении вдоль широтного круга осред-ненные в зонах 50-70 и 30-50° с.ш. зональные потоки демонстрируют следующие черты: в южной зоне сильный западный перенос с наибольшими значениями в области 150° в.д., 80° з.д. и 180° з.д. в зимний период. Летом картина менее устойчива.
Летом распределение западного ветра в южной зоне имеет волновой характер. В северной зоне потоки слабее, но в определенной степени наблюдается противофазность в ходе скорости потоков в южной и северной зонах.
Для установления зависимости между температурой воздуха и циркуляцией атмосферы рассмотрена динамика их низкочастотных компонент (НЧК). Анализ временного хода НЧК зональной компоненты скорости (ЗКС) и приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) в период с 1948 по 2013 г. на изобарических поверхностях 850 и 500 гПа показывает: в умеренной зоне на АТ850 наблюдается согласованный временной ход ЗКС и ПТВ - в период 1962-1970 гг. наблюдается их минимум, а в период 1990-2000 гг. - максимум. Затем к 2010 г. имеет место вновь понижение указанных метеовеличин. Таким образом, наблюдается колебательный режим при отставании хода температуры на 8-10 лет. Вначале отмечается
экстремальное значение ЗКС на АТ850, а затем с запаздыванием идет максимум ПТВ. Все это повторяется и в северной зоне, но картина здесь носит менее сглаженный характер.
Рис. 4. НЧК (более 10 лет) приповерхностной температуры воздуха (красная линия) и зональной компоненты скорости ветра на поверхностях 850 (черная) и 500 гПа (синяя) в северной (вверху) и южной (внизу) частях умеренной зоны СП зимой
6
российский журнал прикладной экологии
Рис. 5. НЧК (более 10 лет) приповерхностной температуры воздуха (красная линия) и зональной компоненты скорости ветра на поверхностях 850
(черная) и 500 гПа (синяя) в северной (вверху) и южной (внизу) частях умеренной зоны СП летом
В южной зоне в 1975 г. противофазность скоростей увеличивается, температура уменьшается, около 1998 г. максимумы ЗКС на АТ850 и ПТВ совпадают, на АТ500 максимум ЗКС запаздывает на 2 года.
Таким образом, зимой во всей умеренной широтной зоне и в ее северной части выделяется
запаздывание экстремумов ПТВ относительно ЗКС, что указывает как на ведущую роль атмосферной циркуляции, так и на согласованную картину между атмосферной циркуляцией и ПТВ. Усиление западной составляющей скорости ветра сопровождается повышением температуры в результате усиления адвекции более теплого зимой воздуха над океаном и более интенсивного перемешивания верхнего квазиоднородного слоя. В южной зоне рост ЗКС к 1975 г. сопровождается понижением температуры, в последующие годы отмечается согласованный ход - рост ЗКС на двух уровнях в нижней тропосфере и рост ПТВ. Однако начиная с 2000 г. наблюдается понижение как ЗКС, так и ПТВ (рис. 4).
В летний период (рис. 5), когда в умеренных широтах океан холоднее суши, имеет место противофазный характер изменений НЧК ПТВ и ЗКС. В целом по умеренной зоне в период 19501996 гг. наблюдается рост ЗКС и понижение ПТВ. В северной зоне картина проще, чем в южной. Наблюдается рост температуры в последние годы и ослабление скорости ветра. В южной зоне ПТВ растет, ЗКС на АТ850 также растет в последние годы, температурная кривая во всех зонах ведет себя одинаково: в 1975 г. наблюдается минимум, а в 2013 г. - максимум. Минимум ПТВ при максимуме ЗКС (рис. 5). И все же главная особенность та, что в последние годы ПТВ летом растет, а ЗКС уменьшается.
Расчет коэффициентов множественной корреляции ПТВ и компонент скорости ветра на АТ850 зимой и летом показал, что поле корреляции носит очаговый характер. Значения коэффициентов корреляции достигают значений 0.8. На АТ500 картина в целом сохраняется. Коэффициенты парной и частной корреляции ПТВ и ЗКС зимой указывают на положительные связи над Евразией (океан отепляет континент), над океанами связи отрицательные, т.е. при усилении зонального переноса здесь происходит понижение температуры. Летом картина обратная для континентов. Корреляционная связь температуры с меридиональной составляющей в основном положительна.
Таким образом, главный вывод заключается в том, что после интенсивного зимнего потепления в последнее 30-летие XX столетия, с начала XXI столетия последовало интенсивное понижение зимней температуры. В летний период, начиная с 1975 г., наблюдается рост ПТВ с большей скоростью в северной части умеренной зоны СП, что согласуется с выводами работы (Кононова, 2006), в которой отмечена возрастающая роль блокирующих процессов в СП, развивающихся преи-
МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИй ТЕМПЕРАТУРы ВОЗДУХА И СКОРОСТИ ВЕТРА В АТМОСФЕРЕ СЕВЕРНОГО ПОЛУшАРИЯ ЗА ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ
мущественно над континентами зимой и летом, что приводит к повышению летних и понижению зимних температур начиная с середины 90-х годов, т.е. к росту годовой амплитуды температуры воздуха.
Анализ низкочастотных изменений ЗКС в нижней половине тропосферы в период 1948-2013 гг. показывает, что в последние годы скорость зонального переноса уменьшилась, причем ее ослабление началось раньше, чем уменьшение ПТВ. Летом же имеет место ослабление ЗКС при продолжающемся росте ПТВ.
Заключение
Выполненное исследование динамики долгопериодных колебаний температуры воздуха и скорости ветра в атмосфере СП показало, что с начала XXI столетия зимние температуры стали понижаться, а летние, начиная с 1975 г., наоборот, возрастать в широтной зоне 50-70° с.ш., что объясняется возрастающей ролью блокирующих процессов. Отмечается также ослабление зональной компоненты скорости ветра. При этом около 60% изменчивости температуры определяется изменениями циркуляции.
В дальнейшем необходимо перейти к рассмотрению процессов по отдельным регионам СП с целью выявления региональных особенностей в долгопериодных изменениях температуры воздуха и скорости ветра, а также рассмотреть зимние процессы в тропосфере с учетом зимних стратосферных потеплений.
Переход от зонально осредненных характеристик к их более детальному представлению позволит подойти к постановке проблемы долгосрочного прогнозирования низкочастотных компонент температуры воздуха и скорости ветра на региональном уровне.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 15-05-06349).
Список литературы
1. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Общее резюме. М., 2014. 61 с.
2. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Оценка изменений климата на территории Российской Федерации // Метеорология и гидрология. 2009. № 11. C. 15-29.
3. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Наблюдаемые и ожидаемые изменения климата России: температура воздуха. Обнинск: ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2012. 194 с.
4. Кононова Н.К. Изменение характера циркуляции атмосферы в последние десятилетия как фактор изменения климатических и ледовых условий Арктики // Матер. гляциологических исследований. 2006. Вып. 100. С. 191-199.
5. Логинов В.Ф. Глобальные и региональные изменения климата: причины и следствия. Минск: ТетраСистемс, 2008. 494 с.
6. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов: Основные методы. М.: Мир, 1982. 428 с.
7. Переведенцев Ю.П., Шанталинский К.М. Метеорологические исследования в Казанском университете за 200-летний период (1805-2008 гг.) // Университетская география в начале XXI века / Сб. статей. М.: МАКС Пресс, 2008. C. 99-107.
8. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
Yu.P. Perevedentsev, K.M. Shantalinskiy.Moni-toring of air temperature changes and wind velocity in the atmosphere of the northern hemisphere during last decades
As a result of statistical analysis of the time series of surface temperature anomalies around the globe (1850-2013) of University of East Anglia, Hadley Centre and also the NCEP/NCAR data reanalysis of air temperature and wind speed components in the tropo-stratosphere (1948-2013) determined that in the last 37 years, the temperature of the temperate latitudes increased by 0.75 °C, and the smallest change observed in the tropics.
Keywords: climate change; anomaly of air temperature; atmospheric circulation; wind speed; oscillatory mode.
8
российский журнал прикладной экологии
