CC BY
65
УДК 551.5
Ю.П. Переведенцев, Т.Р. Аухадеев, К.М. Шанталинский
Казанский (Приволжский) федеральный университет, [email protected]
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ
В статье рассматриваются пространственно-временные изменения полей атмосферного давления и приповерхностной температуры воздуха во внетропических широтах Северного полушария в период 1900-2014 гг. Для оценки перестройки в полях метеовеличин в широтной зоне 20-90°с.ш. определялись разности полей атмосферного давления и приповерхностной температуры, осредненных по временным интервалам. Наибольшее сходство между разностными полями отмечается в двух соседних периодах 1988-2000 и 1988-2014 гг. Анализ многолетнего хода низкочастотной компоненты температуры воздуха и атмосферного давления в центрах действия атмосферы и в Приволжском федеральном округе позволил установить их противофазный характер, обусловленный влиянием циркуляционных факторов.
Ключевые слова: атмосферное давление; температура воздуха; разности средних значений; центры действия атмосферы; низкочастотная компонента.
Введение
В данной статье главное внимание уделяется анализу пространственно-временного распределения приповерхностной температуры воздуха и атмосферного давления в период 1900-2014 гг. в широтной зоне 20-90° с.ш. в условиях современного глобального потепления климата.
Обобщающие материалы по проблемам изменения климата содержатся в работах (Оценочный доклад ..., 2014; Climate Change ..., 2013) и в других публикациях. Безусловно, на первый план выходят вопросы, связанные с причинами изменений климата и ожидаемыми последствиями для природной среды и социума. В частности, в работах (Вакуленко и др. 2015; Charvatova, 1997) рассматривается вопрос о наличии альтернативы сценарию все ускоряющегося потепления климата из-за увеличения концентрации парниковых газов, где в качестве внешнего воздействия на климатическую систему рассматривается 180-летний цикл обращения Солнца вокруг центра масс Солнечной системы. На роль естественных факторов в современных изменениях климата указывается в работах (Wallace et al., 1966, 2002), согласно которым в зимний период в умеренных широтах мощные циркуляционные процессы, связанные с взаимодействием океана и атмосферы, вызывают значительные колебания температуры с масштабами от межгодового до нескольких десятилетий, накладывающиеся на общий процесс глобального потепления и существенно изменяющие его проявление. В более ранних работах авторов (Переведенцев, Шарипова, 2012; Переведенцев и
др., 2014) также обсуждается роль естественных факторов в происходящих изменениях климата.
Материалы и методы исследования
В качестве исходных материалов использовались временные ряды приповерхностной температуры воздуха и атмосферного давления в узлах регулярной широтно-долготной сетки за период 1900-2014 гг., подготовленных Отделом климатических исследований университета Восточной Англии (ряд CRU) (Brahan et al., 2006; Jones et al., 1999; Rayner et al., 2006). Авторы располагали данными по температуре воздуха в период 19002014 гг., а по атмосферному давлению в период 1900-2000 гг.
Поскольку ряд CRU для давления заканчивается в 2000 г. была проведена работа по восстановлению поля давления до 2014 г. с использованием данных реанализа. Это оказалось возможным в силу высокой корреляции (r»0.9) между рассматриваемыми рядами давления.
Вначале в каждом узле вычислялись многолетние средние значения для января и июля по всему указанному периоду как для температуры (Т), так и для давления (Р). Затем строились карты распределения средних многолетних значений Р и Т как в целом по всему периоду, так и по более коротким: 1900-1929, 1930-1959, 1960-1987, 1988-2000, 1988-2014 гг. Затем были построены разностные карты путем вычитания данных более раннего периода из более позднего. Сходство полей определялось как визуально, так и по рассчитанному критерию аналогичности р.
В центрах действия атмосферы и на территории Приволжского федерального округа (ПФО) рассматривались долгопериодные колебания Т и Р, полученные в результате сглаживания исходных данных с помощью низкочастотного фильтра Поттера.
С целью определения общей тенденции изменения температуры и давления в умеренной зоне СП (32.5-67.5° с.ш.) в период 1900-2014 гг. исходные данные в узлах сетки осреднялись по всей широтной полосе для января, июля и года в целом. Полученные временные ряды подвергались статистической обработке. Кроме этого, они сглаживались с помощью фильтра Поттера для оценки долгопериодной изменчивости, т. е. отфильтровывались волны с периодом меньше 20 лет (рис. 1).
ЛгПл
Рис. 1. Многолетний ход средних годовых значений (исходные данные и НЧК с периодом более 20 лет) давления приведенного к уровню моря (черная линия) и приземной температуры воздуха (красная линия)
Результаты и их обсуждение
Анализ рисунка 1 показывает, что многолетний ход среднегодовой температуры воздуха (СГТВ) в 115-летний период (1900-2014 гг.) испытывал определенные колебания. Так, с 1900 по 1945 гг. наблюдался прирост температуры на 0.52°С, затем СГТВ плавно понижалась до 1970 г. примерно на 0.1°С в связи с небольшим похолоданием климата и, начиная с начала 1970-х годов, наблюдается активная фаза потепления. Прирост температуры составил около 0.9°С. В то же время, кривая атмосферного давления указывала на тенденцию его падения за исключением небольшого периода 1935-1952 гг., когда оно возрастало. Таким образом, в периоды 1900-1935 и 1975-2014
гг. наблюдался противофазный ход атмосферного давления и температуры воздуха в умеренной широтной зоне, что свидетельствует об усилении циклонической активности в периоды потепления климата в начале ХХ столетия и в последние десятилетия на рубеже ХХ-ХХ1 веков. В целом подобная закономерность отмечается в январе и июле.
Были построены карты средних полей температуры воздуха и приземного давления для января и июля во внетропическом поясе от 20°с.ш. до Северного полюса по ранее рассчитанным средним значениям в узлах сетки за длительный период (по температуре с 1900 по 2014 гг. по давлению с 1900 по 2000 гг.).
Структура полей, представленных на этих картах, в целом хорошо воспроизводит известные климатические закономерности пространственного распределения рассматриваемых метеорологических величин. В частности, в январе на климатической карте давления выделяются Исландский и Алеутский минимумы, Сибирский максимум, а в июле Гонолульский и Азорский максимум, а также обширная Азиатская депрессия.
Для анализа развития климатических процессов в 1900-2014 гг. анализировались разности атмосферного давления и приповерхностной температуры воздуха между выделенными периодами. Как видно из рисунка 2, январь в период 1930-1959 гг. оказался значительно теплее по сравнению с 1900-1929 гг. в полярной области, на севере Евразии ДТ достигает 3°С, на крайнем северо-востоке Сибири в районе Чукотки ДТ=3-4°С. В Западном полушарии на территории Канадского архипелага и Гренландии, также заметно потеплело (на 2-3°С). Однако в Европе и на большей части Азиатского континента температура понизилась на 1°С.
В период 1960-1987 гг. по сравнению с 19301959 гг. (рис. 3) ситуация коренным образом изменилась: в Арктике, на севере Европы и Азии температура понизилась на 3°, однако более южные
Рис. 2. Разности средних значений температуры периодов 1930-1959 и 1900-1929 гг. в январе (слева) и в июле (справа)
Рис. 3. Разности средних значений температуры
периодов 1960-1987 и 1930-1959 гг. в январе (слева) и в июле (справа)
районы Азии заняты положительной аномалией температуры (ДТ=2°С). На юго-востоке США отмечается очаг холода до -2°С, на большей части территории СП различия между сравниваемыми периодами невелики, преобладает похолодание.
В период 1988-2000 гг. по сравнению с 19601987 гг. (рис. 4) наблюдается понижение температуры на северо-востоке Северной Америки и в районе Алеутской депрессии (ДТ=-2°). Евразия и большая часть Североамериканского континента к концу столетия значительно прогрелись до 4°С. В заключительный период 1988-2014 гг. наблюдается потепление на континентах до 2-3°С и охлаждение в акватории Северной Атлантики и особенно в районе Алеутской депрессии, где ДТ= -2°С.
В июле перестроечные процессы выражены слабее, наблюдается мозаичная структура распределения аномалий температуры в начале периода потепления в Арктике и Северной Америке и лишь период 1988-2014 гг. относительно 19601987 гг. отличается заметным ростом температуры на Европейском континенте, на территории США, востоке Евразии. Температура на океанической поверхности Тихого океана понизилась.
Обращает на себя внимание разница в поле приповерхностной температуры между сушей и океаном. Разность между температурами 19601987 и 1930-1959 гг. выявила в основном слабое похолодание практически на всей территории
СП. Разность между 1988-2014 гг. и 1960-1987 гг. выявила слабый рост температуры (+1°) над отдельными континентальными регионами.
Разница между полями давления в январе в периоды 1930-1959 гг. и 1900-1929 гг. (рис. 5) указывает на понижение Р в центральной Арктике (ДР=-5 гПа), в области Алеутской депрессии (ДР=-3 гПа) и рост в полосе от запада Североамериканского континента до Чукотки с очагами на Гренландии (ДР=5 гПа), в Сибири (ДР=3 гПа), остальная территория СП занята слабым понижением в поле давления (на 1 гПа). Особенно резкие изменения произошли между 1988-2000 гг. и 1960-1987 гг. (рис. 6). Большая часть Североамериканского континента, весь Арктический район с примыкающей Северной Атлантикой и Азиатский континент заняты отрицательной аномалией давления. Очаги отмечаются в районе Исландской депрессии (-7 гПа) и в районе Сибирского максимума (-7 гПа). В это же время наблюдается некоторое ослабление Алеутской депрессии (слабый рост давления), усиление Азорского максимума (+3 гПа) и рост Р в Средиземноморье ДР (+3 гПа).
Рис. 4. Разности средних значений температуры периодов 1988-2000 и 1960-1987 гг. в январе (слева) и в июле (справа)
Рис. 5. Разности средних значений давления периодов 1930-1959 и 1900-1929 гг. в январе (слева) и в июле (справа)
В июле произошло наиболее существенное понижение Р в центре Арктики на 5 гПа в период 1930-1959 гг. по сравнению 1900-1929 гг. и в целом достаточно умеренное по СП. В заключительный период 1988-2000 гг. по сравнению с 1960-1987 гг. над Северной Атлантикой давления слабо падает (-1 гПа), над акваторией северной части Тихого океана, происходит слабый рост Р (+1 гПа). В районе Китая сформировался очаг с падением Р на 3 гПа. Таким образом, перестройка барического поля происходит более радикально в зимний период, чем в летний, что сказывается на структуре и интенсивности поля скоростей ветра.
Для оценки геометрического сходства полученных за разные периоды полей аномалий температуры воздуха и атмосферного давления использовался известный критерий аналогичности р:
Р =
(я+ -П-) к
(1)
где k - общее количество узлов регулярной сетки, п - количество узлов, где знаки аномалий двух полей совпадают, п - количество узлов, где знаки аномалий полей противоположные. Значения критерия изменяются в пределах -1 < р <1.
Рассчитанные значения р за различные периоды ХХ-ХХ1 столетий для полей аномалий температуры и давления для широтной зоны 27.5-67.5°с.ш. представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы, в поле температуры наиболее тесно связаны значения разностей полученных для двух соседних периодов III и IV, р=0.86 в январе и в июле р=0.79. В январе в целом сходство в рассматриваемых полях не столь велико (р меняется в пределах от -0.19 до 0.22). В июле значения р заметно возрастают, колеблются в переделах от -0.39 до 0.44, что свидетельствует о более стабильном характере процессов.
Для давления показатели р меняются в диапазоне от -0.35 до 0.26 в январе и от -0.02 до 0.17 в июле, т.е. совпадение значений разностей Р в различные периоды в узлах не столь велико.
Рассмотрим многолетнее поведение сглаженных с помощью фильтра Поттера временных рядов температуры воздуха и атмосферного давления (низкочастотных компонент с периодом более 20 лет) в центрах действия атмосферы СП и на территории Приволжского федерального округа (ПФО) в период 1900-2014 гг.
Рис. 6. Разности средних значений давления периодов 1960-1987 и 1988-2000 гг. в январе (слева) и в июле (справа)
В области Исландского минимума в январе НЧК температуры и давления испытывают небольшие колебания (рис. 7). Начиная с 1980-х годов, температура повысилась до -6.5°С примерно на 1.2°С, а давление после достижения своего максимума в 1960-1967 гг. (~1004 гПа) стало понижаться, опустившись к концу рассматриваемого периода до 999 гПа. Безусловно, кривая давления отражает более сложную динамику, чем кривая температуры. В июле температура воздуха, начиная с 1990 г. по настоящее время, находится в активной фазе роста (по НЧК) повысилась с 5.5 до 7.3°С, и если раньше давление и температура колебалась в противофазе (19101960 гг.), то в заключительный период давление также испытывает слабый рост и достигло 1011 гПа. Минимальное значение давления (1008 гПа) приходится на 1925 г.
Таблица 1. Значения показателя подобия полей аномалий температуры и давления за различные
периоды (27.5-67.5°с.ш.)
Период Январь Июль
Для температуры
I II III IV I II III IV
I 1 -0.19 0.16 0.22 1 -0.39 0.28 0.44
II -0.19 1 0.15 0.17 -0.39 1 -0.18 -0.19
III 0.16 0.15 1 0.86 0.28 -0.18 1 0.79
IV 0.22 0.17 0.86 1 0.44 -0.19 0.79 1
Январь Июль
Период Для давления
I II III I II III
I 1 0.26 -0.33 1 -0.02 -0.09
II 0.26 1 -0.35 -0.26 1 0.17
III -0.33 -0.35 1 -0.09 0.17 1
Примечание: для температуры рассмотрены разности между периодами: 1-(1930-1959)-(1900-1929); П-(1960-1987)-(1930-1959); Ш-(1988-2000)-(1960-1987); ^-(1988-2014X1960-1987);
Для давления соответственно рассмотрены периоды:
1-(1930-1959)-(1900-1929); П-(1960-1987)-(1930-1959); Ш-(1988-2000)-(1960-1987).
Рис. 7. Многолетний ход давления (черная линия) и температуры воздуха в области Исландского
минимума в январе (слева) и в июле (справа)
В районе Азорского максимума (рис. 8) в январе картина более сложная, чем для Исландского минимума: происходят волнообразные колебания Р и Т, при этом с 1965 г. давление растет с 1018 гПа до 1024 гПа (1990 г.), а затем слабо понижается и в конце периода стабилизируется. Температура с 1975 г. повысилась от 15.6 до 16.5°С в 2005 г. и далее стала слегка понижаться. В июле наблюдаются плавные слабые изменения термодинамических параметров, при этом, начиная с 1980 г., температура слегка растет и достигает 22.4°С, а давление испытывает слабое падение (до 1025.6 гПа).
Что касается Сибирского максимума, то здесь бросается в глаза резкое январское понижение давления с конца 1960-х годов (с 1039 гПа до
1030.5 гПа в 1994 г. После этого давление стало расти и достигло 1036 гПа в конце периода. Температура изменялась в противофазе с давлением и испытывала, начиная с 1930-х годов до 1995 г., весьма заметный рост (с -25.6 до -22.2°С). В заключительной фазе наблюдается слабое понижение НЧК температуры.
Европейская часть России, включая ПФО, в зимнее время часто подвергается воздействиям со стороны Северной Атлантики. Согласно (Переведенцев и др., 2014; Переведенцев и др., 2013), обнаруживается достаточно тесная корреляция между циркуляционными модами САК и АО, с одной стороны, и температурой воздуха и атмосферным давлением ПФО, с другой. Многолетний ход НЧК давления и температуры представлен
Рис. 8. Многолетний ход давления (черная линия) и температуры воздуха в области Азорского
максимума в январе (слева) и в июле (справа)
Рис. 9. Многолетний ход давления (черная линия) и температуры воздуха (красная линия) на территории ПФО в январе (вверху) и в июле (внизу)
на рис. 9. Как видно из рисунка, в январе Р и Т меняются в противофазе. При этом визуально можно выделить 3 периода в ходе кривых: 19001930, 1930-1980 и 1980-2014 гг. Средний период отличается своей неустойчивостью, в последнем периоде температура интенсивно повышалась с 1970 по 2005 г. с -15,8 до -11,4°С (в последние годы происходит ее снижение), давление, начиная с 1990г. растет с 1017 до 1025 гПа. Таким образом, зимний процесс отличается своей активностью на территории ПФО.
В июле колебания Р и Т происходят достаточно плавно. В последние десятилетия температура повышается, а давление с 2004 г. слабо падает. Анализ НЧК температуры и давления позволяет оценить долгопериодные колебания, обусловленные циркуляционными факторами.
Заключение
Построены климатические карты распределения температуры воздуха и атмосферного давления в январе и июле во внетропических широтах Северного полушария (20-90°с.ш.). Выполнен мониторинг изменения температуры воздуха и атмосферного давления, осред-ненных в широтной зоне 32.5-67.5°с.ш. в январе, июле и в целом за год за период 1900-2014 гг.
Анализ температуры воздуха и давления по периодам выявил противофазный характер их поведения: так в начале века (1900-1929 гг.) в поле давления преобладала тенденция к росту, а в поле температуры воздуха к ее снижению. Похолодание происходило на фоне высокого давления. В период 1988-2000 гг. напротив, потепление кли-
мата происходило на пониженном фоне атмосферного давления.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 15-05-06349).
Список литературы
1. Вакуленко Н.В., Нигматуллин Р.И., Сонечкин Д.М. К вопросу о глобальном изменении климата // Метеорология и гидрология. 2015. №9. С. 89-97.
2. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. М.: Росгидромет, 2014. 1008 с.
3. Переведенцев Ю.П., Мохов И.И., Елисеев А.В. Теория общей циркуляции атмосферы. Казань: Изд-во Казан. ун-та,
2013. 223 с.
4. Переведенцев Ю.П., Шанталинский К.М., Аухадеев Т.Р., Исмагилов Н.В., Занди Р. О влиянии макроциркуляци-онных систем на термобарический режим Приволжского федерального округа // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2014. Т. 156. № 2. С. 156-169.
5. Переведенцев Ю.П., Шанталинский К.М., Важнова Н.А. Пространственно-временные изменения основных показателей температурно-влажностного режима в Приволжском федеральном округе // Метеорология и гидрология.
2014. №4. С.32-48.
6. Переведенцев Ю.П., Шарипова Р.Б. Изменение основных климатических показателей на территории Ульяновской области // Вестник Удмуртского университета. Сер. Биология, Науки о Земле. 2012. №6. С.120-126.
7. Brohan P., Kennedy J.J., Harris I., Tett S.F.B., Jones P.D. Uncertainty estimates in regional and global observed temperature changes: A new dataset from 1850 // J. Geophys. Res. 2006. V. III. Р. 1-35.
8. Charvatova I. Solar-terrestial and climatic phenomena in relation to solar inertial motion // Surv.Geophys. 1997. V.18. Р.131-136.
9. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. / T.F.Stocker, D.Qin, G.-K.Plattner, et al. (eds). Cambridge, UK and New York,
NY, USA, Cambridge University Press. 2013. 1535 p.
10. Jones P.D., New M., Parker D.E., Martin S., Rigor I.G. Surface air temperature and its variations over the last 150 years // Rev. Geophys. 1999. V. 37. P. 173-199.
11. Rayner N.A., Brohan P., Parker D.E. et al. Improved changes and uncertainties in marine temperature measured in situ since the mid-nineteenth century: the HadSST2 dataset // J. Climate. 2006. V.19. P. 446-469.
12. Wallace J.M., Thompson D.W.J. Annual models and climate prediction // Physics Today. 2002. V.55. №2. P. 28-33.
13. Wallace J.M., Zhang Y., Bajuk L. Interpretation of inter-decadal trends in Northern Hemisphere surface air temperature // J. Climate. 1966. V. 9. P. 249-259.
Yu.P. Perevedentsev, T.R. Auhadeev, K.M. Shantalinskii. Spatial and temporal variability of atmospheric pressure and air temperature in the Northern Hemisphere.
We consider the spatial-temporal changes of at-
mospheric pressure fields and surface temperature of the air in the extratropical latitudes of the Northern Hemisphere) between 1900-2014. To evaluate the adjustment of meteorological fields in the area of latitudinal zone 20-90° of northern latitude, determined the difference in atmospheric pressure fields and surface temperature, averaged over the time interval. It revealed that the greatest similarity between the fields is marked in the two adjacent periods 19882000 and 1988-2014. Analyses of a long-term course of the low-frequency components of air temperature and atmospheric pressure in the center of the action of atmosphere in the Volga Federal District allowed to establish their antiphase character due to the influence of circulating factors.
Keywords: atmospheric pressure; air temperature; average difference values; centers of atmospheric action; low-frequency component.
