CC BY
82
2008
Известия ТИНРО
Том 152
УДК 551.58
Т.А. Шатилина; Г.Ш. Цициашвили, Т.В. Радченкова
ТИНРО-центр; ИПМ ДВО РАН, г. Владивосток tinro@tinro.ru; guram@iam.dvo.ru
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КЛИМАТИЧЕСКИХ ТРЕНДОВ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ПО ОТДЕЛЬНЫМ СТАНЦИЯМ
ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
По наблюдениям за текущей температурой методом наименьших квадратов строится оценка (а, b) коэффициентов (c, d) уравнения линейного тренда. Сравнительный анализ изменений температуры воздуха на отдельных станциях Дальнего Востока за период 1881-2006 гг. показал различие тенденций и вариаций температуры воздуха для каждого периода и сезона. Количественные оценки в изменении приземной температуры воздуха, выявленные с помощью коэффициента флюктуации a/s, находят физическое объяснение.
Shatilina T.A., Tsitsiashvili G.Sh., Radchenkova T.V. Comparative analysis of climatic trends for air temperature on certain meteorological stations in the Far East // Izv. TINRO. — 2008. — Vol. 152. — P. 282-288.
Linear trends of air temperature on four meteorological stations in the Far East region are determined from the annual mean data for 1881-2006 using the least-squares method. The trends inclinations (yearly increments) a and standard deviations of real data from trends s are calculated. The tendencies of air temperature changes are described by the a/s value. These tendencies were different for different seasons; moreover, they changed within the period of investigation. Physical reasons for these differences are discussed.
Введение
Изучению климатических трендов посвящено значительное количество публикаций. В большинстве этих работ рассматриваются климатические тренды температуры воздуха для всего северного полушария и делается заключение о глобальном потеплении (Израэль и др., 2001; Folland et al., 2001).
Региональные климатические изменения температуры воздуха на Дальнем Востоке исследовались в работах Н.М. Пестеревой, Е.Г. Пушкиной (1998), Л.А. Гайко (2005), В.И. Пономарева с соавторами (2005), С.М. Варламова с соавторами (1998). Ими были установлены некоторые тенденции в вековом ходе температуры воздуха для Азиатско-Тихоокеанского региона. Основной целью этих работ было выявление значимых линейных трендов средних месячных значений приземной температуры воздуха. Такие важные моменты,
как соотношение трендовой составляющей и межгодовых флюктуаций, не исследовались.
Внутригодовые особенности в изменении трендов и сравнительный анализ по отдельным станциям и более коротким периодам также изучены недостаточно. Тем не менее при анализе векового хода температуры видно, что существуют периоды, различающиеся тенденциями в изменении, и что заметный тренд появляется в определенные сезоны.
Основная цель настоящей работы — определить преобладание межгодовых флюктуаций температуры воздуха над трендовой составляющей, выявить внут-ригодовые различия в тенденциях изменения температуры воздуха для отдельных станций Дальнего Востока и по отдельным периодам.
Материалы и методы
Данные о температуре воздуха взяты за период 1881-2006 гг. из архива www.giss.nasa.gov/data/update/gistemp/station_data/ для четырех станций Дальнего Востока: Владивосток (43,10 с.ш. 1310 в.д.), Саппоро (430 с.ш. 1410 в.д.), Немуро (42,30 с.ш. 145,60 в.д.) и Токио (35,70 с.ш. 139,80 в.д.).
В настоящей работе по наблюдениям за текущей температурой T(t), t = 1, ..., n, методом наименьших квадратов строится оценка a, b коэффициентов c, d уравнения линейного тренда T = ct + d, минимизирующая функцию
s(c, d ) = 1 X (T (t )-(ct + d ))2 (0c). \nt=i
Здесь a характеризует изменение тренда за единицу времени (1 год). Тогда среднеквадратичное отклонение линейного тренда T = at + b от текущей температуры (флюктуация температуры) определяется величиной s = s(a, b), вычисленной при оптимальных значениях a, b. В работе количественная оценка тенденций изменчивости температуры воздуха для разных периодов лет определяется с помощью величины a/s, характеризующей отношение регулярного изменения температуры воздуха за один год к ее флюктуации. Эта величина вводится нами впервые. Назовем ее региональным индексом флюктуации климатического параметра. Чем больше эта величина, тем больше влияние трендовой составляющей на изменение температуры воздуха, чем она меньше — тем больше в изменчивость температуры воздуха вносят вклад межгодовые флюктуации. Вычисления проведены в программе Excel.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлена кривая внутригодового хода величины a/s для векового ряда (1881-2006 гг.) на двух станциях Дальнего Востока: Владивосток, расположенной в умеренной зоне, и Токио, расположенной на о. Хонсю в субтропической области. Температурный режим в этих районах определяется разными воздушными массами.
га
Рис. 1. Внутригодовой ход величины a/s на станциях Токио и Владивосток в 1881-2006 гг.
Fig. 1. Parameter changes of a/s in the stations of Tokyo and Vladivostok from 1881 to 2006
9 10 11 12 Месяц
Владивосток
Видно значительное различие на станциях величины а/в, характеризующей отношение регулярного изменения температуры воздуха за год к ее флюктуации. Наибольшие индексы отмечаются на ст. Токио в мае, октябре и ноябре (они достигают более 0,03), а для Владивостока эта величина изменяется незначительно (максимальное значение достигает 0,01). Из всего этого можно сделать вывод, что наиболее значительные климатические изменения в вековом периоде происходили в субтропической области, а наименее — в умеренной, где преобладала межгодовая изменчивость температуры воздуха. Для демонстрации полученных результатов на рис. 2 представлен сравнительный ход аномалий температуры воздуха в мае для станций Владивосток и Токио.
3
1880 1910 1940 1970
—•— Владивосток Токио
2000
Рис. 2. Аномалии температуры воздуха на станциях Владивосток и Токио в мае 1881-2005 гг.
Fig. 2. Temperature air anomalies in Vladivostok and Tokyo in May of 1881-2005
На ст. Токио выделяются два периода лет с различными значениями аномалий температуры воздуха в мае: первый — 1881-1949 гг., когда аномалии температуры воздуха достигали значительных отрицательных значений (более 3 0С), и второй — 1950-2005 гг., когда наблюдался рост температуры. Эти изменения были причиной роста угла наклона тренда в мае. Во Владивостоке заметного векового тренда в мае нет (низкие значения угла наклона), но видно, что внутри векового ряда такие тенденции проявляются.
Разбиение векового ряда температуры воздуха на два 50-летних существенно меняет статистические характеристики. Так, на рис. 3 (a, b) представлена величина a/s для периода 1881-1950 гг. и 1951-2005 гг. для ст. Владивосток, Токио, а также еще для двух, расположенных на побережье о. Хоккайдо — Саппоро и Немуро (вековой период для этих станций не рассматривается).
Отношение a/s имеет разные значения на всех станциях и различается для выбранных периодов. Так, в 1881-1950 гг. наибольшие коэффициенты a/s были на станциях Токио и Саппоро, а наименьшие — на станциях Владивосток и Немуро. В 1951-2005 гг. наибольшие величины a/s наблюдались в Токио, в январе и в октябре они достигали 0,05. Во второй половине 20-го века усилилось значение трендовой составляющей во Владивостоке в зимний период. На рис. 3 (b) видно, что усилилось влияние трендовой составляющей на японских станциях в октябре и ноябре. Для демонстрации наших расчетов на рис. 4 представлен межгодовой ход аномалий температуры воздуха для станций Владивосток и Токио за длительный период 1881-2005 гг. и по 50-летним периодам для ст. Токио (наибольшие вариации a/s).
0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0
-0,005 -0,01 -0,015
а Л
f 1
* 1 * ft'
« -Г* * ♦ %
1 ■ • » « Л Ъ
У \
V £ с
\ V —• -V \ \
N \
- Heмуро . Владивосток
■ Токио -■Саппоро
0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
-0,01
b
ч г г», ч *
• л \ •
* > » ; 4 ш * Г
\ •к 4 \ V;
\ / /■'Л V У
J •
^ ^ ¿V V ^ / # о* ^
-Немуро - -•- .Токио ■ Владивосток ■--»- -■ Саппоро
Рис. 3. Внутригодовой ход величины a/s для периодов 1881-1950 (а) и 19512005 (b) гг. по станциям Владивосток, Токио, Саппоро, Немуро
Fig. 3. Parameter changes of a/s from the period (a) 1881-1950 and 1951-2005 (b) in Vladivostok, Tokyo, Sapporo and Nemuro stations
1881
1901
1921
1941
-- Владивосток
1961
■ Токио
1981
2001
Рис. 4. Ход аномалий температуры воздуха во Владивостоке и Токио в январе 18812006 гг. (а) и температуры воздуха на ст. Токио в январе 18811950 гг. (b), 1951-2006 гг. (с) Fig. 4. Temperature air anomalies in Vladivostok and Tokyo station in J anuary 18812006 (a); temperature air anomalies of Tokyo station in January 1881-1950 (b); temperature air anomalies of Tokyo station in January 1951-2006 (c)
0,0441 x + 4 0283
1881 1891 1901 1911 1921 1931 1941
1951
1961
1971
1981
1991
2001
Кривая хода аномалий температуры воздуха на станциях Владивосток и Токио отражает результаты, полученные с помощью коэффициента а. Видно, что на всем протяжении века тренд на ст. Токио более заметен, чем во Владивостоке, что связано с преобладанием внутригодовых флюктуаций на ней (см. рис. 1). Данные о ходе температуры воздуха и линейные уравнения тренда на ст. Токио, представленные для 50-летних периодов (см. рис. 4, Ь, с), демонстрируют разные вклады трендовой составляющей в зимний период этих 50-летий. Рост угла наклона тренда обеспечивается повышением температуры воздуха в 1990-е гг., когда и для Северного полушария наблюдался рост температуры.
Кроме того, мы попытались вычислить различие вклада трендовой составляющей для периодов 25-30 лет. На рис. 5 представлены расчетные данные коэффициента а/в для этих периодов.
m Токио - _ .Влад ив осток Токио . . .Владив ос ток
. То кио - _ .Влад ив осток « То кио - - .Владив осток
Рис. 5. Внутригодовой ход величины a/s для Владивостока и Токио: a — 19011925 гг.; b — 1926-1950 гг.; c — 1951-1975 гг.; d — 1976-2006 гг.
Fig. 5. Parameter changes of Vladivostok and Tokyo station: a — 1901-1925; b — 1926-1950; c — 1951-1975; d — 1976-2006
В начале века для этих станций наибольшая величина a/s отмечалась в июле: для Токио это значение составило 0,10, а для Владивостока — 0,06, т.е. в июле этого климатического периода происходил существенный рост температуры воздуха, видимо, вызванный усилением гавайского антициклона. Нельзя не отметить также согласованность хода тенденций в изменении температуры для первых двух периодов. В 1926-1950 гг. наибольшие вариации температуры воздуха в Токио наблюдались в мае и сентябре, т.е. усиление влияния субтропических масс воздуха отмечено в переходные сезоны (весна и осень). Во Владивостоке наибольшие вариации были в апреле. В начале второй половины 20-го века (1951-1975 гг.) отношение a/s также отличалось от величин a/s двух предыдущих периодов: наибольшие тенденции в изменении температуры воздуха смещаются на зимний сезон. В последний период (1976-2006 гг.) наибольшее значение a/s наблюдалось в сентябре, его величина для Владивостока превысила таковую для Токио. Для демонстрации полученных результатов на рис. 6 представлена кривая аномалий температуры воздуха на станциях Владивосток и Токио в сентябре (базовый период для расчета нормы 1971-2000 гг.). Виден устойчивый положительный тренд температуры воздуха на ст. Владивосток, на ст. Токио температура повышается, но наличие значительных межгодовых
флюктуаций (з увеличивается) уменьшает величину а/5. Рост угла наклона тренда в Токио обеспечивают два максимума — 1989 и 1999 гг.
Рис. 6. Ход аномалий температуры воздуха на станциях Владивосток и Токио в сентябре 1976-2005 гг.
Fig. 6. Temperature air anomalies in Vladivostok and Tokyo stations, in S eptember 19762005
^^Владивосток —"—Токио
Полученные с помощью метода линейного регрессионного анализа результаты в тенденциях изменения приземной температуры воздуха можно объяснить изменчивостью атмосферной циркуляции над Азиатско-Тихоокеанским регионом. Так, 50-летние изменения температуры воздуха согласуются с изменчивостью форм атмосферной циркуляции по типизации Г.Я. Вангенгейма (1952), в ходе которой отмечались 50-летние циклы усиления повторяемости восточной формы Е и ослабления повторяемости западной формы W (Груза, Ранькова, 1996; Горя-инов, Шатилина, 2003).
Рост температуры воздуха в январе 1951-2006 гг. согласуется со смещением высотной фронтальной зоны на север, сопровождающимся ростом геопотенциала Н500 над центральной частью второго естественно синоптического района (рис. 7). Данные для расчета аномалий геопотенциала взяты из архива NCEP/NCAR Reanalysis. Отметим, что в очагах роста Н500 в приземном поле наблюдается повышение температуры воздуха.
15,000 п
Рис. 7. Аномалии геопотенциала H500 на 1400 в.д. 3 0400 с.ш. в январе
Fig. 7. G eopotential anomalies of H500 in January in 140o E, 30-40" N
♦ 30 с.ш. ■ 40 с.ш. - - *- - 35 с.ш.
Значительный рост температуры воздуха в сентябре на ст. Владивосток можно объяснить изменениями в режиме азиатской депрессии в теплое полугодие, резким ростом атмосферного давления в ее климатическом центре (рис. 8). Данные для расчета аномалий приземного давления взяты из архива Reanalysis. На рис. 8 видно, что в последний климатический период влияние на климат гавайского антициклона ослабевает, а муссонной азиатской депрессии усиливается. Теплые воздушные массы континентального происхождения в последний период оказывали доминирующее воздействие на формирование климата Дальневосточного региона.
10,000
-20,000
1946
1956
1966
1976
1986
1996
1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Рис. 8. Аномалии приземного давления в климатических центрах азиатской депрессии (1) и гавайского антициклона (2) в сентябре в 1950-2003 гг.
Fig. 8. Surface pressure anomalies in climatic centers of Asiatic depression (1) and Hawaiian anticyclone (2) in September 1950-2003
Заключение
Сравнительный анализ изменений температуры воздуха на отдельных станциях Дальнего Востока показал различие тенденций и вариаций температуры воздуха для каждого периода, сезона и станций. Наиболее высокие значения климатического индекса флюктуации наблюдались для ст. Токио, для которой наблюдаются самые низкие значения среднеквадратического отклонения (s), за исключением последнего периода 1976-2006 гг., когда наибольшие вариации были на ст. Владивосток. Этот результат характеризует режимный сдвиг второй половины 1970-х гг. который, в свою очередь, связан с аномальным ростом приземного давления в области азиатской депрессии.
Количественные оценки изменения приземной температуры воздуха, выявленные с помощью отношения a/s, находят физическое объяснение, что свидетельствует о правомочности введенного нами отношения. Коэффициент a/s, характеризующий степень роста температуры воздуха в разные циркуляционные эпохи, в сжатой форме выявляет основные закономерности в изменчивости температуры воздуха и, по нашему мнению, может применяться для других климатических параметров.
Список литературы
Вангенгейм Г.Я. Основы макрометеорологического метода долгосрочных метеорологических прогнозов для Арктики // Тр. ААНИИ. — 1952. — Т. 34.
Варламов С.М., Ким Е. С., Хан Е.Х. Современные изменения температуры в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке России // Метеорол. и гидрол. — 1998. — № 1. — С. 19-28.
Гайко Л.А. Особенности гидрометеорологического режима прибрежной зоны зал. Петра Великого (Японское море). — Владивосток: Дальнаука, 2005. — 151 с.
Горяинов А.А., Шатилина Т.А. Динамика уловов азиатской горбуши в основных промысловых районах и макросиноптические процессы над северным полушарием в 20-м веке // Вест. ДВО РАН. — 2003. — Вып. 1. — С. 20-31.
Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Климатическая изменчивость повторяемости и продолжительности основных форм циркуляции в умеренных широтах Северного полушария // Метеорол. и гидрол. — 1996. — № 1. — С. 12-22.
Израэль Ю.А., Груза Г.В., Катцов В.М., Мелешко В.П. Изменение глобального климата. Роль антропогенных воздействий // Метеорол. и гидрол. — 2001. — № 5. — С. 5-22.
Пестерева Н.М., Пушкина Е.Г. Современные изменения климата охотоморского региона // Тр. Арктического регионального центра. — 1998. — Т. 1. — С. 11-30.
Пономарев В.И., Каплуненко Д.Д., Крохин В.В. Тенденции изменений климата во второй половине 20-го века в Северо-Восточной Азии, на Аляске и северо-западе Тихого океана // Метеорол. и гидрол. — 2005. — № 2. — С. 15-26.
Folland C.K., Rayner N.A., Brown S.J. et al. Global temperature change and its uncertainties since 1861 // Geophys. Res. Lett. — 2001. — Vol. 28, № 13. — P. 2621-2624.
