Зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря протягом ХХ століття і перетворення погодних умов на території України

Размещено на http://www.allbest.ru/9196

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

ЗМІНИ ВЕЛИКОМАСШТАБНОЇ АТМОСФЕРНОЇ ЦИРКУЛЯЦІЇ ПОВІТРЯ ПРОТЯГОМ ХХ СТОЛІТТЯ І ПЕРЕТВОРЕННЯ ПОГОДНИХ УМОВ НА ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Свердлик Тетяна Олександрівна

УДК 551.54:551.513.3:551.515(477)

КИІВ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті Міністерства екології та природних ресурсів України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Мартазінова Вазіра Файзулівна, Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, зав. відділу кліматичних досліджень та довгострокового прогнозу погоди

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, професор Буйков Михайло Васильович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри метеорології та кліматології

Доктор географічних наук Полонський Олександр Борисович, Морський гідрофізичний інститут НАН України

Провідна установа: Одеський гідрометеорологічний інститут Міністерства освіти України

Захист відбудеться “ 30 “ листопада 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 03022 м. Київ - 22, вул. Васильківська, 90. Географічний ф-т.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка, м. Київ, вул. Васильківська, 90. Географічний ф-т.

Автореферат розісланий “ 27 “ жовтня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Гребінь В.В.

Анотація

атмосферний циркуляція погодний

Свердлик Т.О. Зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря протягом ХХ століття і перетворення погодних умов на території України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено вивченню характеру змін великомасштабної атмосферної циркуляції, сформованих нею регіональної циркуляції і погодних умов на території України протягом ХХ століття з метою прогнозування їх подальшого перетворення.

На основі методу фактичних баричних полів-еталонів в роботі запропоновано новий підхід до вивчення клімату і особливостей великомасштабної атмосферної циркуляції, який дозволяє визначити найбільш імовірний атмосферний процес досліджуваного періоду. Визначено можливий стан атмосферної циркуляції і погодних умов на території України в найближчі десятиліття.

Ключові слова: атмосферна циркуляція, центри дії атмосфери, еталонне баричне поле, найбільш імовірні атмосферні процеси, погодні умови, клімат.

Свердлик Т.А. Изменения крупномасштабной атмосферной циркуляции воздуха в течение ХХ столетия и преобразование погодных условий на территории Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2000.

Диссертация посвящена изучению характера изменений крупномасштабной атмосферной циркуляции, формируемых ею региональной циркуляции и погодних условий на территории Украины в течение ХХ столетия с целью прогнозирования их дальнейшего преобразования.

На основе метода фактических барических полей-эталонов в работе предложен новый подход к изучению климата и особенностей крупномасштабной атмосферной циркуляции, который позволяет определить наиболее вероятный атмосферный процесс исследуемого периода. Определено возможное состояние атмосферной циркуляции и погодных условий на территории Украины в ближайшие десятилетия.

Ключевые слова: атмосферная циркуляция, центры действия атмосферы, эталонное барическое поле, наиболее вероятный атмосферный процес, погодные условия, климат.

Sverdlik T. Changes of large-scale atmosphere circulation during XX century and transformation of the weather conditions on the territory of Ukraine. - Manuscript.

Dissertation submitted for a Doctor of philosophy in Geographical Science, specialized field 11.00.09 - Meteorology, climatology, agrometeorology. - Kiev National University, Kiev, 2000.

The dissertation is devoted to research of changes of the large-scale atmosphere circulation, regional air circulation and weather conditions on the territory of Ukraine during the XX century and to prediction their future transformation.

At first, it has been suggested the new approach to study climate and large-scale atmosphere circulation, that is based on the pressure patterns ethalon method. The ethalon characterizes the most probable atmosphere process of certain period. It has been determined possible state of atmosphere circulation and weather condition on the territory of Ukraine at the nearest decades.

Key words: atmosphere circulation, centres of action, pressure patterns ethalon, the most probable atmosphere process, weather conditions, climate.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації. Однією з найважливіших проблем науки ХХ століття є дослідження зміни клімату і його прогноз як у зв'язку з винятковою важливістю для життя людства, так і внаслідок складності цієї проблеми. Дисертаційна робота присвячена дослідженню зміни великомасштабної і регіональної атмосферної циркуляції повітря протягом століття та її впливу на перетворення клімату України. В роботі вирішується фундаментальне і практично важливе завдання метеорології - вивчення характеру зміни атмосферної циркуляції від тридцятиліття до тридцятиліття, в залежності від особливостей вікового ходу глобальної температури, і від десятиліття до десятиліття в другій половині ХХ століття - з метою виявлення можливостей для прогнозу подальшого перетворення атмосферної циркуляції повітря і пов'язаних з нею погодних умов на території України. Прогноз зміни клімату України в найближчі десятиліття сприяє успішному розвитку різних галузей економіки, особливо сільського господарства і енергетики, і є основою раціонального довгострокового планування розвитку країни. Знаходження основ прогнозу клімату залежить від розуміння фізичних механізмів зміни атмосферної циркуляції повітря і врахування географічних умов формування, розвитку і зміни синоптичних макропроцесів.

Підтвердженням актуальності дослідженняі величезного інтересу вчених всього світу до проблеми клімату є організація і проведення міжнародних дослідницьких програм, які відіграли велику роль в створенні обширної емпіричної бази і активізації досліджень клімату. До ряду таких програм належать: Програма досліджень глобальних атмосферних процесів (ПДГАП), Всесвітня програма досліджень клімату (ВПДК) і експерименти, що проводяться в рамках цієї програми: Дослідження глобальної атмосфери і тропічної зони океану (ТОГА), Глобальний експеримент по циркуляції океану (ГЕЦО), Глобальний експеримент по вивченню енергетичного і водного циклу (ГЕКЕВ), а також Міжнародна програма “геосфера-біосфера” (МПГБ). В останні роки (з 1995 р.) розпочаті дослідження в рамках нової міждисциплінарної програми КЛІВАР по вивченню кліматичної мінливості і передбачуваності. Основними задачами цієї програми, які в свою чергу відображають також загальну спрямованість досліджень сучасної кліматології, є вивчення фізичних процесів, відповідальних за кліматичну мінливість і передбачуваність в масштабах десятиліть на основі насамперед емпіричного аналізу даних спостережень, а також розвитку математичного моделювання клімату і залучення даних палеокліматології. Розуміння закономірностей природної мінливості атмосферних процесів дозволить виявити ступінь їх антропогенної модифікації.

За теперішнього часу проблема прогнозу зміни клімату як в регіональному масштабі, так і в глобальному далека від вирішення. В більшості робіт дослідження зміни клімату обмежуються розглядом зміни температури повітря і опадів, при цьому приділяється незначна увага формуючому їх чиннику - атмосферній циркуляції повітря.

Подальший розвиток методів прогнозу клімату вимагає проведення досліджень, що дозволили б виділити в загальній зміні клімату його природну і антропогенну складові. На сучасному етапі ця задача до кінця не вирішена, проте останнім часом з'являється більше робіт, автори яких схильні відмічати природний хід зміни клімату (Сторх Х., Мартазінова В.Ф., Бенистон М., Барнет Т.П., Сонєчкін Д.М., Немаєс Дж. та інші).

Тому важливою для розробки методів прогнозу клімату є проблема вивчення особливостей зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря і погодних умов, що формуються нею, для цілей прогнозу їх майбутнього стану. Розв'язанню вищезазначених завдань і присвячена дисертаційна робота.

Робота проводилась у відповідності з галузевими планами науково-дослідних робіт Державного комітету України з гідрометеорології:

№ 0195U016959 “Диагноз и прогноз изменений климатических особенностей атмосферной циркуляции, температурного режима и осадков на территории Украины”, УкрНДГМІ (1997 р.); № 019811003932 “Изучить изменения метеорологического режима климатических зон Украины с учетом глобального потепления климата и изменений атмосферной циркуляции”, УкрНДГМІ (1999 р.); планами НДР № КП-3/98 розділу 3 Кліматичної програми України ”Дослідити режим клімату України, виявити основні кліматоутворюючі фактори глобального і регіонального масштабів, які обумовлюють його особливості по території республіки в цілому та окремих фізико-географічних зонах, розробити сценарії та прогноз змін регіонального клімату до 2050 р.”;

планами НДР розділу “Исследование короткопериодных колебаний атмосферных процессов над территорией Украины с учетом роли океана и антропогенной деятельности в Азово-Черноморском бассейне” державного проекту “Среда” національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, та інших районів Світового океану на період до 2000 року.

Мета і задачі дослідження. На основі дослідження характеру змін атмосферної циркуляції повітря в Атлантико-Європейському регіоні протягом ХХ століття та пов'язаних з ними змін погодних умов на території України визначити можливе перетворення великомасштабної, регіональної атмосферної циркуляції повітря і погодних умов на території України в найближчі десятиліття.

Для досягнення цієї мети були сформульовані такі основні наукові задачі:

Дослідження і виявлення основних особливостей стану та зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в Атлантико-Європейському регіоні та сформованих нею регіональної атмосферної циркуляції і погодних умов на території України в тридцятилітні періоди з різним характером зміни глобальної температури протягом ХХ століття.

Дослідження і виявлення основних особливостей стану та зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в Атлантико-Європейському регіоні та сформованих нею регіональної атмосферної циркуляції і погодних умов на території України в окремі послідовні десятиліття другої половини ХХ століття.

Побудова прогностичної схеми змін просторового розподілу баричних полів біля поверхні землі і погодних умов на території України в найближчі роки та десятиліття.

Наукова новизна одержаних результатів.

В роботі вперше виявлено і проаналізовано особливості великомасштабної атмосферної циркуляції повітря та сформованих нею регіональної атмосферної циркуляції і погодних умов на території України в окремі тридцятилітні періоди з різним характером зміни глобальної температури протягом ХХ століття.

Вперше встановлено, що зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в періоди глобального потепління на початку та наприкінці століття (1908-1944, 1977-2000 рр.) відносно періоду стабілізації в ході глобальної температури (1945-1976 рр.) мали однакову тенденцію, величина якої зросла вдвічі на кінець століття.

На основі методу фактичних баричних полів-еталонів запропоновано і вперше використано в дослідженні новий підхід до визначення характеристик великомасштабної атмосферної циркуляції повітря певного періоду, який, на відміну від середніх полів, дозволив отримати найбільш імовірний просторовий розподіл тиску біля поверхні землі і на середньому рівні тропосфери та відповідні фактичні погодні умови кожного місяця окремих послідовних десятиліть другої половини ХХ століття.

Розгляд перетворень еталонних баричних полів в наступні дні як Марковського процесу дозволив вперше визначити найбільш імовірні циркуляційні та погодні умови в період розвитку еталонного процесу для кожного десятиліття другої половини ХХ століття.

В роботі вперше встановлено, що зміна великомасштабної атмосферної циркуляції повітря від десятиліття до десятиліття в другій половині ХХ століття визначається поступовим зміщенням на схід кліматичних центрів дії атмосфери в усі сезони року, що виявляється в зміні як середніх, так і еталонних баричних полів. В результаті зміщення на схід субтропічного максимуму погодні умови на території України визначаються переважно областю підвищеного тиску субтропічного походження в усі сезони року і характеризуються аномально теплими зимами, протягом яких відмічаються опади переважно у вигляді дощу і мокрого снігу, та прохолодними літніми сезонами з тривалими посушливими атмосферними процесами і значною нестійкістю температурного режиму.

Для підтвердження висновку про зміщення на схід кліматичних центрів дії атмосфери в останні десятиліття вперше проведено аналіз амплітуд і фаз гармонік розкладу в ряд Фур'є меридіонально осереднених еталонних полів геопотенціалу на рівні 500 гПа окремих послідовних десятиліть другої половини ХХ століття, який показав, що зміщення на схід центрів дії атмосфери в зимовий сезон визначають гармоніки А_1, А_2, А_3, А₄, а в літній - гармоніки А_1, А₄.

В роботі вперше отримана оцінка тенденції зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря останнього десятиліття відносно двох попередніх на території Атлантико-Європейського регіону, яка вказує на поступову від десятиліття до десятиліття зміну атмосферної циркуляції та її найбільший прояв в останнє десятиліття.

На основі виявлених особливостей зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря протягом ХХ століття і з урахуванням тенденції зміни атмосферної циркуляції останнього десятиліття відносно двох попередніх вперше визначено можливе перетворення атмосферної циркуляції на території Атлантико-Європейського регіону і пов'язані з ним погодні умови на території України в найближчі десятиліття.

Обгрунтованість і достовірність одержаних результатів забезпечується використанням стандартних однорідних архівів метеорологічних даних і методів математичної статистики, теорій імовірності, розпізнавання образів, рядів Фур'є, перевіркою на незалежному матеріалі прогнозу зміни атмосферних процесів в найближчі роки.

Практичне значення отриманих результатів визначається, насамперед, великим значенням розуміння механізму перетворення атмосферної циркуляції повітря протягом ХХ століття і прогнозу подальшого перетворення стану великомасштабної атмосферної циркуляції повітря і, в результаті, погодних умов на території України в найближчі роки та десятиліття для всіх сфер життєдіяльності людини, включаючи довгострокове планування розвитку країни. В роботі для дослідження великомасштабної і регіональної атмосферної циркуляції вперше використані еталонні баричні поля, які, на відміну від середніх полів, дозволяють визначити найбільш імовірний атмосферний процес і відповідні фактичні погодні умови на території України.

Особистий внесок здобувача. Постановка наукового завдання дослідження зроблена здобувачем спільно з науковим керівником. В спільній з співавтором публікації здобувачу належить виконання поставлених науковим керівником задач та формулювання висновків. Здобувачем самостійно одержані наступні наукові результати:

Підготовлено для використання на ПК архів ВНДГМІ - СЦД щоденних баричних полів біля поверхні землі та на рівні 500 гПа за період 1964-1990рр.

Проведено аналіз стану великомасштабної атмосферної циркуляції повітря на території Атлантико-Європейського регіону, сформованих нею регіональної атмосферної циркуляції і погодних умов на території України в періоди з різним характером зміни глобальної температури протягом ХХ століття: в періоди первинного (1908-1944 рр.) і вторинного (1977-2000 рр.) глобального потепління та в період стабілізації в ході глобальної температури (1945-1976рр.)

Встановлено, що зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря від періоду до періоду, що виділені в залежності від вікового ходу глобальної температури, визначаються зміщенням на схід кліматичних центрів дії атмосфери.

Розраховані відхилення середніх місячних полів приземного тиску періодів первинного і вторинного глобального потепління від середніх полів періоду стабілізації в ході глобальної температури, які вперше дозволили встановити, що тенденція зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря зберігалась протягом століття, а її величина в останні десятиліття зросла вдвічі порівняно з початком століття.

На основі методу фактичних баричних полів-еталонів запропонований і використаний в дослідженні новий підхід до визначення характеристик великомасштабної атмосферної циркуляції повітря певного періоду, який дозволяє отримати найбільш імовірний тип просторового розподілу тиску і відповідні фактичні погодні умови в кожному місяці досліджуваного періоду.

Розраховані середні та еталонні баричні поля кожного місяця окремих послідовних десятиліть другої половини ХХ століття.

Досліджено перетворення еталонних баричних полів та їх погодних умов. Розгляд перетворень еталонних баричних полів як Марковського процесу дозволив визначити найбільш імовірні циркуляційні та погодні умови в період розвитку еталонного процесу для кожного десятиліття другої половини ХХ століття.

Встановлено, що зміна великомасштабної атмосферної циркуляції повітря від десятиліття до десятиліття в другій половині ХХ століття визначається поступовим зміщенням на схід кліматичних центрів дії атмосфери в усі сезони року, що виявляється в зміні як середніх, так і еталонних баричних полів. В результаті зміщення на схід субтропічного максимуму погодні умови на території України визначаються переважно областю підвищеного тиску в усі сезони року.

Розкладання в ряд Фур'є меридіонально осереднених еталонних полів геопотенціалу на рівні 500 гПа окремих десятиліть другої половини ХХ століття дозволило підтвердити зміщення на схід центрів дії атмосфери.

Розраховані відхилення середніх місячних полів приземного тиску останнього десятиліття від двох попередніх, які характеризують тенденцію зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря останнього десятиліття.

Вперше отримано прогноз стану великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в Атлантико-Європейському регіоні і пов'язаних з нею погодних умов на території України в найближчі п'ять років.

Розраховані еталонні баричні поля незалежної вибірки 1996-2000 рр.

Вперше отримано прогноз стану великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в Атлантико-Європейському регіоні і пов'язаних з нею погодних умов на території України в найближчі десятиліття (до 2025 р.)

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на: European Conference on Applied Climatology (Norrkoping, Sweden, 1996); GKSS Spring School on Environmental Research (Lauenburg, Germany, 1997); the First Sub-Regional Expert meeting on the Assessment of Climate Change Impacts on the Hydrological Cycles in south-eastern Europe (Sofia, Bulgaria, 1999); конференції молодих вчених національних гідрометслужб країн СНД (Москва, Росія, 1999 р.); наукових семінарах згідно з планами виконання робіт в рамках Кліматичної програми України №КП-3/98; в цілому дисертаційна робота була представлена і обговорювалася на розширеному засіданні секції метеорології Вченої Ради Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту (2000 р.)

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 4 наукових статтях (в рекомендованих ВАК України виданнях) і тезах 2 доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 132 сторінках машинописного тексту, містить 25 рисунків і 1 таблицю, складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (155 найменувань).

2. Зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність, наукова та практична значущість роботи, формулюються мета та задачі дослідження, викладаються основні положення та результати, що виносяться на захист.

У першому розділі дається критичний огляд стану досліджень зміни режиму температури повітря, опадів і атмосферної циркуляції. Насамперед розглядається еволюція змісту поняття “клімат” в процесі розвитку наукових уявлень про фактори і процеси його формування та методів визначення характеристик клімату. Атмосферна циркуляція повітря розглядається як основний фактор, що формує режим температури повітря і опадів окремих регіонів та їх глобальні характеристики. Проте, проведений автором аналіз робіт з досліджень змін клімату показав, що більша їх частина присвячена вивченню структури змін і мінливості тільки температури повітря і опадів. З моменту появи визначення клімату як осередненого стану атмосфери (Мон, 1875) середні значення метеоелементів залишаються основною характеристикою регіонального клімату. Але такий підхід не дозволяє отримати характеристики всіх властивостей клімату. Зональне осереднення полів швидкості вітру, температури, вологості, що використовується в діагностичних дослідженнях загальної циркуляції атмосфери, маскує явища з меридіональною мінливістю, які характеризують центри дії атмосфери (ЦДА). Для правильного розуміння регіонального клімату необхідно знання найбільш імовірних значень метеоелементів. Найбільш імовірний стан кліматологічних параметрів над регіоном формується найбільш імовірним станом атмосферної циркуляції, визначення якого належить до складної проблеми класифікації атмосферних процесів. Отже, розробка об'єктивної типізації атмосферної циркуляції дозволяє розширити дослідження зміни клімату і побудувати нові моделі його прогнозу.

Більшість сучасних сценаріїв майбутніх змін клімату будується на основі гіпотези про антропогенне посилення парникового ефекту з використанням різної складності кліматичних моделей, палеоаналогів, статистичної структури часового ряду глобальної температури відповідно до певної фізичної гіпотези. Проте моделювання проводиться без урахування можливого перетворення атмосферної циркуляції повітря, яка насамперед відповідає за стан майбутнього клімату. Відмічається також обмеженість використання палеоаналогів для прогнозу змін регіонального клімату, що виходить з неможливості використання навіть аналогічності періоду первинного сучасного потепління клімату для вторинного, випробуваного в даному досліджені.

У другому розділі докладно проаналізовано сучасний стан клімату України, який є результатом його змін протягом ХХ століття. В дисертаційному дослідженні клімат розглядається не тільки як сукупність погодних умов в певному регіоні або пункті, але і як найбільш імовірний стан великомасштабної атмосферної циркуляції повітря, яка формує найбільш імовірний стан регіональної циркуляції і пов'язані з ним погодні умови регіону. В пр. 2.1. дається фізико-географічна характеристика території України. Для характеристики кліматичних умов використовується розподіл по території України середніх сезонних температур повітря і добових сум опадів, а також кількості опадів за рік. В пр. 2.2. вивчається характер зміни основних кліматологічних величин - температури повітря і кількості опадів - на території України на кінець ХХ століття. Оцінка зміни зазначених величин проводиться за лінійним трендом на основі однорідних рядів даних 24 кліматичних станцій. Виявлено, що на кінець століття відбувається підвищення середньорічної температури повітря і збільшення річної кількості опадів практично по всій території України. Зростання січневої температури дає основний вклад в потепління на території України. Особливістю літнього сезону є зниження температури до до 1^оС в південних і західних районах країни. В пр. 2.3. досліджено зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря Атлантико-Європейського регіону і сформованих нею регіональної циркуляції та погодних умов на території України протягом ХХ століття. Для цього розраховані середні поля приземного тиску кожного місяця для наступних періодів з різним характером зміни глобальної температури: первинного і вторинного глобального потепління (1908-1944 рр. - ₁ і 1977-2000 рр. - ₃) і стабілізації в ході глобальної температури (1945-1976 рр. - ₂). Зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря від періоду до періоду зумовлені зміщенням на схід кліматичних ЦДА і визначають відмінності погодних умов на території України протягом виділених періодів. В холодний період року на початку століття під впливом сибірського антициклону знаходилася вся територія України, в середині століття - тільки її східна половина, а наприкінці століття вплив цього ЦДА зник. В теплий період року перетворення атмосферної циркуляції проявляється в розширенні на схід області азорського антициклону, під впливом якого на кінець століття опинилася більша частина території України. В результаті погодні умови на території України взимку на кінець століття помінялися на теплі з опадами переважно у вигляді дощу і мокрого снігу, а влітку - на більш прохолодні з значною мінливістю температури повітря і зростанням частоти внутрішньомасових опадів і гроз. Еволюція великомасштабної атмосферної циркуляції повітря протягом ХХ століття розглядається в пр. 2.4. Розрахунок відхилень значень середньомісячних полів приземного тиску двох періодів інтенсивного росту глобальної температури (₁ і ₃) від полів періоду стабілізації в її ході (₂) показав однакове географічне положення осередків додатніх і від'ємних відхилень в обох випадках. Абсолютна величина відхилень наприкінці століття перевищує їх значення на початку століття в два рази. Отже, вперше встановлено, що тенденція зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря зберігалась протягом століття, а її величина в останні десятиліття зросла вдвічі порівняно з початком століття.

Третій розділ присвячений дослідженню великомасштабної атмосферної циркуляції повітря другої половини ХХ століття. Основну увагу приділено аналізу стану кліматичних ЦДА та їх впливу на формування погодних умов на території України. В роботі використаний архів даних приземного тиску і геопотенціалу ізобаричної поверхні 500 гПа Північної півкулі ВНДГМІ-СЦД і УкрНДГМІ за період 1964-1995 рр. В пр. 3.1. докладно проаналізовано особливості великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в Атлантико-Європейському регіоні і сформованих нею регіональної циркуляції та погодних умов на території України трьох послідовних десятиліть другої половини століття: 1964-1973, 1974-1983, 1986-1995 рр. Для дослідження розраховані середні поля приземного тиску кожного місяця окремих десятиліть. Зміна великомасштабної циркуляції атмосфери від десятиліття до десятиліття в період вторинного глобального потепління (1974-1983, 1986-1995 рр.) відносно першого десятиліття, яке належить періоду стабілізації в ході глобальної температури, визначається поступовим зміщенням на схід кліматичних ЦДА в усі сезони року. В результаті зміщення на схід виступу азорського максимуму сучасні регіональна циркуляція повітря і погодні умови на території України формуються переважно областю підвищеного тиску субтропічного походження в усі сезони року. Стан ЦДА на середньому рівні тропосфери, де вони являють собою чергування висотних баричних гребенів і улоговин, об'єднаних планетарною висотною фронтальною зоною, розглядається в пр. 3.2. Для визначення положення ЦДА використаний метод осереднення геопотенціалу по кожному меридіану регулярної сітки, тобто представлення поля геопотенціалу поверхні 500 гПа інтегральною кривою. Зіставлення кривих окремих років останнього десятиліття і десятиліття в цілому з кривою середнього багаторічного (1950-1974 рр) розподілу геопотенціалу показало, що ЦДА останнього десятиліття розташовуються східніше їх положення в більш ранні роки на 20^о довготи. Внаслідок такого зміщення помінялися властивості сибірського максимуму і особливо змінилися зимові погодні умови на території України. Для оцінки тенденції зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря останнього десятиліття в пр. 3.3. розраховані відхилення середньомісячних полів приземного тиску 1986-1995 рр. від відповідних полів періодів 1974-1983 і 1964-1973 рр. окремо для кожного місяця. Зміна середньомісячних баричних полів останнього десятиліття відносно двох попередніх характеризується аналогічним просторовим розподілом додатніх і від'ємних відхилень. В другому десятилітті середнє баричне поле змінювалося з такою ж тенденцією, як і в останньому, але величина тенденції була незначною. Різкий стрибок в перетворенні поля тиску відбувся в останньому десятилітті. Відповідно до зміщення на схід азорського, заглиблення ісландського ЦДА і зникнення взимку на досліджуваній території сибірського антициклону протягом вторинного глобального потепління, в теплий і холодний періоди року відмічається зростання середньомісячного тиску над Середземномор'ям і Центральною Європою, зменшення тиску над Атлантичним океаном і значне зниження тиску взимку над північчю Східної Європи і Західним Сибіром. Розраховані відхилення використані в п'ятому розділі для визначення можливого стану великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в найближчі десятиліття.

В четвертому розділі вперше для дослідження клімату і аналізу особливостей великомасштабної атмосферної циркуляції повітря використано новий підхід, який полягає у визначенні найбільш імовірного атмосферного процесу в кожному місяці досліджуваного періоду. Дослідження і аналіз проведено на основі архіву щоденних баричних полів біля поверхні землі і на середньому рівні тропосфери, полів температури та опадів Північної півкулі і Атлантико-Євразійського регіону за період 1986-2000 рр., який створено в ВНДГМІ-СЦД і УкрНДГМІ. В пр. 4.1. послідовно викладено фізико-статистичний метод визначення еталонних баричних полів, які характеризують найбільш імовірний атмосферний процес. Поняття “еталон" відноситься до баричного поля, яке має найбільшу подібність (за критеріями аналогічності) з рештою полів в даній множині (Мартазінова В.Ф., 1998). Всі метеорологічні поля в електронній версії архіву подані у вигляді вектора:

X_i = {x_j }_i =(x_i1,x_i2,...,x_iN), i=1,2,...,K , j=1,2,...,N ,

де х_j - значення метеорологічної величини, N - відповідає кількості вузлів регулярної сітки, К - кількість полів в архіві. Як показники забезпеченості баричних полів в досліджуваній вибірці використані два критерії аналогічності, і , які належать до різних типів мір близькості метеорологічних полів. Критерій дозволяє оцінити геометричну подібність баричних полів за знаком аномалії двох полів:

,

де N - загальна кількість вузлів регулярної сітки, n₊ - кількість вузлів, де знаки аномалій двох полів збігаються, n_- - кількість вузлів, де знаки аномалій полів протилежні. Значення критерію змінюються в межах -1?1. Знак аномалії визначався відхиленням тиску в кожній точці від просторового середнього значення поля.

Як другий критерій аналогічності використаний середній квадрат відстані між двома полями:

,

де x_lj і x_mj - значення баричного поля в j- ом вузлі регулярної сітки двох полів

l-го і m-го. На першому етапі розраховуються матриці з елементами _ij і h_ij, які характеризують степінь подібності полів в кожному місяці кожного року досліджуваного періоду:

де p - кількість днів у місяці, i = 1,2,…, p; j = 1,2,…, (p+1), _іJ і _іJ - сума значень _ij і h_ij в кожному рядку. Члени першого рядка матриці вказують на степінь подібності першого поля даної вибірки з рештою полів, члени другого рядка - на подібність другого поля з рештою і т. ін. Діагональні члени матриці _ij рівні 1, а матриці h_ij - нулю, оскільки вказують на збіг полів. Поле з найбільшим значенням _ij і найменшим _ij визначається як найбільш інформативне в даній вибірці. На другому етапі розрахунків з отриманих для кожного місяця в кожному році найбільш інформативних полів формується вторинна вибірка, доповнена середнім за досліджуваний період полем. Для цієї вибірки за максимальним значенням _ij і одним з найменших _ij визначається поле, яке характеризується найбільшою подібністю з рештою полів як первинної, так і вторинної вибірки і є еталоном баричних ситуацій в даному місяці за досліджуваний період. Баричні поля з середнім значенням _ij >0.5 і середнім _ij <1, які близькі до поля-еталона, складають еталонний клас. Баричні поля, яким відповідають середнє значення _ij < 0.5 і середнє _ij > 1, належать до нееталонного класу. Забезпеченість еталона становить 60-70 %. ?Рівень значущості, який в даній роботі становить 1 %, визначений за допомогою критерію c².-- Виключно високий степінь подібності еталонного і середнього баричних полів і 60-70 % імовірність формування синоптичної ситуації еталонного класу вказує на близький до нормального розподіл вибірки баричних полів кожного місяця в досліджуваний період. В пр. 4.2. перетворення в наступні дні баричних полів еталонного класу розглядається як Марковський процес, який має наступну властивість простого однорідного ланцюга Маркова: _(0)(1)(2) , де ₍₀₎ є вихідний стан баричного поля в момент часу t=0, а _{(1) ,(2)} ,₍₃,₎… - перетворений стан вихідного баричного поля в наступні моменти часу. Перетворення стану _(t) в момент часу t в стан _(t+1) в наступний момент (t+1), незалежно від попередніх станів, відбувається з перехідною імовірністю P_ij:

P_ij = P { _(t+1) = _(j) / _(n) = _(i) } , i, j =1,2,…

Вихідний найбільш імовірний стан баричного поля в наступні моменти може перетворюватися в різні стани з різною перехідною імовірністю. В дослідженні розглядалися перетворення вихідного еталонного поля з максимальною перехідною імовірністю - (P_0j)max . Кожне найбільш імовірне перетворення вихідного баричного поля проходило тест на еталонність і має перехідну імовірність в межах 65-70 %. Значущість отриманих перетворень визначалась за допомогою статистики ч². В зимовий сезон перетворення еталонного поля триває протягом 5-6 днів, в літній - 7-10 днів. В пр. 4.3. розглядаються особливості найбільш імовірного стану великомасштабної атмосферної циркуляції повітря Атлантико-Європейського регіону і погодних умов на території України трьох послідовних десятиліть другої половини ХХ століття. В дослідженні використані розраховані еталонні баричні поля біля поверхні землі та на середньому рівні тропосфери кожного місяця окремих десятиліть (1964-1973, 1974-1983, 1986-1995 рр.) Зміни найбільш імовірного атмосферного процесу від десятиліття до десятиліття є результатом зміщення на схід баричних утворень приземних і висотних еталонних полів, що відповідає зміщенню на схід кліматичних ЦДА. Зміщення ЦДА підтверджено за допомогою розкладу кривих меридіонально осереднених еталонних полів поверхні 500 гПа в ряд Фур'є:

,

де у(k) значення _(?? в k-ій точці і k=1,…, N,

;

;

;

де . В нашому випадку . Розгляд змін від десятиліття до десятиліття амплітуд і фаз перших гармонік дозволив встановити, що середній тиск збільшується влітку; зміщення ЦДА на схід в літній сезон визначають гармоніки А_1, А₄ , а в зимовий - гармоніки А_1, А_2, А_3, А_4.

В п'ятому розділі визначений можливий осереднений і найбільш імовірний стан великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в найближчі десятиліття. Сформульована гіпотеза відносно механізму зміни режиму великомасштабних атмосферних процесів і сучасного клімату протягом ХХ століття. Зміни глобальної температури носять синусоїдальний характер і являють собою чергування періодів різких змін з перехідними періодами коливань температури біля одного рівня тривалістю в 30-35 років кожний. Перехідний період в ході глобальної температури, як, наприклад, 1875-1908 і 1945-1976 рр., є періодом релаксації, коли відбувалася адаптація атмосферних процесів до нових умов, спричинених інтенсивною зміною глобальної температури повітря. Перехід до періоду з різкою зміною глобальної температури в майбутньому можливий не раніше, ніж здійсниться стабілізація атмосферних процесів в періоді релаксації після вторинного глобального потепління. Таким чином, існуючий період вторинного глобального потепління буде розвиватися до 2007р. В пр. 5.1. середні і найбільш імовірні баричні поля кожного місяця останнього десятиліття перетворені тенденцією змін атмосферної циркуляції від 1974-1983 рр. до 1986-1995 рр. Особливостями прогностичного десятиліття в теплий і холодний періоди року є заглиблення ісландського мінімуму і посилення області підвищеного тиску, яка змістилася з Атлантики на схід. В найближчі роки на території України збережуться основні особливості погодних умов останнього десятиліття. Проте для подальшого розвитку зимового еталону будуть характерні прямі вторгнення на територію України холодної повітряної маси з арктичних широт, які відбуваються переважно без опадів і з штормовими вітрами. При еталонному процесі влітку різко зростає імовірність лісових пожеж і загорання торфовищ, можливі також рекордно високі температури повітря ХХ століття, сильні вітри і зливи в період короткочасних похолодань, характерних для розвитку цього процесу. Для підтвердження достовірності прогнозу змін атмосферної циркуляції розраховані еталонні баричні поля кожного місяця незалежної вибірки 1996-2000 рр., які добре узгоджуються за станом баричних утворень і погодними умовами з прогностичними полями тиску. В пр. 5.2. визначений можливий стан великомасштабної атмосферної циркуляції повітря в очікуваний період стабілізації після закінчення вторинного глобального потепління. Для цього еталонні і середні поля приземного тиску кожного місяця прогностичного десятиліття 1996-2005 рр. перетворено з тенденцією, яка характеризує зміни великомасштабної циркуляції атмосфери при зворотньому переході від періоду вторинного потепління клімату - ₃ - до періоду стабілізації - ₂. Протягом подальшого тридцятиліття, після періоду вторинного глобального потепління, слід чекати зниження середнього тиску повітря над Європою влітку і підвищення взимку, а також поширення на південь ісландського мінімуму. Баричні утворення взимку збережуть своє географічне положення, а влітку будуть зміщені на схід при зменшенні градієнтів тиску між центрами. Аналіз прогностичних еталонних полів показав, що влітку можливе незначне зниження температури повітря, зменшення кількості опадів на заході і збільшення їх на решті території України.

Висновки

На кінець ХХ століття відмічається підвищення середньорічної температури повітря і збільшення річної кількості опадів практично по всій території України. Зміни вказаних кліматологічних величин мають певні сезонні особливості. Взимку підвищення температури повітря в центральних районах України досягає 2^оС. Влітку відмічається зниження температури до 1^оС в південних і західних районах країни.

Розрахунок відхилень середніх місячних полів приземного тиску періодів первинного і вторинного глобального потепління (1908-1944 і 1977-2000 рр.) від середніх полів періоду стабілізації в ході глобальної температури (1945-1976рр.) вперше дозволив встановити, що тенденція зміни великомасштабної атмосферної циркуляції повітря зберігалася протягом століття, а її величина в останні десятиліття зросла вдвічі порівняно з початком століття.

Аналіз стану центрів дії атмосфери, які впливають на погодні умови на території України, дозволив виявити важливу відмінність в положенні ЦДА останнього десятиліття. ЦДА останнього десятиліття розташовуються східніше відносно їх положення в більш ранні роки на 20 градусів. В результаті погодні умови на території України взимку на кінець століття помінялися на теплі з опадами переважно у вигляді дощу і мокрого снігу, а влітку - на більш прохолодні зі значною мінливістю температури повітря і зростанням частоти внутрішньомасових опадів і гроз.

Для дослідження клімату в дисертаційній роботі вперше використано новий еталонний підхід розпізнавання найбільш імовірного поля атмосферної циркуляції, при якому прийнято, що баричне поле-еталон характеризує переважаючий тип просторового розподілу тиску, і, отже, атмосферний процес з найбільшою частотою формування. В результаті визначені еталонні баричні поля кожного місяця окремих послідовних десятиліть другої половини ХХ століття.

Перетворення еталонних баричних полів розглядається в роботі як Марковський процес. Встановлено, що в зимовий сезон перетворення еталонного поля триває протягом 5-6 днів. В період перетворення формується додатня аномалія температури повітря і дефіцит опадів на всій території України. В літній сезон період перетворення еталонного поля становить 7-10 днів. В період реалізації еталонного процесу відмічається нестійкість в ході температури повітря.

Зміна великомасштабної атмосферної циркуляції повітря від десятиліття до десятиліття в другій половині ХХ століття визначається поступовим зміщенням на схід кліматичних центрів дії атмосфери в усі сезони року, що виявляється в зміні як середніх, так і еталонних баричних полів. Найбільше зміщення ЦДА і зміна в зв'язку з цим середніх і еталонних баричних полів відмічаються в останнє десятиліття. В результаті зміщення на схід субтропічного максимуму погодні умови на території України визначаються переважно областю підвищеного тиску субтропічного походження в усі сезони року.

Зміщення ЦДА підтверджено за допомогою розкладу в ряд Фур'є меридіонально осереднених еталонних полів геопотенціалу на рівні 500 гПа окремих послідовних десятиліть другої половини ХХ століття. Аналіз амплітуд і фаз гармонік показав, що зміщення на схід ЦДА в зимовий сезон визначають гармоніки А_1, А_2, А_3, А₄, а в літній - гармоніки А_1, А₄.

Перетворення середніх і еталонних баричних полів останнього десятиліття показало, що в найближчі роки над територією України потрібно чекати посилення області підвищеного тиску, яка змістилася з Атлантики на схід, в усі сезони року. Характерною особливістю погодних умов при такому розподілі тиску буде малосніжна і тепла зима і посушливе на більшій частині території України з зливовими опадами в окремі дні - літо.

Реальність стану атмосферної циркуляції повітря, який прогнозується на найближчі роки, підтверджено розрахунком еталонних баричних полів незалежної вибірки 1996-2000 рр. Отримані еталонні поля добре узгоджуються з тими, що прогнозуються на 1996-2005 рр., і за станом баричних утворень і за погодними умовами.

Визначено можливі середні і еталонні поля атмосферної циркуляції очікуваного періоду стабілізації 2005-2025 рр., протягом якого слід чекати зниження середнього тиску повітря над Європою влітку і підвищення взимку, а також поширення на південь ісландського мінімуму. Баричні утворення взимку збережуть своє географічне положення, а влітку будуть зміщені на схід при зменшенні градієнтів тиску між центрами. Положення прогностичних еталонних баричних полів вказує на збереження в період стабілізації існуючих погодних умов взимку. Влітку можливе незначне зниження температури повітря, зменшення кількості опадів на заході і збільшення їх на решті території України.

Список опублікованих праць

1. Свердлик Т. Мінливість у масштабах десятиріч атмосферної циркуляції повітря північної півкулі: Зб. наук. праць “ Україна та глобальні процеси: географічний вимір”. - Київ-Луцьк: Вежа, 2000.- том 2. - С.308-311.

2. Свердлик Т.А. Эволюция крупномасштабной атмосферной циркуляции воздуха Северного полушария во второй период современного потепления климата // Наукові праці УкрНДГМІ. - 1999. - Вип.247. - С.63-75.

3. Свердлик Т.О. Сучасні зміни великомасштабної атмосферної циркуляції в Атлантико-Європейському регіоні в холодний період року та виявлення особливостей синоптичних процесів останнього десятиріччя // Вісник Київського університету ім. Тараса Шевченка. Сер. географія. - 1999. - Вип.44. - С.78-80.

4. Мартазинова В.Ф., Свердлик Т.А. Крупномасштабная атмосферная циркуляция ХХ столетия, её изменения и современное состояние // Труды УкрНИГМИ.- 1998 - Вып.246. - С.21-27.

5. Sverdlik T. Evolution of the large-scale atmosphere circulation over the central-eastern Europe at recent decades // Proc. Second Conference on Applied Climatology - Norrkoping (Sweden). - 1996. - P.24.

6. Свердлик Т.А. Влияние крупномасштабной атмосферной циркуляции воздуха на изменение регионального климата Украины // Тр. конференции молодых ученых национальных гидрометслужб стран СНГ. - Москва, Россия. - 1999. - С. 6-7.

Размещено на Allbest.ru

...