Глобальні процеси в системі океан-атмосфера та їх вплив на природні аномалії Атлантико-Європейського регіону

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Невизначеність в змінах природного середовища і клімату в сучасну епоху є одною з найважливіших проблем, що стоять перед людством. Це зафіксовано в Конвенції по змінах клімату, яка підписана і ратифікована багатьма країнами, зокрема Україною, а також в Декларації, прийнятій на I Всесвітньому Конгресі IGBP в 2001 році. На численних конференціях і конгресах, що проводилися по лінії ООН, ВМО і інших міжнародних організацій, що займаються дослідженнями природного середовища і клімату, обговорюється питання, чи є спостережуване в багатьох регіонах Земної кулі потепління і почастішання екстремальних природних явищ антропогенними чи це - результат проявів природної низькочастотної мінливості. Частина фахівців наполягає на переважно природному характері спостережуваних змін. Інші вважають, що природні і спостережувані кліматичні аномалії, що відзначаються, пояснюються антропогенною дією. Серйозні розбіжності виникли і на етапі ратифікації Кіотського протоколу, який регулює конкретні зобов'язання більшості розвинених країн по скороченню промислових викидів в атмосферу.

Вирішити виниклі суперечності можливо лише, досконально вивчивши процеси природної мінливості в глобальній природній системі, що відбуваються на фоні спостережуваних трендів антропогенного походження. У формуванні природних аномалій в системі океан-атмосфера-літосфера, яку багато фахівців називають кліматичною системою, найважливішу роль відіграє взаємодія океану і атмосфери. Вона також в значній мірі регулює швидкість накопичення парникових газів в атмосфері. На жаль, дані тривалих глобальних спостережень в кліматичній системі, які б дозволили розділити природні і антропогенні чинники на статистично значущому рівні, відсутні. Це, в першу чергу, відноситься до даних по Світовому океану. Тільки останніми роками почала реалізовуватися глобальна спостережна стратегія GOOS, що дозволяє відстежувати кліматичні зміни, що відбуваються в Світовому океані. Проте необхідно, як мінімум, декілька десятиліть для накопичення масивів даних, придатних для виділення цих змін. Разом з тим, слід зазначити, що тенденції глобальних природних аномалій супроводжуються істотними регіональними особливостями, які не співпадають між собою не тільки по величині, але і по знаку. Тому зусилля багатьох дослідницьких колективів в світі спрямовані на аналіз регіональних проявів глобальних процесів в системі океан-атмосфера, виділених з використанням різних даних спостережень. В результаті міжнародної співпраці можливо підтвердити або спростувати реальність деяких механізмів, що відповідають за формування природних аномалій глобального і регіонального масштабів.

Дослідження останніх десятиліть в рамках найбільших міжнародних проектів (РОЗРІЗИ, TOGA, WOCE, CLIVAR і ін.), у тому числі і з участю співробітників МГІ, були націлені на вивчення процесів низькочастотної взаємодії в системі океан-атмосфера. В результаті, встановлено, що основними кліматично значущими сигналами в системі океан-атмосфера на міжрічному масштабі є північноатлантичне коливання (ПАК) і Ель-Ніньо - південне коливання (ЕНПК), а на десятилітньому - ПАК і тихоокеанська десятилітня осциляція (ТДО). Дослідження проявів цих сигналів в Європейському регіоні здійснюється в рамках численних міжнародних, національних і регіональних програм, зокрема, EUROCLIVAR, EUROMED і інших.

Багато досліджень (в тому числі і автора даної роботи) показують, що на формування природних аномалій в Європейському регіоні впливає, перш за все ПАК, що має особливості мінливості на різних масштабах. Найважливішою задачею в сучасних дослідженнях ПАК є вивчення механізму, що обумовлює такі особливості. В той же час, міжрічна мінливість в системі океан-атмосфера типу ЕНПК детально описана в ході виконання програми TOGA для регіону Тихого океану і робляться успішні спроби моделювання цього явища у вказаному регіоні. Вплив ЕНПК на інші регіони Земної кулі, зокрема, Атлантико-Європейського, довгий час залишався дискусійним. У останні 10-15 років з'явилися публікації, що показують наявність відгуків на ЕНПК в мінливості окремих характеристик природного середовища і клімату. Ще один, істотний сигнал системи океан-атмосфера - ТДО, був виділений в кінці 1990 років в Тихому океані. У декількох роботах знайдено, що ТДО робить помітний вплив на мінливість кліматичних характеристик Північної Америки і окремих материкових зон, прилеглих до Тихого океану. Вплив ТДО на інші регіони Земної кулі поки що не вивчався. В даний час створена міжнародна Робоча група по дослідженню десятилітньої мінливості в системі океан-атмосфера. Надзвичайно важливим напрямом досліджень прикладного характеру є аналіз екстремальних природних умов. Цей напрям зайняв пріоритетне місце в сучасних міжнародних програмах, у зв'язку з катастрофічними повенями, що почастішали в останнє десятиліття. Для України актуальні і інші прикладні аспекти досліджень. Зокрема, до них відноситься оцінка рекреаційної привабливості курортних регіонів і мінливості їх медико-кліматичних характеристик.

Саме тому теоретичні і прикладні дослідження, виконані в дисертаційній роботі, вперше детально показали прояви мінливості ПАК, ЕНПК і ТДО в аномаліях природного середовища і клімату Атлантико-Євразійського регіону, а також сумісного впливу цих сигналів на регіональні природні аномалії, включаючи екстремальні події.

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є встановлення закономірностей формування фізико-географічних особливостей природних аномалій Атлантико-Європейського регіону під дією великомасштабних процесів в системі океан-атмосфера Атлантичного і Тихого океанів і виявлення причинно-наслідкових зв'язків між мінливістю цих процесів міжрічного - міждесятилітнього масштабів і проявленням екстремальних природних умов в досліджуваному регіоні для подальшого використовування одержаних результатів в рішенні деяких прикладних питань і вироблення практичних рекомендацій.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішувались задачі:

1. Вивчити просторово-часову мінливість ПАК міжрічного, десятилітнього і міждесятилітнього масштабів. Дати оцінку її впливу на природні аномалії Атлантико-Європейського регіону.

2. Досліджувати глобальні і регіональні прояви ЕНПК і ТДО, описати механізм і оцінити їх внесок в загальну мінливість природних і кліматичних умов Атлантико-Європейського регіону.

3. Виконати класифікацію ЕНПК різних типів і описати їх прояви в Атлантико-Європейському регіоні.

4. Оцінити відносну роль різних чинників, що формують міждесятилітню мінливість взаємодії в системі океан-атмосфера Північної Атлантики.

5. Провести аналіз особливостей глобальних і регіональних аномалій природного середовища і клімату міжрічного і десятилітнього масштабів як результату сумісного впливу ПАК, ЕНПК і ТДО.

6. Вивчити особливості мінливості стоків Європейських річок, пов'язаної з глобальними процесами в системі океан-атмосфера і виявити умови, що приводять до катастрофічних повеней.

7. Встановити зв'язок мінливості гляціологічних характеристик гірських льодовиків з глобальними процесами в системі океан-атмосфера.

8. Виявити особливості мінливості кліматичних характеристик приморських курортів Чорного і Середземного морів під впливом глобальних процесів в системі океан-атмосфера і підготувати практичні рекомендації по раціональному використанню рекреаційного потенціалу приморських курортів Європейського регіону.

1. Аналіз сучасного стану проблеми низькочастотної мінливості в системі океан-атмосфера-літосфера, що обумовлює зміну аномалій характеристик природного середовища і клімату глобального і регіонального масштабів

Відмічено, що встановлення відносної ролі природних і антропогенних причин в спостережуваних змінах природного середовища і клімату є однією з найважливіших проблем сучасності, на рішення якої направлені зусилля великої кількості міжнародних наукових колективів і організацій. Вивчення особливостей формування аномалій різноманітних природних характеристик Атлантико-Європейського регіону виконується в рамках найбільших міжнародних програм, а також численних національних і регіональних досліджень. Це підтверджує важливість і актуальність дослідження глобальних процесів в системі океан - атмосфера і їх впливів на природні аномалії Атлантико-Європейського регіону, виконаного в дисертаційній роботі.

На підставі аналізу сучасних публікацій показано, що зміни в системі океан-атмосфера обумовлюють велику частку аномалій характеристик глобального природного середовища і клімату. Причини таких змін можна розбити умовно на два основні типи - зовнішні і внутрішні. До зовнішніх відносяться космічні чинники (що проявляються у варіаціях сонячної постійної і приливних процесах), зміна оптичних властивостей атмосфери, що викликаються головним чином виверженням вулканів, і парниковий ефект антропогенного походження. Внутрішні причини обумовлені змінами в самій кліматичній системі, і, перш за все, в системі океан-атмосфера. Найбільш значимими сигналами великомасштабної взаємодії в системі океан-атмосфера, які обумовлюють формування природних аномалій Атлантико-Європейського регіону, є ПАК, ПК і ТДО. Відмічено, що вивчення внутрішніх механізмів змін природного середовища і клімату, які розглядаються і в даній роботі, грунтуються, головним чином, на аналізі довготривалих масивів глобальних і регіональних даних, до якості яких пред'являються високі вимоги.

Приведена коротка характеристика міжнародних масивів глобальних даних, доступних для аналізу по мінливості характеристик системи океан-атмосфера-літосфера на основних енергонесучих масштабах. При цьому детальніше розглянута точність відновлення даних для акваторії Світового океану в сучасних масивах (NCEP/NCAR, ECMWF, COADS і Росгідрометцентру) по температурі поверхні океану (ТПО), температурі повітря (ПТП) і його вологості, швидкості вітру і приземному атмосферному тиску (ПАТ). Необхідність такого розгляду пояснюється просторово-часовою нерівномірністю кількості спостережень в океанах і морях. З другого боку, помилки в даних суднових спостережень, які включаються в усереднення по простору і за часом, обумовлені, перш за все, відмінністю використаних методик вимірювання на різних суднах, а також зміною методів вимірювання протягом тривалого періоду. Окрім цього, велика погрішність у величинах середніх і, пов'язаних з ними величинах розрахункових характеристик, вноситься часом вимірюваннями протягом періоду усереднювання. Тому особливої уваги вимагає аналіз якості масивів даних, що одержуються розрахунковим шляхом. До таких даних відносяться, зокрема, потоки тепла на поверхні океану. Докладний аналіз вказаних масивів даних дозволив зробити обгрунтований висновок про те, що в даний час є приблизно півстолітні масиви глобальних і регіональних даних спостережень і реаналізу, що в поєднанні з сучасними статистичними методами, дозволяє кількісно аналізувати міжрічну мінливість в системі океан-атмосфера, а також її регіональні прояви на рівні статистичної значущості 95-99%, тоді як міждесятилітні зміни можуть бути описані на нижчому (80-90%) рівні значущості.

2. Аналіз міжрічної і десятилітньої мінливості в системі океан-атмосфера і її проявів в Атлантико-Європейському регіоні

Цей масштаб мінливості досліджувався з використанням глобальних масивів COADS, ECMWF і NCEP/NCAR. Як основні великомасштабні сигнали системи океан-атмосфера розглядалися ПАК, ПК і ТДО. Виявлені особливості їх впливу на формування аномалій природного середовища і клімату аналізованого регіону.

Приведена загальна характеристика ПАК, ПК і ТДО і їх глобальні прояви. Показано, що взаємодія аномалій в атмосфері і океані, що проявляється в мінливості глобальних сигналів Тихого океану (особливо його тропічної частини) і північної частини Атлантичного океану міжрічного масштабу, виражається у вигляді коливань атмосферного тиску з характерною циклічністю від 2 до 7 років. В той же час взаємодія аномалій в атмосфері і океані проявляється також в їх модуляції процесами десятилітнього масштабу в Тихому і Атлантичному океанах. Є численні емпіричні докази наявності в низькочастотній мінливості океанічних і атмосферних параметрів коливань з типовим часовим масштабом 10-30 років, амплітуда флуктуацій ТПО яких коло 0,5С. Характеристики цих коливань істотно відрізняються для різних океанів. Разом з тим у ряді робіт показано, що над областями з максимальними амплітудами низькочастотних змін ТПО спостерігаються значущі тропосферні прояви відповідних масштабів. Атмосферний тиск має тенденцію рости (падати) над зонами з позитивними (негативними) низькочастотними аномаліями ТПО, що свідчить про наявність позитивного зворотного зв'язку в системі океан-атмосфера. Існування коливань квазідесятилітнього масштабу в системі океан-атмосфера в принципі обумовлене взаємодією верхнього перемішаного шару з більш глибоководними шарами і перенесенням температурних аномалій океанічними течіями. Як міра мінливості цих сигналів для Атлантичного і Тихого океанів звичайно аналізуються десятилітні моди ПАК і ТДО.

Показано, що десятилітні коливання - це взаємозв'язані коливання в системі океан-атмосфера, типовий часовий масштаб яких визначається адвективними процесами в океані. Проте їх взаємозалежність проявляється не у всіх районах. За даними Росгідрометцентру детально розглянуто один з можливих механізмів зворотного зв'язку між аномаліями ТПО Північної Атлантики і інтенсивністю зональної циркуляції в атмосфері, пов'язаний з мінливістю меридіонального переносу в океані. В цьому випадку характерний часовий масштаб процесу визначається часом адвекції екваторіально-тропічних аномалій в помірні широти (тобто інтенсивністю меридіональної циркуляції на межі між тропіками і субтропіками) і інтенсивністю вертикальних і горизонтальних рухів в Субтропічному і Субполярному круговоротах.

Присвячений аналізу міжрічної і десятилітньої мінливості ПАК як головного кліматоутворюючого сигналу, регулюючого мінливість характеристик природного середовища і кліматичних умов в Атлантико-Європейському регіоні. На підставі дослідження просторово-часової мінливості характеристик Азорського максимуму і Ісландського мінімуму на міжрічному і десятилітньому масштабах за 100 років виявлений механізм формування природних аномалій в досліджуваному регіоні під дією ПАК. Запропонована схема, що демонструє дію цього механізму. Її суть полягає в наступному. Позитивна фаза ПАК супроводжується зсувом до північного сходу центрів дії атмосфери (ЦДА) Північної Атлантики, внаслідок чого траєкторії атлантичних циклонів проходять переважно над Північною Європою, забезпечуючи там більшу кількість опадів, підвищені вологість і температуру. Негативна фаза ПАК супроводжується зсувом цих ЦДА до південного заходу. В результаті цього над Європою у відповідних полях формуються аномалії протилежні по знаку аномаліям, які супроводжують позитивну фазу ПАК. Справедливість приведеної схеми багато разів підтверджена з використанням незалежних масивів глобальних і регіональних даних на прикладах мінливості повторюваності і глибини циклонів і антициклонів в Атлантико-Європейському регіоні, гідрометеорологічних полів, стоків річок і ряду інших характеристик. Кореляційний і спектральний аналіз індексу ПАК і різних просторово-часових характеристик природного середовища в аналізованому регіоні показав, зокрема, що ПАК найбільш виражено в зимово-весняний період і обумовлює від 15% (над південним краєм Європи) до 75% (над Північною Європою) дисперсії середньомісячної температури і опадів і до 55% загальної їх внутрішньомісячної дисперсії над західною частиною Середземноморського регіону і Західною Європою. При позитивних (негативних) аномаліях індексу ПАК це забезпечує аномально великий стік в басейнах річок північної (південно-східної) Європи в період весняного повноводдя. На десятилітньому масштабі цей сигнал обумовлює близько 50% дисперсії щомісячних стоків південних і до ~25% дисперсії стоків північних європейських річок.

Проведені дослідження глобальних і регіональних проявів ЕНПК. Це наступний по рівню внеску у формування природних аномалій Атлантико-Європейського регіону міжрічний великомасштабний сигнал. Він представлений процесами в глобальній системі океан-атмосфера з максимальною амплітудою в Тихоокеанському регіоні, особливо в його екваторіальній зоні. Аномалії атмосферної циркуляції, пов'язаної з термічними аномаліями в Тихому океані, виконують важливу роль у формуванні природних аномалій в інших регіонах Земної кулі. Дослідження відгуків в аномаліях характеристик природного середовища і клімату Атлантико-Європейського регіону на події ЕНПК проводилися з використанням глобальних масивів COADS, NCEP/NCAR, ECMWF і різних даних регіональних спостережень, включаючи стоки річок Євразії. Спектральний і кореляційний аналіз, використання методу композитів показали, що особливо виражені ці прояви в зимово-весняний період, коли тихоокеанські і атлантичні аномалії максимальні. При цьому взимку, під час початкової (зрілої) фази ЕНПК спостерігається посилення (ослаблення) ЦДА в Північній Атлантиці і статистично значуще збільшення (зменшення) дисперсій ПАТ і ПТП в Атлантико-Європейському регіоні за винятком окремих частин Середземного моря. Це свідчить про значущий регіональний відгук на початок дії ЕНПК і позитивну аномалію ТПО, що сформувалася, в Тихому океані. Аналіз природних аномалій Атлантико-Європейського регіону показав, що в роки ЕНПК в кінці зрілої фази і в період початку його релаксації (січень-лютий “+1 роки”) глобальні аномалії циркуляційного режиму позаекваторіальної атмосфери приводить до ослаблення зональної циркуляції над Північною і Західною Європою і до посилення блокингової активності в регіоні. Разом з тим спостерігається тенденція до збільшення активності середземноморських циклонів в зимовий період в зрілу фазу ЕНПК. Це супроводжується посиленням аномальності різних характеристик природного середовища в Чорноморсько-Середземноморському регіоні і в Східній Європі у всьому спектральному діапазоні від 2 до 30 діб. При цьому взимку ПК обумовлює, зокрема, до 35% величини дисперсії середньомісячної ПТП і опадів в Середземноморському і Причорноморському регіоні. Такі висновки були зроблені на основі результатів аналізу всіх подій, що спостерігалися, та були кваліфіковані як ЕНПК. Проте багатьма авторами наголошуються деякі відмінності в їх поведінці. Тому вивчені закономірності не є універсальними. Вони спостерігаються приблизно в 50-60% випадків, коли ЕНПК розвивається за типовим сценарієм (початок події взимку - на початку весни Північної півкулі) і характеризується достатньо великими аномаліями ТПО. Композитний аналіз ТПО в екваторіальній зоні Тихого океану показав, що якщо ж тепла фаза ЕНПК починається із запізнюванням на декілька місяців, то характеристики позитивної аномалії ТПО в екваторіальній зоні Тихого океану відрізняються від типових як по величині аномалій ТПО, так і за тривалістю самих подій. Це приводить до відмінності їх глобальних і регіональних проявів. Разом з тим розділення ЕНПК по типах дозволяє уточнити ці особливості.

Залежно від початку і часу існування аномалій ТПО в Тихому океані і в глобальних атмосферних полях методом композитів виділені наступні типи ЕНПК: весняний і літньо-осінній, і два підтипи літньо-осінніх подій (тривалі і короткочасні). Аналіз кожного типу аномальних умов в Тихому океані показав, що весняний тип ЕНПК відрізняється більшою амплітудою мінливості характеристик системи океан-атмосфера, досягає зрілої фази на початку зими Північної півкулі, характер його розвитку буває відносно монотонним. Навпаки, літньо-осінні події мають порівняно меншу амплітуду і не завжди бувають чітко вираженими, характер їх поведінки відрізняється і від весняного, і між собою. У даному підрозділі наведені результати дослідження особливостей формування аномалій кожного виділеного типу і підтипу ЕНПК. Показано, що аналізовані події проявляються в аномаліях характеристик природного середовища і клімату Європейського регіону опосередковано через ПАК, підсилюючи або ослабляючи цей сигнал. Важливо підкреслити істотну особливість, властиву всім типам ЕНПК, яка полягає в тому, що аномалії ТПО, що відповідають зрілій фазі розвитку цих подій, досягають максимуму саме в холодний період. З точки зору глобальності звертає на себе увагу той факт, що типові, весняні події, що розвиваються по класичній схемі Б'еркнеса, в кінці “0” року супроводжуються інтенсифікацією ПАК. Позитивні аномалії ПАТ концентруються над центральною частиною Північної Атлантики, а негативні - над всім Європейським регіоном, захоплюючи північно-східну частину Атлантичного океану. Той факт, що максимальні величини дисперсій атмосферного тиску в попередню фазу ЕНПК приурочені до Атлантико-Європейського регіону, вказує на наявність там реального відгуку на початок ЕНПК. Етап розвитку ЕНПК весняного типу в більшості випадків припадає на період з березня по вересень. Він супроводжується ослабленням активності в системі океан - атмосфера Північної Атлантики, ПАТ в Ісландському мінімумі підвищується, а в Азорському максимумі знижується. В результаті, відповідно до схеми ПАК для його негативної фази, над північною і східною частинами Європи відмічаються позитивні, а над центральною і південною її територією - негативні аномалії ПАТ. В кінці ”0” року (листопад - грудень) ПАК звичайно знов посилюється, над Європою складаються типові умови, що відповідають схемі впливу позитивної фази ПАК на формування регіональних аномалій. У січні “+1” року (завершення ЕНПК весняного типу) ПАК різко слабшає. Картина над аналізованим регіоном міняється на протилежну. Таким чином ЕНПК весняного типа, проявляючись в мінливості інтенсивності ПАК, впливає на формування аномалій природного середовища в Атлантико-Європейському регіоні. У принципі, можна відзначити, що для весняного типу ЕНПК в значній мірі справедливі висновки про прояви типових подій, відмічені вище. Регіональні прояви для весняного типа ЕНПК статистично значущі на 95% рівні. Вони відповідають за 15-25% міжрічної мінливості внутрішньомісячних флуктуацій гідрометеохарактеристик в окремих частинах Європейського регіону і можуть бути використані для оцінки регіональних погодно-кліматичних тенденцій.

Умови розвитку і існування двох виділених літньо-осінніх підтипів ЕНПК в тихоокеанських аномаліях, а також їх регіональні прояви відрізняються не тільки від весняного типу ЕНПК, але і розрізняються між собою. На жаль, через обмеженість даних статистично значущих аномалій на території регіону, що вивчається, для короткочасних літньо-осінніх ЕНПК виділити не вдалося. Можна лише відзначити, що ці події, так само як і весняні, звичайно завершуються в кінці “0” року. Величина тихоокеанських аномалій ТПО в 2-3 рази менше, ніж при ЕНПК весняного типу і за короткий період існування не встигає розповсюдитися по значній акваторії. Відповідно, відгук в Атлантико-Європейському регіоні менш виражений.

Перед початком тривалих літньо-осінніх ЕНПК, в травні - червні “0” року, відмічається інтенсифікація процесів в системі океан-атмосфера Північної Атлантики, потім ослаблення на етапі розвитку, але в останні місяці “0” року ПАК звичайно різко посилюється. Проте ЕНПК описуваного типу не закінчується по аналогії з попередніми. Позитивні аномалії ТПО продовжують розповсюджуватися по екваторіальній зоні Тихого океану і існують ще близько двох років. Вони супроводжуються різким ослабленням ПАК в кінці літа - початку осені “+1” і “+2” року, а в кінці “+2” року, на завершальному етапі ЕНПК - максимумом індексу ПАК. Зріла фаза тривалих літньо-осінніх ЕНПК супроводжується лютими стійкими морозами в крайній, північній частині Європи і на півночі Азії.

В той же час, в сучасних публікаціях відзначаються зміни характеристик ЕНПК від десятиліття до десятиліття. Одним з можливих механізмів таких змін є модуляція їх ТДО. Тихоокеанська декадна осциляція і її прояви в Атлантико-Європейському регіоні досліджувалися в підрозділі 2.5. Регіональні прояви десятилітніх аномалій ТПО в Тихому океані обумовлені наявністю атмосферного відгуку відповідного масштабу. Це проявляється в інтенсифікації (ослабленні) циклогенезу і зсуві траєкторій циклонів до північного сходу (південного заходу) Тихого океану в позитивну (негативну) фазу ТДО. Позитивна фаза ТДО супроводжується збільшенням числа і інтенсивності ЕНПК, а негативна - їх зменшенням. Методом композитів за даними NCEP/NCAR для другої половини ХХ століття показано, що в зимово-весняний період позитивну фазу ТДО характеризують підвищені аномалії ПАТ в Тропічній і Субтропічній Атлантиці, над центральною і південною Європою і південною Азією. В цей час негативна аномалія ПАТ розташовувалася на півночі Атлантики і Євразії. Таким чином, знайдено, що позитивна фаза ТДО супроводжується інтенсифікацією ПАК, а негативна - ослабленням цього сигналу, що в свою чергу, формує природні аномалії десятилітнього масштабу в Атлантико-Європейському секторі.

У завершальній частині другого розділу робиться висновок про те, що спостережувана мінливість глобальних і регіональних гідрометеорологічних полів не може бути пояснена ізольованим впливом окремих сигналів системи океан - атмосфера, вона формується в результаті взаємодії основних великомасштабних сигналів. Ця взаємодія детально розглянута нижче, в завершальному, четвертому розділі роботи. Проте, раніше слід зупинитися на аналізі міждесятилітньої мінливості в системі океан - атмосфера і її проявах в природних аномаліях регіону, який вивчається, що виконано в третьому розділі дисертації.

3. Більш низькочастотні масштаби мінливості

Слід нагадати, що однією з глобальних проблем сучасності є спостережуване підвищення температури на Землі і його можливі наслідки. Численні дослідження, включаючи результати чисельного моделювання, показують, що океани можуть робити істотний вплив на процеси глобального потепління і його регіональні прояви за рахунок особливостей термохалінної циркуляції і мінливості потоків тепла на межі океан-атмосфера. Останні обумовлені мінливістю ТПО, ПТП, вологості, швидкості вітру, сонячної радіації і хмарності. Таким чином, в океані і атмосфері формується єдина система природних процесів із зворотними і прямими зв'язками. Щоб відповісти на питання, чи є спостережуване потепління результатом антропогенних дій, чи це природна мінливість кліматичної системи, необхідно оцінити відносний внесок кожної складової в спостережувану низькочастотну мінливість параметрів взаємодії океану і атмосфери. Проте, масиви глобальних даних, що є у розпорядженні кліматологів, лише за останні приблизно 50 років, не дозволяють одержати статистично обґрунтованих висновків про характер сучасних низькочастотних процесів. Щоб хоч частково відповісти на таке актуальне питання, в даній роботі досліджувалася міждесятилітня мінливість в системі океан-атмосфера на прикладі Північної Атлантики, яка і на цьому масштабі в основному обумовлює відповідні природно-кліматичні умови в Європі.

Розглянута міждесятилітня мінливість ПАК і її вплив на природні аномалії Атлантико-Європейського регіону. Вивчення просторової мінливості положення ЦДА Північної Атлантики за період з 1890 по 1990 рр. показало, що з кінця ХIХ по кінець ХХ сторіччя ПАК інтенсифікувалось, а відстань між Азорським максимумом і Ісландським мінімумом скорочувалася переважно в меридіональному напрямі, особливо в період їх поглиблення взимку, весною і влітку. В результаті, вплив ПАК на Європейський регіон в цей період посилився. Дослідження просторово-часової мінливості характеристик Азорського максимуму і Ісландського мінімуму на міждесятилітньому масштабі за 100 років показало, що варіації відстаней по широті між ЦДА Північної Атлантики у всі сезони визначаються більшою мірою меридіональним зсувом Азорського максимуму.

Аналіз будь-якого ряду тривалих спостережень для Атлантико-Європейського регіону, у тому числі і ПАК, виявляє наявність квазіперіодичних коливань з періодом 65-70 років. Окрім цього, в декількох роботах. було встановлено, що міждесятилітня мода глобальної ТПО - це головний глобальний сигнал, не пов'язаний з ЕНПК, тобто фактично, це північноатлантична мода, амплітуда якої досягає максимуму на південний схід від Гренландії. В той же час, в деяких публікаціях останніх років показано, що існує значуща міждесятилітня мінливість потоків тепла на межі океан-атмосфера, пов'язана з ПАК. На часових реалізаціях тривалістю близько 30-35 років ця мінливість виглядатиме як тренд другого порядку (параболічний тренд), оскільки часовий відрізок 30-35 років складає приблизно половину періоду осциляції. Глобальне потепління, яке спостерігається на протязі близько 150 років, на 30-35-річному інтервалі може бути апроксимоване лінійним трендом. Таким чином, якщо в даних спостережень, тривалість яких близько 30-35 років, вдасться виділити значущі лінійні і параболічні тренди, їх можна інтерпретувати, відповідно, як антропогенний сигнал і природну міждесятилітню мінливість. При цьому важливо оцінювати значимість трендів з врахуванням статистичної структури проаналізованих рядів. Всі методичні аспекти виділення трендів з врахуванням випадкових та систематичних погрішностей, довірчих інтервалів при оцінці трендів і аналізі статистичної структури залишкового сигналу детально розглянуті в підрозділі 3.2. Типова величина коефіцієнта авторегресії в полях гідрометеорологічних характеристик Північної Атлантики (після видалення тренду) змінюється в межах 0.3-0.6. Аналіз ефективного числа ступенів свободи при оцінці статистичної значущості трендів з урахуванням автокореляції залишкового сигналу дозволив зробити висновок про обгрунтованність дослідження міждесятилітніх коливань запропонованим методом.

Застосування описаних підходів дозволило в підрозділі 3.3 за даними Росгідрометцентру з 1957 по 1990 рр. для Північної Атлантики проаналізувати на 90% рівні значущості лінійні і квадратичні тренди полів ТПО, ПТП, їх різниці (?Т), абсолютної, насичуючої і дефіцитної вологості (?E), модуля швидкості вітру, явних (Н), прихованих (LE) і сумарних (H+LE) потоків тепла і оцінити фазові зсуви між цими характеристиками на міждесятилітньому масштабі. Основною метою проведеного аналізу було виявлення механізму формування міждесятилітніх коливань в системі океан-атмосфера Північної Атлантики. Аналіз одержаних трендів показав наступне. Лінійний тренд ТПО і ПТП негативний у високих широтах. Контрасти ?Т і ?E зменшуються на більшій частині даної акваторії, вказуючи на активний вплив Північної Атлантики на тренди ПТП за рахунок негативного зворотного зв'язку, який підтримується змінами Н і LE. Значущі квадратичні тренди гідрометеопараметрів і H+LE підтверджують наявність в Північній Атлантиці природної мінливості з періодом близько 65 років. При цьому квадратичний тренд потоків тепла обумовлений, головним чином, квадратичним трендом ?E. Синфазність довгоперіодних аномалій ТПО і ?E на більшій частині Північної Атлантики вказує на вирішальну роль океанської мінливості в підтримці міждесятилітніх коливань в системі океан-атмосфера, які формують в свою чергу відповідні зміни характеристик природного середовища Європейського регіону. Наявність міждесятилітньої мінливості в системі океан-атмосфера природного походження утрудняє виділення антропогенно обумовленого кліматичного сигналу. Разом з тим одержані вище оцінки свідчать про можливість розділення цих сигналів, принаймні, в рамках спрощених уявлень про механізм їх взаємодії на масштабах від міждесятилітнього до сторічного.

Як основний результат цієї частини роботи можна назвати підтвердження принципової ролі океану у формуванні низькочастотної мінливості в системі океан-атмосфера Північної Атлантики, причому одним з важливих механізмів цього впливу є дія океану на зміни характеристик вологості приводного шару атмосфери і, відповідно, LE.

У основу даної роботи закладена концепція, що глобальна кліматична система розглядається як саморегулююча система з позитивними і негативними зворотними зв'язками, що характеризується декількома основними часовими масштабами.

4. Сумісний вплив глобальних сигналів системи океан-атмосфера і його прояви в особливостях природних аномалій Атлантико-євразійського регіону

Вивчення взаємодії глобальних сигналів будувалося на використанні апарату емпіричних ортогональних функцій (ЕОФ), застосуванні частотної фільтрації, лінійної кореляції і методу композитів. Для аналізу притягувалися масиви COADS, NCEP, дані регіональних спостережень різних характеристик природного середовища і клімату, включаючи дані гідрометеоцентрів Росії і України, дані гляціологічних і медико-кліматичних досліджень.

Розглянутий механізм сумісного впливу ПАК, ПК і ТДО на відповідних часових масштабах на мінливість гідрометеорологічних умов Євроазіатського регіону. Показано, що ПАК-ЕНПК-ТДО - комплексна інтерактивна система, що проявляється в основних модах ЕОФ в євразійських полях ПТП, опадів і ПАТ. Ця система характеризується відмінністю умов і управляючих механізмів для міжрічного-десятилітнього і міждесятилітнього масштабів. При цьому квазідворічна мінливість обумовлена внутрішніми процесами, що протікають в цій системі, тоді як десяти і двадцятирічна моди - власними коливаннями Атлантичного і Тихого океанів, відповідно. Міждесятилітні процеси в кліматичній системі з типовим періодом 65-70 років викликаються повільними змінами глобальної термохалінної циркуляції за рахунок змін швидкості оновлення глибинних північноатлантичних вод в зоні їх формування. Зокрема, ця мінливість виявляється в зміні положення північноатлантичних ЦДА і пов'язаних з ним змінах гідрометеоумов в Євроазіатському регіоні і Тихому океані. У свою чергу ПАК за допомогою атмосферних телекомунікацій впливає на Азіатський мусон, формуючи аномальні термічні умови в Євразії у весняний період. Таким чином, міждесятилітні зміни ПАК, обумовлені термохалінною циркуляцією, можуть робити вплив на події ЕНПК як за рахунок зміни основного стану екваторіального термоклину, так і за рахунок зміни Азіатсько-Тихоокеанських контрастів і подальшої взаємодії ЕНПК з Азіатським мусоном.

Показано, що сумісний вплив вивчених глобальних сигналів системи океан-атмосфера проявляється в мінливості аномалій різних характеристик природного середовища і має важливе прикладне значення.

Розглянуто на прикладі мінливості стоків європейських річок. Сумісна дія сигналів ПАК і ПК на міжрічному масштабі забезпечує бiльше 60% загальної мінливості стоків аналізованих річок. Найвірогіднішою причиною природних десятилітніх коливань кліматичних характеристик в Європейському регіоні є мінливість ПАК десятилітнього масштабу, підтримувана великомасштабними аномаліями ТДО. Сумісний вплив ПАК і ТДО забезпечує близько 70% загальної дисперсії цих стоків для весни. Це багатообіцяючий результат з погляду можливості отримання оцінки мінливості водності річок на вказаних масштабах. Але найважливішою задачею з погляду запобігання збитків, є оцінка вірогідності настання екстремальних повеней. Тому протягом дослідження мінливості стоків річок в цьому ж підрозділі проаналізовані умови настання катастрофічних повеней. Знайдено, що катастрофічні весняні паводки на Європейських річках є результатом сумісного впливу великомасштабних сигналів системи океан-атмосфера. Вони пов'язані із збігом певних фаз ПАК, ЕНПК і ТДО, які формують аномальні гідрометеорологічні умови над площами водозборів в зимово-весняний період. Екстремальні весняні повені на європейських річках відбуваються звичайно в позитивну фазу ТДО, супроводжуються подією ЕНПК і екстремальною позитивною (негативної) величиною індексу ПАК для північних річок Європи (річок Чорноморського басейну). При цьому над площами водозборів цих річок протягом попередньої зими, супроводжуваної відповідно позитивною (негативної) фазою ПАК міжрічного і десятилітнього масштабу, формуються циклональні умови, що забезпечують значне снігонакопичення. Судячи з описаних тенденцій, впродовж наступного десятиліття спостерігатиметься негативна фаза ТДО. Це повинно супроводжуватися зниженою кількістю циклонів над північною частиною Європи, і їх збільшенням над центральними і південними її регіонами. Це зумовить підвищення водності південних річок. В той же час, негативна фаза ТДО звичайно не супроводжується екстремальними повенями для річок Чорноморського басейну і півночі Європи. Такі умови сприятливі для більшості сфер людської діяльності, у тому числі і раціонального використовування рекреаційного потенціалу України.

Дослідження носять прикладний характер і направлені на практичне застосування одержаних результатів для формування обгрунтованих висновків і рекомендацій по перспективному плануванню курортно-рекреаційної діяльності в південних районах України.

Перспективи використання природного потенціалу приморських регіонів України (Крим, Північне Причорномор'я і побережжя Азовського моря), можливість їх рекреаційного і лікувального застосування визначається, перш за все, особливостями мінливості медико-кліматичних умов. Для розвитку вказаних курортів з погляду конкурентоспроможності важливі відомості про рекреаційну цінність приморських курортів Європи і прилеглих до неї регіонів Азії і Африки, оскільки на них орієнтований той же контингент відпочиваючих, що і на кримські курорти. Це пояснило доцільність спільно з колективом фахівців медичного напряму провести трудомістку роботу, в результаті якої на основі комплексного аналізу медико-кліматичних даних, зібраних з різних архівних джерел, а також даних масивів COADS і NCEP/NCAR, приведена порівняльна характеристика рекреаційній цінності всіх курортів -потенційних конкурентів з вказаних вище регіонів по кожному місяцю. Курорти, що вивчаються, були класифіковані за принципом рекреаційної цінності (9 рейтингових груп), серед яких приморські курорти України займають третє (ПБК) і п'яте місце (побережжя Чорного і Азовського морів). Підготовлені рекомендації по вибору курорту з урахуванням стану здоров'я відпочиваючих.

Аномалії медико-кліматичних характеристик аналізованих приморських курортних зон, так само як і аномалії інших характеристик природного середовища, обумовлені сумісним впливом міжрічних і десятилітніх сигналів системи океан-атмосфера - ПАК, ПК і ТДО. При цьому сумісний внесок міжрічної мінливості ПАК і ПК і десятилітніх коливань ТДО і ПАК в загальну дисперсію температури повітря, води і атмосферного тиску в зимовий період досягає 70%, в літній 40 - 45%. В ході подальшого аналізу показано, що сумісна дія глобальних сигналів визначає настання екстремальних медико-кліматичних умов в курортних регіонах. При цьому частота і інтенсивність настання кліматичних екстремумів на курортах Середземного і Чорного морів мають протилежну тенденцію на десятилітньому масштабі і визначаються, зокрема, дією ТДО. Виявлені кліматичні тенденції роблять кримські курорти більш конкурентноздатними протягом наступного десятиліття.

Гірські льодовики визнані важливим індикатором кліматичних змін на глобальному і регіональному масштабах. Їх мінливість обумовлює, у свою чергу, низькочастотну мінливість багатьох характеристик природного середовища і, зокрема, стоків річок. Проте дотепер виконувалися лише одиничні роботи по аналізу мінливості гляциологічних характеристик льодовиків у зв'язку з коливаннями в системі океан-атмосфера.

Показано застосування результатів дослідження глобальних сигналів системи океан-атмосфера до аналізу мінливості гляциологічних характеристик європейських льодовиків. Середньомісячні дані масивів NCEP/NCAR по ПТП і опадах в Європейському регіоні, COADS по ТПО і ПАТ в Північній Атлантиці, індекси ПАК і ПК були залучені для дослідження особливостей мінливості середньорічних гляциологічних характеристик - коливань річного балансу, що характеризується відношенням сумарної акумуляції до абляції (Bn/Ba) окремих льодовиків Скандинавії і Альп. Були вибрані дані льодовиків: Careser (Італія), Hintereis (Австрія), Kesselwand (Австрія), Silvretta (Швейцарія), Gries (Швейцарія), Aalfotbreen (Норвегія), Storbreen, (Норвегія). Показано, що сумісний вплив ПАК, ПК і ТДО, формуючи мінливість глобальних і регіональних гідрометеорологічних умов, обумовлює мінливість характеристик високогірних льодовиків. Сумісний внесок ПАК і ПК в загальну мінливість режиму європейських льодовиків на міжрічному - десятилітньому масштабах в зимово-весняний період досягає 70%. При цьому знаки кореляції для льодовиків, розташованих на півночі (Скандинавія) і півдні Європи (південь Альп), протилежні, що укладається в рамки запропонованої нами схеми впливу ПАК на аномалії характеристик природного середовища на міжрічному - десятилітньому масштабі. Маса льодовиків Альп за останні 25 років помітно зменшувалася, а льодовики Скандинавії наростали в результаті сприяючих цьому зимових умов по температурі повітря і кількості зимових опадів, які поступали з Атлантики на фоні інтенсифікації зональної циркуляції у вказаний період. Умови танення альпійських льодовиків і наростання маси скандинавських льодовиків приурочені до позитивної фази ТДО, оскільки позитивна аномалія ТДО інтенсифікує глобальні сигнали системи океан - атмосфера (ПАК і ПК), а негативна аномалія ослабляє їх.

Висновки

північноатлантичний стік просторовий

1. У дисертаційній роботі вивчені глобальні процеси в системі океан-атмосфера і їх регіональні прояви, і показано, що природні аномалії Атлантико-Європейського регіону формуються в результаті сумісного впливу основних сигналів системи океан-атмосфера - ПАК, ЕНПК і ТДО. Ці сигнали обумовлюють в середньому близько 70% регіональних аномалій природного середовища і клімату (гідрометеорологічних елементів, водності річок, балансу маси гірських льодовиків, медико-кліматичних характеристик) міжрічного - десятилітнього масштабу. ПАК-ЕНПК-ТДО - комплексна інтерактивна система, що характеризується відмінністю умов в системі океан-атмосфера і управляючих механізмів для міжрічного - десятилітнього і міждесятилітнього масштабів.

2. Досліджено, що вплив ПАК на формування природних аномалій Атлантико-Європейського регіону максимально виражений в зимово-весняний період. ПАК обумовлює в цей період більше 70% дисперсії середньомісячної температури і опадів над Північною Європою і 55% загальної їх внутрішньомісячної дисперсії над західною частиною Середземноморського регіону і Західною Європою. Цей вплив на міжрічному- десятилітньому масштабі реалізується таким чином. Позитивна фаза ПАК супроводжується зсувом ЦДА Північної Атлантики на північ - північний схід, внаслідок чого траєкторії атлантичних циклонів проходять, переважно, над Північною Європою, забезпечуючи там більшу кількість опадів, підвищені вологість і температуру, тоді над південною частиною Європи переважають антициклонічні умови. Негативна фаза ПАК характеризується відповідними аномаліями з протилежним знаком. З кінця ХIХ по кінець ХХ сторіччя ПАК інтенсифікувалось, а відстані між ЦДА Північної Атлантики скорочувалися.

3. Виявлено, що ЕНПК впливає на Європейський регіон опосередковано через ПАК, підсилюючи або ослабляючи цей сигнал. Початкова (зріла) фаза ЕНПК характеризується посиленням (ослабленням) ЦДА в Північній Атлантиці, що супроводжується збільшенням (зменшенням) дисперсій ПАТ, ПТП і інших характеристик природного середовища на більшій частині Атлантико-Європейського регіону.

4. Встановлено, що залежно від початку і тривалості існування аномалій ТПО в Тихому океані в глобальній системі океан-атмосфера виділяється два типи ЕНПК: весняний (з могутнішою і великомасштабною тихоокеанською температурною аномалією) і літньо-осінній (з меншою по величині і по простору аномалією ТПО), і два підтипи літньо-осінніх подій: тривалі і короткочасні. Всі вони супроводжуються значущим посиленням ПАК перед початком подій, його ослабленням на етапі розвитку і посиленням в кінці “+1” року Ель-Ніньо. Регіональні прояви для весняного типа ЕНПК статистично значущі на 95%. Проте, літньо-осінні тривалі події не завершуються за типовим сценарієм. Вони продовжують існувати і супроводжуються різким ослабленням ПАК влітку -на початку осені “+1” і “+2” року, а в кінці “+2” року, на завершальному етапі Ель-Ніньо - максимумом індексу ПАК. Мінливість ПАК, у свою чергу, формує природні аномалії Атлантико-Європейського регіону відповідно до одержаної схеми. Для літньо-осінніх короткочасних ЕНПК через обмеженість даних статистично значущих аномалій в Атлантико-Європейському регіоні виділити не вдалося.

5. Показано, що одним з механізмів зміни характеристик ЕНПК від десятиліття до десятиліття є модуляція їх ТДО. Позитивна фаза ТДО супроводжується збільшенням числа і інтенсивності ЕНПЮК, а також посиленням ПАК. Негативна фаза ТДО характеризується протилежними умовами.

6. Одержано, що природна мінливість з періодом близько 65-70 років, наявність якої встановлена в різних полях системи океан - атмосфера Північної Атлантики, формує міждесятилітні природні аномалії Європейського регіону. Ця мінливість в потоках тепла на межі океан - атмосфера обумовлена, головним чином, мінливістю характеристик вологості. Синфазність довгоперіодних аномалій ТПО і дефіциту вологості на більшій частині Північної Атлантики вказує на вирішальну роль океанської мінливості в підтримці міждесятилітніх коливань в системі океан - атмосфера.

7. Встановлено, що весняні катастрофічні повені на європейських річках звичайно наступають в позитивну фазу ТДО в роки ЕНПК при екстремальних величинах індексу ПАК.

8. Показано, що мінливість медико-кліматичних характеристик приморських курортів Чорного і Середземного морів обумовлена сумісною дією великомасштабних процесів в системі океан - атмосфера. Урахування особливостей рекреаційних умов на цих курортах в певні фази ПАК, ЕНПК і ТДО дозволяє не тільки рекомендувати тип курорту залежно від захворювання і стану здоров'я рекреантів, але і здійснювати планування раціонального використання курортів.

Література

1. Воскресенская Е.Н., Полонский А.Б. Тренды и межгодовая изменчивость параметров низкочастотного взаимодействия атмосферы и океана в Северной Атлантике // Метеорология и гидрология. -1993.-№ 11.-С. 73-80.

2. Воскресенская Е.Н., Полонский А.Б. Низкочастотная изменчивость потоков тепла в Тропической Атлантике в 1957-1990 // Метеорология и гидрология. -1994.-№ 9.-С. 59-68.

3. Artamonov Yu.V., Polonsky A.B., Voskresenskaya E.N. Interannual variability in the Tropical Atlantic associated with the Pacific ENSO event and Atlantic ENSO-like event of 1986/87 // Proceedings of the 19th Annual Climate Diagnostics Workshop.- College Park, Maryland (USA).-1994.-P. 322-325.

4. Polonsky A., Voskresenskaya E. Trends of the sea/air temperature, humidity deficiency, wind speed and heat fluxes in the North Atlantic in 1957-1999. - Contemporary Climatology // Proceedings of the annual meeting of the Commission on Climatology of the IGU /Edited by Prof. Brazdil.-Brno.-1994.-P.473-479.

5. Polonsky A., Voskresenskaya E. Interannual Variability in the North Atlantic Associated With the ENSO Events // PWPR Report Series Project /International Workshop, Beijing, 1995.-No.6/WMO/TD-No.652.-Geneva.-1995.-P. 113-117.

6. Kadeev A.A., Kolinko A.V., Polonsky A.B., Voskresenskaya E.N. Low-Frequency Change of the Black Sea River Discharges Associated With the Coupled Ocean-Atmosphere Variability in the North Atlantic // Workshop Report.-No.105/Supplement, Proc. Int. Conf. “Coastal Change 95” Bordomer-IOC, UNESCO.-1995.-P. 686-696.

Размещено на Allbest.ru