Вплив атмосферних процесів Північної Атлантики на синоптичну ситуацію над Україною

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

11.00.09 - Метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Вплив атмосферних процесів Північної Атлантики на синоптичну ситуацію над Україною

Романова Ганна Вячеславівна

Одеса 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник: доктор географічних наук, доцент Хохлов Валерій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, професор кафедри теоретичної метеорології і метеорологічних прогнозів

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, старший науковий співробітник Антоненко Володимир Степанович, Київський національний університет культури і мистецтва, завідувач кафедри міжнародного туризму;

кандидат географічних наук, старший науковий співробітник Берлінський Микола Анатолійович

Український науковий центр екології моря, перший заступник директора.

Захист відбудеться «___» __________ 2011 р. о ___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.02 Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

Автореферат розісланий «___» __________ 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Вольвач О.В

1. Загальна характеристика роботи

океан циклон море атлантика

Актуальність теми. Вже багато років відомо, що процеси взаємодії атмосфери і океану в Північній Атлантиці у великій мірі визначають погодні та кліматичні умови над Європою. Одним з найяскравіших проявів такої взаємодії є центр дії атмосфери, відомий як Ісландський мінімум. З синоптичної точки зору, Ісландський мінімум визначається наявністю у приполярних районах Північної Атлантики переважно циклонічних вихорів з достатньо низьким тиском у центрі. Природно, що пересування цих циклонів на Західну та Північну Європу нерідко супроводжується штормами, випадінням великої кількості опадів, проникненням на південь холодної арктичної повітряної маси тощо. Окрім цього, наявність Північної Атлантики, як океанічного «акумулятора» тепла, визначає достатньо м'який клімат Західної Європи та позаполярної частини Північної Європи з переважно теплими зимами та прохолодними літами, хоча й існують виключення, іноді навіть дуже разючі (наприклад, хвилі тепла влітку 2003 р. з численними людськими жертвами).

Найбільш відомим проявом мінливості клімату у Північній Атлантиці є так зване Північноатлантичне коливання (ПАК), яке визначається наявністю двох центрів дії - Ісландського мінімуму та Азорського максимуму. Переміщення цих центрів відносно їх кліматичного місцеположення, у свою чергу, визначає фази ПАК - позитивну чи негативну, - з якими пов'язані відповідні просторові розподіли баричного поля, температури, опадів, хмарності і багатьох інших гідрометеорологічних величин. Мабуть головною причиною цього є зміна траєкторій переміщення циклонів: за позитивної фази ПАК інтенсивні циклони зміщуються північніше, ніж за негативної.

Однією з особливостей Північноатлантичного коливання є те, що його фазу можна достатньо добре спрогнозувати за допомогою фізико-статистичних моделей на термін від декількох тижнів до декількох місяців, що дозволяє передбачити майбутній великомасштабний просторовий розподіл полів різних гідрометеорологічних величин. Але, на жаль, вплив ПАК на атмосферні процеси над Східною Європою і, зокрема, Україною простежується вже не достатньо різко. Дійсно, якщо розглянути мінливість баричного поля, пов'язану з ПАК, то виявиться, що над Україною розташовується зона майже нульової мінливості тобто зміни «осередненої» синоптичної ситуації з циклоном над Ісландією та полем високого тиску, розташованим південніше, не супроводжуються великомасштабними змінами тиску над Україною.

Зазвичай, виникнення циклону над океаном і подальше його переміщення територією України можна розглядати як прояв впливу процесів Північної Атлантики на процеси над Україною. Але далеко не кожний синоптичний вихор з океану переміщується територією України. Більше того, неможливо й визначити якусь періодичність в еволюції таких циклонів. Тому постає задача розробки методики, яка б не на якісному, а на кількісному рівні дозволила б з'ясувати можливий зв'язок між атмосферними процесами над Північною Атлантикою та Україною. Розв'язання цієї проблеми, внаслідок доброї передбачуваності ПАК на строки до декількох місяців, дозволить істотно покращити систему середньострокових та довгострокових прогнозів для території України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які містяться у дисертації, були складовими частинами НДР, що виконувались на кафедрі вищої та прикладної математики Одеського державного екологічного університету за темами: «Нейромережеве моделювання в кібернетиці, прикладній математиці, геофізиці (метеорології, гідрології, океанології, екології), теорії викладання математики» (2001_2005 рр., № ДР 0206U004866), «Вейвлет-аналіз та мультифрактальне моделювання динаміки нелінійних процесів у кібернетичних, геофізичних і гідроекологічних системах» (2006-2010 рр.; № ДР 0106U003086).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є визначення кількісних характеристик особливостей просторово-часового розподілу полів гідрометеорологічних величин над Україною, пов'язаних з впливом атмосферних процесів над Північною Атлантикою.

Досягання зазначеної мети здійснювалося розв'язанням таких взаємопов'язаних завдань:

- розробити методику, яка була б спроможною виявити характерні риси нестаціонарного зв'язку між атмосферними процесами над Північною Атлантикою та Україною;

- визначити особливості впливу синоптичної ситуації над Ісландією та Азорськими островами на мінливість баричного поля над Україною;

- надати об'єктивні кількісні оцінки повторюваності блокуючих процесів над Україною та їх можливого зв'язку з Північноатлантичним коливанням;

- показати наявність зв'язку між різними гідрометеорологічними явищами над Україною, зокрема, фронтальних опадів та штормів у Азовському морі з блокуючими антициклонами та процесами Північної Атлантики;

- визначити вплив Північноатлантичного коливання на просторово-часові особливості розподілу загального вмісту озону над Європою.

Об'єкт дослідження - атмосферні процеси над Атлантико-Європейським сектором.

Предмет дослідження - закономірності впливу синоптичної ситуації над Північною Атлантикою на просторово-часовий розподіл гідрометеорологічних величин над Україною.

Методи дослідження. Дослідження виконані із застосуванням класичного методу синоптичної метеорології, такого як аналіз синоптичної ситуації на основі карт погоди, математичної статистики (кореляційний та компонентний аналіз) для визначення взаємозв'язку між досліджуваними процесами та особливостями просторового розподілу полів гідрометеорологічних величин і методу дослідження нестаціонарних часових рядів - вейвлет-аналізу - для виявлення значущих характеристик у часово-частотному просторі часових рядів гідрометеорологічних величин. Розрахунки виконані за допомогою розроблених авторкою програмних комплексів та програми Microsoft Excel; остання також використовувалась для побудови різноманітних графіків.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому:

- запропоновано методичний підхід зі спільного використання компонентного та вейвлет-аналізу, який поєднує у собі переваги відтворення просторової структури полів першого та нестаціонарних часових змін другого;

- на кількісному рівні показано, що між синоптичними процесами у Північній Атлантиці та над Східною Європою існує зв'язок протягом певних періодів часу і цей зв'язок може визначатися тим, наскільки інтенсивними є зазначені синоптичні процеси;

- встановлено, що наявність блокуючого процесу над Північною Атлантикою визначає його відсутність над Україною, що дозволило уточнити роль Північноатлантичного коливання у формуванні блокуючих антициклонів над Східною Європою;

- уточнено роль процесів блокування у імовірності виникнення та розташуванні зон опадів, пов'язаних з атмосферними фронтами на периферії антициклонів, а також виникнення сильних штормів над Азовським морем, внаслідок чого у деяких портах можуть мати місце небезпечні підвищення рівня моря;

- на кількісному рівні досліджено залежність просторово-часового розподілу та змін загального вмісту озону над Європою залежно від синоптичних процесів, пов'язаних з Північноатлантичним коливанням.

Практичне значення одержаних результатів. Результати виконаних досліджень можуть бути використані для вдосконалення системи середньострокових та довгострокових прогнозів для території України, зокрема, для прогнозу баричного поля, опадів та штормів над Азовським морем. Запропонована методика спільного використання компонентного та вейвлет-аналізу може використовуватися для дослідження інших атмосферних об'єктів, зв'язок між якими, внаслідок їх великої віддаленості один від іншого та великої кількості шуму в даних, проявляється тільки в окремі інтервали часу та на певних масштабах.

Особистий внесок здобувача. Методичні основи досліджень розроблено авторкою разом з науковим керівником. Особистий внесок здобувача полягає у зборі та попередній обробці гідрометеорологічної інформації та баз даних, розробці програмних комплексів та розрахунку всіх параметрів та характеристик, наведених у роботі, аналіз одержаних результатів та висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати, одержані під час написання дисертації, представлялись та обговорювались на наукових семінарах кафедри вищої та прикладної математики ОДЕКУ, конференціях молодих вчених ОДЕКУ (2006, 2007, 2009 рр.), 12th Seoul International Symposium on Polar Sciences (Ansan, Korea, 2005), ESF-MedCLIVAR Workshop on “Hydrological, socioeconomic and ecological impacts of the North Atlantic Oscillation in the Mediterranean region” (Zaragoza, Spain, 2010).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 11 робіт, у тому числі 6 статей у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України (з них 2 одноосібні), та 5 публікацій у збірниках тез та матеріалів наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 162 сторінках машинописного тексту, містить 70 рисунків та 6 таблиць, складається з вступу, п'яти розділів, висновків, трьох додатків та списку використаних джерел з 104 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані її мета і завдання, описуються основні методи дослідження, наукова новизна і практичне значення основних результатів.

У першому розділі за літературними джерелами розглядаються структури телеконекції в Північноатлантичному секторі, методи визначення цих структур та вплив Північноатлантичного коливання на погодні умови в Україні.

Якщо розглядається Північноатлантичний сектор, то виділяються чотири структури телеконекції - Північноатлантичне коливання (ПАК), структури Східної Атлантики (СА), Скандинавії (СК) та Східної Атлантики/Західної Росії (САЗР). ПАК є єдиною структурою телеконекції у північній півкулі, яка спостерігається протягом усього року. Воно складається з двох центрів дії, один з яких розташовується між Гренландією та Ісландією, а інший, оберненого знаку, над Атлантикою та Європою. Північноатлантичне коливання взимку істотно впливає на температуру майже над усією північною півкулею.

Однак виявляється, що вплив Північноатлантичного коливання на Україну не можна вважати цілком визначеним, тому що у випадку обох фаз ПАК територія України розташовується на східній межі процесів, які супроводжують зміни циркуляції, пов'язаної з ПАК. Дійсно, для випадку інтенсивних циклонів, пов'язаних з ПАК, жоден циклон не переміщувався поблизу України, а переважна їх частина, до того ж, набула максимального розвитку ще над Атлантичним океаном. Також, за позитивної фази ПАК зміни середньодобової температури над Україною не перевищують 0,5° С. Що ж стосується впливу ПАК на опади, то за позитивної фази ПАК над Україною має місце від'ємна аномалія опадів, тим часом як негативна фаза ПАК супроводжується збільшенням опадів.

Взагалі ж, існування достатньо великої кількості досліджень «кліматичної» спрямованості не дозволяє зробити висновок про вплив Північноатлантичного коливання на процеси синоптичного масштабу над Україною.

Другий розділ дисертації присвячено методам дослідження зв'язку між двома процесами, зокрема, компонентному та вейвлет-аналізу, та визначенню гідрометеорологічних величин та характеристик, яки дозволяють виявити та пояснити такий можливий зв'язок.

Суть компонентного аналізу полягає у такому. Якщо існує масив даних про якусь гідрометеорологічну величину для певних календарних дат у вузлах сітки x(t) = [x1, …, xl], де кожна змінна xi (i = 1, …, l) містить N спостережень, можна відшукати такі вектори u(t) та а, що

u(t) = a • x(t) (1)

за умови мінімізації

||x(t) ? аu(t)||2,

де дужками позначене часове осереднення. Тут u(t) має назву першого головного компонента, а є першим власним вектором матриці коваріації даних. Для того, щоб відшукати другий власний вектор та другий компонент, треба застосувати вираз (1) для залишку ||x(t) ? аu(t)|| і так далі для інших векторів. Також можна одержати й дисперсії відповідних ортогональних компонентів.

Аналіз можна робити для просторового розподілу власних векторів, перший з яких описує мінливість за рахунок найбільш великомасштабного процесу, другий - меншого, третій - ще меншого тощо. Наприклад, розкладення поля часових рядів геопотенціальних висот забезпечує наявність одного екстремуму поблизу Ісландії, а іншого - у районі Азорських островів, що й визначає Північноатлантичне коливання. Отже, компонентний аналіз дуже добре виявляє особливості просторового розподілу різних гідрометеорологічних величин.

Вейвлет-перетворення є ефективним засобом для аналізу нестаціонарних часових рядів, що вже неодноразово було продемонстровано багатьма науковцями. Неперервне вейвлет-перетворення дискретної послідовності xn визначається як згортка xn масштабованою та зміщеною версією вейвлет-функції 0()

. (2)

Використавши вейвлет-енергію Wn(s), можна для кожного часу п і масштабу s одержати розподіл локального енергетичного вейвлет-спектра. Більше того, коли розглядаються два часові ряди xn і yn з метою виявлення у них деяких спільних особливостей, можна застосувати перехресне вейвлет-перетворення, яке визначається WXY = WXWY* (символ «*» позначає комплексне спряження) і показує зони з високою спільною енергією. Тоді перехресна вейвлет-енергія визначається |WXY|, а комплексний аргумент arg(WXY) може інтерпретуватися як локальна відносна фаза між xn і yn у просторі часу-частот. Також можна визначити й когерентність перехресного вейвлет-перетворення у просторі часу-частот

, (3)

де S - оператор згладжування.

При дослідженні впливу Північної Атлантики на синоптичні умови над Україною, доцільно використовувати середньодобовий індекс ПАК або будь-який інший показник мінливості баричного поля над Північною Атлантикою. У цій роботі поряд з індексом ПАК пропонується застосовувати лапласіан тиску на рівні моря () чи геопотенціальної висоти () на певній ізобаричній поверхні. Зазвичай, значення > 11011 м1 розглядається як характерне для наявності над розглянутим вузлом сітки циклону, тобто часовий ряд лапласіанів може допомогти й у аналізі синоптичної ситуації над регіоном дослідження.

Отже, для того, щоб проаналізувати взаємозв'язок між синоптичними процесами над Північною Атлантикою та Україною пропонується наступна процедура:

а) спочатку має бути виконаний компонентний аналіз, результатами якого є поля власних векторів розкладення поля геопотенціальних висот;

б) далі на цих полях визначаються зони з екстремальними значеннями власних векторів, що характеризує найбільшу мінливість поля тиску;

в) у визначених вузлах сітки розраховуються лапласіани геопотенціальних висот для кожної доби досліджуваного періоду;

г) для сформованих двох часових рядів виконується перехресне вейвлет-розкладення та визначається вейвлет-когерентість, а потім визначаються зони зі значущими вейвлет-енергією та вейвлет-когерентністю, які й вказують на проміжки часу, протягом яких вплив Північної Атлантики на синоптичні процеси над Україною мав місце на певних масштабах часу.

Отже підхід на основі даних про лапласіани геопотенціальних висот дозволяє виявити взаємозв'язок між Північноатлантичним коливанням і циклонічною діяльністю над Україною, але не може бути застосований для випадку блокуючих ситуацій, тому що не кожний антициклон може вважатися блокуючим. Тому має бути використана інша характеристика, яка б визначала блокуючі процеси, а саме індекс блокування. Індекс блокування можна розрахувати за формулами

 (4)

де N, 0 та S визначаються у вузлах сітки з кроком 2,5°. Вузол сітки вважається таким, що у ньому має місце блокування, якщо виконуються обидва критерії

GHGS > 0, GHGN < ?10 м/єшироти.

Зі стаціонарним антициклоном пов'язаний ще один цікавий синоптичний процес - блокування фронтальних розділів на східній периферії такого антициклону. Отже, якщо використати певний об'єктивний показник атмосферного фронту, можна з'ясувати й вплив блокуючого процесу на еволюцію атмосферного фронту. З цією метою застосуємо індекс вологості НІХ, для якого на фронті виконується умова

, (5)

де ZTE, ZTE і ZT - еквівалентні товщини шарів між двома ізобаричними поверхнями, розраховані для різних умов вмісту вологи у повітрі.

Отже, спільне використання компонентного і вейвлет-аналізу може бути зручним засобом для дослідження зв'язку між синоптичними процесами над Північною Атлантикою та Україною. Також, запропоновані тут гідрометеорологічні характеристики охоплюють широкий спектр синоптичних процесів - що дозволяє зробити аналіз зв'язку між синоптичними процесами над Північною Атлантикою та Україною на достатньому науковому рівні.

У третьому розділі за допомогою описаних вище методів досліджується можливий зв'язок між синоптичними процесами над Північною Атлантикою та Україною для періодів з 14 листопада по 15 березня за 1996-97 по 2005-06 рр., а як приклад розглянемо тільки холодний сезон 2004-05 рр.

Спочатку, компонентний аналіз робився для області, обмеженої 30° і 80° півн.ш. та 40° зах.д. і 50° сх.д. Але виявилося, що найбільша мінливість поля тиску спостерігається над Ісландією, а над Україною мінливість тиску набагато менша. Інакше кажучи, синоптичну ситуацію над Україною, пов'язану з Північноатлантичним коливанням, визначають баричний гребінь з відрогом або неглибокий циклон над Балканами, причому баричні градієнти над самою Україною є малими.

На наступному етапі, досліджуваний район розбивався на дві окремі області, перша з яких охоплювала Північну Атлантику та Західну Європу, а друга - Східну Європу, і окремо для кожної застосовувався компонентний аналіз. На рис. 1 представлені перший власний вектор розкладення, для Північної Атлантики (описує 52% дисперсії поля) та другий - для Східної Європи (49%). Поле першого власного вектора для Північної Атлантики описує дипольну структуру з основними центрами над Ісландією та Азорськими островами, тобто Північноатлантичне коливання. Поле другого власного вектора характеризується екстремумом над північним заходом України, причому мінливість поля тиску над всією Україною можна порівняти з мінливістю тиску над Атлантикою.

Таким чином, були вибрані географічні точки, в яких спостерігаються екстремуми власних векторів (на рис. 1 вони позначені хрестиками), в яких і розраховувалися лапласіани тиску для кожної доби.

Вейвлет-аналіз показав, що для пари Ісландський мінімум - Україна у частотно-часовому просторі можна знайти три зони зі значущою вейвлет-когерентністю між змінами лапласіанів тиску на синоптичному масштабі часу (рис. 2). По-перше, з 14 по 25 грудня 2004 р. значуща вейвлет-когерентість спостерігалася для періоду коливань близько 8 діб, причому спочатку зміни у синоптичній ситуації мали місце у районі Ісландського мінімуму, а приблизно 2 доби по тому аналогічні зміни простежувалися й над Україною. По-друге, з 23 по 29 січня 2005 р. також відзначалася значуща вейвлет-когерентність і зміни лапласіанів з періодом трохи менше за 4 доби були протифазні. Нарешті, у березні 2005 року вейвлет-когерентність була значуща у діапазоні періодів коливань від 4 до 8 діб, але частина цієї зони перебувала під впливом заглибу депресії, в зв'язку з чим цей результат не можна вважати цілком вірогідним. Таким чином, можна зробити висновок, що інтенсивність та фаза Північноатлантичного коливання не впливають на зміну синоптичної ситуації над Україною протягом усього розглянутого періоду, а тільки певного, нетривалого періоду часу. Аналіз карт погоди з 23 по 30 січня 2005 р., коли мала місце значуща вейвлет-когерентність для періоду ~4 доби, показав, що у перші дві доби над Північною Атлантикою розташовувався антициклон, але з 23 на 24 січня саме над Ісландією його інтенсивність зменшувалася. У вузлі сітки над Східною Європою, внаслідок розповсюдження баричного гребеня з півдня, навпаки, зменшувався циклонічний вихор.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Поля 1-го (а) і 2-го (б) власних векторів тиску за період з 14.11. 2004 р. по 15.03.2005 р. для різних географічних районів



Рис. 2Вейвлет-когерентність між змінами лапласіанів тиску для пари Ісландський мінімум - Україна у холодний сезон 2004-05 р. (вісь Х - доба)

Рівень значущості 5% стосовно червоного шуму показаний товстими лініями; заглиб депресії - світлішим тоном; відносна фаза - стрілками (праворуч - два ряди у фазі, догори - перший ряд випереджує другий)

Наступних двох діб, 25 і 26 січня над Ісландією мала місце заміна баричної улоговини на баричний гребінь, який розповсюджувався з півдня з зони інтенсивного антициклону, а у вузлі над Східною Європою - навпаки, баричного гребеня на баричну улоговину через поглиблення середземноморського циклону, тиск в якому за добу зменшився приблизно на 8 гПа. Збільшення антициклонічності над Ісландією внаслідок розташування над нею баричного гребеня та циклонічності у вузлі над Східною Європою, коли Україною переміщувався південний циклон, тривало й протягом наступних двох діб. Нарешті 29-30 січня мали місце поглиблення баричної улоговини над Ісландією та посилення баричного гребеня над Східною Європою. Таким чином, зміни лапласіанів у двох вузлах з 23 по 30 січня 2005 року дійсно були у протифазі і період цих змін становив приблизно чотири доби.

Аналогічний аналіз для усіх десяти років дозволив виявити періоди часу протягом холодної пори року, коли мали місце синхронні зміни синоптичної ситуації на періодах коливань від 4 до 8 діб. Зазвичай таке спостерігається не дуже часто і, навіть, не кожного року, але тривалість таких змін може становити декілька тижнів. Процес когерентних змін у синоптичній ситуації над Північною Атлантикою та Східною Європою не залежить від інтенсивності та фази Північного коливання і може бути як синфазним, так і протифазним. Але, для того, щоб мала місце значуща вейвлет-когерентність, потрібна наявність двох інтенсивних синоптичних процесів, які б істотно відрізнялися від загальної синоптичної ситуації.

У четвертому розділі, використовуючи ті ж методи, кількісно визначаються особливості впливу ПАК на блокування над Україною та пов'язані з ним деякі синоптичні процеси - розподіл атмосферних фронтів та виникнення штормових нагонів у Азовському морі.

Насамперед, за допомогою просторового розподілу індексу блокування показано, що над сходом України повторюваність блокуючих ситуацій у деякі місяці може сягати 75%, при чому блокування спостерігалось як в зимові, так і в літні місяці. Але тривалі періоди з додатними індексами блокування над Україною спостерігаються достатньо рідко.

Для дослідження впливу ПАК на блокування над Україною за допомогою компонентного аналізу був визначений вузол сітки поблизу України, в якому мінливість блокуючих процесів була найвищою. Потім для нього розраховувався часовий ряд індексу блокування для якого, разом з лапласіаном геопотенціальної висоти АТ-500 гПа виконувалося перехресне вейвлет-перетворення, приклад якого для холодного періоду 2004-05 р. наведений на рис. 3.

На рис. 3 простежуються три зони значущої перехресної вейвлет-енергії на часових масштабах від чотирьох до восьми діб (синоптичні процеси): у першій половині грудня 2004 р., наприкінці січня та на початку березня 2005 р., причому коливання відбувалися синфазно. Аналіз часових рядів лапласіану над Ісландією та індексу блокування над Україною у зазначені періоди показав, що над Ісландією відзначалися великі від'ємні лапласіани (тобто спостерігалася негативна фаза ПАК), а над Україною - також від'ємні індекси блокування. Спільний аналіз цих часових рядів та синоптичної ситуації виявив той факт, що у зазначені періоди над Північною Атлантикою відзначався блокуючий процес. Інакше кажучи, наявність блокування над Північною Атлантикою спричиняє його відсутність над Україною.

Далі, для календарних дат з індексом блокування більше нуля розраховувався індекс вологості HIX і, ґрунтуючись на цих розрахованих полях, проводився компонентний аналіз для визначення власних векторів полів індексу вологості. Перші два з яких представлені на рис. 4, на якому можна виділити найбільш інтенсивні фронтальні зони, в яких щільність випадіння опадів велика. Взагалі ж, поле другого власного вектора характеризується максимумом поблизу України, що обумовлюється переміщенням через Україну атмосферних фронтів. Поле першого власного вектора показує, що фронт розташовувався східніше України

Рис. 3 Перехресне вейвлет-перетворення рядів лапласіанів висоти АТ-500 гПа поблизу Ісландії та індексом блокування північно-східніше України



Рис. 4 Поля перших двох власних векторів фронтального параметра HIX для випадків блокуючого антициклону (ліворуч - перший власний вектор, праворуч - другий)

Таким чином, такій підхід дозволяє виявляти кліматичне положення атмосферних фронтів для випадку блокуючих антициклонів за допомогою індексу вологості HIX та компонентного аналізу.

Нарешті, для випадків небезпечного підняття рівня (531 см) моря у порту Маріуполь на Азовському морі за 1985-2005 рр. компонентний аналіз здійснювався для поля тиску на рівні моря, що дозволило виявити дві синоптичні ситуації з найбільшою повторюваністю штормових нагонів: блокуючий антициклон, південна периферія якого сягає Чорного та Азовського морів, та розповсюдження улоговини з північного сходу, на південній периферії якої над Азовським морем спостерігається сильний вітер південних напрямків.

Також було виконано перехресне вейвлет-перетворення для середньодобових індексів ПАК та рівнів моря у п. Маріуполь за січень-липень 2004 року, коли поспіль відзначалися 11 небезпечних явищ з підняття рівня моря. У цьому випадку, на часових масштабах з періодом 4-8 та 16-20 діб мала місце значуща спільна вейвлет-енергія. Причому, коли спостерігались максимальні рівні (у середині лютого та наприкінці травня) ця характеристика вейвлета мала місце на більших масштабах часу. Іншою особливістю є те, що коливання індексів ПАК та рівня моря майже завжди відбуваються у фазі.

У п'ятому розділі аналізується вплив зміни синоптичної ситуації над Європою, пов'язаною з ПАК, з просторово-часовими змінами загального вмісту озону (ЗВО). Розглядалися часові ряди загального вмісту озону для дев'яти холодних періодів з 1997 по 2005 рр. (дані вимірювань спектрометра Earth Probe) у вузлах регулярної сітки, обмеженої довготами 15° зах.д. та 45° сх.д. і широтами 35° і 60° півн.ш.

Для випадку середньомісячних величин, вплив ПАК на ЗВО можна пояснити таким чином. Мінливість тиску на рівні тропопаузи лінійно пов'язана з загальною масою озону у нижній стратосфері. З іншого боку, зміни індексу ПАК також пов'язані з тиском на рівні тропопаузи, а саме протягом позитивних фаз ПАК тиск на рівні тропопаузи вище у більш високих широтах та нижче у помірних. Це визначається наявністю Ісландського мінімуму та Азорського максимуму, які перебувають на своїх звичайних місцях. Тоді над Західною Європою ЗВО взимку зменшується, а над Ісландією - збільшується.

Але коли розглядаються середньодобові дані, не можна гарантувати, що, навіть за великої позитивної фази ПАК, Ісландський мінімум та Азорський максимум будуть перебувати на своїх звичайних місцях. Отже, зміна ЗВО над Європою буде визначатися не тільки цими центрами дії, а й зміною синоптичної ситуації взагалі.

Попередній аналіз показав, що коефіцієнти кореляції між середньодобовими індексами ПАК та ЗВО, наприклад, в Арозі (Швейцарія) протягом окремих холодних сезонів можуть мати різні знаки і бути значущими чи незначущими. Тому для виявлення зв'язку між ПАК та ЗВО над Європою був застосований такий підхід:

а) перехресне вейвлет-перетворення виконується для кожного вузла регулярної сітки з кроком 1°Ч1.25° (широта-довгота), обмеженої довготами 15° зах.д. та 45° сх.д. і широтами 35° і 60° півн.ш.;

б) усередині зон у частотно-часовому просторі, в яких перехресна вейвлет-енергія перевищує 5% рівень значущості, розраховується середня вейвлет-енергія для кожного вузла сітки;

в) усередині тих же зон локальні фазові кути перераховуються у часові затримки і для кожного вузла сітки обчислюється середня часова затримка;

г) аналізується просторовий розподіл цих осереднених значень стосовно аномалій тиску, пов'язаних з Північноатлантичним коливанням.

Особливості просторового розподілу для часових затримок у змінах загального вмісту озону на зміни індексу ПАК збігаються у загальних рисах з мінливістю синоптичної ситуації (рис. 5). У січні ближче до головної аномалії тиску у Північній Атлантиці загальний вміст озону змінюється майже когерентно з баричним полем (часові затримки не перевищують 2 діб). Чим далі розташована аномалія, тим більше стає часова затримка, яка над Східним Середземномор'ям та Чорним морем становить близько 8 діб (рис. 5а). У лютому ця залежність не змінюється, а цікавою особливістю є своєрідний «гребень» з Балтійського моря на центральну частину Середземного (рис. 5б). Певна річ, повного збігу не спостерігається, але треба відзначити, що мінливість баричного поля аналізується за допомогою тільки першого компонента розкладення.



Рис. 5 Просторовий розподіл часових затримок (доба, відтінки сірого) відклику ЗВО на зміни ПАК у приблизно 8-добовій полосі періодів коливань для січня (а) і лютого (б) 2004 р. Розподіл перших власних векторів розкладання геопотенціальних висот АТ-500 гПа показано суцільними (додатні) та штрихованими (від'ємні) лініями

Просторовий розподіл перехресної вейвлет-енергії у певній мірі відтворює вищевикладене - її максимуми мають місце поблизу від'ємної аномалії, пов'язаної з Північноатлантичним коливанням, а мінімуми - аномалії оберненого знаку. Підсумовуючи все вищевикладене, можна стверджувати, що наведені результати у цілому збігаються з відомою динамікою змін ЗВО за винятком того, вони описують мінливість на часових масштабах приблизно 8 діб. Отже мінливість загального вмісту озону може бути пояснена мінливістю синоптичних процесів, причому просторово-часові зміни загального вмісту озону над Європою внаслідок спричиненої Північноатлантичним коливанням циклонічної (чи антициклонічної) діяльності дуже відрізняються від випадку до випадку. А ПАК впливає на ЗВО як у позитивній так й у негативній фазах. Однак ПАК визначає траєкторії (або стале розташування) циклонів та антициклонів протягом двох чи трьох тижнів, що й може викликати виникнення озонових мінідірок у будь-якій частині Атлантико-Європейського регіону.

Висновки

Північноатлантичне коливання, як один з найяскравіших кліматичних феноменів північної пікулі, що визначає погодні і кліматичні умови на великій території, вивчається протягом декількох останніх десятирічь. За ці роки були одержані важливі теоретичні і практичні результати, які стосуються механізмів взаємодії атмосфери і океану у Північній Атлантиці; взаємодії між ПАК та іншими структурами телеконекції, як то Південне коливання або структура Тихий океан - Північна Америка; впливу на просторово-часовий розподіл полів гідрометеорологічних величин в Америці та Європі, зокрема й Україні. Але саме вплив атмосферних процесів над Атлантикою в цілому, і Північноатлантичного коливання, зокрема, на Україну, внаслідок достатньої віддаленості її від океану має бути досліджений, з нашої точки зору, ретельніше і з використанням чисельних оцінок. Саме цьому присвячена дисертаційна робота, аналіз результатів якої дозволив зробити такі висновки:

1. Використання звичайних методів, таких як кореляційний чи компонентний аналізи, не забезпечує задовільні результати під час аналізу зв'язків між нестаціонарними атмосферними процесами, які, до того ж, віддалені один від іншого на великі відстані. З цією метою доцільніше використовувати вейвлет-аналіз.

2. Протягом холодних періодів року мають місце синхронні зміни синоптичної ситуації над Північною Атлантикою та Україною на періодах коливань від 4 до 8 діб. Зазвичай таке спостерігається не дуже часто і, навіть, не кожного року, але тривалість таких змін може становити декілька тижнів.

3. Процес когерентних змін у синоптичній ситуації над Північною Атлантикою та Східною Європою не залежить від інтенсивності та фази Північного коливання і може бути як синфазним, так і протифазним. Але, вірогідніше за все, для того, щоб мала місце значуща вейвлет-когерентність потрібна наявність двох інтенсивних синоптичних процесів, які б істотно відрізнялися від загальної синоптичної ситуації, наприклад, блокуючого процесу та інтенсивного південного циклону.

4. Існує певний зв'язок між синоптичною ситуацією над Північною Атлантикою та процесом блокування над Україною, а саме наявність блокуючого процесу спричиняє його відсутність над Україною; процес же блокування над Північною Атлантикою обернено корелює з індексом ПАК.

5. Якщо розглядати низькочастотні коливання з періодом близько 1 місяця, то існує певний значущий зв'язок між процесами над Північною Атлантикою та Україною: зі зміною синоптичної ситуації в бік збільшення циклонічності в районі Ісландського мінімуму відбуваються майже протифазні зміни індексу блокування над Україною, а у випадку Азорського максимуму - синфазні. Цей висновок повністю підтверджується загальними положеннями теорії довгих хвиль в атмосфері.

6. Процес блокування впливає на просторовий розподіл фронтальних зон. Зокрема, якщо блокуючий антициклон розташовувався північно-східніше України, це спричиняло відповідні зміни в поле індексу вологості, а саме, найбільша його мінливість спостерігалася поблизу території України. Інакше кажучи, вірогідність розташування атмосферних фронтів над Україною при блокуючому процесі є дуже великою.

7. Найчастіше небезпечні нагони у портах північного узбережжя Азовського моря мають місце за блокування циклону над Чорним і Азовським морями та сильних південних вітрів на південно-західній периферії великого глибокого циклону. Для випадків, коли мають місце максимальні рівні моря, характерними є процеси, часовий масштаб яких близький до існування потужних блокуючих антициклонів.

8. Має місце залежність часових затримок мінливості загального вмісту озону від відстані до центрів дії, пов'язаних з ПАК, а перехресна вейвлет-енергія визначається й знаком аномалії тиску у головному центрі дії в Північній Атлантиці. Можна казати про головну роль Північноатлантичного коливання у просторово-часовій мінливості загального вмісту озону над Європою на синоптичному масштабі часу та простору. Ця роль полягає у тому, що розташування центрів дії ПАК визначає на достатньо тривалий період траєкторії пересування синоптичних вихорів помірних широт, які, у свою чергу, й впливають на ЗВО в різних частинах Європи.

Одержані у дисертаційній роботі результати ґрунтуються на використанні традиційних та сучасних методик дослідження статистичної структури нестаціонарних часових рядів, загальновживаних баз даних гідрометеорологічної інформації, та мають статистичну оцінку значущості. Все це дозволяє застосовувати їх для подальшого удосконалення систем середньострокового та довгострокового прогнозу погоди, а запропоновані методики - і для дослідження інших аналогічних процесів, що мають місце в атмосфері та океані.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Хохлов В.Н. Повторяемость блокирующих ситуаций над Европой в начале 21-го века / Хохлов В.Н., Романова А.В. // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2005. - Вип. 49. - С. 82-88. (Особистий внесок здобувача полягає у зборі гідрометеорологічної інформації).

2. Хохлов В.Н. Вейвлет-анализ синоптических процессов над Северной Атлантикой и Украиной / Хохлов В.Н., Романова А.В., Меньшова Ю.В. // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2007. - Вип. 4. - С. 135-145. (Особистий внесок здобувача полягає у обробці інформації).

3. Романова Г.В. Про зв'язок процесу блокування над Україною з Північноатлантичним коливанням / Романова Г.В. //Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2008. - Вип. 50, Ч. 1. - С. 227-232.

4. Романова Г.В. Зв'язок атмосферних фронтів з індексом блокування / Романова Г.В. // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2008. - Вип. 6. - С. 117-121.

5. Романова А.В. Пространственно-временные изменения озона над Европой, вызванные Североатлантическим колебанием / Романова А.В., Хохлов В.Н. // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2010. - Вип. 51. - С. 145-151. (Особистий внесок здобувача полягає у обробці одержаних результатів).

6. Хохлов В.М. Небезпечні підвищення рівня моря у порту Маріуполь: сприятливі синоптичні процеси та вплив Північноатлантичного коливання / Хохлов В.М., Романова Г.В., Журбенко К.Є. // Український гідрометеорологічний журнал. - 2010. - № 7. - С. 82-87. (Особистий внесок здобувача полягає у аналізі одержаних результатів).

7. Khokhlov V.N. On relationship between atmospheric teleconnections and ice extent of arctic seas / Khokhlov V.N., Glushkov A.V., Loboda N.S., Romanova A.V. // Proc. 12th Seoul International Symposium on Polar Sciences. - Ansan (Korea). - 2005. - P. P-4-1 - P-4-4.

8. Khokhlov V. Role of North Atlantic Oscillation in spatial initiation of European summer heat waves: wavelet approach / Khokhlov V., Loboda N., Romanova A. // Book of Abstracts of ESF-MedCLIVAR Workshop on “Hydrological, socioeconomic and ecological impacts of the North Atlantic Oscillation in the Mediterranean region”. - 2010. - Zaragoza (Spain). - P. 45-46.

Анотація

Романова Г.В. Вплив атмосферних процесів Північної Атлантики на синоптичну ситуацію над Україною. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2011.

У дисертації розроблена методика, яка ґрунтується на спільному використанні компонентного та вейвлет-аналізу, що дозволило поєднати спроможність виявлення просторових особливостей першого та часових - другого. Кількісно показано, що зміни синоптичної ситуації над Північною Атлантикою та Східною Європою відбуваються когерентно, коли синоптичні процеси над цими районами є інтенсивними. Виявлено, що наявність блокуючого процесу над Північною Атлантикою спричиняє його відсутність над Україною. Якщо блокуючий антициклон розташовувався північно-східніше України, найбільша мінливість у поле індексу вологості спостерігалася поблизу території України. Найчастіше небезпечні штормові нагони на Азовському морі мають місце за блокування циклону над Чорним і Азовським морями. Показано, що роль Північноатлантичного коливання у просторово-часовій мінливості загального вмісту озону над Європою на синоптичному масштабі часу та простору є визначальною.

Ключові слова: Північноатлантичне коливання, синоптичні процеси, вейвлет, процес блокування, загальний вміст озону.

Аннотация

Романова А.В. Влияние атмосферных процессов Северной Атлантики на синоптическую ситуацию над Украиной. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук.- Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2011.

В диссертации изучаются особенности влияния атмосферных процессов над Северной Атлантикой на синоптическую ситуацию над Украиной. Вследствие большого расстояния между изучаемыми районами, в изменчивости барического поля над Восточной Европой отклик Северной Атлантики в виде изменений фаз Североатлантического колебания (САК) проявляется хорошо только на масштабе времени, близком к месяцу или году. В работе представлена методика, основанная на совместном использовании компонентного и вейвлет-анализа, которая объединяет способность выявить пространственные особенности в изменчивости поля первого и временные - второго. Разработка подобной методики была вызвана тем, что методы, основанные на корреляционном и компонентном анализах, не выявляют влияние САК на поля гидрометеорологических величин над Украиной. Кроме того, на качестве анализа процессов синоптического масштаба, когда используются данные с временной дискретностью в одни сутки или меньше, сказывается и то, что исходная информация характеризуется высоким уровнем шума.

Использование вейвлет-анализа позволило определить периоды времени в холодные сезоны года, когда имели место синхронные изменения синоптической ситуации на периодах колебаний от 4 до 8 суток, что соответствует синоптическому масштабу времени. Как правило, такая синхронность наблюдается не очень часто и, даже, не каждый год, но продолжительность когерентных изменений может составлять несколько недель. Процесс когерентных изменений синоптической ситуации над Северной Атлантикой и Восточной Европой не зависит от интенсивности и фазы Североатлантического колебания и может быть как синфазным, так и противофазным. С другой стороны, для того, чтобы имела место значимая вейвлет-когерентность необходимо наличие двух интенсивных синоптических процессов, которые существенно отличались бы от общей синоптической ситуации. В рассмотренном в работе случае такими процессами были мощный блокирующий антициклон над Северной Атлантикой и интенсивный южный циклон, выходящий со Средиземного моря на Украину.

С помощью вейвлет-анализа также исследовалась связь между САК, процессом блокирования и гидрометеорологическими явлениями, сопровождающими блокирующий антициклон над Украиной, а именно накопление систем атмосферных фронтов на «наветренной» стороне антициклона и возникновение штормов в Азовском море, вследствие чего имели место опасные повышения уровня моря в порту Мариуполь. Вейвлет-анализ позволил выявить периодичности индекса блокирования и фрактальную структуру временного ряда этих индексов. Было также количественно показано, что наличие блокирующего процесса, связанного с определенной фазой САК, над Северной Атлантикой является причиной его отсутствия над Украиной.

Компонентный анализ позволил определить влияние процесса блокирования на пространственное распределение атмосферных фронтов. В частности, когда блокирующий антициклон размещался северо-восточнее Украины, это вызывало соответствующие изменения в поле индекса влажности, связанного с фронтальными осадками. А именно, наибольшая его изменчивость имела место вблизи территории Украины. Другими словами, вероятность расположения атмосферных фронтов над Украиной при блокирующем процессе велика.

Чаще всего опасные штормовые нагоны на северном побережье Азовского моря наблюдались при блокировании циклона над Черным и Азовским морями и сильных южных ветрах на юго-западной периферии обширного глубокого циклона. Выявлено также, что для случаев максимальных уровней моря характерными являются процессы, временной масштаб которых близок существованию блокирующих антициклонов, а сами уровни определяются изменениями индекса САК.

Вейвлет-анализ позволил также количественно определить когерентность на квазисиноптических масштабах времени в изменчивости среднесуточного индекса САК и общего содержания озона (ОСО) над различными регионами Европы. Самой яркой особенностью является зависимость временных задержек изменчивости ОСО от расстояния до центров действия, связанных с САК, а перекрестная вейвлет-энергия определяется и знаком аномалии давления в основном центре действия в Северной Атлантике. Приведенные в диссертации результаты свидетельствуют об определяющей роли САК в пространственно-временной изменчивости ОСО над Европой на синоптическом масштабе времени. Эта роль заключается в том, что расположение центров действия САК определяет на достаточно долгий период траектории перемещения синоптических вихрей, которые, в свою очередь, и влияют на ОСО в разных частях Европы.

Полученные в диссертации результаты основаны на использовании традиционных и современных методик исследования статистической структуры нестационарных временных рядов, общедоступных баз данных гидрометеорологической информации и имеют статистическую оценку значимости.

Все это позволяет использовать их для дальнейшего усовершенствования систем среднесрочного и долгосрочного прогноза погоды, а предложенные методики - для исследования других аналогичных процессов, наблюдающихся в атмосфере и океане.

Ключевые слова: Североатлантическое колебание, синоптические процессы, вейвлет, процесс блокирования, общее содержание озона.

Annotation

Romanova A.V. Impact of North Atlantic atmospheric processes on weather pattern over Ukraine. - Manuscript.

Candidate's of geographical sciences thesis. - Speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - Odessa State Environmental University, Odessa, 2011.

The technique based on the joint use of principal component analysis and wavelet analysis was developed. Such an approach allows combining the possibility to reveal the spatial features of the former and to reveal the temporal ones by the latter. It is shown quantitatively that changes in weather pattern over the North Atlantic and Eastern Europe occur coherently when weather processes over these regions are intense. It is revealed that the presence of blocking anticyclone in the North Atlantic causes its absence over Ukraine. If blocking anticyclone is located northeastward of Ukraine, largest variability of humidity index field was observed close to Ukraine. Dangerous storm surges on Azov Sea occur more frequently at blocking, when a cyclone is located over Black and Azov seas. It is shown that the NAO impacts dominantly spatiotemporal variability of European total ozone content at synoptic time and spatial scales.

Keywords: North Atlantic Oscillation, weather processes, wavelet, blocking, total ozone content.

Размещено на Allbest.ru

...