Атмосферная циркуляция и особенности распределения аномалий температуры и осадков в Казахстане

Размещено на http://www.allbest.ru/

Атмосферная циркуляция и особенности распределения аномалий температуры и осадков в Казахстане

В.Г. Сальников, Г.К. Турулина, С.Е. Полякова

В статье рассматриваются поля аномалий температуры воздуха и осадков в Казахстане, характерные для основных форм атмосферной циркуляции W, C и Е. Атмосферная циркуляция формирует пространственную структуру полей температуры и осадков вследствие перераспределения тепла и влаги атмосферными течениями. Долгопериодные изменения в системе атмосфера-океан-суша вызывают изменения в структуре крупномасштабной циркуляции, которые, в свою очередь, проявляются в региональных особенностях изменения климата и естественной климатической изменчивости. Этим определяется важность анализа атмосферной циркуляции и ее изменений для понимания региональных изменений климата.

В отличие от изменений температуры и осадков, которые изучаются непосредственно по данным наблюдений, изменение атмосферной циркуляции исследуется с помощью различных индексов, характеризующих количественно или качественно те или иные циркуляционные структуры.

В данной работе в качестве таких индексов использовались формы атмосферной циркуляции Г.Я. Вангенгейма. Каталоги этих форм циркуляции непрерывно ведутся в Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте многие десятилетия. Данные о формах циркуляции за каждый день имеются с 1891 г. по настоящее время /1/.

Все многообразие процессов атмосферной циркуляции, наблюдавшихся над атлантико-евразийским сектором северного полушария (район от Гренландии до Байкала к севере от 30° с.ш.), Г.Я. Вангенгейм обобщил в три формы: западную W, восточную Е и меридиональную С. Классификация Г.Я. Вангенгейма основана на учете характера длинных термобарических волн, наблюдаемых в тропосфере и нижней стратосфере. Особенности этих волн во многом определяют основные черты распределения приземных полей температуры и осадков, свойственных формам циркуляции /2/. аномалия температура воздух осадки

Процессы зональной (западно-восточной) циркуляции соответствуют нормальному распределению тепловой энергии солнца по земной поверхности. Максимальное их развитие связано с наличием очага холода в приполярном районе и зоны тепла в низких широтах, при этом градиенты температуры и давления в значительной толще тропосферы увеличены и направлены с юга на север. При зональной циркуляции значительная доля величины температурного контраста (около 60%) между полюсами и экватором сосредоточена в сравнительно узкой зоне шириной 500-1000 км. Эта зона обычно опоясывает кругом все полушарие и является основной планетарной высотной фронтальной зоной (ПВФЗ), характерной особенностью которой является струя максимальных западных ветров (струйное течение). В тропосфере наблюдаются волны малой амплитуды, быстро смещающиеся с запада на восток /3/.

При меридиональной (С) форме циркуляции в тропосфере наблюдаются стационарные волны большой амплитуды в пределах атлантико-евразийского сектора полушария. ПВФЗ характеризуется двумя высотными гребнями, расположенными над Западной Европой и Западной Сибирью и Казахстаном, между этими гребнями располагается глубокая ложбина. В отдельных случаях тот или иной высотный гребень может быть развит слабо или усиливаться лишь эпизодически. Возможны также случаи, когда, например, западный гребень сильно развит в северо-восточном направлении, а на участке ПВФЗ над Казахстаном наблюдаются волны, смещающиеся сравнительно быстро в восточном направлении. В этом случае погода над Казахстаном существенно отличается от той, которая характерна для гребневого положения ПВФЗ над этой территорией /3/.

При другой меридиональной (Е) форме циркуляции, часто называемой восточной формой, основной особенностью длинных термобарических волн также является их стационарность. Высотный гребень располагается над европейской территорией России (ЕТР) и Украиной. К востоку и западу от этого гребня обычно имеются глубокие холодные ложбины, которым соответствуют на приземных картах циклоны, обусловливающие в своем тылу вторжение холодных воздушных масс.

Формы атмосферной циркуляции Г.Я. Вангенгейма находятся в хорошем согласии с географическим положением областей аномалий температуры воздуха, давления и осадков атлантико-евразийского сектора Северного полушария. При зональных процессах (W) отрицательные аномалии температуры и давления наблюдаются в высоких, а положительные - в умеренных и субтропических широтах рассматриваемого сектора Северного полушария. При меридиональных формах Е и С положительные аномалии температуры и давления в среднем отмечаются в гребнях, а отрицательные - в ложбинах. При этом области положительных аномалий температуры и осадков формируются под западными частями высотных гребней.

Следует отметить, что изучением свойств общей циркуляции атмосферы, её форм и характера погоды, свойственного каждой форме в 60-70-е годы ХХ века для территории Казахстана, обстоятельно занимался М.Х. Байдал /3, 4/.

В данной работе проведен анализ числа дней с формами циркуляции Г.Я. Вангенгейма за период с 1891 по 2008 гг., который показал, что годовое число дней с формой W уменьшалось от 220 (начало 1890-х годов) до 180 сут/год (2008 г.). Число дней с формой С уменьшалось с меньшим трендом от 89 до 64 сут/год, а годовое число дней с формой Е, напротив, увеличивалось от 56 до 122 сут/год. Приведенный рисунок (рис. 1) свидетельствует о постепенных изменениях атмосферной циркуляции в атлантико-евразийском секторе Северного полушария за последние более чем 100 лет.

Наряду с этим было рассчитано число дней с формами циркуляции W, С и Е в каждом из календарных сезонов (зима, весна, лето, осень) за тот же период. Наибольшие тренды наблюдаются летом, сезонное число дней с формой Е увеличивается со скоростью 35 сут/сезон за столетие, а число дней с формами W и С убывает со скоростью, соответственно, 22 и 12 сут/сезон за столетие. Весной и осенью тренды меньше, сезонное число дней с формой Е увеличивается на 17 и 13 суток/сезон за столение, с формой W уменьшается на 9 и 13 сут/сезон за столетие, а в формой С убывает весной на 7 суток/сезон за столетие, осенью же тренд отсутствует. Зимой тренды всех форм циркуляции статистически не значимы.

В середине ХХ века Г.Я. Вангенгейм и А.А. Гирс /2/, а позже М.Х. Байдал /4, 5/, установили, что в изменении годовых характеристик трёх основных форм атмосферной циркуляции (W, С, Е) можно выделить длительные периоды, в течение которых аномальное развитие получают одна или две формы циркуляции. Особенно четко эти периоды, названные ими эпохами циркуляции, обнаруживаются на интегрально-разностных кривых.

М. Х. Байдалом был проведен сравнительный анализ повторяемости форм циркуляции с ходом солнечной активности. В результате оказалось, что границы эпох атмосферной циркуляции с точностью 1-2 года совпадают с максимумами 11-летних циклов солнечной активности. Этим самым была доказана возможность совершенно объективного способа определения границ эпох циркуляции и тесная связь этих эпох с солнечной активностью. Действительно, если последняя каким-либо образом влияет на атмосферную циркуляцию, то наибольшее влияние будет в периоды максимума.

Рисунок 1. Изменение во времени числа дней за год с формами атмосферной циркуляции W (а), Е (б) и С (в) в атлантико-евразийском секторе северного полушария

Показано, что в эти периоды устойчивость сохранения однотипного процесса наименьшая, т. е. наблюдается частая смена форм циркуляции. Это соответствует выводам других авторов о повышении интенсивности атмосферной циркуляции в периоды максимума солнечной активности. Следствием указанных исследований явилась возможность определения границ атмосферной циркуляции всего XIX столетия. М. Х. Байдалом для определения границ эпох привлекались также данные о динамике ледников Альп, Кавказа, Средней Азии и Тянь-Шаня, о ходе давления, количестве атмосферных осадков и т.п. Таким образом, М.Х. Байдалом был составлен календарь циркуляционных эпох, начиная с 1803 г. и до конца 60-х годов /5, 6/, приведенный в таблице 1.

Таблица 1

В настоящее время в Арктическом и антарктическом институте проводятся обстоятельные исследования по динамике крупномасштабной атмосферной циркуляции и оценки ее структурных звеньев на основе использования материалов о космических ритмах, изменении скорости вращения Земли, о гравитационном поле Земли, об изменении орбитальных характеристик внешних планет /1/. А. А. Дмитриевым и В.А. Белязо также определены границы эпох с 1885 по 2010 гг. В таблице 1 приведены границы эпох, установленные этими авторами, начиная с 1969 г. Период с 1972 по 1995 г. (24 года) отнесен к эпохе формы циркуляции Е, но внутри нее уже наблюдалось нарастание и процессов западной (W) формы циркуляции. Период с 1996 по 2004 г. по целому ряду признаков авторы рассматривают как циркуляционную эпоху западной (W) формы циркуляции.

В данной статье для выделения многолетних колебаний атмосферной циркуляции был использован известный метод построения интегральных кривых аномалий числа дней с формами циркуляции за 1891-2008 гг. Для этого сначала вычислялись аномалии числа дней рассматриваемой формы, затем - накопленные суммы этих аномалий. По накопленным суммам строились графики, которые являются интегральной кривой аномалий числа дней рассматриваемой формы циркуляции. Восходящая ветвь интегральной кривой соответствует периодам преобладания положительных аномалий, а нисходящая - периодам доминирования отрицательных аномалий, эти периоды и называются эпохами атмосферной циркуляции. На рисунке 2 показано изменение накопленной суммы аномалий годового числа дней появления форм атмосферной циркуляции W, Е и С.

Авторы /1/ дали прогноз эпох однородной циркуляции атмосферы Земли до 2091 г. на основе учета совпадения продолжительности солнечных циклов и колебаний целого ряда земных процессов (табл. 1). Разработки последних лет убедительно показывают, что в периодах различного сочетания планет, солнечной активности и колебаниях атмосферной циркуляции присутствует один и тот же набор ритмов, что свидетельствует о взаимосвязанности всех этих явлений. Сложная система вращения планет вокруг Солнца является достаточно отлаженным механизмом, задающим ритмику явлений как на самом Солнце, так и на планетах Солнечной системы /1, 7/. В результате всестороннего анализа в монографии /1/ делаются следующие выводы:

- Во второй половине первого десятилетия XXI века на ветви спада нечетного 11-летнего цикла солнечной активности ожидается преобладание формы W циркуляции.

- Во втором десятилетии можно ожидать увеличение повторяемости формы Е циркуляции в связи с развитием четного 11-летнего цикла солнечной активности.

- В третьем десятилетии века есть основания ожидать преобладание формы С циркуляции. Аналогичная ситуация наблюдалась в 1920 и 1967 гг.

- В четвертом десятилетии века на фоне максимума векового цикла (2040 г.) ожидается увеличение меридиональных форм Е+С циркуляции.

- В пятом десятилетии века на фоне начала спада векового цикла солнечной активности также ожидается преобладание меридиональных форм атмосферной циркуляции. Направленность этого процесса усугубляется еще и тем, что данный период совпадает с нечетным 11-летним циклом.

- В шестом десятилетии века можно ожидать чередования форм циркуляции, но все же при некотором преобладании западной (W) формы.

- В седьмом десятилетии будет наблюдаться пониженный уровень солнечной активности в вековом цикле, уменьшение межширотного обмена (преобладание формы W циркуляции).

- В последние три десятилетия ожидаются и есть основания ожидать преобладания формы W циркуляции (табл. 1).

Следует отметить, что границы эпох атмосферной циркуляции, определенные А.А. Дмитриевым и В.А. Белязо, очень близки к данным М.Х. Байдала, а также Н.С. Сидоренкова и И.А. Орлова, которые дают прогноз эпох атмосферной циркуляции на основе флуктуации скорости вращения Земли /8/.

Таким образом, в течение XXI века, по мнению /1, 8/, будут наблюдаться как периоды потепления, так и периоды похолодания. Последнее означает, что никакого экстремального потепления (тем более на 5-6 °С, по утверждению некоторых исследователей) на всей планете ожидать нет никаких оснований, хотя на определенную роль парникового эффекта указывали еще М.И. Будыко и М^. Байдал.

Как следует из анализа циркуляционных эпох, в большинстве случаев их границы совпадают с периодами максимумов 11-летних или 22-летних циклов солнечной активности. Неоднородность продолжительности циркуляционных эпох, возможно, связана с субъективностью определения границ последних, т.е. без учета объективных факторов, их определяющих.

Исследование циркуляционных эпох имеет очень важное значение для диагноза и прогноза колебаний климата, речного стока, динамики ледников и пр.

Безусловный практический интерес представляют особенности распределения аномалий температуры и осадков по территории Казахстана для трех форм циркуляции. Такая работа была выполнена еще в 60-е годы ХХ века М.Х. Байдалом. За ряд лет (19301955 гг.) им были отобраны одноименные месяцы, в которых наблюдалось преобладание того или иного типа циркуляции, затем для каждой группы месяцев были составлены карты аномалий температуры воздуха и осадков, которые широко использовались при составлении долгосрочных прогнозов погоды /3/. В предлагаемой работе проведен аналогичный анализ для всех сезонов года за период с 1971 по 2008 гг. Для каждого сезона года выбирались месяцы с преобладанием определенной формы циркуляции (более 15 дней) и построены карты средней аномалии температуры воздуха и аномалии осадков в процентах от среднего многолетнего значения. Основные закономерности распределения температуры и осадков по территории Казахстана, полученные М.Х. Байдалом, в основном сохранились, однако значения аномалии температуры воздуха в очагах увеличились на 1-2°С для всех форм циркуляции и наблюдается некоторое увеличение количества осадков для форм W и Е.

Особенности распределения аномалии температуры воздуха для различных форм циркуляции.

При западной (W) форме циркуляции как отрицательная, так и положительная аномалия температуры воздуха отмечается во все сезоны года. От сезона с сезону происходит смещение очагов максимального её значения. Так, если весной максимальные положительные аномалии наблюдаются в центральной широтной зоне Казахстана (2-3 °С), то летом очаг максимальной положительной аномалии смещается на юг, а осенью - на крайний запад Республики (рис. 3).

При меридиональной форме С в течение всего года положительные аномалии температуры воздуха наблюдаются над большей частью Казахстана. Максимальные значения аномалии температуры воздуха составляют 3-5°С и смещаются от зимы к лету из центральных районов на восток. Исключение составляют западные районы республики, где зимой и весной имеют место небольшие положительные аномалии, а летом и осенью -небольшие отрицательные аномалии (рис. 4).

Меридиональная форма Е характеризуется обратным форме С распределением аномалии температуры воздуха. Во все сезоны года над большей частью Республики наблюдается отрицательная аномалия температуры воздуха, доходящая в зимние месяцы в западной половине Казахстана до минус 4-5°С, летом в этих районах наблюдаются положительные аномалии до 3°С (рис. 5).

Приведенные особенности поля температуры воздуха для трех форм циркуляции являются средними характеристиками каждого сезона, в котором преобладает та или иная форма. В отдельные же месяцы (преимущественно зимние) отрицательные значения аномалии при форме Е доходят до 8-10°С; а положительные значении при форме С, особенно летом, до 10°С. Эти экстремальные значения зависят не только от формы циркуляции и ее продолжительности, но и от характера эпохи.

Особенности распределения аномалии сезонного количества осадков для различных форм циркуляции.

Западная форма циркуляции зимой и летом характеризуется дефицитом осадков на значительной части территории Казахстана. Это объясняется, прежде всего, тем, что при данном типе циркуляции над Казахстаном в зимний период с востока на запад обычно располагается область повышенного давления, формирующаяся справа от вытянутой в широтном направлении ПВФЗ. Летом большая часть территории республики находится под влиянием Азиатской термической депрессии. В переходные сезоны количество осадков увеличивается, особенно в тех случаях, когда преобладание зонального типа циркуляции сочетается с преобладанием меридиональных форм Е или С, т.е. наблюдается комбинированная циркуляция (рис. 6).

При меридиональной циркуляции формы С в западных и северо-западных районах Казахстана осадки во все сезоны больше нормы и достигают более 140%. На остальной части республики при этом наблюдается норма или дефицит осадков, а весной на востоке Респулики и в летнее время в центральных и юго-западных районах дефицит осадков составляет 60% нормы (рис. 7).

При меридиональной циркуляции формы Е количество осадков испытывает значительные колебания от сезона к сезону. Зимой в восточных и предгорных районах осадки больше нормы, а на остальной территории наблюдаются осадки в основном меньше нормы. Летом и переходные сезоны осадки больше нормы наблюдаются над восточной половиной Казахстана, а на западе они уменьшаются до 80% нормы (рис. 8).

Размещено на Allbest.ru