Анализ изменчивости месячных сумм осадков с использованием индексов атмосферной циркуляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ изменчивости месячных сумм осадков с использованием индексов атмосферной циркуляции

О.Ю. Ленская, Д.В. Быков

Введение

Атмосферные осадки являются одним из важнейших элементов климатической системы. Сезонное распределение и межгодовая изменчивость атмосферных осадков определяют состояние природных экосистем, а также обусловливают особенности хозяйственной деятельности человека в конкретном регионе.

Внутригодовой ход осадков зависит как от общей циркуляции атмосферы, так и от местных физико-географических условий. Для Южного Урала и сопредельных территорий, расположенных в умеренных широтах, характерна изменчивость как месячных, так и годовых их сумм. Вместе с тем от года к году месячные суммы осадков испытывают колебания, связанные с отличиями в условиях атмосферной циркуляции.

Осадки на Южном Урале и сопредельных территориях связаны в первую очередь с теми циклонами, которые развиваются на арктическом и полярном атмосферных фронтах. Межгодовая изменчивость траекторий этих циклонов зависит от различной степени развития как зональной, так и меридиональной составляющих региональных атмосферных циркуляций [2; 4; 7; 8]. Одним из показателей изменения крупномасштабной атмосферной циркуляции является индекс Северо-Атлантического колебания (САК). Многочисленные исследования, связанные с этим индексом, показывают, что он наиболее четко описывает изменчивость поля давления Северного полушария, которая, например, в зимние месяцы на 37 % может быть описана колебаниями индекса САК [3; 5; 6].

В качестве индекса САК используется разность нормированных аномалий среднесезонного давления в районах многолетнего положения Азорского максимума и Исландской депрессии. Для вычисления месячных значений индекса САК использован метод, принятый в Центре климатического анализа Мирового центра данных в Вашингтоне. Обычно индекс САК вычисляется как разность нормированных значений давления между Гибралтаром (Лиссабон или Понта Дельгада) и Рейкьявиком. Пространственные особенности и временная изменчивость САК определяются по полю давления на уровне моря, для которого существует наиболее длительный ряд инструментальных наблюдений.

Взаимное влияние этих центров действия атмосферы проявляется в течение всего года, однако наибольшая амплитуда этого колебания отмечается в зимний сезон. Согласно многочисленным исследованиям Северо-Атлантическое колебание в значительной степени определяет погоду в Европе в этот период: интенсивность, повторяемость и траектории циклонов, аномалии осадков и температуры воздуха. Так, согласно [1; 2; 3] осадки для зимних месяцев коррелируют со значениями индекса САК: сухие зимы в центре и на юге Европы и влажные в Исландии и Скандинавии связаны с годами аномально высоких значений этого индекса. Обнаружена и более дальняя пространственная связь в отдельные месяцы между величиной индекса и количеством осадков за Уралом в районах выхода циклонов на севере Сибири и в районе Приаралья. Вклад САК в колебания сумм осадков и его распределение по территории значительно меняются по сезонам и даже по месяцам. Аномалии осадков в основном сосредоточены в Европе, хотя в виде отдельных очагов наблюдаются и на азиатской территории.

Ввиду потенциальной возможности использования в долгосрочном прогнозе осадков в данной работе ставится цель оценить взаимосвязь между интенсивностью Северо-Атлантического колебания и особенностями режима осадков на Южном Урале и сопредельных ему территориях.

Данные и методы

В качестве исходных данных в работе были использованы многолетние ряды значений индекса САК и месячных сумм осадков.

Значения индекса САК месячного разрешения, размещенные на сайте Климатического прогностического центра США, охватывают период 1951-1999 гг. [9]. В работе использованы данные метеостанций региона исследования, расположение которых показано на рис. 1. Общее число станций 30. Ряды месячных сумм осадков представлены на сайте Мирового центра данных в Вашингтоне [10].

Длина рядов в выборке метеостанций имеет различную временную протяженность, в основном с 1891 по 1999 г. В исследовании рассматривается период 1951-1999 гг.

Рис. 1 Исследуемая территория: звездочкой отмечены станции Региона 1, кружками -- Региона 2, треугольниками -- Региона 3

В первую очередь для анализа взаимосвязи интенсивности Северо-Атлантического колебания и режима осадков были выделены шесть фаз безразмерного индекса, значения которого варьируют в пределах от -3,18 до 3,42. Согласно гистограмме распределения повторяемости значений индекса (рис. 2) эти фазы изменяются от сильно положительной до сильно отрицательной: 1 ^ 3; 0,5 ^ 1; 0 ^ 0,5; 0 -0,5; -0,5 -1; -1 -3.

Рис. 2 Гистограмма распределения повторяемости значений индекса САК

Месячные суммы осадков на каждой станции для каждого месяца подразделялись на трентили: ниже нормы, в пределах нормы и выше нормы. Для этого были построены распределения накопленных частот, по которым выделялась граница 33 % -- суммы осадков ниже нормы, или «слабые»; суммы осадков повторяемостью от 33 до 66 % в пределах нормы, названные нами «умеренными»; более 66 % -- выше нормы осадков, или «сильные». Затем для каждой фазы САК, начиная с января и далее в последующие месяцы, в соответствующие годы производилась выборка месячных сумм осадков, зарегистрированных в тот же месяц и год.

Для изучения задержки отклика отбирались месячные суммы осадков со сдвигом от одного до четырех месяцев. Например, если рассматривалась определенная фаза САК в январе, то анализировались осадки на метеостанциях в январе, феврале, марте и апреле того же года. Месячные суммы осадков в такой выборке подразделялись на трентили в соответствии с характерными для каждого месяца нормами. Подсчитывалось количество случаев «сильных», «умеренных» и «слабых» осадков. Далее производилось нормирование на общее количество случаев с осадками.

Нормированные значения, соответствующие данной станции, вносились в базу данных для последующего отображения на карте и анализа зависимости количества осадков в данный месяц от величины индекса САК в этот же месяц, а также для определения задержки отклика.

Для пространственного анализа зависимости режима осадков от фазы САК с помощью ГИС MapInfo были построены тематические карты, на которых символами различного размера отображалась повторяемость «сильных», «слабых» или «умеренных» осадков в ту или иную фазу САК.

Пример такой карты представлен на рис. 3. Как видим, если в январе значения индекса САК находятся в интервале от 0 до 0,5 , то в апреле возможно выпадение осадков ниже нормы («слабые») с высокой вероятностью 0,75-1 (75-100 %) в Кокчетаве и Атбасаре и с вероятностью 0,5-0,75 (50-75 %) в Карпинске, Тюмени, Кургане, Петропавловске, Кустанае, Верхнеуральске и Орске.

Рис. 3. Пространственное распределение «слабых» осадков в апреле при значении САК от 0 до 0,5 в январе (задержка отклика в 4 месяца).

Размер кружка соответствует вероятности выпадения осадков ниже нормы

Результаты и обсуждение

В ходе работы было создано в общей сложности 360 тематических карт, по которым проводился дальнейший анализ. Опираясь на результаты исследований различных авторов [2; 3; 4; 5], которые отмечают наибольшее воздействие Северо-Атлантического колебания на гидротермический режим Европы и Северной Евразии именно в зимний период, мы ограничились рассмотрением фаз САК для четырех месяцев года: декабря, января, февраля и марта. Нами были рассмотрены следующие виды возможных взаимосвязей: во-первых, какие фазы САК имеют характерную повторяемость в указанные месяцы; во-вторых, анализировалась повторяемость «слабых», «умеренных» или «сильных» осадков в зависимости от фазы САК; в-третьих, исследовалась характерная задержка во времени межу определенной фазой САК и типом режима осадков, а также анализировалась интенсивность отклика.

Следует отметить, что наряду с изучением отклика на отдельных метеостанциях производилось выделение целых регионов, имеющих схожую реакцию в режиме осадков. Возможная причина «синхронности» такой реакции заключается в том, что выпадение осадков в регионе исследования связано в первую очередь с облачными системами атмосферных фронтов и циклонов, которые имеют мезомасштабную структуру. Таким образом, области, которые реагируют на изменение фазы САК, должны иметь характерные размеры 100-400 км. В связи с этим мы разделили территорию на три области, имеющие такие размеры и в которых отмечалось некоторое единство отклика (см. рис. 1). В первый регион входят метеостанции, расположенные западнее и юго-западнее Урала: Перелюб, Боровое, Новый Кувак, Уфа, Чингирлау, Калмыково, Уил, Темиртау, Оренбург, Уральск, Актюбинск. Второй регион находится в центре рассматриваемой территории и вытянут с севера на юг: Орск, Магнитогорск, Верхнеуральск, Златоуст, Челябинск, Верхнее Дуброво. Третий регион представлен станциями Зауралья и севера Казахстана: Петропавловск, Курган, Ишим, Макушино, Тобольск, Ивлево, Тюмень, Леуши, Кокчетав, Атбасар, Кустанай.

В результате анализа тематических карт был установлен критерий отклика, который заключается в том, что 1) регион, формирующий отклик, ограничен размерами порядка 400 км; 2) вероятность преобладания того или иного типа режима осадков на метеостанциях, формирующих отклик, должна превышать 50 %. Помимо этого мы оценивали интенсивность отклика в баллах. Если указанным условиям удовлетворяли две метеостанции в пределах выделенного региона, то такая интенсивность оценивалась в 1 балл; если три станции -- 2 балла; пять станций -- 3 балла. Если же вероятность проявления осадков была в интервале от 75 до 100 % на пяти станциях, то такой отклик оценивался, в соответствии с критерием, наиболее высоко -- в 4 балла. В результате анализа было выделено общее количество в 316 откликов разной интенсивности.

Рассмотрим основные результаты анализа.

Анализ распределения отклика по месяцам САК

Предполагается, что интенсивность Северо-Атлантического колебания в разные месяцы вызывает различную повторяемость откликов в регионах. Как распределяются отклики в режиме осадков по исследованным месяцам? Результаты анализа представлены в табл. 1. Повторяемость откликов в режиме «слабых» осадков для декабря, января уступает откликам «сильных» и «умеренных» осадков для этих же месяцев, но возрастает к марту. При этом «сильные» осадки обнаруживают стабильный отклик на фазы САК в зимние месяцы (в среднем 10,1 %). В марте повторяемость «слабых» осадков возрастает в сравнении с «умеренными» и «сильными».

Таблица 1 Повторяемость случаев отклика по месяцам и типам режима осадков, %

Таким образом, «сильные» осадки демонстрируют наибольший отклик на фазы САК в декабре, январе и феврале, а «слабые» -- в марте. Наибольшая повторяемость откликов соответствует фазам САК в феврале -- 28,2 % от общего числа случаев.

Анализ распределения отклика по фазам САК

Ввиду того что повторяемость откликов может меняться в зависимости от интенсивности САК, следует проанализировать их связь с разными фазами и для всех месяцев, рассмотренных в исследовании. Помимо этого необходимо исследовать зависимость от фазы САК различных режимов сумм осадков. Результаты анализа приведены в табл. 2.

Таблица 2 Повторяемость отклика в режимах осадков по фазам САК, %

Можно заметить, что на режим «слабых» осадков наиболее заметное влияние оказывают отрицательные фазы от 0 до -3, с максимальной повторяемостью 25 % в течение фазы -1-0,5. Схожую зависимость демонстрируют «умеренные» осадки. Отклик на САК в различных фазах более однороден в режиме «:сильных» осадков с небольшим уменьшением в положительную фазу 0,5-1 до 12 %. В целом можно отметить преобладание во всех режимах откликов, связанных с отрицательными фазами 0-0,5 и -0,5-1, а также в крайней положительной фазе 1-3.

Анализ распределения отклика по регионам

Региональные суммы осадков по-разному откликаются на изменение давления в центрах САК.

Как видно из табл. 3, наименьшая повторяемость откликов как суммарно, так и в режиме «слабых» и «умеренных» осадков соответствует региону 2, который представлен в основном метеостанциями Южного Урала (см. рис. 1). В режиме «сильных» осадков во всех трех регионах имеется почти одинаковый отклик: 35, 35 и 31 % случаев. По- видимому, проявление характерного отклика во втором регионе связано с его расположением сразу за Уральским хребтом, и связанными с этим изменениями траекторий ме- зомасштабных циркуляций

Таблица 3 Повторяемость отклика по регионам: суммарная и для различных типов режима осадков, %

Анализ распределения задержки отклика по фазам САК

Отклик на воздействие САК в виде преобладания в ту или иную фазу «:слабых», «умеренных» или «сильных» осадков был рассмотрен в п. 2.2.

Однако отклик на изменение фазы может проявиться не обязательно в тот же месяц, но и с задержкой ввиду сложного характера взаимодействий подстилающей поверхности и атмосферных циркуляций. Поэтому следует рассмотреть, какая из временных задержек преобладает. Результаты анализа представлены на рис. 4.

Рис. 4. Повторяемость задержки отклика на изменение фазы САК: а) суммарно для всех фаз; б) по фазам САК, в легенде указана величина задержки в месяцах

Если рассматривать задержки для всех фаз САК (рис. 4 а), то можно заметить незначительное преобладание задержки в 1 месяц. При формировании той или иной фазы САК в 22 % случаев отклик в режиме осадков запаздывает на 1 месяц, а в 21 % случаях отмечается в тот же месяц или с опозданием на 3 месяца. Как и следовало ожидать, большие задержки встречаются реже, в 17 % случаев. Если рассматривать распределение задержки отклика по фазам САК (рис. 4 б), то можно отметить, что задержка в 1 месяц чаще отмечается в положительные фазы, особенно в фазу 0-0,5 (28,6 %), и реже в отрицательные фазы. Напротив, когда САК находится в отрицательной фазе, чаще встречается задержка в 3 месяца, хотя ее можно обнаружить и в положительную фазу 13 (22,8 % случаев). Реже отмечаемая задержка в 4 месяца в 23,8 % случаев связана со слабой отрицательной фазой - 0,5-0.

Анализ зависимости интенсивности отклика от фазы САК

В соответствии с критерием интенсивности отклика режима осадков, сформулированном в начале этого раздела, возможно ответить на вопрос: в какие фазы САК отклик проявляется наиболее интенсивно, то есть на большинстве метеостанциях региона преобладает тот или иной тип режима осадков. Результат проведенного анализа представлен на рис. 5.

В первую очередь можно отметить, что для всех режимов осадков преобладает интенсивность отклика в 2 балла (рис. 5 а), то есть чаще всего отклик формировался на трех станциях региона, на которых преобладали либо «слабые» (38 % от общего числа откликов различной интенсивности в «слабых» осадках), либо «умеренные» (50 %), либо «сильные» (43 %) осадки. Наиболее интенсивный отклик в 4 балла среди разных режимов демонстрировали «слабые» осадки 7 %.

Если же рассматривать, каким фазам соответствует отклик той или иной интенсивности (рис. 5 б), то видно, что сильный отклик в 4 балла чаще всего отмечается в отрицательные фазы САК: - 1-0,5 (38 %) и - 0,5-0 (34 %); отклик в 3 балла чаще всего происходит в отрицательную фазу - 0,5-0 (30 %). Слабые отклики более равномерно распределены по фазам САК.

Заключение

изменчивость осадок индекс атмосферная циркуляция

Одним из факторов климатической изменчивости месячных сумм осадков на Южном Урале и сопредельных территориях является изменение траекторий циклонов, приходящих на Урал с юго-западного и северо-западного направлений, что обусловлено особенностями распределения давления в умеренных широтах Северной Евразии. На трансформацию барического поля оказывает влияние Северо-Атлантическое колебание, которое таким образом в различные фазы своей интенсивности может оказать воздействие на режим осадков рассматриваемой территории. В данной работе исследована применимость метода сопоставления выборок месячных сумм осадков, классифицированных в три режима: «слабые», «умеренные» и «сильные» с выборками значений индекса САК, которые отражают фазы этого явления.

В результате исследования можно сделать следующие выводы:

Среди рассмотренных месяцев холодного периода с декабря по март именно в феврале интенсивность той или иной фазы САК вызывает отклик в режиме осадков рассматриваемой территории. При этом влияние САК в марте более всего увеличивает повторяемость «слабых» осадков в регионах, в то время как в зимние месяцы -- «:сильных».

Повторяемость отклика в режимах осадков по фазам САК увеличивается при наступлении отрицательной фазы, когда отмечается усиление меридиональных циркуляций и траектории циклонов смещаются на юг. Однако некоторое увеличение повторяемости отклика в режиме «сильных» и «умеренных» осадков происходит и в крайней положительной фазе САК, когда смещение траекторий обратное, что, возможно, приводит к более частому прохождению циклонов, приходящих с Черного и Каспийского морей на нашу территорию.

Рассмотрение региональной структуры отклика на изменения САК показало, что по характеру отклика выделяются три мезомасштабных региона, один из которых, расположенный за хребтами Южного Урала, демонстрирует более слабую реакцию, однако и здесь отмечается отклик, преимущественно в режиме «сильных» осадков.

Временная задержка отклика достаточно однородна с некоторым преобладанием запаздывания в один месяц. Как и следовало ожидать, количество откликов уменьшается со временем.

Предложенная в работе балльная шкала интенсивности отклика показала, что в целом преобладает невысокая интенсивность 2 балла, когда реакция отмечается на 3 станциях региона. Тем не менее интенсивные отклики в 4 балла связаны в большинстве случаев с отрицательной фазой САК.

Использование вычисляемого индекса Северо-Атлантического колебания для долгосрочного прогноза количества осадков на территории Южного Урала имеет перспективу, однако, несомненно, требует дальнейшего усовершенствования предложенной методики.

Список литературы

Hurrell, J. W. Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: regional temperatures and precipitation / J. W. Hurrell // Science. 1995. Vol. 269. P. 676-679.

Marshall, J. North Atlantic climate variability: phenomena, impacts and mechanisms / J. Marshall, Y. Kushnir, D. Battisti, Chang Ping, A. Czaja, R. Dickson, J. Hurrell, M. McCartney, R. Saravanan, M. Visbeck // Int. J. Climatol. 2001. Vol. 21. P. 1863-1898.

Watanabe, M. Decadal changes in the atmospheric circulation and associated surface climate variations in the Northern Hemisphere winter / M. Watanabe, T. S. Nitta // J. Climate. 1999. Vol. 12. № 2. P. 494-510.

А.Б. Шмакин // Метеорология и гидрология. 2006. № 12. С. 15-25.

Воскресенская, Е.С. Крупномасштабные процессы в системе океан -- атмосфера и экстремальные гидрометеорологические условия в Европейском регионе / Е.С. Воскресенская // Междунар. конф. по проблемам гидрометеорологической безопасности (прогнозирование и адаптация к экстремальным климатическим изменениям) : тез. стендовых докл., Москва, 26-29 сент. 2006 г. М. : Триада ЛТД, 2006. 284 с.

Нестеров, Е.С. Особенности океана и атмосферы в разных фазах Северо-Атлантического колебания / Е.С. Нестеров // Метеорология и гидрология. 1998. № 8. С. 74-82.

Попова, В.В. Влияние североатлантического колебания на многолетний гидротермический режим Северной Евразии. I. Статистический анализ данных наблюдений / В.В. Попова, А.Б. Шмакин // Метеорология и гидрология. 2003. № 5. С. 62-74.

Попова, В.В. Динамика климатических экстремумов в Северной Евразии в конце ХХ века / В.В. Попова, А.Б. Шмакин // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 45, № 2. С. 157-166.

Попова, В.В. Циркуляционные механизмы крупномасштабных аномалий температуры воздуха зимой в Северной Евразии в конце XX столетия / В.В. Попова,

Сайт Климатического прогностического центра США (CPC / NCEP / NOAA).

Сайт Мирового центра данных в Вашингтоне.

Размещено на Allbest.ru