Индексы циркуляции атмосферы

Согласно классификации А. С. Монина колебания движений А с периодами от недель до месяцев относят к глобальным. В список таких колебаний включен и «цикл индекса», т. е. цикл колебаний планетарной циркуляции между преимущественно зональным и преимущественно меридиональными типами атмосферных течений. Проявлением крупномасштабных колебаний в А являются так называемые дальние связи, прослеживаемые по корреляции между главными центрами действия и характеризуемые индексами циркуляции, предложенными в работе Уоллеса и Гатцлера (Wallace, Gutzler, 1981).

В совместной системе А и О в середине 1990-х гг. были идентифицированы пять основных колебаний, представляющих собой довольно резкие переключения одной фазы на другую: 1) североатлантическое (NAO), 2) арктическое (АО), 3) тихоокеанское (NPO), 4) Эль-Ниньо — Южное колебание (ENSO), 5) антарктическая полярная волна. Эти колебания можно рассматривать как ключевые элементы крупномасштабного взаимодействия А и О, оказывающие существенное влияние на погоду и климат.

Наиболее широко используемым индикатором NAO является разность атмосферного давления между Стыккисхольмуром (Исландия) и Лиссабоном (Португалия). Этот индекс определяет характер и особенности колебаний температуры воздуха на обширной территории между севером Евразии и восточной Канадой, между ЮЗ Европой и восточным побережьем США. Он характеризует динамику переноса воздушных масс в умеренных широтах с 3 на В между двумя мощными барическими образованиями исландским минимумом (ИМД) и азорским максимумом (АзМД) давления. По периферии этих ЦДА он показывает изменчивость переносов в высоких широтах теплых воздушных масс на СВ и холодных на Ю и ЮЗ, а в тропических широтах холодных масс —на Ю и ЮВ, теплых —на С и СЗ. Западный перенос с Атлантического океана влияет на температурный и уро- венный режим, осадки и сток, ледовые условия Баренцева и Балтийского морей.

Особенностью лет с положительной фазой NAO (при большой разности давления) является значительная протяженность сильных штормов (достигающих Баренцева моря), осадки и мягкая температура в северной Европе, тогда как температура воздуха в регионах Гренландии и Лабрадора оказывается ниже нормы.

В годы с отрицательным индексом NAO наблюдается противоположная тенденция: штормы не заходят далеко на север, атмосферное давление почти всегда ниже в Исландии, чем в Лиссабоне.

Противоречивость суждений относительно природы NAO связана с предположением о том, что это колебание может быть описано как часть более крупной структуры, охватывающей северное полушарие с центром около Северного полюса. Подобная структура была выявлена и в южном полушарии. Рост индекса NAO после 1960 г. выдвигает на первый план вопрос о возможной обусловленности этого тренда и глобального потепления климата.

Северо-Атлантическое колебание (NAO) полностью определяется изменениями давления и динамикой ЦДА — исландским минимумом и азорским максимумом давления.

Наиболее выраженные градиенты давления наблюдаются зимой (декабрь-февраль) .

Многолетняя изменчивость давления и положения ЦДА в пространстве характеризуется тремя основными закономерностями:

  • • рост давления в центре исландской депрессии сопровождается его падением в азорском антициклоне и наоборот;
  • • оба ЦДА одновременно мигрируют в направлении с СВ на ЮЗ или наоборот;
  • • минимальное давление в центре исландского минимума и максимальное давление наблюдаются, когда центры мигрируют на СВ, и наоборот, давление в центре исландской депрессии повышается, а в центре азорского антициклона понижается, когда ЦДА мигрируют на ЮЗ.

В настоящее время NAO рассматривают как часть полусферного Арктического колебания, или осцилляции (АО), и часто используют индекс, который представляет собой временной коэффициент первой моды разложения поля давления по эмпирическим ортогональным функциям (ЭОФ).

В Северном Ледовитом океане (СЛО), а именно над восточной частью Арктического бассейна, в течение практически всего года существует область высокого давления — Арктический антициклон и циклон над его западной частью. Следствием этого является стационарный перенос воздушных масс с В на 3 и, соответственно, трансарктическое движение вод и льдов из Восточно-Сибирского моря в Гренландское. Индексом трансарктического переноса (ИТП) называют разность давления между точками 80° с.ш., 140° з.д. и 75° с.ш., 60° в.д.

Погоду и климат северной части Тихого океана (ТО) и прилегающих областей Североамериканского и Азиатского континентов определяет система ЦДА, состоящая из алеутского минимума давления, расположенного на юге Берингова моря севернее Алеутских островов, и гонолульского максимума давления, расположенного в районе Гавайских островов. Вследствие этого в северной части ТО наблюдается лишь один стационарный циклонический круговорот к северу от субарктического фронта как в А, так и в О. Динамику барического поля и многолетнюю изменчивость меридиональных переносов воздушных масс на 3 и В региона отражает индекс NPO, определяемый как средняя за три зимних месяца (декабрь—февраль) разность давления между точками 35° с.ш., 160° з.д. и 55° с.ш., 160° з.д. Этот индекс представляет не первый, а второй главный компонент разложения на ЕОФ поля давления, характеризующий разнонаправленные колебания давления к северу и югу от 35° с.ш.

Эль-Ниньо (по исп. младенец) — аномальное потепление вод у побережья Эквадора и Перу, получившее свое название за то, что его начало чаще всего приходится на рождественские праздники (конец декабря). Это глобальное явление, при котором происходит потепление на 4-5 °С относительно среднего значения (26°) поверхностного слоя воды восточной половины экваториальной зоны ТО. Ла-Нинья— явление, при котором происходит похолодание поверхностного слоя воды этого района примерно на такую же величину. Фактически существует единое явление «южное колебание» (ЮК), а отдельно

Эль-Ниньо и Ла-Нинья — крайние стадии его развития. При Эль-Ниньо наступает подлинное экологическое бедствие: гибнут рыба, ракообразные, морские животные, птицы; происходят стихийные бедствия (наводнения, штормы, грозы и т. п.). Возникновение ЮК объясняют двояко: либо флуктуациями экваториальных течений, либо волнами Кельвина и Россби (образование и развитие которых тесно связано с изменениями ветровой активности над океаном).

Термин «ЮК» введен Уокером (1924). Под ЮК понимают колебания масс воздуха в субтропической зоне южного полушария между Тихим и Индийским океанами с характерным временем в несколько лет. При росте (падении) атмосферного давления в центральной и восточной частях тропической зоны Тихого океана наблюдается падение (рост) давления в тропиках Индийского океана, а также в районах Австралии и Индонезии. Следовательно, имеются два центра действия ЮК противоположного знака: с одной стороны — австралийско-индонезийский, с другой стороны — южно-тихоокеанский, и оба расположены в тропиках южного полушария (отсюда и название «южное колебание»). Для его определения предложено несколько индексов. Одним из наиболее обоснованных является индекс, использующий атмосферное давление станций Таити и Дарвин, которые расположены вблизи противоположных по знаку центров действия ЮК. В этих точках берут временные ряды среднемесячных значений атмосферного давления и по ним вычисляют значения 5дт и SOI:

где Рдт и Рт фактическое давление и среднее многолетнее значение (норма); д и га — год и месяц; е, а — СКО давления и индекса 6дт.

Если SOI < 0, то это теплая фаза (Эль-Ниньо), если SOI > 0, то это холодная фаза (Ла-Нинья). Спектральный анализ длительных рядов индексов SOI с 1866 по 1996 г. показал, что спектральная плотность имеет максимум в диапазоне периода 2-7 лет.

Г. Я. Вангенгейм установил в 30-х гг. XX в. три формы атмосферной циркуляции северного полушария: западной W, восточной Е и меридиональной С, отражающие особенности характера и эволюции длинных термобарических волн тропосферы и связанных с ними аномалий режима погоды.

А. А. Гире рассмотрел особенности планетарной высотной зоны (ПВФЗ) при каждой из этих форм и показал, что ПВФЗ при типах С и Е имеет вид волн и зональна при типе W; при типе Е она расположена в северных широтах. Объединив свои типы циркуляции (Mi, М2 и 3) с типами Е, (7, W, он получил девять разновидностей форм циркуляции атмосферы:

Б. Л. Дзердзеевский в 1946 г. исследовал циркуляцию атмосферы внетро- пических широт и предложил типизацию, учитывающую наличие или отсутствие блокирующих процессов на полушарии, их направление и количество. Он выделил четыре группы циркуляции (зональная, нарушения зональности, меридиональная северная, меридиональная южная), 13 типов, 41 подтип. Основной единицей типизации является «элементарный циркуляционный механизм» (ЭЦМ). Н. К. Кононова выполнила статистический анализ чередования ЭЦМ, исследовала связь ЭЦМ с индексами циркуляции, солнечной и геомагнитной активностью, установила зависимость метеорологических экстремумов и обусловленных ими опасных природных процессов с ЭЦМ.

Таким образом, в заключении этого раздела отметим:

  • 1. Центры действия атмосферы (ЦДА) не только характеризуют конфигурацию полей давления, но и служат индикатором состояния циркуляции А.
  • 2. Гидродинамическая теория волн давления, температурных волн и ЦДА обоснована Е. Н. Блиновой (1943).
  • 3. Статистический анализ интенсивности (размаха) колебаний атмосферного давления и координат ЦДА выполнен в работах (Смирнов, Воробьев, 2002; Воробьев, Кочанов, 1958; Смирнов, Воробьев, 2003) и др. Из него следует, что как индивидуальная конфигурация, так и взаимное расположение ЦДА подвержены синоптической, сезонной и межгодовой изменчивости.
  • 4. Индексы циркуляции А, как перечисленные выше, так и их многочисленные модификации, могут быть приняты в качестве индикаторов состояния А и служить «вспомогательной переменной» для перехода из пространства наблюдений в признанное пространство для проведения дальнейшего статистического анализа.
  • 5. Индексы и формы атмосферной циркуляции, предложенные Г. Я. Ван- генгеймом, А. А. Бирсом, Б. Л. Дзердзеевским (Кононова, Вангенгейм, 1959; Гире, 1971), статистически взаимосвязаны с индексами ЦДА (Макромасштабные атмосферные процессы..., 1989; Смирнов, Воробьев, 2002; Смирнов, Воробьев, Кочанов, 1998; Смирнов, Воробьев, 2003; Блинова, 1943).
  • 6. Индексы и формы атмосферной циркуляции широко используют при изучении зависимости колебаний уровня моря, дрейфа льда и т.д. от атмосферных процессов, а также для построения вероятностных моделей зависимости О от А (см., например, (Бухановский, Давидан, Рожков, 2001)).

Бардин М. Ю., Полонский А. Б. Североатлантическое колебание и синоптическая изменчивость в Европейско-Атлантическом регионе в зимний период // ФАО. 2005. Т. 41, №2. С. 147-157.

Блинова Е. Н. Гидродинамическая теория волн давления, температурных волн и центров действия атмосферы // Доклады АН СССР. 1943. Т. 39, №7. С. 284-287.

Бондаренко А. Л., Жмур В. В. О природе и возможности прогнозирования явления Эль-Ниньо—Ла-Нинья // Метеорология и гидрология. 2004. К® 11. С. 39-52.

Бухановский А. В., Давидан И. Н., Рожков В. А. Вероятностная модель межгодовой изменчивости солености Балтийского моря // Изв. РГО. 2001. Т. 133, вып. 1. С.54-62.

Вангенгейм Г. Я. О зональных индексах атмосферной циркуляции // Проблемы Арктики. 1959. Вып. 7. С. 55-64.

Гире А. А. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долгосрочные гидрометеорологические прогнозы. Л.: Гимиз, 1971.

Дмитриев А. А. Изменчивость атмосферных процессов Арктики и ее учет в долгосрочных прогнозах. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994.

Кононова Н. К. Классификация циркуляционных механизмов Северного полушария по Б. Л. Дзердзеевскому. М., 2009.

Макромасштабные атмосферные процессы и среднесрочные прогнозы погоды в Арктике / А. А. Дмитриев и др. Л.: Гимиз, 1989.

Синхронные и асинхронные связи между аномалиями температуры поверхностных вод Северной Атлантики и особенностями крупномасштабной циркуляции атмосферы над Северным полушарием / А. В. Муравьев и др. // Метеорология и гидрология. 2010. К® 2. С. 5-25.

Смирнов Н. П., Воробьев В. Н., Кочанов С. Ю. Северо-Атлантическое колебание и климат / РГГМУ. СПб., 1998.

Смирнов Н. П., Воробьев В. Н. Северо-Тихоокеанское колебание и динамика климата в северной части Тихого океана / РГГМУ. СПб., 2002.

Смирнов Н. П., Воробьев В. Н. Арктический антициклон и динамика климата северной полярной области / РГГМУ. СПб., 2003.

Федоров К. Н. Избранные труды по физической океанологии. Л.: Гимиз, 1991.

Wallace J. М., Gutzler D. S. Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter // Mon. Wea. Rev. 1981. Vol. 109. P.784-812.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >