Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Динамика и структура макроциркуляционных процессов в тропосфере и стратосфере умеренных широт Северного полушария

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Динамика и структура макроциркуляционных процессов в тропосфере и стратосфере умеренных широт Северного полушария"

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 0Д На правах рукописи

ШАНТАЛИНСНИЙ Константин Михайлович

ДИНАМИКА И СТРУКТУРА МАКРОЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРОПОСФЕРЕ И СТРАТОСФЕРЕ УМЕРЕННЫХ ШИРОТ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ

Специальность: 11.00.09 - Метеорология, климатология.

агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

КАЗАНЬ - 1997

Работа выполнена в Казанском государственном университете

Научный руководитель - доктор географических наук,

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук.

Защита состоится " 10 " июня 1997 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета К 053.29.15 в Казанском государственном университете по адресу: 420008, г.Казань, ул. Кремлевская, 18, корп.2, факультет географии и геоэкологии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского университета. Отзывы и замечания, заверенные печатью, направлять по указанному адресу в двух экземплярах.

Автореферат разослан " 8 " мая_ 1997 года

профессор ПЕРЕВЕДЕНЦЕВ Ю.П.

профессор ТЕПТИН Г.М., доктор географических наук, профессор 30Л0Г0РЕВ В.Н.

Ведущая организация - Пермский государственный

университет

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук.

доцент

Хабутдинов Ю.Г.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы определяется:

- необходимостью комплексного изучения макромасштабных циркуляционных процессов в тропосфере и стратосфере;

- недостаточной изученностью зимних циркуляционных процессов на стратосферных уровнях;

- необходимостью разработки и совершенствования методов долгосрочного метеорологического прогнозирования с учетом взаимовлияния тропосферы и стратосферы;

- практическими потребностями высотных летательных аппаратов в метеорологической информации о состоянии стратосферных слоев для долговременного планирования полетов.

Цель работы состояла в- изучении структурных особенностей, динамики и взаимосвязей крупномасштабных циркуляционных процессов в тропосфере и стратосфере умеренных пирот северного полушария в период с 1976 по 1990 г.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- оценка адекватности отражения индексами зональной циркуляции А. Л. Каца особенностей макроциркуляционых процессов в трех естественных синоптических районах (ЕСР) умеренных широт северного полушария как в тропосфере, так и в стратосфере;

- оценка величины вклада в общую дисперсию рядов аномалий индексов циркуляции колебаний различного периода;

- определение наиболее значимых колебаний макроциркуляцион-ных процессов тропо- стратосферы умеренных широт;

- изучение взаимосвязей макроциркуляционных процессов различных слоев и регионов тропо- стратосферы в различных участках спектра;

- выявление зависимости структурных характеристик, динамики и взаимосвязей циркуляционных процессов тропо- стратосферы умеренных широт от сильных стратосферных потеплений, фазы квазидвухлетнего цикла экваториальной стратосферной циркуляции и солнечной активности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на однородном материале определены наиболее значимые колебания зональной циркуляции, в тропосфере и стратосфере северного полушария и произведена оценка их вклада в общую дисперсию;

- изучены особенности взаимосвязей макроциркуляционных про-

цессов различных слоев и регионов тропо- стратосферы в различных участках спектра;

- выявлены зависимости структурных характеристик, динамики и взаимосвязей циркуляционных процессов тропо- стратосферы умеренных широт от сильных стратосферных потеплений, фазы квазидвухлетнего цикла экваториальной стратосферной циркуляции и солнечной активности.

Практическая значимость работы заключается в получении надежных структурных характеристик крупномасштабной циркуляции тропосферы и стратосферы, которые могут быть использованы при разработке и усовершенствовании методов прогнозирования циркуляционных процессов, решении задач мониторинга климата. Теоретическая часть работы используется в учебном процессе кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы при реализации специальных курсов "Теория общей циркуляции и климата", "Статистические методы в метеорологии".

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты определения наиболее значимых колебаний зональной циркуляции в тропосфере и стратосфере северного полушария и оценки их вклада в общую дисперсию;

- особенности взаимосвязей макроциркуляционных процессов различных слоев и регионов тропо- стратосферы в различных участках спектра;

- результаты исследования зависимостей структурных характеристик, динамики и взаимосвязей циркуляционных процессов тропо-стратосферы умеренных широт от сильных стратосферных потеплений, фазы квазидвухлетнего цикла экваториальной стратосферной циркуляции и солнечной активности.

Апробация работы. Результаты исследования изложены в монографии - и девяти опубликованных статьях. Отдельные части работы докладывались и обсуждались на I и II Всесоюзных симпозиумах по результатам исследования средней атмосферы (1983, 1985г.), V Всесоюзном совещании по применению статистических методов в метеорологии (Казань, 1985г.), II международном симпозиуме ГЛОБМЕТ (Казань, 1988г.), III Всесоюзном симпозиуме: ."Физические аспекты теории климата" (Москва 1989г.), X Съезде РГО (Санкт-Петербург 1995г.), Всероссийской научной конференции: Современная география и окружающая среда (Казань, 1996г.) , итоговых научных конференциях Казанского университета в период 1982-1997 гг., научных се-

минарах кафедры метеорологии и климатологии КГУ и кафедры теоретической метеорологии и метеорологических прогнозов ОГМИ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 122 страницы, работа содержит 24 рисунка и 22 таблицы. Список литературы включает 138 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задача исследования, оценены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе дана характеристика исходного материала и методических приемов использованных при выполнении исследования.

Для характеристики макроциркуляционных процессов часто используются различные количественные показатели (индексы), которые позволяют получить достаточно полную информацию о макромасштабных особенностях, циркуляции на больших пространствах. К таким количественным показателям относятся индексы Россби,.Блиновой, Каца и ДР-

А.Л.Кац предложил в качестве количественных показателей атмосферной циркуляции принять удельный поток массы воздуха в единичном слое за единицу времени в широтном М3 и меридиональном Мм направлениях. Для определенного района изменение зонального потока массы на выбранном участке при среднем для этого района значении параметра Кориолиса зависит только от колебаний среднего градиента давления на участках меридианов, включенных в эту зону, а меридионального- потока массы - от среднего градиента давления на участках параллелей. Эти градиенты практически и являются соответственно индексом зональной Г3 и индексом меридиональной 1м циркуляции.

При проведении исследования макроциркуляционных процессов в умеренных широтах тропо-стратосферы северного полушария нами использовался лишь зональный .индекс Каца, как допускающий наиболее четкую физическую интерпретацию и являющийся аналогом индекса Россби, вычисляемый и в широтных зонах, и в их отдельных частях.

На основании исследования развития атмосферных макропроцессов по ежедневным синоптическим картам северного полушария был получен вывод о целесообразности деления этого пространства на три естественных синоптических района (ЕСР): первый от Гренландии до Таймыра, второй - от Таймыра до Берингова пролива и третий -

от Берингова пролива до Гренландии [Пагава С.Т.]. Необходимость разделения пространства северного полушария на три ЕСР была показана на основании изучения условий теплообмена между океаном и континентом. Эти же выводы нашли свое подтверждение при анализе полей средних месячных значений абсолютного геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа и относительного геопотенциала слоя 500 -1000 гПа. Было установлено, что неравномерное распределение и нагревание материкоз и океанов в северном полушарии влияет на термический режим атмосферы в январе до 10 км, а в июле - примерно до 13 км.

В стратосфере циркуляционные процессы носят более крупномасштабный характер, чем в тропосфере. Однако анализ климатических полей геопотенциала 500, 300, 100 и 30 гПа показал, что характер расположения основных гребней и ложбин в поле геопотенциала сохраняет своеобразие во всех ЕСР на изобарических поверхностях как тропосферы, так и стратосферы. С высотой происходит некоторое смещение.климатических ложбин и гребней, но характер климатического барического поля присущий конкретному сектору в целом сохраняется. Следовательно, правомерно исследовать циркуляционные процессы в отдельных секторах (ЕСР) полушария не только в тропосфере, но и в стратосфере.

Гидрометцентр СССР (ныне Гидрометцентр России) ежемесячно с января 1977 г. издает брошюры "Индексы атмосферной циркуляции", содержащие, в частности, ежедневные, средние декадные и средние месячные значения индексов циркуляции А.Л.Каца на основных изобарических поверхностях, вычисленные по данным в узлах географической сетки Дф = 5°, ДХ = 10° за 00 ч. СГВ.

В работе использовались зональные индексы Каца вычисленные на основных изобарических поверхностях 500, 300, 100, 30 и 10 гПа в трех крупных секторах северного полушария, границы которых совпадают или близки к границам естественных синоптических районов: ■ - I сектор (Атлантико-Европейсж.ий)-от 45° з.д. до 95° в.д.

- II сектор (Азиатский) - от 95° в.д. до 165° з.д.

- Hi сектор (Американский) - от 165° з.д. до 45° з.д.

В каждом из секторов и по полушарию использовались зональные индексы Каца вычисленные для зон 70°-50°, 50°-35° с.ш.

Для 1976 г. индексы Каца рассчитывались автором с использованием полей геопотенциала из "Синоптического бюллетеня" Гидрометцентра СССР.

Для изучения связей макроциркуляционных процессов умеренных широт с активностью солнца и глобальными циркуляционными процессами тропических широт использовались данные о солнечной активности (числа Вольфа) и данные о результирующем переносе в экваториальной стратосфере.

Основные методы исследования относятся к методам анализа временных рядов. Это - визуальный анализ, корреляционный и спектральный анализ. Для исследования структуры циркуляционных процессов вычислялись автокорреляционные функции и автоспектры временных рядов индексов зональной циркуляции Каца. При изучении особенностей взаимодействия исследуемых процессов рассчитывались взаимокорреляционные функции, взаимные спектры, фазовые спектры и квадрат когерентности. Производилась оценка статистической значимости полученных результатов.

Колебания относящиеся к различным частотным полосам выделялись методами цифровой фильтрации.

Для выделения отдельных составляющих из временных рядов в работе использовалось два вида частотной фильтрации: так называемое, робастное сглаживание по Тьюки и частотные фильтры Поттера.

Процедура робастного (устойчивого) сглаживания состоит в последовательном применении к временному ряду 5-ти точечной, затем 3-х точечной скользящей медианы, а затем сглаживающего фильтра Хемминга (взвешенное скользящее среднее с весами 0,25; 0,5; О,25). Таким образом, в сглаженном ряду могут быть подавлены высокочастотные колебания.

При необходимости выделить не только'низкочастотные составляющие, но и более детально проанализировать колебания той или иной части спектра использовались частотные фильтры с окном Поттера [Отнес Р., Эноксон Л.]. Оно имеет следующий- вид

К =

(30 + 2 I йр Соэ

р = -3

згрк

(1)

где Юн - веса фильтра. М - размах фильтра,

1/2 при к = ± М,

с„ =

1 в остальных случаях, й0 = 1, й.! = Й! = 0.684988

с1_2 = с1г = 0.02701, (5.3 = с33 = 0.0177127,

V/ = <30 + 2 I йр = 2.8108034. р = -з

Достоинство фильтров подобных фильтру Поттера заключается в том, что при фильтрации они не приводят к сдвигу частотных составляющих по фазе. Процесс фильтрации заключается в вычислении .взвешенного скользящего среднего с весовыми коэффициентами, определяемыми выбранной полосой пропускания. Данная методика была опробована нами в том числе и на длиннорядных климатических рядах.

Во второй главе представлены результаты исследования долгопериодной изменчивости зональной циркуляции в тропосфере и стратосфере умеренных широт северного полушария.

Вначале рассмотрены основные закономерности в проявлении годового хода интенсивности зональной циркуляции. Путем осреднения среднедекадных значений зонального индекса Каца за 15 лет (1976-1990 гг.) был выделен годовой ход индексов в тропо-стратос-фере на изобарических поверхностях 500, 300, 100, 30 и 10 гПа в 3-х секторах северной и мной широтных зон. В дальнейшем статистическому анализу подвергались временные ряды декадных и месячных зональных индексов циркуляции Каца, из которых годовой ход был исключен.

Предварительный анализ их показал, что значительная часть дисперсии рядов аномалий зональных индексов (АЗИ) циркуляции Каца лежит в низкочастотной области. Поскольку наибольший интерес представляют крупномасштабные процессы, которые дают наибольший вклад в низкочастотную область, то из исходных рядов были отфильтрованы "высокочастотные" колебания с периодом менее 6 декад и более детальному анализу подвергались ряды, содержащие колебания в следующих интервалах длин волн: от 2 до 12 мес, дающие наибольший вклад в дисперсию, от 18 до 36 мес и более 36 мес (более 3 лет). Колебания с периодами более 2-х месяцев носят более ярко выраженный глобальный характер и достаточно синфазно проявляют себя в различных секторах полушария в отличие от колебаний с периодом менее 2-х месяцев. Наибольший вклад в общую дисперсию аномалий месячных индексов (АМИ) вносят колебания с периодами от 2 до 12 мес. Долгопериодные колебания (с периодом более 3-х лет) в северной и южной зонах полушария вносят приблизительно одинаковый вклад в общую дисперсию АМИ, который колеблется от 8 до 20%. При-

чем максимальные значения достигаются на уровнях 300 и 100 гПа и во 2-м секторе. Так называемые "квазидвухлетние" колебания (с периодом от 18 до 36 мес) вносят больший вклад в общую дисперсию в северной зоне стратосферы. Причем максимум здесь наблюдается в 1 секторе северной зоны, а минимум в третьем секторе южной. Отметим, что ранее Мишиной М.И., Чучкаловым Б. С. рассматривались периодические колебания интенсивности АЦ на уровне 500 гПа в 1 секторе за период 1956-1974 гг. В данном случае используется более обширная пространственная информация и несколько иной способ выделения периодических компонент.

В рядах аномалий индексов, содержащих колебания от двух месяцев до одного года, с помощью спектрального анализа были выделены следующие циклы.

В тропосфере в северной зоне в целом и в первом секторе этой зоны обнаружены колебания с периодом 6.7- 9.1 мес, в третьем секторе северной зоны и в северной зоне в целом 4.3 - 4.6 мес и в первом и втором секторах зоны 2.4 - 2.6 мес. В южной зоне максимумы в спектрах выражены гораздо хуже. Лишь в первом и третьем секторах обнаруживаются максимумы в спектрах соответствующие колебаниям с периодом около 8.3 - 8.7 мес, во втором секторе - 6.4 мес и на изобарической поверхности 300 гПа в спектре аномалий месячных индексов (АМН) существует максимум около периода 4.4 мес.

В нижней стратосфере в северной зоне в целом и в первом и втором секторах северной зоны хорошо выражены два основных максимума в спектре 8.3 и '4.8 - 4.9 мес.

Обращает на себя внимание отсутствие значимых экстремумов в спектре АМИ второго сектора изобарической поверхности 100 гПа. В южной зоне в целом значимых максимумов в спектре не обнаруживается. В первом и третьем секторах южной зоны наблюдается максимум в спектрах вблизи периода 7.4, а во втором - 9.5 мес. Кроме того, в спектре АМИ первого сектора существует пик вблизи периода 2.7 мес.

В средней стратосфере в северной зоне выделяются три максимума в спектрах АМИ на периодах 8.3, 5.0, 3.6 мес. Наиболее четко эти колебания проявляют себя в третьем секторе и хуже всего во втором. В южной зоне, как и в остальных рассмотренных выше случаях, экстремумы спектральной плотности выражены слабее. В спектрах АМИ южной зоны в целом вообще не прослеживаются значительные максимумы за исключением колебаний с периодом близким к 4.6 мес. В

отдельных секторах южной зоны наблюдаются такие колебания с периодами 6.1 - 6.2 (второй сектор), 2.2 - 2.9 мес.

Таким образом, структура колебаний АМИ в диапазоне от 2 до 12 месяцев в тропосфере заметно отличается от таковой в стратосфере. При переходе из тропосферы в стратосферу максимумы в спектрах смещаются в область более низких частот, то есть колебания в одном и том же интервале частот в тропосфере имеют более короткие периоды, чем в стратосфере. Следует также отметить, что в первом и третьем секторах колебания в тропосфере стратосфере имеют сходные периоды: 8-9 и 4.5-5.О мес соответственно.

Анализ колебаний аномалий индекса циркуляции с периодом более года производился как визуально по графикам отфильтрованных рядов в диапазоне 18-36 и более 36 мес, так и с помощью взаимных корреляционных функций этих рядов в различных секторах полушария.

"Квазидвухлетняя" компонента (КДК), т.е. колебания индекса с периодами от 18 до 36 мес, в исследуемый период проявляла себя в различных секторах полушария следующим образом.

В тропосфере КДК существенно не постоянна по фазе и периоду. В северной зоне наиболее тесно связаны "квазидвухлетние" колебания первого и третьего секторов (коэффициент корреляции статистически значим на уровне надежности 95 % и составляет 0.51).

В кшной зоне наиболее тесно КДК коррелирует в первом и втором секторах (г = 0.68), в то время как "квазидвухлетние" колебания второго и третьего секторов испытывают статистически значимую отрицательную корреляцию (г = -0.6), а КДК первого и третьего секторов южной зоны полушария практически не связаны.

При переходе из тропосферы в стратосферу связность КДК циркуляционных процессов различных секторов существенно возрастает. Особенно четко это усиление проявляется в северной зоне, где на уровне 100 гПа коэффициенты взаимной корреляции превосходят значения 0.6-0.7. В южной зоне на этом уровне КДК значимо связана лишь в первом и втором секторах полушария (г = 0.78). На изобарической поверхности 10 rila ход КДК еще более согласован.- В северной зоне коэффициенты взаимной корреляции колеблются в пределах 0.67 - 0.96, в южной - 0.46-0.87, что является статистически значимым на уровне доверия 95%. Наиболее тесно согласованный характер динамика КДК имеет в третьем и втором секторах полушария (г = 0.96 в северной и г = 0. 87 в южной зоне), что вероятно связано с изменениями активности и местоположения Алеутского стратосферного

Таблица 1.

Взаимосвязь "квазидвухлетней" компоненты (18-36 мес.) переноса массы в экваториальной стратосфере и АМИ.

Северная зона Южная зона

ерхность Псу 1, мес Г9 5 •^ху 1,мес Г9 5

1 сектор

500 0 .48 6 0.40 -0.60 10 0.40

300 0 .44 5 0.40 -0.46 9 0.40

100 0 .45 3 0.40 -0.69 12 0.40

30 0.42 2 0.40 0.21 5 0.40

10 0. 50 1 0.40 0.39 3 0.40

2 сектор

500 -0, .54 1 0.40 -0.52 12 0.41

300 -0, .53 2 0.40 -0. 56 13 0.41

100 0, .34 -1 0.39 -0.66 12 0.41

30 0. .57 1 0.39 -0.19 9 0.41

10 0. .62 1 0.39 0.31 6 0.40

3 сектор

500 0. 14 16 0.41 -0.14 3 0.40

300 0. 10 15 0.40 -0.30 2 0.41

100 0. 32 2 0.41 -0.44 12 0.40

30 0. 49 2 0.39 0.52 7 0.40

10 0. 63 1.2 0.39 0.45 5 0.40

Зона в целом

500 0. 39 12 0.40 -0.55 И 0.41

300 0.33 13 0.40 -0.46 И 0.40

100 0. 38 1 0.39 -0.78 12 0.41

30 0. 52 . 2 0.40 0.28 6" 0.41

10 0. 63 1 0.39 0.43 5 0.40

антициклона, располагающегося на границе этих секторов.

Представляет интерес рассмотреть связи квазидвухлетних колебаний циркуляционных процессов внетропических широт и квазидвухлетних колебаний циркуляции экваториальной стратосферы. Наиболее значимые максимумы взаимных корреляционных функций (гху) КДК переноса массы в экваториальной стратосфере (ПМЭС) и АМИ представлены в табл. 1. Там же представлены сдвиги (1), на которых наблюдаются максимумы гху и значения ВКФ, определяемые на уровне надежности 95% (г95). Из таблицы видно, что наиболее тесные связи наблюдаются между ПМЭС и АМИ в стратосфере северной зоны, где ре-

акция циркуляционных процессов умеренных широт запаздывает относительно квазидвухлетней цикличности экваториальных на 1-2 месяца. В южной зоне лишь в третьем секторе полушария наблюдаются статистически значимые коэффициенты взаимной корреляции. Однако максимумы ВКФ имеют место на запаздываниях около 5-7 мес. Обращает на себя внимание значимая отрицательная корреляция ПМЭС и АМИ нижней части исследуемого слоя атмосферы (500 - 100 гПа) в южной зоне. Все это свидетельствует о сложном взаимовлиянии циркуляционных процессов внетропических и экваториальных широт различных слоев атмосферы на временных интервалах более года. Подтверждением этого служит динамика наиболее долгопериодных колебаний (более 36 мес), в дальнейшем называемая никочастотной компонентой (НЧК).

В рядах НЧК АМИ методом наименьших квадратов выделялся линейный тренд. Характеристики тренда (коэффициент наклона (а) в гп.дам/1° экв., доверительная вероятность (Ра) и коэффициент детерминации (Яг)) в различных секторах и зонах полушария в исследуемом слое атмосферы представлены в табл. 2. Из данных таблицы видно, что в период с 1976 по 1990 год в северной зоне во всех секторах полушария наблюдался существенный положительный, в южной зоне хоть и меньший по величине и по вкладу в дисперсию НЧК АМИ, но статистически значимый на большинстве уровней отрицательный тренд. Таким образом, в исследуемый период в тропосфере и нижней половине стратосферы в северной зоне умеренуых широт северного полушария интенсивность зонального переноса в целом усиливалась, а в южной ослабевала.

В начале исследуемого периода наблюдался минимум- активности солнца и начался очередной 21-й солнечный цикл. Ход НЧК АМИ на уровне 10 гПа (рис. 1) также показывает возрастание до 1982 г., а затем спад аномалий зонального индекса. Расчет взаимных корреляционных функций долгопериодных компонент (т > 36 мес) чисел Вольфа и АМИ показал, что в северной зоне во всех секторах и на всех исследуемых изобарических поверхностях кроме тропосферы в третьем секторе имеет место статистически значимая на уровне доверия 95% существенная положительная корреляция. Максимальные значения ВКФ в стратосфере первого и третьего секторов достигаются на запаздываниях 6-7 месяцев. В стратосфере второго сектора связи наиболее тесные (г >0.8) и синхронные.

В южной зоне связь макроциркуляционных процессов в тро-по-стратосфере с солнечной активностью не проявляет себя так яр-

Таблица 2.

Характеристики тренда НЧК АМИ

северная зона южная зона

рхность а Ра я2 а Ра И2

1 сектор

500 0 .0008 0. ООО 0 . 17 -0.0003 0.000 0. . 10

300 0 .0009 0. ООО 0 . 16 -0.0007 0.000 0. .25

100 0 .0017 0. ООО 0.23 -0.0008 0.000 0. 41

30 0. .0020 0. ООО 0 . 14 -0.0007 0.000 0. 14

10 0, .0022 0.000 0 . 15 -0.0004 0.031 0. ,01

2 сектор

500 0. .0013 0. ООО 0. .36 -0.0010 0.000 0.20

300 0. ,0017 0. ООО 0. .33 -0.0020 0. ООО 0. 31

100 0. 0026 0. ООО 0. .34 -0.0017 0. ООО 0. 36

30 0. 0032 0. ООО 0. .28 -0.0012 0. ООО 0. 27

10 0. 0034 0.000 0. 27 -0.0009 0. 001 0. 06

3 сектор

500 0. 0013 0.000 0. 52 -0.0002 0.044 0. 01

300 0. 0018 0.000 0. 53 -0.0003 0.010 0. 05

100 0. 0026 0.000 0. 47 0.0003 0.002 0. 06

30 0. 0028 0.000 0. 36 -0.0001 0.740 0. 00

10 0. 0025 0.000 0. 27 0. 0001 0.658 0. 00

Зона в целом

500 0. ООН 0.000 0. 46 -0. 0005 0.000 0. 25

300 0. 0015 0.000 0. 44 -0.0010 0.000 0. 40

100 0.0023 0. ООО 0.37 -0.0007 0.000 0. 45

30 0. 0026 0.000 0. 27 -0.0006 0.000 0. 18

10 0. 0027 0.000 0. 25 -0.0004 0.045 0. 01

: в северной. В тропосфере первого и второго секторов наб-

людается отрицательная" корреляция на 5%-ном уровне значимости при сдвигах около 6-9 месяцев. В стратосфере определенные связи практически не прослеживаются, а на изобарической поверхности 10 гПа во втором секторе коэффициент взаимной корреляции составил 0.71 при отрицательном сдвиге 6 месяцев. Таким образом, наиболее резко влияние солнечной активности проявляет себя в стратосфере северной зоны полушария.

'Ход НЧК АМИ в северной и южной зонах северного полушария не одинаков. В начале исследуемого периода первый максимум достига-

д1а. гл.дам/град.экв. 1.0a-,

0.5-

-0.0-

-0.5-

-1.0-

- 1 сектор

-- 2 сектор

------ 3 сектор

а)

—i-1-1-1-Г—i-1-1-1-Г—т-1-1-1-Г—i Годы

75 80 85 00

0.5-1

0.3-

-0.0-

-0.3-

-0.5-

б)

75' ' ' ' 'ВО' ' ' ' '85'

1—I—Г—1 Годы 00

Рис. 1. "Низкочастотная" компонента (т > 36 мес.) аномалий средних месячных зональных индексов циркуляции Каца в трех секторах северной (а) и южной (б) зон северного полушария на изобарической поверхности 10 rila.

ется раньше в южной зоне (17 - 18 месяцев), затем ход НЧК в южной и северной зонах синхронизируется и пара следующих экстремумов (максимум зимой 1982/83 гг. и минимум зимой-весной 1985 г.) достигается почти одновременно, после чего характер хода НЧК АМИ в обеих зонах становится практически противофазным.

Такова общая картина, но в каждом из секторов той или иной зоны имеются свои особенности. Если в первом секторе северной зоны преобладает колебание с периодом 90 мес, то в южной - с периодом 45 мес (3.5 года). Во втором секторе ход НЧК АМИ в северной и южной зонах аналогичен в наибольшей степени. В третьем секторе в первой половине исследуемого периода ход НЧК АМИ в южной зоне опережает таковой в северной, а после 1985 г. колебания НЧК АМИ в обеих зонах практически синфазны, только амплитуда колебаний несколько меньше в южной зоне.

Поскольку взаимосвязь между крупномасштабными циркуляционными процессами на изобарических поверхностях 10 и 30 гПа очень тесная, то динамика НЧК АМИ на уровне 30 гПа, за исключением нескольких мелких деталей, практически та же, что и на выше расположенном уровне. На изобарической поверхности 100 гПа ход НЧК АМИ в исследуемый период отражает черты как ниже, так и выше лежащих уровней.

Проведенный анализ свидетельствует о сложных макроциркуляци-онных процессах в тропо-стратосфере в широком диапазоне частот, влиянии солнечной активности и КДЦ зонального ветра в экваториальной стратосфере на динамику умеренных широт.

В третьей главе дается анализ развития крупномасштабных циркуляционных процессов тропо- стратосферы в северной зоне полушария в течение 14 зимних сезонов (октябрь - март с 1976/77 по 1989/90гг.); рассматриваются их структурные особенности и характер взаимосвязей по вертикали в трех ЕСР.

В качестве исходного материала использованы нормированные аномалии ежедневных индексов зональной циркуляции Каца (НАЗИ).

Сопоставление хода НАЗИ с синоптическими материалами и календарями стратосферных процессов (Лабицке К., Тарасенко Д.А., Сухарев Б.Е.) показало, что ход НАЗИ адекватно отражает развитие макроциркуляционных процессов в трех секторах северной части умеренных широт нижней половины стратосферы. Все отмеченные в календарях сильные стратосферные потепления нашли свое отражение в крупных аномалиях зональных индексов циркуляции.

В результате все 14 исследованных зимних сезонов могут быть разделены на три неравные по количеству группы. Сезоны 1976/77, 1984/85, 1986/87 и 1987/88гг. отличались наличием сильных средне-зимних (декабрь, январь) стратосферных потеплений, приведших к перестройке стратосферной циркуляции ниже уровня изобарической поверхности 10 гПа. В сезонах 1981/82 и 1989/90гг. полностью отсутствует преобладание восточного переноса над западным хотя бы в один из дней сезона. Остальные 8 сезонов характеризуются промежуточным состоянием зимних макроциркуляционных процессов в стратосфере, когда потепления имели место, но или они носили локальный характер, или наблюдались в конце сезона (февраль, март).

Оценка вклада трех составляющих низкочастотной (т > 30 дней), среднечастотной (10 < т < 30 дней) и высокочастотной (т < 10 дней) в общую дисперсию НАЗИ показала, что в среднем во всех исследованных сезонах низкочастотная компонента дает наибольший вклад. Однако если в тропосфере этот вклад почти равен вкладу в общую дисперсию среднечастотной компоненты (30-50%), то в стратосфере НЧК превалирует над остальными компонентами, особенно во втором и третьем секторах зоны (70-90%). Вклад высокочастотной компоненты не превышает 29-30% как в тропосфере, так и в стратосфере.

Для исследования устойчивости зональных процессов в тропост-ратосфере рассчитывались значения "радиуса корреляции", то есть интервал времени, в течение которого значения автокорреляционной функции убывают до величины 0.5. Как и следовало ожидать, наибольшие значения радиуса корреляции наблюдаются в стратосфере во время сильных стратосферных потеплений, когда его величина в отдельных секторах зоны превышает 20 дней. В тропосфере радиус корреляции заметно меньше, но в сезоны, когда перестройки циркуляции связанные со стратосферными потеплениями охватывают значительные толщи тропо- стратосферы, величина радиуса корреляции также возрастает (табл.3).

Исследование преобладающих колебаний в выделенных частотных полосах показало, что в высокочастотной области преобладают колебания с периодами 6-8 дней, в области средних частот периоды соответствующие максимумам в спектрах колеблются от 14-16 до 18-22 дней в зависимости от сезона, сектора и изобарической поверхности. Причем не представляется возможным на данном материале выделить период колебаний преобладающий в каком либо сезоне, секторе

Таблица 3

Время затухания (сутки) АКФ нормированных аномалий ежедневных зональных индексов Каца

500 гПа 100 гПа 10 гПа

Период I II III I II III I II III

1976/77 3 ' 5 2 8 9 4 8 6 4

1977/78 3 2 2 4 3 5 3 2 4

1978/79 5 5 8 4 5 19 2 6 5

1979/80 3 2 3 3 3 3 2 4 4

1980/81 2 2 3 ■ 5 4 6 3 8 6

1981/82 2 3 2 2 6 4 3 6 6

1982/83 2 3 2 3 4 4 2 5 3

1983/84 3 2 3 8 4 5 3 7 4

1984/85 2 4 3 4 И 6 8 11 7

1985/86 2 4 2 5 8 3 4 3 4

1986/87 3 3 2 8 7 17 15 14 19

1987/88 3 2 2 4 4 5 9 18 12

1988/89 2 3 2 4 6 7 7 7 7

1989/90 3 4 2 12 5 6 5 И 6

или на уровне. В низкочастотной области в зависимости от наличия или отсутствия крупномасштабных перестроек циркуляции вызываемых стратосферными потеплениями периоды колебаний изменяются от длины сезона (182 дня) до 30-36 дней. Отметим, что и в тропосфере и стратосфере наблюдаются колебания соответствующие "циклу индекса" Россби и 40-60 дневной цикличности определяющей переход от одного режима циркуляции к другому (Дымников В. П.). Характерный период от максимума зональности перед сильньм потеплением до максимума зональности после него в среднем также составляет около 60 дней.

Взаимосвязи макроциркуляционных процессов на различных уровнях тропо- стратосферы исследовались с помощью анализа взаимных корреляционных функций НАЗИ в трех частотных полосах. Наиболее тесно связаны зональные процессы соседних уровней тропосферы (500 и 300 гПа) и стратосферы (30 и 10 гПа). В первом случае величина максимумов ВКФ в низкочастотной области превышает 0.93, в области средних частот - 0.92, а в высокочастотной области - 0.77. В стратосфере связи слабее и изменяются в низкочастотной области от 0.66 до 0.97, в среднечастотной - от 0.65 до 0.93, а в высокочас-

Рис. 2. "Низкочастотная" компонента (и > 30 дней) нормированных аномалий ежедневных зональных индексов Каца в сезонах 1984/85 (а) и 1986/87 гг. (б) в широтной зоне 50-70° с.ш.

тотной связи слабые около 0.30-0.40. При переходе из тропосферы в стратосферу связи ослабевают, но на соседних уровнях (300-100 и 100-30 гПа) остаются весьма существенными, особенно в низкочастотной области (0.70-0.90).

Колебания зонального переноса в тропо- стратосфере с периодами от 10 до 30 дней в основном передаются из тропосферы в стратосферу (максимумы ВКФ располагаются на положительных сдвигах 1 или 2 дня), в то время как в низкочастотной области часто наблюдается компенсационный механизм, когда в одних секторах максимальные значения ВКФ наблюдаются на положительных сдвигах, а в других наоборот (стратосферные процессы опережают тропосферные). Следует иметь ввиду, что в течение сезона тропо- стратосферные связи могут изменяться не только по величине, но и по направленности влияния. Поэтому ВКФ вычисленные по всему сезонному ряду дают осред-ненную, преобладающую в данном сезоне картину взаимосвязей.

Анализ графиков НЧК позволил убедиться в том, что в период стратосферных потеплений имеет место как опережение тропосферными циркуляционными процессами стратосферных, так и обратный процесс. Причем для осуществления эффекта проникновения перестройки циркуляции во время сильного потепления из стратосферы в тропосферу необходима определенная подготовленность для этого тропосферы. Так, если сильные потепления 1976/77 и 1984/85гг. сопровождались перестройкой циркуляции проникшей из стратосферы в тропосферу, то перестройка циркуляции в период потеплений 1986/87 и 1987/88гг. была ограничена изобарической поверхностью 100 гПа (рис.2).

В заключении приведены основные результаты выполненного исследования:

1. Установлено, что зональные индексы Каца адекватно отражают крупномасштабные аномалии циркуляционных процессов в трех ЕСР стратосферы умеренных широт северного полушария. В исследуемый период с 1976 по 1990 г. все значительные изменения характера циркуляции в тропо- стратосфере нашли свое отражение в ходе аномалий зональных индексов циркуляции.

2. Оценка вклада в общую дисперсию рядов аномалий средних месячных индексов циркуляции показала, что наибольший вклад в общую дисперсию вносят колебания с периодом от двух месяцев до года. Эти колебания, а также более долгопериодные (т > 3 лет) носят ярко выраженный глобальный (полушарный) характер. В дисперсию рядов нормированных аномалий ежедневных индексов циркуляции-различ-

нкх секторов- полушария наибольший вклад вносят колебания с периодами- более 10 дней.

"3. Определены наиболее значимые колебания макроциркуляцион-ных процессов тропо- стратосферы умеренных широт. В тропосфере таковыми оказались: в первом секторе северной зоны колебания с периодами 6.7-9.1 и 2.4-2.6 мес, во втором секторе - 2.4-2.6 мес, в третьем - 4.6-6.3 мес. В южной зоне лишь в первом и третьем секторах обнаруживаются максимумы в спектрах соответствующие колебаниям с периодом около 8.3 - 8.7 мес, во втором секторе - 6.4 мес.

В нижней стратосфере в северной зоне в целом и в первом и втором секторах северной зоны хорошо выражены два основных максимума в спектре 8.3 и 4.8 - 4.9 мес. В средней стратосфере в северной зоне выделяются три максимума в спектрах АМИ на периодах 8.3, 5.0, 3.6 мес. Наиболее четко эти колебания проявляют себя в третьем секторе и хуже всего во втором. В южной зоне экстремумы спектральной плотности выражены слабее. Установлено, что в стратосфере наблюдаются более долгопериодные колебания, чем в тропосфере.

Установлено,- что в период с 1976 по 1990 год в северной зоне во всех секторах полушария наблюдался существенный положительный, в южной зоне хоть и меньший по величине и по вкладу в дисперсию НЧК АМИ, но статистически значимый на большинстве уровней отрицательный тренд.

4. Обнаружено, что в северной зоне во всех секторах и на всех -исследуемых изобарических поверхностях кроме тропосферы в третьем секторе имеет место статистически значимая на уровне доверия 95% существенная положительная корреляция между солнечной активностью (числа Вольфа) и аномалиями средних месячных значений зональных индексов. Максимальные значения ВКФ между числами Вольфа и АМИ в стратосфере первого и третьего секторов достигаются на запаздываниях 6-7 месяцев. В стратосфере второго сектора связи наиболее тесные (г >0.8) и синхронные.

5. Обнаружены также достаточно тесные связи между результирующим переносом массы в экваториальной стратосфере и ходом АМИ в стратосфере северной зоны с запаздыванием 1-2 месяца. В южной зоне лишь в третьем секторе полушария наблюдаются статистически значимые коэффициенты взаимной корреляции. Однако максимумы ВКФ имеют место на запаздываниях около 5-7 мес.

Обращает на себя внимание значимая отрицательная корреляция ПМЭС и АМИ нижней части исследуемого слоя атмосферы (500 - 100 гПа) в южной зоне. Все это свидетельствует о сложном взаимовлиянии циркуляционных процессов внетропических и экваториальных широт различных слоев атмосферы на временных интервалах более года.

6. Расчет меры устойчивости зональных процессов - радиуса корреляции показал, что наибольшие значения радиуса корреляции наблюдаются в стратосфере во время сильных стратосферных потеплений, когда его величина в отдельных секторах зоны превышает 20 дней. В тропосфере радиус корреляции заметно меньше,, но в сезоны когда перестройки циркуляции связанные со стратосферными потеплениями охватывают значительные толщи тропо- стратосферы величина радиуса корреляции также возрастает.

7. Установлено, что наиболее тесно циркуляционные процессы взаимосвязаны на соседних уровнях тропосферы и стратосферы. При переходе из тропосферы в стратосферу связи ослабевают, но на соседних уровнях (300-100 и 100-30 гПа) остаются весьма существенными, особенно в низкочастотной области (0.70-0.90).

Колебания зонального переноса в тропо- стратосфере с периодами от 10 до 30 дней в основном передаются из тропосферы в стратосферу (максимумы ВКФ располагаются на положительных сдвигах 1 или 2 дня), в то время как в низкочастотной области часто наблюдается компенсационный механизм, когда в одних секторах максимальные значения ВКФ наблюдаются на положительных сдвигах, а в других наоборот (стратосферные процессы опережают тропосферные).

В заключение необходимо отметить, что выявленная статистическими методами сложная картина взаимодействия крупномасштабных циркуляционных процессов в тропо- стратосфере в дальнейшем предполагает применение средств численного моделирования в целях более глубокого познания физического механизма определяющего динамику атмосферной циркуляции в учетом внутренних и внешних факторов.

Основные результаты исследования опубликованы в монографии:

Динамические и энергетические процессы в свободной атмосфере. - Казань: изд-во Казан, ун-та, 1987. - 131 с. Совместно с Пе-реведенцевым Ю.П., Гурьяновым В. В.

и научных статьях:

1. О взаимосвязи циркуляционных процессов тропосферы и стратосферы // Труды ЗапСибНИИ Госкомгидромета, вып.68.- 1985.-С.9-14. Совместно с Переведенцевым Ю. П.

2. Изменчивость интенсивности циркуляции в тропо- стратосфере и взаимосвязь между слоями // Труды V Всесоюзного совещания по применению статистических методов в метеорологии. Л.: Гидромете-оиздат, 1987.- С.174-177. Совместно с Переведенцевым Ю.П., Кузее-вой Н.Г.

3. Особенности структуры и взаимосвязи зимних циркуляционных процессов тропосферы и стратосферы // Вопросы мезоклимата. циркуляции и загрязнения атмосферы. Межвуз.сб.научн.трудов. Пермь: Перм.ун-т. 1988. - С.10-17.

4. Межгодовая изменчивость характеристик атмосферы северного полушария // Физические аспекты теории климата. Тр. III Всес. симп. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - С. 104-107. Совместно с Переведенцевым Ю. П., Гурьяновым В. В.

5. Центры действия атмосферы и их взаимосвязь с макроцирку-ляционными процессами северного полушария // Метеорология и гидрология. - 1994,- N3,- С. 43-51. Совместно с Переведенцевым Ю.П., Исмагиловым Н. В.

6. Центры действия атмосферы северного полушария // Атмосферная циркуляция, климат, загрязнение воздуха.- Казань: изд-во Казан.ун-та, 1994,- С.4-15. Совместно с Переведенцевым Ю.П., Исмагиловым Н.В.

7. Глобальные и региональные изменения климата в современный период // Тез. докл. X Съезда РГО. СПб., 1995. С.82-84. Совместно с Переведенцевым Ю.П.

8. Динамика макроциркуляционных процессов в тропо- стратосфере северного полушария // Современная география и окружающая среда. Тез.докл. Всеросс.научн.конф.- Казань: изд-во Казан, ун-та, 1996.- С.106-108.

9. О вероятных изменениях температуры воздуха и циркуляции атмосферы на востоке Русской равнины в конце текущего и начале XXI столетия // Изв. АН, сер. географ,- 1997. -N1.- С.103-109. Совместно с Переведенцевым Ю.П., Верещагиным М.А.

Соискатель