Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Метеорологические аспекты явления Эль-Ниньо - южное колебание

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Метеорологические аспекты явления Эль-Ниньо - южное колебание"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЬ-НИНЬО - ЮЖНОЕ КОЛЕБАНИЕ.

11.00.09 — метеорология и климатология, агрометеорология.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

На правах рукописи

ГУЩИНА Дарья Юрьевна

МОСКВА 1996

Работа выполнена на кафедре метеорологии и климатологии Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель

Доктор географических наук, профессор

Е.К.Семенов

Официальные оппоненты

доктор географических наук, ведущий н.с. доктор географических наук, профессор

Ю. А. Романов Ю.П.Переведенцев

Ведущая организация — Российский Гидрометеорологический центр (г.Москва)

онного совета Д-053.05.30 при Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18-й этаж, ауд. 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21-м этаже.

Защита состоится " марта 1996 г. в /Г ч. на заседании диссертаци

Автореферат разослан февраля 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

С.Ф.Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема долгосрочных прогнозов погоды является одной из важнейших проблем современной метеорологической науки. Разработка и усовершенствование долгосрочных прогнозов во многом зависят от изучения и прогнозирования межгодовой климатической изменчивости и глобальных климатических аномалий, метеорологические последствия которых сказываются на погодных условиях на всем земном шаре в течение нескольких лет.

Одним из наиболее ярких примеров глобальных аномалий климата является "Эль-Ниньо — Южное Колебание" (ЭНЮК). Катастрофические последствия Эль-Ниньо проявляются не только в тропических регионах, но и в умеренных широтах северного и южного полушарий. Так, последнее ЭНЮК 1991-94 годов, продолжавшееся почти три года, нанесло значительный экономический ущерб многим государствам, в частности, Южная Африка, Индонезия и Австралия пострадали от сильнейших засух, а страны западного побережья Южной и Северной Америки — от проливных дождей, штормов и резкого сокращения рыбного промысла, вызванного изменением океанологических условий в регионе; изменение характера ветра и морских течений привело к сильным штормам на многих островах Тихого океана; в умеренных широтах наблюдалось увеличение интенсивности западного переноса и смещение траекторий циклонов на полярном и арктическом фронтах, что, в свою очередь, обусловило аномальные погодные условия в зимнее время года.

Изучение циркуляционного механизма формирования макромасш-табных аномалий погоды в свободной атмосфере тропиков, имевших место в период Эль-Ниньо, может внести определенный вклад в практическую реализацию задач, связанных с глобальным взаимодействием атмосферы и океана и с дальнейшим развитием краткосрочных климатических прогнозов и долгосрочных прогнозов погоды.

Цели и задачи работы. Основная цель данной работы состояла в проведении обобщения сценариев развития последних ЭНЮК и построении

композиционной эмпирической модели эволюции данного явления в атмосфере, а также в детальном исследовании циркуляционного механизма формирования основных циркуляционных аномалий ЭНЮК.

При этом необходимо было решить следующие задачи:

1. разработать эмпирическую модель циркуляции атмосферы синоптического масштаба в тропиках для различных фаз развития ЭНЮК;

2. оценить вклад процессов различного временного масштаба в перестройку основных звеньев атмосферной циркуляции в тропиках, наблюдающуюся в условиях ЭНЮК;

3. исследовать закономерности взаимодействия аномальных процессов в океане и атмосфере, а также в верхней и нижней тропосфере тропиков на примере Эль-Ниньо 1982-83 гг.

Научная новизна . Проведенный анализ позволил

• построить новую композиционную модель эволюции явления Эль-Ниньо в атмосфере;

• впервые исследовать влияние процессов синоптического масштаба на формирование и развитие аномалий циркуляции в период ЭНЮК,

• выявить влияние перестройки зонального ветра в удаленных от района ЭНЮК областях на формирование аномалий в нижней тропосфере тропиков.

Предлагаемая в данной работе композиционная эмпирическая модель эволюции ЭНЮК по целому ряду параметров отличается от существующих к настоящему моменту.

Главным отличием предлагаемой модели от известных ранее является классификация эволюции явлешш по фазам, характеризующим ключевые моменты развития аномадий циркуляции, а не по конкретным месяцам года. В предлагаемой эмпирической модели выделение фаз явления ЭНЮК осуществляется с помощью объективных критериев, базирующихся на режиме экваториальной зоны западных ветров. Поэтому в рамках данной схемы можно описывать любое ЭНЮК независимо от времени его начала.

Научно-практическая ценность работы заключается в построении эмпирической модели на основе обобщения сценариев развития последних трех ЭНЮК, которая позволила выявить циркуляционный механизм формирования глобальной аномалии климата в тропиках и получить набор объективных метеорологических признаков, позволяющих прогнозировать возможные направления развития и последствия данного явления. Предложенная эмпирическая модель может быть использована при описании возможного развития явления в случае известного времени начала ЭНЮК, которое предсказывается с помощью современных моделей океана-атмосферы.

Кроме того предлагаемая эмпирическая модель может использоваться для тестирования численных моделей, воспроизводящих явление ЭНЮК.

В данной работе были использованы следующие материалы:

1. среднемесячные данные о трех компонентах ветра Национального Метеорологического Центра США за период с 1978 по 1991 год по сетке 5x5°, записанные на лазерном диске;

2. ежедневные данные о скорости ветра, давлении, температуре воздуха и поверхности, потоках скрьггого и явного тепла, коротковолнового радиационного баланса поверхности программы ТОГА (Тропический Океан — Глобальная Атмосфера) за период с 1985 по 1990 год по сетке 2,5x2,5°, записанные на лазерных дисках;

3. данные о температуре поверхности океана Российского Гид-рометеоцентра;

4. данные объективного анализа полей ветра Европейского Центра Среднесрочных Прогнозов Погоды (ЕЦСПП)

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной конференции "Изменчивость и прогноз тропических муссонов" (Триест, Италия, 1993) — 2 доклада, на международном симпозиуме "ГОГА-95" (Мельбурн, Австралия, 1995) — 2 доклада, на международной конференции "Динамика атмосферы и океана" (Москва, Россия, 1995) — 2 доклада, на международной школе "Европейские курсы по исследованию атмосферы" (Гренобль, Франция, 1995), а также на засе-

Дании метеорологической комиссии Российского Географического общества (Москва, 1994)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 255 страницах машинописного текста, включает 123 рисунка и 2 таблицы, а также 8 рисунков в приложении. Список литературы содержит 168 наименований, из которых 158 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, рассматриваемой в работе, определены ее цели и задачи, приведены основные результаты, показана научная новизна и практическое значение исследования.

Глава 1. Явление Эль-Ншьо — Южное Колебание — глобальная аномалия климата.

В главе показано современное состояние исследований в мировой науке по вопросу описания, изучения и прогнозирования междугодовой климатической изменчивости системы океан-атмосфера, наиболее ярким представителем которой является Эль-Ниньо — Южное Колебание (ЭНЮК).

В настоящее время термином Эль-Ниньо ученые называют крупномасштабную аномалию климата, охватывающую весь тропический Тихий океан и оказывающую влияние на океанические и атмосферные условия над всем земным шаром.

О существовании Эль-Ниньо известно с 1726 года. Оно случается в среднем раз в 4 года, однако в силу нерегулярности явления интервал между двумя явлениями может колебаться от двух до десяти лет.

Интерес к Эль-Ниньо значительно возрос, когда появилось предположение, что оно является частью глобальной климатической аномалии, проявляющейся как в океане, так и в атмосфере. В атмосфере существует явление известное под именем Южное Колебание — одновременное коле-

бание давления, температуры и осадков над восточными и западными частями Тихого океана, открытое Гилбертом Уокером в 1924 году. Главным проявлением Южного Колебания является изменение разности давления между Южнотихоокеанским антициклоном и областью низкого давления, простирающейся над Индонезией и Северной Австралией (данная разность давлений носит название Индекса Южного Колебания).

Связь явлений Эль-Ниньо и Южного Колебания была обнаружена Бьеркнесом в 1969 году, который показал, что флуктуации температуры поверхности океана (ТПО) и осадков над Тихим океаном связаны с крупномасштабной изменчивостью экваториальной системы пассатных ветров, которая, в свою очередь, в наибольшей степени отражает изменчивость барического поля в системе Южного Колебания.

В дальнейшем теория возникновения и эволюции ЭНЮК разрабатывалась и уточнялась многими учеными.

Для того, чтобы объяснить межгодовые флуктуации климата, связанные с ЭНЮК в главе 1 дается краткое описание системы циркуляции океана и атмосферы тропических широт. Далее рассматриваются общие характеристики явления ЭНЮК, каноническая схема эволюции явления, составленная в результате обобщения данных наблюдений за Эль-Ниньо до 1980 года. Приводятся факты, свидетельствующие о кардинальных изменениях характера ЭНЮК, произошедших в конце 70-х и различные точки зрения на природу этих изменений.

Большая часть главы посвящена теории ЭНЮК. В исторической последовательности показано развитие взглядов в мировой науке на проблему формирования глобальной аномалии ЭНЮК. Приводятся различные теории механизма действия цикла ЭНЮК, признанные на современном этапе исследований.

В частности, подробно излагается теория запаздывающего осциллятора, которая позволяет с наибольшей степенью достоверности объяснить причины возникновения и эволюции ЭНЮК.

Взаимосвязи, которые порождают данное явление в рамках концепции осциллятора могут быть кратко описаны следующим образом. Более

теплые условия в восточном и центральном Тихом океане приводят к увеличению атмосферного нагрева в данном районе. Аномальные потоки воздушных масс внутрь этой перегретой области приводят к возникновению западных приземных ветров в экваториальном центральном Тихом океане. Изменение приземного поля ветра, возникающее в результате изменений ТПО в восточном и центральном экваториальном Тихом океане вызывает два различных отклика в океане (случай холодной аномалии приводится в скобках после случая теплой аномалии). Сначала западный (восточный) вектор напряжения приземного ветра внутри экваториального волновода генерирует местную волну Кельвина, которая увеличивает существующую аномалию ТПО в центральном и восточном Тихом океане за счет увеличения (уменьшения) толщины поверхностного слоя (ТПС) в данном районе. Условие изменения ТПС является необходимым; для появления аномалии ТПО, так как средний зональный ветер в этом районе всегда остается восточным, что обуслашшвает существование экваториального апвеллинга. Степень уменьшения ТПО за счет апвеллинга зависит от ТПС, когда поверхностный слой относительно большой, вода, поднимающаяся к поверхности, значительно теплее, чем в случае тонкого слоя. В то же время вне экваториального волновода в результате положительной (отрицательной) Экмановской накачки формируются апвеллинговыс (даунвеллинговые) волны Россби с более мелким (глубоким) термоклином, которые распространяются на запад в течение интервала времени от нескольких месяцев до двух лет (в зависимости от широты и расстояния до западной границы океана). Затем они отражаются от западной границы внутри волновода в виде волн Кельвина с противоположными характеристиками — мелким (глубоким) термоклином и низкой (высокой) ТПО, которые, достигая восточной границы Тихого океана, обращают фазу ЭНЮК. Таким образом, внеэкваториалыше волны Россби обеспечивают запаздывающую обратную отрицательную связь, которая необходима для существования квазипериодического цикла ЭНЮК.

Приводятся факты, ставящие иод сомнение неоспоримость этой гипотезы, а также другие точки зрения на механизм действия цикла ЭНЮК.

Подробно рассматривается вопрос о механизме возникновения явления или о триггере (спусковом крючке) ЭНЮК. Приводятся различные гипотезы о причинах, порождающих глобальную аномалию, п частности, новая гипотеза "западных бурь".

Специальный раздел посвящен проблеме моделирования ЭНЮК. Дается историческая справка о развитии моделирования Эль-Ниньо. Приводится современная классификация и иерархическая таблица моделей океана-атмосферы, воспроизводящих цикл ЭНЮК. Рассматриваются наиболее известные численные модели этого явления. Отдельно дается общий обзор существующих статистических и эмпирических моделей ЭНЮК.

В главе 1 также затрагиваются вопросы дальних связей явления ЭНЮК и прогноза начала и эволюции Эль-Ниньо, обсуждаются причины возникновения так называемого "весеннего барьера" предсказуемости явления.

На основе детального описания существующих на настоящий момент гипотез и теорий о происхождении и эволюции явления, а также моделей цикла ЭНЮК показана научная новизна и практическая ценность предлагаемой эмпирической модели эволюции Эль-Ниньо — Южного Колебания.

Глава 2. Эмпирическая модель циркуляции тропической тропосферы в период явления ЭНЮК.

В данной главе описана построенная эмпирическая модель циркуляции синоптического масштаба в тропиках для различных фаз развития ЭНЮК на базе обобщения всего комплекса аэросиноптической информации для трех последних случаев ЭНЮК, наиболее полно обеспеченных надежной аэрологической информацией (1982-83, 1986-87 и 1991 годов). Кроме того, как уже отмечалось, в начале 80-х годов произошли существенные изменения характера ЭНЮК, поэтому представляло интерес проанализировать эволюцию именно последних явлении Эль-Ниньо и на базе современных данных наблюдений построить обобщающий сценарий развития ЭНЮК с измененной схемой эволюции.

Так как данная эмпирическая модель в первую очередь призвана описывать эволюцию циркуляционных характеристик в условиях ЭНЮК, то в ней не рассматриваются процессы, происходящие в океане.

Для построения эмпирической циркуляционной модели были использованы следующие метеорологические характеристики:

• потенциал скорости дивергентного ветра — %

• функция тока — Ч1

dp

• аналог вертикальной скорости — т = .

На базе расчетов были построены карты распределения каждой из характеристик для основных изобарических поверхностей в тропической тропосфере (850, 700, 500 и 200 гПа) и зональные и меридиональные разрезы.

Данные метеорологические характеристики были выбраны в качестве базовых при построении эмпирической модели, исходя из следующих соображений:

• Совместный анализ распределения потенциала скорости дивергентного ветра и функции тока дает наиболее полное представление о тропической циркуляции в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

• Потенциал скорости дивергентного ветра, определяющий дивергентную составляющую атмосферной циркуляции, позволяет детально исследовать crpoemie, интенсивность и пространственную локализацию зональной и меридиональной вертикальных ячеек циркуляции тропической тропосферы, которые являются одним из основных звеньев циркуляционного меха1шзма в тропиках.

• С другой стороны, функция тока, которая определяется солено-идальной составляющей реального ветра, является комплексным параметром, отражающим циркуляцию атмосферы в горизонтальной плоскости и позволяющим определить локализацию основных центров действия тропической атмосферы и направления ведущих потоков в верхней и нижней тропосфере.

• Третьим важным компонентом системы циркулящш в тропиках являются вертикальные движения, так как они отражают процессы, происходящие во всей толще атмосферы и оказывают значительное влияние на многие метеорологические явления.

Помимо анализа картины, полученной в результате осреднения по трем исследованным ЭНЮК, и дающей представление о явлении в целом как процессе, характеризующимся единой природой и стабильной эволюцией, были рассчитаны и проанализированы поля метеорологических характеристик для каждого конкретного случая ЭНЮК.

В данном исследовании нас интересовали не только пространственные, но и временные изменения циркуляционных характеристик. Поэтому, с целью изучения эволюции явления были проведены расчеты для различных фаз ЭНЮК, характеризующих ключевые моменты развития данного явления.

Методика выделения фаз явления ЭНЮК базировалась на анализе изменений локализации и интенсивности экваториальной зоны западных ветров (ЭЗЗВ) над Тихим океаном на поверхности 850 гПа, так как именно в районе формирования ЭЗЗВ в период Эль-Ниньо отмечаются наиболее значительные изменения условий атмосферной циркуляции, оказывающие существенное влияние на возникновение аномальных условий в системе океан-атмосфера и поддерживающие развитие цикла ЭНЮК. При разбиении на фазы изменениям в атмосфере ставились в соответствие изменения в океане, такие как эволюция аномалии ТПО в Тихом океане.

Коренным отличием предлагаемого метода разбиения эволюции ЭНЮК на фазы от существовавших ранее является его независимость от конкретных месяцев года, что позволяет использовать полученную модель эволюции для любого явления Эль-Ншп>о независимо от времени его начала, так как разбиение на фазы происходит на основе целого набора объективных признаков, не связанных с сезонами года.

В процессе развития ЭНЮК было выделено 6 фаз эволюции, включающих условия предшествующие ЭНЮК (1 фаза), фазы развития (2 и 3

фазы), период кульминации (4 фаза), фаза исчезновения аномалий (5) и условия, следующие за ЭНЮК (6 фаза).

Методика расчетов метеорологических характеристик

Функция тока определяется из уравнения Пуассона.

C=V24'.

Относительный вихрь рассчитывается по данным о ветре:

_ ди dv

5~~ду + дх'

Определение граничных условий для функции тока проводилось по методике, предложенной Кришнамурти.

Делаегся предположение, что нормальный компонент вектора скорости, направленный из исследуемой области, на границе может быть скорректирован так, чтобы поток массы вовне на границе области равнялся нулю, что равнозначно заданию условия соленоидальности поля.

Потенциал скорости дивергентного ветра также определяется из уравнения Пуассона

V2 ----% ~ -л -1 »

д X - д у

где правая часть представляет собой дивергенцию скорости ветра.

Для построешш композиционных полей аналога вертикальной скорости были использованы среднемесячные данные г, рассчитанные в рамках модели NMC (National Meteorological Center, USA) на четырех изобарических поверхностях, которые были осреднены по фазам внутри каждого ЭНЮК, а затем но трем исследуемым случаям.

Анализ распределения погпенииала скорости дивергентного ветра.

Анализ распределения потенциала скорости дивергентного ветра позволяет исследовать структуру, локализацию и интенсивность вертикальных ячеек циркуляции в тропиках. А именно, ячейки Гадлея (меридиональная вертикальная ячейка) и Уокера (зональная вертикальная ячейка). Обе эти ячейки являются термически прямыми и возникают в результате формирования восходящих движений воздуха над более прогретыми районами океана и нисходящими потоками над охлажденной водной поверхностью.

Ячейки Гадлея и Уокера наиболее полно отражают весь механизм атмосферной циркуляции в низких широтах.

Основной аномалией зональной циркуляции в вертикальной плоскости в период ЭНЮК, проявившейся в полях потенциала дивергентного ветра, является последовательное смещение на восток тихоокеанской ячейки Уокера, приводящее к крупномасштабной перестройке воздушных потоков в верхней и нижней тропосфере над акваторией Тихого океана (рис.1). В условиях циркуляции, предшествующих Эль-Ниньо, восходящая ветвь тихоокеанской ячейки локализована над морским континентом Индонезия, а нисходящая — над центральными регионами Тихого океана. В течение второй и третьей фазы данная ячейка постепенно смещается на восток и в фазе кульминации достигает максимального восточного положения, при котором восходящая ветвь расположена над центром Тихого океана, а нисходящие потоки наблюдаются только непосредственно у побережья Южной Америки. В результате перераспределения зон конвергенции и дивергенции в нижней и верхней тропосфере в период кульминации ЭНЮК экваториальная зона западных ветров —важнейшее звено тропической циркуляции, характерное для муссонных районов бассейна Индийского океана, — смещается на центральные районы Тихого океана, заменяя типичный для данного региона пассатный перенос.

В течение четвертой фазы также происходит резкое усиление восходящей ветви второй зональной ячейки Уокера над тропической Южной Америкой (абсолютные значения х возрастают в два раза). Именно активизация этой восходящей ветви ячейки Уокера приводит к выпадению катастрофических осадков в Перу и Эквадоре в условиях Эль-Ниньо.

В период ЭНЮК наблюдаются изменения вертикальных ячеек циркуляции в восточном полушарии, в частности — резкая интенсификация нисходящей ветви вертикальной ячейки над севером Африканского континента. Возможно именно это является причиной сильнейших засух, возникающих на северо-востоке Африки в период Эль-Ниньо.

200 гПа 4 ФАЗА

850 гПа 1 ФАЗА

850 гПа 4 ФАЗА

Рис. 1. Потенциал скорости дивергентного ветра (в единицах 105 м2 с"1)

Осреднение по трем случаям ЭНЮК (1982-83, 1986-87 и 1991 годов).

Еще одним важным моментом, характеризующим аномальные условия циркуляции в период ЭНЮК является тенденция смещения максимумов отрицательных значений х в нижней тропосфере и положительных — в верхней и связанной с ними восходящей ветви ячейки Уокера, с континентов на океаны по сравнению с нормальными условиями циркуляции. Это свидетельствует о процессе перераспределения очагов тепла в пределах тропиков. Основной источник тепла в период феномена Эль-Ниньо в отличие от условий, соответствующих нормальному режиму циркуляции, располагается не над Евроазиатским континентом, а над Тихим океаном, что приводит к серьезным климатическим последствиям.

Пятая фаза эволюции ЭНЮК соответствует началу процесса возвращения системы атмосферной циркуляции в тропиках к условиям, наблюдавшимся до начала Эль-Ниньо, в течение этой фазы происходит постепенное смещение на запад (возвращение) тихоокеанской ячейки Уокера. Картина локализащш вертикальных зональных ячеек циркуляции в шестую фазу ЭНЮК (фаза пост-Эль-Ниньо) практически полностью совпадает с первой фазой.

Тот факт, что основные аномалии распределения % проявились в ос-редненных полях потенциала скорости дивергентного ветра, указывает на единую природу и устойчивый характер эволюции данного явления. Однако, каждое ко}жретное явление ЭНЮК имеет свои особенности проявления аномалий атмосферной циркуляции, обусловленные различной интенсивностью, локализацией и временем начала данного Эль-Ниньо. Так, например, ЭНЮК 1982-83 годов было беспрецедентным как по пространственным масштабам, так и по продолжительности и интенсивности аномалий, наблюдавшихся в атмосфере и океане. Этот факт отразился и на характере эволюции полей потенциала скорости дивергентного ветра. В период Эль-Ниньо 1982-83 гг. все аномалии, описанные выше проявились наиболее ярко и достигли максимального развития, а также ЭНЮК 1982-83 гг. отличалось по характеру восстановления условий циркуляции, предшествующих развитию аномалии ЭНЮК.

Анализ распределения фткиии тока.

Анализ распределения функции тока позволил выявить причины, обусловившие возникновение аномальной картины циркуляции в тропической тропосфере в условиях ЭНЮК, а именно: локализовать основные центры действия атмосферы, определить их смещение и интенсивность (по величине градиента функции тока), а также проанализировать изменение направления основных горизонтальных потоков в верхней (200 гПа) и нижней (850 гПа) тропосфере.

Характерной чертой эволюции полей функции тока в период ЭНЮК является формирование и смещение на центральные районы Тихого океана приэкваториального циклонического вихря в районе зоны конвергенции южного полушария в нижней тропосфере и двух антициклонов над экватором в верхней тропосфере, обусловившее перестройку горизонтальных потоков во всей толще атмосферы (рис.2).

А именно, в период развития ЭНЮК в верхней тропосфере (поверхность 200 гПа) наблюдается смещение на восток зоны верхнетропосферного восточного переноса, обычно локализованной над Индийским океаном и юго-восточной Азией. Причиной этого смещения является формирование над Тихим океаном в районе экватора двух верхнеторпосферных антициклонов, на экваториальной периферии которых возникает область восточных потоков. В третью фазу эволюции эта зона достигает максимального развития и распространяется над всем Тихим океаном и прилегающими районами континентов.

Параллельно в нижней тропосфере в приэкваториальных районах формируется область циклонической завихренности, которая также смещается на восток и к фазе кульминации распространяется вплоть до 150° з.д. Образование этого циклонического центра приводит к распространению на центральные районы Тихого океана зоны экваториальных западных ветров, заменяющей характерный для данного региона восточный пассатный перенос.

200 гГГа 1 ФАЗА

200 гПа 3 ФАЗА

850 гПа 1 ФАЗА

Рис. 2. Функция тока ЧК (в единицах 105 м2 с1)

Осреднение по трем случаям ЭНЮК (1982-83, 1986-87 и 1991 годов).

Важной особенностью эволюции полей функции тока в период Эль-Ниньо является более раннее развитие аномальной системы циркуляции в верхней тропосфере по сравнению с нижнеторпосферными процессами. Этот факт хорошо согласуется с результатами корреляционного анализа, рассмотренными в главе 4, и имеет прогностическое значение, так как перестройка атмосферной циркуляции в верхней тропосфере может рассматриваться как предвестник явления ЭНЮК.

Эволюция основных центров действия тропической тропосферы, а также их смещение в период развития явления ЭНЮК хорошо согласуется с эволюцией вертикальных ячеек циркуляции, следовательно, именно образование новых барических центров и изменение их локализации в условиях ЭНЮК обусловило перестройку системы вертикальной циркуляции и смещение ячеек Уокера над акваторией Тихого океана.

Как и в случае анализа дивергентной составляющей атмосферной циркуляции, картина распределения функции тока в конкретные годы с Эль-Ниньо несколько отличается от осредненяой.

Анализ поля вертикальных движений в период ЭНЮК.

Для более детального исследования структуры, интенсивности и пространственной неоднородности поля вертикальных движений, наблюдающегося в условиях ЭНЮК, были построены композиционные карты распределения аналога вертикальной скорости г = ': Анализ распределения х

а(

позволил не только выявить изменения вертикальных ячеек тропической тропосферы, но и составить полную картину аномальной циркуляции в вертикальной плоскости в тропических и субтропических широтах и проследить се эволюцию в период явления ЭНЮК.

Анализ полей вертикальных движений показал, что в период кульминации ЭНЮК картина вертикальных движений над тропическим Тихим океаном кардинальным образом отличается от условий, наблюдающихся при нормальном режиме циркуляции (1 фаза) с узкой зоной восходящих движений, локализованной в районе экватора и малым количеством осадков над центральными районами океана, и по структуре скорее напоминает

картину, наблюдающуюся над Индийским океаном в период развития летнего Индийского муссона. А именно, над Тихим океаном в период ЭНЮК развивается мощная зона восходящих движений, охватывающая большую часть тропического Тихого океана, которая по своей структуре, интенсивности, меридиональной протяженности и вертикальным масштабам близка к системе вертикальных потоков, наблюдающейся в муссонном типе ВЗК.

В период кульминации явления ЭНЮК возникает второй максимум восходящих движений над Южной Америкой в районе Боливии и Чили (поверхности 850 и 700 гПа). Формирование столь мощного очага подъема воздушных масс, насыщенных влагой, несомненно является причиной катастрофических осадков, обрушивающихся на тихоокеанское побережье Южной Америки в условиях ЭНЮК.

Каждому конкретному случаю Эль-Ниньо свойственен специфический характер возникновения и исчезновения аномалий циркуляции, а также различная интенсивность вертикальных движений и пространственная протяженность поясов восходящих и нисходящих потоков.

В результате анализа распределения вертикальных скоростей, осред-ненных по трем случаям ЭНЮК для всех шести фаз, был прослежен полный цикл эволюции системы вертикальной циркуляции в тропической тропосфере, характерной чертой которого является формирование, а затем исчезноветге системы развитой ВЗК муссонного типа, с присущими ей интенсивными вертикальными движениями, распространенными вплоть до верхней тропосферы, над всей акваторией тропического Тихого океана.

Опенка достоверности эмпирической модели циркуляции в период ЭНЮК.

Для проверю! достоверности построенной эмпирической модели были проведены аналогичные расчеты потенциала скорости дивергентного ветра, функции тока и аналога вертикальной скорости на базе независимых данных для последнего ЭНЮК 1994-95 гг. Проверка достоверности эмпирической модели была проведена с помощью качественных (сопоставление полей циркуляциотшх характеристик и сравнение траекторий смещения

максимумов и минимумов) и количественных (расчет коэффициента подобия Фехнера и распределения согласованности полей) методов.

Проверка достоверности эмпирической модели, показала, что независимое Эль-Ниньо 1994-95 гг. может быть с достаточной степенью достоверности описано в рамках сценария эволюции, предложенного в построенной в данной работе эмпирической модели, причем наиболее точно может быть предсказан период кульминации, в то время как скорость наступления и отступления ЭНЮК характеризуется большой изменчивостью, поэтому описание и предсказание атмосферных условий в промежуточные фазы можно делать, но с некоторой степенью относительности, не указывая четких районов локализации центров аномалий в эти периоды.

Глава 3. Спектральная структура аномальных метеорологических полей в период явления Эль-Ниньо — Южное Колебание.

В данной главе в целях более детального исследования и уточнения механизма формирования аномалий основных циркуляционных систем тропических широт, описанных в рамках предложенной выше эмпирической модели ЭНЮК, а также объективной оценки вклада процессов различного временного масштаба в перестройку этих систем, был применен спектральный анализ различных метеорологических характеристик. Были проанализированы временные ряды зонального и меридионального ветра у поверхности земли, а также ряды приземного давления, температуры воздуха на 2-х метрах и температуры поверхности, приземных потоков явного и скрытого тепла, баланса коротковолновой радиации поверхности. Для расчетов использовались временные ряды длиною 151 день за период, охватывающий фазу кульминации ЭНЮК 1986-87 годов (октябрь 1986 — февраль 1987). В целях сопоставления с нормальными условиями циркуляции в тропиках были также проведены расчеты спектральной плотности для тех же месяцев 1985-86 годов.

Анализ функции спектральной плотности, рассчитанной для каждого из 2.5-градусных квадратов, показал, что для атмосферных процессов в тропиках характерны два основных масштаба колебаний:

• глобальный — с периодом 14-21 день, связанный с флуктуациями всей системы тропической циркуляции и прежде всего отражающий колебания ее основных элементов — внутригропической зоны конвергенции, зоны конвергенции южного полушария и субтропических антициклонов;

• синоптический — с периодом 3-5 дней, характерный для тропических депрессш"! как в системе ВЗК, так и вне ее.

В качестве величины, характеризующей интенсивность протекания процессов, была выбрана интегральная спектральная плотность, приходящаяся на интервал частот, соответствующий синоптическим и глобальным процессам.

Анализ распределения спектральной плотности процессов глобального масштаба показал, что перестройка циркуляционной системы в пределах зоны конвергенции южного полушария, а именно ее активизация над западным и центральным Тихим океаном и исчезновение в области Австралийского муссона, в значительной степени связаны с процессами глобального масштаба (период 14-21 день), что нашло отражение практически во вех метеохарактеристиках.

Спектральный анализ процессов синоптического масштаба является практически единственным методом, позволяющим выявить и проанализировать роль синоптических образований в механизме формирования аномалий основных циркуляционных систем в период ЭНЮК. Основным выводом, который можно сделать, опираясь на результаты спектрального анализа в интервале процессов синоптического масштаба, является то, что западная аномалия ветра, которая может быть названа ключевым элементом цикла ЭНЮК, связана не с крупномасштабными, а с синоптическими образованиями.

На следующем этапе с целью продолжения изучения механизма формирования циркуляционых аномалий в период ЭНЮК нами (совместно с сотрудницей ИКИ РАН Астафьевой Н.М.) была предпринята попытка исследовать внутреннюю структуру цикла ЭНЮК, в частности, рассмотреть процесс зарождения и исчезновения аномалий циркуляции ЭНЮК с точки зрения активности процессов различных временных масштабов. Для этих

целей был использован новый метод обработки временных рядов — вейв-лет-анализ, позволяющий анализировать свойства сигнала одновременно в физическом (время) и спектральном (частота) пространстве. Были исследованы временные изменения спектров ветра и температуры в процессе эволюции ЭНЮК. В процессе спектрального анализа рядов различных метеорологических характеристик нами было выявлено, что аномалии, связанные с ЭНЮК, обусловлены процессами различного временного масштаба. В районах, где наблюдались максимумы интегральной спектральной плотности процессов синоптического и глобального масштаба, были взяты ряды зональной и меридиональной компонент ветра и температуры океана и воздуха и проведен их вейвлет-анализ.

Результаты вейвлет-анализа рядов ветра подтвердили гипотезу о различном генезисе циркуляционных аномалий в период ЭНЮК с точки зрения роли процессов глобального и синоптического масштабов, выдвинутую на базе результатов спектрального анализа, а также показали, что в западном Тихом океане, в окрестностях экватора — районе, где зарождаются и откуда распространяются возмущения в системе океан-атмосфера, приводящие к возникновению глобальной аномалии ЭНЮК — в период зарождения Эль-Ниньо, максимум активности приходится на процессы синоптического масштаба, которые могут играть важную роль в механизме возникновения западной аномалии ветра в Тихом океане.

Глава 4. Оценка взаимодействия различных компонентов климатической системы в период ЭНЮК

В данной главе рассмотрены некоторые вопросы вза1гмосвязи аномалий ТПО и зональной циркуляции над Тихим океаном, а также процессов в верхней и нижней тропосфере в период ЭНЮК 1982-83 гг.

На первом этапе на основе корреляционного анализа были выявлены некоторые закономерности взаимосвязей между аномалиями TITO в Тихом океане и аномалиями основных звеньев атмосферной циркуляции, наблюдавшимися в период ЭНЮК, а также исследован причинно-следственный механизм развития аномальных процессов в океане и атмосфере и выделе-

ны области в тропической тропосфере, в которых изменения метеорологических характеристик могут служить возможными предикторами возникновения аномалий ТПО (на основе расчетов асинхронных связей).

Исследовался период с июля 1982 года по март 1983 года с осреднением но 5 дней, таким образом, объем выборки составил 54 значения. Была рассчитана синхронная и асинхронная (со сдвигами на 1-3 месяца) корреляция между аномалиями ТПО и западной аномалией ветра в характерных точках в свободной атмосфере над Тихим океаном (поверхность 850 гПа).

На основании полученных результатов был сделан вывод, что между зональной компонентой скорости ветра в центральных и западных районах Тихого океана и аномалиями ТПО существуют значимые корреляционные связи (причем асинхронные связи выражены лучше). Следовательно, параметры атмосферы, измеряемые в квадрате, характеризующемся максимумом скоростей западных экваториальных ветров, и в квадрате максимального распространения на восток ЭЗЗВ, являются наиболее информативными и могут быть использованы в качестве предикторов при изучении аномалий ТПО, возникающих в Тихом океане в период Эль-Ниньо.

После исследований перестройки атмосферной циркуляции в период ЭНЮК 1982-83 гг., выполненных на кафедре Метеорологии и климатологии, было интересно проанализировать взаимосвязи между аномальными условиями атмосферной циркуляции в нижней и верхней тропосфере, наблюдавшимися в разных регионах земного шара во время этого явления.

Основной целью этого исследования являлась количественная оценка связи между процессами в основных циркуляционных системах в нижней тропосфере (поверхность 850 гПа) над Тихим океаном и процессами, происходившими в период максимального развития ЭНЮК 1982-83 гг. в основных звеньях циркуляции тропической атмосферы как в верхней, так и в нижней тропосфере в различных регионах земного шара.

Результаты, полученные на основе корреляционного анализа зонального ветра на поверхностях 850 и 200 гПа, позволили сделать важное предположение, что изменения некоторых циркуляционных систем в верхней тропосфере над Тихим океаном могут быть использованы в качестве нре-

диктора развития нижнетропосферных аномалий. Данный вывод согласуется с результатами, получешшми на основе анализа эволюции полей функции тока в нижней и верхней тропосфере в период ЭНКЖ. Однако для подтверждения данного предположения необходимо проверить эту гипотезу на данных по другим Эль-Ниньо.

Выводы

1. Теоретическое обобщение всего комплекса аэросиноптической информации для трех последних случаев ЭНЮК, наиболее полно обеспеченных надежной аэрологической информацией (1982-83, 1986-87 и 1991 годов), позволило разработать эмпирическую модель циркуляции синоптического масштаба в тропиках для различных фаз развития ЭНЮК.

2. В рамках разработанной модели построены композиционные поля основных циркуляционных характеристик (потенциала скорости дивергентного ветра, функции тока и аналога вертикальной скорости), позволившие оценить эволюцию явления в среднем и для каждого конкретного случая ЭНЮК.

3. Основной аномалией зональной циркуляции в вертикальной плоскости в период ЭНЮК, проявившейся в полях потенциала дивергентного ветра, является смещение на восток тихоокеанской ячейки циркуляции Уокера, приводящее к крупномасштабной перестройке воздушных потоков в верхней и нижней тропосфере в низких широтах над Тихим океаном. В результате типичный для центральных районов Тихого океана пассатный перенос заменяется на экваториальную зону западных ветров — важнейшее звено тропической циркуляции, характерное для муссонных районов бассейна Индийского океана.

4. Характерной чертой эволюции полей функции тока в период ЭНЮК является формирование и смещение на центральные районы Тихого океана приэкваториального циклонического вихря в системе зоны конвергенции южного полушария в нижней тропосфере и двух

антициклонов вблизи экватора в верхней тропосфере, обусловившее перестройку горизонтальных потоков во всей толще атмосферы.

5. Эволюция основных центров действия тропической тропосферы, а также пх смещение в период развития явления ЭНЮК хорошо согласуется с эволюцией вертикальных ячеек циркуляции, следовательно, именно образование новых барических центров и изменение их локализации в условиях ЭНГОК обусловило перестройку системы вертикальной циркуляции и смещение ячеек Уокера над акваторией Тихого океана.

6. Анализ нолей вертикальных движений показал, что в период кульминации ЭНЮК картина атмосферной циркуляции над тропическим Тихим океаном полностью отличается от среднеклиматических условий с характерной для данного региона нассатной ВЗК и по структуре скорее напоминает картину, наблюдающуюся над Индийским океаном в период развития летнего Индийского муссона.

7. Проверка достоверности эмпирической модели, проведенная на основе сопоставления с результатами аналопгчных расчетов для 1994-95 гг., показала, что независимое Эль-Ниньо 1994-95 гг. может быть с достаточной степенью достоверности описано в рамках сценария эволюции, предложенного в построенной эмпирической модели.

8. На основе анализа эволюции основных циркуляционных характеристик был построен обобщающий сценарий развития явления ЭНЮК, который в свете изменения характера явления с конца 70-х годов может рассматриваться в качестве новой измененной схемы явления. Тот факт, что аномалии распределения основных циркуляционных характеристик проявились в осредненных полях, свидетельствует о единой природе и устойчивом характере эволюции данного явления.

9. Результаты спектрального анализа различных метеорологических характеристик в период ЭНЮК показали, что генезис аномалий основных циркуляционных систем, связанных с этим явлением, различен: аномалии, наблюдающиеся в районах лока;шзации ВЗК и зоны конвергенции южного полушария над центральной частью Тихого океана,

прежде всего обусловлены процессами глобальною масштаба; а, в противоположность существовавшему ранее мнению, изменения циркуляции, происходящие в непосредственной близости от экватора, в первую очередь связаны с процессами синоптического масштаба с периодом от 3 до 5 дней.

10. Методом вейвлет-анализа были исследованы ряды зональной и меридиональной компонент ветра и температуры океана и воздуха в районах максимальной активности процессов глобального и синоптического масштабов, что позволило исследовать процесс зарождения и исчезновения аномалий циркуляции ЭНЮК с точки зрения активности процессов различных временных масштабов.

11. Оценка взаимодействия процессов в океане и атмосфере в период ЭНЮК выявила, что параметры атмосферы измеряемые в квадрате, характеризующемся максимумом скоростей западных экваториальных ветров, и в квадрате максимального распространения на восток ЭЗЗВ, являются наиболее информативными и могут быть использованы в качестве предикторов при изучении аномалий ТПО, возникающих в Тихом океане в период Эль-Ниньо.

12.Анализ взаимосвязи циркуляционных процессов в верхней и нижней тропосфере позволяет сделать важное предположение, что изменение циркуляционных условий в верхней тропосфере может использоваться в качестве предиктора развития нижнетропосферных аномалий, что согласуется с данными, полученными на основе анализа эволюции полей функции тока.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Вертикальные движения в тропической тропосфере в период максимального развития явления Эль-Ниньо — Южное Колебание 1982-82 гг.// Метеорология и гидрология, 1993, № 6, с. 9-18, (совместно с Семеновым Е.К.)

2. Планетарная перестройка вертикальных ячеек циркуляции тропической атмосферы в период кульминации Эль-Ниньо — Южное Колебание 198283 гг.// Метеорология и гидрология, 1993, № 10, с. 5-12, (совместно с Семеновым Е.К.).

3. О взаимодействии океана и атмосферы в период Эль-Нинъо — Южное Колебание 1982-83 гт.// Вестник МГУ, сер. 5, География, 1994, № 5, с.32-39, (совместно с Семеновым Е.К.).

4. Структура атмосферной циркуляции в период летнего муссона Северной Австралии.// Метеорология и гидрология , 1995, №2, с. 36-45, (совместно с Петросянцем М.А. и Семеновым Е.К.).

5. The structure of atmosphere circulation during the Summer Australian monsoon. — Proceedings of the International Conference on Monsoon Variability and Prediction, Trieste, Italy, 9-13 May 1994, WCRP-84, WMO/TD-No.619, vol. I, pp.404-414, (совместно с Петросянцем М.А. и Семеновым Е.К.).

6. Reorganization of vertical cells in tropical atmosphere over the tropical monsoon region during the El Nino. — Proceedings of the International Conference on Monsoon Variability and Prediction. Trieste, Italy, May 1994, WCRP-84, WMO/TD-No.619, vol. I, pp.312-320, (совместно с Семеновым E.K. и Лакеевым С.Г.).

7. The studying of atmosphere circulation anomalies of global and synoptic scale during the ENSO 1986-87. — Proceedings of the International Scientific Conference for TOGA, Melbourne, Australia, 2-7 April 1995, WMO/TD-No.717, December 1995, pp.231-240 (совместно с Семеновым E.K. и Лакеевым С. Г.).

8. The anomalies of vertical circulation in the tropical troposphere during El Nino Southern Oscillation. — Proceedings of the International Scientific Conference for TOGA, Melbourne, Australia, 2-7 April 1995, WMO/TD-No.717, December 1995, pp.241-251 (совместно с Семеновым E.K. и Лакеевым С.Г.).

9. The evolution of atmosphere circulation anomalies during El Nino Southern Oscillation — Thesis of International Conference "Dynamics of ocean and atmosphere", Moscow, November 22-25, 1995, p.27 (совместно с Семеновым E.K. и Лакеевым С.Г.).

10. Study of the atmosphere circulation anomalies of different time-scales during ENSO. — Thesis of International Conference "Dynamics of ocean and

atmosphere", Moscow, November 22-25, 1995, p.32 (совместно с Лакеевым С.Г.).