Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Многолетние изменения состояния центров действия атмосферы и вариации скорости вращения Земли

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Многолетние изменения состояния центров действия атмосферы и вариации скорости вращения Земли"

Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи УДК 551.513.3+523.31

Вершовский Михаил Георгиевич

МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРОВ ДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ И ВАРИАЦИИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ

25.0030 - метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2008

Диссертация выполнена в Российском Государственном Гидрометеорологическом университете (РГГМУ)

Научный руководитель доктор географических наук, профессор

К В Кондратович

Официальные оппоненты доктор географических наук, профессор

А И Угрюмов, доктор географических наук АЕ Антонов

Ведущая организация Арктический и Антарктический научно-

исследовательский институт (ААНИИ)

Защита состоится 15 мая 2008 г в 15 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д212 197 01 при Российском Государственном Гидрометеорологическом университете по адресу 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр 98 (актовый зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Гидрометеорологического университета у

Автореферат разослан н апреля 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физ -мат наук проф АД Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема изменений режима общей циркуляции атмосферы (ОЦА) является ключевой в современных исследованиях в гидрометеорологии и климатологии Накопленные архивы уточненных и структурированных данных гидрометеорологических и геофизических величин, ставшие доступными для исследователей благодаря усилиям ряда международных и национальных служб и организаций, позволили провести детальный и многосторонний анализ многолетних изменений состояния центров действия атмосферы, определяющих режим ОЦА

Работы, начатые в 1940-1950-х гг. в Массачусетсом институте технологии (Кембридж, США) по инициативе профессора В Старра, выявили и обосновали взаимосвязь между состоянием общей циркуляции атмосферы и флуктуациями скорости вращения Земли Эти исследования были продолжены учениками и последователями Старра Комплексный подход к проблеме взаимосвязи орбитальных характеристик вращения Земли (неравномерности скорости вращения, нутаций, чандлеровского движения полюсов, а также астродинамических характеристик системы Земля-Луна) с состоянием атмосферы и гидросферы был предложен российским ученым Н С Сидоренковым

Существование взаимосвязи состояния атмосферы и орбитальных характеристик вращения планеты (в т ч колебаний скорости ее вращения) на данный момент является практически общепризнанным в структуре наук о Земле Работы в этой области успешно ведутся уже несколько десятилетий При всем разнообразии подходов в подобных исследованиях обнаруживается общая доминанта

Проведенные работы в подавляющем большинстве сосредоточены на оценке вклада суммарного движения планетарной атмосферы в колебания скорости вращения Земли Данные глобальных наблюдений используются в численных моделях, позволяющих рассчитывать угловой момент атмосферы в целом

В результате была установлена тесная связь между изменениями углового момента глобальной атмосферной массы и колебаниями скорости вращения Земли (г > 0,90) Отсюда вытекает возможность использования данных об изменении скорости вращения планеты (выражаемых через изменение длительности суток Д ЬОЭ) в качестве индикатора глобальных процессов в атмосфере

С другой стороны, глобальный подход к проблеме, сосредоточенный на расчете динамики всей массы атмосферы, исключает из общей модели региональные циркуляционные процессы Известно, однако, что режим и

состояние общей циркуляции атмосферы зависят от состояния (интенсивности и локализации) центров действия атмосферы - квазистационарных барических образований, определяющих ход не только региональных, но и глобальных макропогодных и климатических процессов Но состояния отдельно взятых ЦДА оказываются вынесенными за рамки существующих моделей Кроме того, подобный подход демонстрирует высокую степень надежности при анализе сезонных (и отчасти межгодовых) изменений Д 1ХЮ в увязке с глобальной атмосферной динамикой, однако многолетние (декадные и вековые) вариации скорости вращения Земли упомянутыми моделями не рассматриваются и не объясняются

Цель работы. В соответствии с отмеченными выше моментами была определена цель настоящего исследования выявление закономерностей многолетних изменений интенсивности и локализации ЦДА в их взаимосвязи друг с другом и с вариациями скорости вращения Земли

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

• расчет среднемесячных значений экстремального давления и локализации экстремумов давления в ЦДА по многолетним (1900-2004 гг) данным барических полей и статистическая обработка полученных результатов,

• расчет среднегодовых индексов интенсивности (статистических показателей динамического состояния ЦДА),

• анализ хода индекса интенсивности и географического положения ЦДА,

• оценки статистической взаимосвязи хода интенсивности различных ЦДА,

• выявление и анализ статистических связей многолетнего хода интенсивности ЦДА и хода среднегодовых значений Л ЬОО,

• выявление связи Д ЬСЮ и локализации экстремумов давления в ЦДА

Методы исследования. Компьютерная обработка массивов данных барических полей с выделением экстремумов давления и их географического положения, первичная статистическая обработка (разбиение полученных данных на равновероятностные градации), перевод качественных статистических оценок в количественный индекс интенсивности 1шт, корреляционный анализ (включающий в себя расчет корреляционных функций и определение временных лагов для максимальных коэффициентов корреляции)

Научная новизна. В ходе работы были расчитаны среднемесячные и среднегодовые динамические характеристики (интенсивность и локализация

экстремумов) океанических центров действия атмосферы обоих полушарий по значительному временному ряду в 105 лет (1900-2004 гг)

Предложен новый показатель динамики ЦДА - индекс интенсивности 1ют, характеризующий статистическую аномалию динамического состояния центров действия атмосферы

Впервые проведено исследование зависимости между интенсивностью всех рассматривавшихся ЦДА и географической локализацией экстремумов давления в них

Рассчитаны корреляционные функции индексов интенсивности попарно взятых ЦДА, что позволило выявить значимую статистическую связь между динамическим состоянием большинства ЦДА

Впервые исследованы статистические связи многолетнего хода динамического состояния ЦДА и вариаций скорости вращения Земли

Впервые исследована статистическая связь между географической локализацией экстремумов давления ЦДА и вариациями скорости вращения Земли

Практическая значимость работы. Проведенное исследование показало, что изучение проблемы взаимосвязи вариаций скорости вращения Земли и состояния ЦДА основывается на значимых результатах и представляет большой интерес как в плане более глубокого понимания процессов общей и региональной циркуляции атмосферы, выявления и исследования дальних корреляционных связей, так и в плане практического применения результатов настоящих и будущих исследований Выявленные множественные статистические связи в сочетании со значительными временными лагами позволяют рассматривать многолетние изменения как динамики ЦДА, так и скорости вращения Земли в качестве значимых компонентов в моделях сверхдолгосрочного и климатического прогнозирования

Обоснованность и достоверность полученных результатов базируется на большом объеме исходных данных, корректном применении современных методов их обработки, а также непротиворечивости результатов современным взглядам на циркуляционные процессы в атмосфере и, в частности, на их связь с космогеофизическими процессами

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на заседании кафедры динамики атмосферы и космического землеведения РГ'ГМУ, на итоговой сессии Ученого совета РГГМУ и были опубликованы в девяти статьях автора

На защиту выносятся:

1 результаты статистической обработки расчетов значений экстремумов давления и их локализации в ЦДА на основе многолетних (1900-2004 гт) данных барических полей,

2. результаты расчета среднегодовых индексов интенсивности 1щъ

3 анализ связи индекса интенсивности и географического положения ЦДА;

4 оценки статистической взаимосвязи между ходом интенсивности различных ЦДА,

5 анализ статистических связей многолетнего хода индекса интенсивности ЦДА и среднегодовых значений А ЬСЮ,

6. анализ связи многолетних изменений Д ЬСЮ и изменений локализации экстремумов давления в ЦДА

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (62 использованных источника) Работа содержит 125 страниц основного текста, включая 37 рисунков и 14 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы

В первой главе рассматривается концепция В Старра, суть которой заключается в следующем Рассматривая Землю как целостную изолированную систему, в соответствии с законом сохранения углового момента можно утверждать, что глобальный баланс углового момента вращения Земли должен оставаться величиной постоянной При этом принимается, что вращательный момент внешних сил, т е Луны и Солнца, во-первых, носит четко периодический характер и, во-вторых, в масштабах месяцев, лет и декад оказывается несущественным, а следовательно, может быть исключен из общего уравнения баланса

При оговоренных таким образом граничных условиях следует полагать, что при наличии изменений в одном из компонентов глобального момента импульса должны происходить компенсаторные изменения в других компонентах с тем, чтобы обеспечивалось сохранение суммарного углового момента

<1М/<К = 0 (1)

где М = Метмосфер ы ^океана Мльда "Ь МКОрЫ Мманхии + МВДра

В соответствии с приведенным выше уравнением баланса, изменения углового момента глобальной атмосферы должны компенсироваться изменениями углового момента остальных компонентов уравнения - и, в первую очередь, твердой земли Фактическое подтверждение этому было получено во 2-й половине XX века С введением атомных часов и созданием международной атомной шкалы времени (TAI) в 1955 г стало возможным вести астрономические наблюдения за вращением Земли со значительно большей точностью, чем прежде Проводившиеся с 1955 г наблюдения показали, что длительность суток (LOD - Length Of Day) колеблется с амплитудой от десятых долей миллисекунды до единиц миллисекунд в масштабе от нескольких дней до нескольких лет и декад

Далее в главе дается краткий обзор астрономических основ исследуемых процессов, включая общие характеристики орбитальных параметров вращения Земли Приводится описание современных методов наблюдений над колебаниями скорости вращения Земли - таких, как интеферометрия со сверхдальней базой, GPS, лазерная локация Луны и других Дана информация о Международной службе вращения Земли (IERS) Службой IERS были предоставлены среднегодовые данные изменения длительности суток (Д LOD), использованные в диссертационной работе

В ходе наблюдений над колебаниями скорости вращения Земли, проводившихся с 1950-х гг, были выявлены амплитуды колебаний Д LOD для периодов различного временного масштаба Было установлено, что типичные внутригодовые (сезонные) колебания Д LOD имеют амплитуду порядка 1-1,5 мс, в то время как многолетние значения Д LOD (по среднегодовым данным) достигают нескольких миллисекунд (Согласно IERS, ошибка в измерении в настоящее время составляет 0,01 мс)

Наблюдения также показали, что сезонные колебания Д LOD имеют четко выраженный периодический характер с максимумами весной и осенью Северного полушария (замедление скорости вращения Земли) и минимумами, приходящимися на декабрь-январь и июль-август (наиболее глубокий минимум, соответствующий максимальной скорости вращения Земли)

Отфильтровывая периодические сезонные колебания Д LOD, а также нерегулярные вариации разного знака, оказывается возможным выделить многолетний (декадный) тренд Д LOD

Рис. 1. Отфильтровка колебаний Д LOD (мс) за 1962-2006 гг.: тренд, сезонные и нерегулярные компоненты (по данным IERS)

Для изучения природы многолетних трендовых колебаний Д LOD представлялось чрезвычайно полезным определить ход искомой величины в годы, предшествовавшие появлению атомных часов и введению шкалы времени TAI. Такая работа астрономами была проделана. Ретроанализ, проведенный Моррисоном и Стивенсоном и уточненный впоследствии другими учеными, позволяет считать достаточно надежными среднегодовые значения Д LOD, начиная с 1860 г.

Предположения о том, что обнаруженные после 1955 г. внутригодовые (и в определенной степени межгодовые) колебания скорости земли вызываются изменениями углового момента глобальной атмосферы, были подтверждены рядом исследований, проведенных в 1980-х годах учеными MIT совместно с NOAA. Ежедневные данные Д LOD за период 1980-1983 гг. сопоставлялись с ходом ежедневных величин относительного углового момента атмосферы (М). Значения М рассчитывались на основе данных глобального поля ветра для уровней от 1000 гПа до 1 гПа.

Угловой момент атмосферы ААМ (Atmospheric Angular Momentum), т.е. зональная составляющая общей циркуляции атмосферы, интегрировался по объему следующим образом:

М = л3/^ ДО исов^Ф^Р

(2)

где К - радиус Земли, § - ускорение свободного падения, и - зональная составляющая поля ветра, <р - широта, X,—долгота, р — давление

_]-1-1-^-—

| —'■ианжф | фф ^ чип. |

Рис 2 Временные ряды значений углового момента глобальной атмосферы в слое от 1000 до 1 гПа и наблюденные изменения длительности суток ЬСЮ (трехдневное осреднение) за период 1980-1983 гг

Этот эксперимент (как и ряд последующих) показал, что изменения углового момента глобальной атмосферы сопровождаются равными, но противоположными по знаку изменениями углового момента твердой Земли (литосферы). Высказывавшиеся сомнения в том, что атмосфера, масса которой составляет 10"6 общей массы планеты, вносит основной вклад в обеспечение баланса глобального углового момента, убедительно опровергались рядом обоснованных аргументов Полученная в ходе расчетов картина в первую очередь могла быть объяснена высокой подвижностью воздушных масс, значительно превосходящей подвижность остальных оболочек и структур планеты Оценки потенциального энергетического вклада различных оболочек планеты также подтвердили сделанный выше вывод

Исследования проблемы взаимосвязи колебаний скорости вращения Земли и динамики атмосферных (и океанических) масс, проводящиеся уже

около полувека, позволили прояснить многие спорные и недостаточно изученные моменты Однако остается открытой проблема природы длительных (многолетних) трендов LOD с большой амплитудой Вне поля зрения большинства исследователей до сих пор оставался и вопрос о взаимосвязи колебаний LOD с региональными атмосферными процессами

Вторая глава посвящена описанию ЦДА и их роли в региональной и общей циркуляции атмосферы Кратко рассмотрены постоянные (несезонные) океанические ЦЦА Северного и Южного полушария, а также их роль в соответствующих мировых колебаниях, открытых Г Уокером - СевероАтлантическом (NAO), Северо-Тихоокеанском (NPO) и Южном (SO). Отдельно и более подробно рассмотрен комплекс Эль-Ни;ньо - Южное колебание (ENSO) фазы, механизмы, сопутствующие гидрометеорологические явления, а также влияние Эль-Ниньо - Ла-Нинья на глобальную погодно-климатическую обстановку

В третьей главе приводятся результаты статистический обработки данных, позволившей определить положения экстремумов исследовавшихся ЦДА, а также проанализировать многолетние изменения их состояния В качестве исходного материала для расчетов использовались среднемесячные данные приземных барических полей за период 1900-2004 гг, полученные при содействии Национального центра атмосферных исследований США (NCAR) Для Северного полушария шаг сетки по широте и долготе составлял 5°, при зтом грид покрывал площадь, ограниченную 15° - 85° с ш и 0° - 360° долготы (в абсолютных градусах) Для Южного полушария использовались данные по гриду с шагом 2°, при этом охваченная гридом площадь располагалась между 15° - 60° ю ш и 0е - 360° долготы (в абсолютных градусах).

Эти исходные данные были сформированы в отдельные массивы с гридами, полностью покрывающими следующие регионы Мирового океана-Северная Атлантика, Северная Пацифика, Южная Атлантика, южная (субтропическая) зона Индийского океана, Южная Пацифика Каждый массив затем подвергался компьютерной обработке, в ходе которой рассчитывались

• минимальные и максимальные среднемесячные значения давления (на территории океанов Северного полушария),

• максимальные среднемесячные значения давления (на территории океанов Южного полушария),

• координаты (широта и долгота) рассчитанных экстремумов давления для каждого месяца (оба полушария)

Таким образом, были получены первичные (промежуточные) помесячные календари для всех лет за период 1900-2004 гг, включавшие в себя значения

экстремумов давления и их географическое положение Подобные календари были составлены для всех 7 рассматривавшихся ЦДА Азорского, Гавайского, Южно-Атлантического, Индийского, Южно-Тихоокеанского антициклонов, а также Исландской и Алеутской депрессий Затем помесячные таблицы были объединены в календари, для каждого ЦДА включавшие в себя данные за все месяцы по всем годам рассматриваемого периода

Многолетний ряд среднемесячных значений экстремумов давления был разбит на пять равновероятностных градаций с тем, чтобы каждая градация включала равное количество лет (Рассматриваемый нами период 1900-2004 гг. был разбит на пять 21-летних групп) Разбиение проводилось отдельно дай каждого месяца всего периода Иначе говоря, производился расчет статистической качественной оценки динамического состояния ЦДА в один и тот же месяц для различных лет

В зависимости от того, в какую из пяти градаций попадало то или иное значение давления в отдельно взятый месяц, ему присваивалась качественная оценка интенсивности значительно выше нормы (А), выше нормы (а), нормальная (Ы), ниже нормы (Ь) и значительно ниже нормы (В) Эти расчеты стали основой построения многолетних календарей для отдельно взятых ЦДА, где значения максимального (минимального) давления были заменены соответствующими градациями

Такие календари использовались для сопоставления групп лет с относительно «быстрым» и относительно «медленным» вращением Земли (в многолетнем ряду среднегодовых значений изменения длительности суток Д 1ХЮ) и числа месяцев за тот же период с ослабленным (ЬВ) и усиленным (аА) состоянием каждого ЦДА Это позволило сделать ряд предварительных заключений, относящихся к статистической взаимосвязи состояния ЦДА и многолетних трендов в изменениях скорости вращения Земли

Однако подобный подход имел и свои недостатки Самым существенным из них было то, что такие периоды зачастую включали в себя отрезки времени, в течение которых знак тренда изменения скорости вращения Земли менял свое направление с роста на спад (или же наоборот) Представлялось более плодотворным рассмотреть многолетний ряд Д ЬОБ в сопоставлении с рядами величины, количественно выражающей статистические аномалии экстремумов давления в ЦДА, что позволило бы проделать корреляционный анализ

Для решения данной задачи автором был предложен индекс интенсивности методика расчета которого предельно проста В качестве исходного материала использовались среднемесячные оценки аномалий интенсивности, полученные по изложенной выше методике Эти качественные оценки были заменены количественными «баллами интенсивности» по следующей схеме В = -2, Ь = -1, N = 0, а = 1, А = 2 Полученные

среднемесячные баллы суммировались за год, давая в результате среднегодовой индекс интенсивности 1ВДт Предложенный индекс, таким образом, представляет собой безразмерную величину, принимающую значения от -24 до +24 и выражающую среднегодовую статистическую аномалию экстремумов давления (минимумов для циклонов и максимумов для антициклонов) в центрах действия атмосферы

Рис 3 Многолетний ход индекса интенсивности (1щт) ЮжноТихоокеанского антициклона среднегодовой (1) и осредненный за 11 лет (2)

Уже на этом этапе исследования проблемы можно было отметить, что в многолетних изменениях динамического состояния рассмотренных ЦДА выделяются длительные периоды трендового роста и падения интенсивности

Далее для каждого ЦДА был проведен корреляционный анализ связей между ходом широтных и долготных аномалий экстремумов давления в ЦДА и ходом индекса интенсивности Для этих (и последующих) расчетов статистическая надежность обнаруженной связи определялась исходя из уровня значимости (р-1еуе1), равного 0,01 Корреляция с р-1еуе1 < 0,001 определялась как высокозначимая.

При расчете корреляции между среднегодовыми значениями 1м- и аномалией положения экстремума ЦДА по долготе в большинстве центров действия не удалось обнаружить значимых связей Примечательным

исключением стал Южно-Тихоокеанский антициклон В данном случае между двумя рядами исследуемых величин была обнаружена по сути достоверная статистическая связь (р-1еуе1 « 0,001) с коэффициентами корреляции от 0,58 до 0,62 для временного лага (т) от 0 до 2 лет для среднегодовых значений 1мт и аномалии по долготе В сглаженных способом 11-летнего скользящего среднего рядах коэффиценты корреляции составили от 0,71 до 0,77 для т от 0 до 6-7 лет.

Поиск связей между среднегодовыми значениями 1ют и аномалией положения экстремума ЦДА по широте в отличие от долготной аномалии дал результаты для большего числа ЦДА Наиболее убедительные с точки зрения статистики результаты были получены для ЦДА Южного полушария

Для несглаженных рядов индекса интенсивности и широтной аномалии Южно-Атлантического ЦДА коэффициент корреляции составил 0,69 (для т = 0) при равномерной, с максимумом при т = 0, корреляционной функции Для 11-летнего сглаживания были получены следующие результаты г = 0,92 для т = 0 и г = 0,95 для т = 3-4 года

3 5

12

10

„|~1,

н 8

2

¡3»

£ б

Ь

и 4

О

X

ю 2

5

и 0

X

<и -2

н

X

5 •4

О

и

ф -6

ч:

X -8

5

-10

-12

1л

/

/ о

\ Г = 0,92 \ с

\ < л

\ Гч/ /

л\ 7

и к /

ч /

\ /"7 \

г/ ■

г * N

-25

-■ 15

а

8

о

а

05 '

о

-05 С

К

-15 § О

-25 ^ -35

1905 1915 1925 1935 1945 1966 1966 19Т6 1985 1996

Рис. 4 Осредненный за 11 лет многолетний ход индекса интенсивности 1шт (1) Южно-Атлантического антициклона и широтной аномалии максимума давления (2) для т = 0

С еще большей отчетливостью искомая связь проявилась в случае ЮжноТихоокеанского антициклонического ЦДА (коэффициент корреляции составил 0,81 для несглаженных рядов обеих величин)

_15 . . _ _ .. . -L. _---------------- -------140

1905 1915 1925 1935 1945 1955 1Э65 1975 1985 1995

Рис 5 Осредненный за 11 лег многолетний ход индекса интенсивности 1ют (1) Южно-Тихоокеанского антициклона и широтной аномалии максимума давления (2) для т = О

Таким образом, было установлено, что интенсивность антициклонов Южного полушария возрастает по мере перемещения центра антициклона в более высокие широты, причем зависимость эта оказывается близкой к линейной Выявленная сопряженность находит рациональное объяснение с позиций теоретического анализа эволюции атмосферных вихрей, выполненного Л Т Матвеевым Из этого анализа следует, что циклонические вихри в средней тропосфере усиливаются при адвекции холода и смещении вихря в более низкие широты Развитию антициклонических вихрей способствует адвекция тепла и смещение в более высокие широты.

Следующий раздел третьей главы посвящен исследованию многолетних тенденций динамического состояния океанических ЦДА обоих полушарий и поиску возможных статистических связей между ходом интенсивности различных ЦДА

Для каждой пары ЦДА были проведены статистические расчеты, в которых рассчитывалась корреляционная функция как для несглаженных рядов (среднегодовых значений 1ют)> так и сглаженных значений индекса с использованием 11-летнего скользящего среднего Результаты расчетов были сведены в соответствующие таблицы

Высокозначимая статистическая связь (р-1еуе1 < 0,001) бьша обнаружена для всех пар ЦДЛ за исключением сопоставления хода 1цмт Алеутской депрессии с ходом 1МТ Южно-Атлантического и Южно-Индийского антициклонов Весьма тесная связь была выявлена в сопоставлении Исландского и Азорского ЦДА По двум этим центрам действия имелся наиболее длительный ряд наблюдений, что позволило использовать в расчетах данные за период 1874-2004 гг

Рис 6 Многолетний ход сглаженного (11-летнее скользящее среднее) индекса интенсивности (1щ-г) Азорского антициклона (1) и Исландской депрессии (2) за период 1874-2004 гг (т = 15 лет)

В этом случае коэффициент детерминации Я2 оказывается равньм 0,60, т е 60% величины «зависимой» переменной (1[мт Исландского ЦЦА) определяется линейным уравнением регрессии При сглаживании с помощью 11-летнего скользящего среднего заблаговременности в 15 лет получить не удастся, т к первые и последние 5 лет каждого ряда будут «отрезаны», войдя в осредненные значения Однако остающееся 10-летнее опережение позволяет получить определенное представление о суммарных тенденциях состояния «зависимого» ЦДА на указанный выше срок Следует подчеркнуть, что что слово «зависимый» не случайно берется здесь в кавычки Речь, естественно, может идти лишь о статистической взаимозависимости, которая никоим образом не определяет характер возможной физической зависимости двух сопоставляемых параметров

Интересными для возможного прогностического использования оказались и результаты статистического анализа хода индекса интенсивности двух ЦДА Южного полушария — Атлантического и Тихоокеанского. Максимальный коэффициент корреляции был получен для лага 7-8 лет (г = 0,93). Поскольку и в этом случае речь идет об 11-летнем скользящем осреднении (т.е. об исключении первых и последних 5 лет из каждого ряда), для возможного прогноза суммарной тенденции интенсивности ЦДА Южной Пацифики остается опережение в 2-3 года. В данном случае, однако, мы имеем дело с еще более значительным коэффициентом детерминации (II2 = 0,86), что позволяет надеяться на некоторое уравновешивание неизбежных межгодовых изменений общей тенденции (что при опережении в 2-3 года не может не сказаться) высоким уровнем детерминации полученной модели.

16

12

-12

-16

♦ 4 ♦ ♦

♦ ♦ ♦ ♦

< ♦ ♦ ♦♦ ♦

♦ ♦

♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ У= 1.0902Х ^ = 0.8 - 0.8506 579

л ♦♦ ♦ ♦ ♦ ♦

♦ *

-12 -8 -4 0 4 8

Южно-Атлантический ЦЦА (Ьыт)

12

Рис. 7. Диаграмма рассеяния значений Южно-Атлантического/Южно-'Гихоокеанского ЦДА (по сглаженным методом 11-летнего скользящего среднего рядам) и регрессионная модель

Четвертая глава посвящена анализу статистической связи многолетнего хода Д ЬОО с ходом индекса интенсивности центров действия атмосферы и географической локализацией экстремумов давления в них.

В первом разделе, где оценивалась связь хода Л ЬОО и индекса интенсивности 1шт, приводятся статистические рассчеты корреляционной функции как для несглаженных рядов индекса (среднегодовых значений 1вдт),

так и сглаженных значений с использованием 11-летнего скользящего среднего И в том, и в другом случае для сопоставления использовались среднегодовые (несглаженные) значения Д LOD

Обозначения центров действия атмосферы в приводимой ниже таблице даются следующим образом AZO — Азорский антициклон, ICE - Исландская депрессия, HAW - Гавайский антициклон, ALE - Алеутская депрессия, S-ATL - Южно-Атлантический антициклон, S-IND - Южно-Индийский антициклон, S-PAC - Южно-Тихоокеанский антициклон

Таблица 1

Коэффициенты корреляции рядов индекса интенсивности (1щт) ЦДА и среднегодовых значений Д ЬОО

ЦДА Среднегодовые Тют Сглаженные 1шт (MA 11)

Ro R-max T Ro R-max T

AZO 0,26 0,41 9-10 0,53 0,76 7-8

ICE N N - -0,75 -0,75 0

HAW N 0,30 7 N 0,44 7

ALE -0,33 -4,37 -5—6 -0,66 -0,69 -2—3

S-ATL N 0,39 -11—12 0,36 0,47 -9—10

S-IND N N - N 0,48 -15

S-PAC 0,53 0,54 1-3 0,63 0,63 0

Для каждого из рядов рассчитывались 11о (коэффициент корреляции при отсутствии лага, т е при т = 0) и 11гаах (максимальный коэффициент корреляции, полученный при расчете корреляционной функции) В последнем случае в колонке рядом с Ятах указывается лаг (т), для которого получен приводимый коэффициент корреляции

Положительные значения лага (т > 0) соответствуют ситуациям, когда ход Д опережает ход интенсивности ЦДА. Отрицательные значения лага (г < 0) указывают на отставание первой переменной относительно второй

Полужирным шрифтом в таблицах выделены коэффициенты корреляции, соответствующие р-1еуе1 < 0,001 (уровень, определяемый в статистике как высоко значимая корреляция) Значения коэффициентов корреляции, оказавшиеся ниже минимальных для р-1еуе1 = 0,01, отмечались как несущественные (К), то есть, как случаи, в которых корреляционная связь не обнаружена

Уже при первом взгляде на таблицу обращает на себя внимание тот факт, что антициклонические ЦДА обоих полушарий демонстрируют положительную корреляцию хода интенсивности с ходом Д ЬОБ, в то время

как циклонические ЦДЛ (Исландская и Алеутская депрессии) коррелируют с той же величиной с противоположным знаком Различие в лагах, для которых получены максимальные значения коэффициентов корреляции, не позволяет сделать какие-либо однозначные выводы, однако в самом первом приближении можно сказать, что усиление антициклонов (с временным сдвигом или без него) коррелирует с ростом А ЬСЮ или, что то же самое, с замедлением скорости вращения Земли Интенсивность Исландской и Алеутской депрессий в эти же периоды ослабевает, т е циклонические ЦДА становятся менее глубокими

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Рис 8 Многолетний ход среднегодовых значений А ЬСЮ (1) и сглаженных (11-летнее скользящее среднее) значений индекса интенсивности (1шт) Исландского ЦДА (2), т = 0

Максимальный коэффициент корреляции, как следует из таблицы, получен при отсутствии лага, т.е для синхронных значений Д ЬСЮ и 1щт Тем не менее, в данном случае возникает возможность осторожной качественной оценки вероятного поведения Исландского ЦДА на период до 5 лет уже в силу того, что среднегодовой ряд Д ЬСЮ на 5 лет опережает сглаженный по 11-летнему скользящему среднему ряд значений 1вдт Исландской депрессии Коэффициент детерминации Л2, равный 0,56, недостаточно велик для того, чтобы делать какие-либо однозначные выводы только на его основании, однако этот подход может оказаться полезным при наличии других факторов,

позволяющих судить о вероятных изменениях динамического состояния Исландской депресии На рис 8 прослеживается тенденция вероятного усиления (углубления) Исландского ЦДА в течение ближайших лет

В заключительном разделе четвертой главы рассмотрены результаты статистического анализа взаимосвязи Д ЬСЮ и географической локализации экстремумов давления в ЦДА Как и в предыдущем разделе, статистические расчеты были проведены для каждого ЦДА Корреляционная функция рассчитывалась как для несглаженных рядов аномалий широты и долготы (среднегодовых значений аномалии), так и сглаженных значений этих величин с использованием 11-летнего скользящего среднего Результаты расчетов были сведены в соответствующие таблицы

В ходе анализа выяснилось, что аномалия долготного положения экстремумов ЦДА коррелирует с ходом Д ЮО не столь часто, как это имеет место в сопоставлении рядов Д ЬСЮ с широтной аномалией и с индексом интенсивности Интересный результат был получен в случае Алеутской депрессии Максимальный коэффициент корреляции долготной аномалии этого ЦДА и хода Д ЬСЮ составил 0,85 при лаге в 16 лет Тот факт, что ход Д ЬСЮ опережает ход долготной аномалии Алеутской депресии, позволяет надеяться на использование найденной статистической зависимости в сверхдолгосрочном (климатическом) прогнозировании При условии, что существующая зависимость не изменит свой характер радикальным образом, можно дать осторожную качественную оценку перемещения по долготе центра Алеутской депресии на период до 2015-2018 гг

В исследовании многолетнего хода широтной аномалии ЦДА и Д ЬСЮ примечательный результат был получен для ЦДА Южного полушария и в особенности для Южно-Тихоокеанского антициклона Коэффициент корреляции в данном случае оказался хотя и весьма существенным (г = 0,64), однако не самым большим. Но связь между ходом двух величин в определенный момент времени кардинально поменяла свой характер До начала-середины 1930-х годов ход широтной аномалии предварял ход Д ЬОБ на 8 лет, после чего это опережение сменилось 12-летнее отставанием, причем ход обеих величин стал демонстрировать гораздо более тесную корреляцию

На приводимом ниже графике (рис 9) методом 11-летнего скользящего среднего сглажены ходы и широтной аномалии центра антициклона, и Д ЬСЮ Кривая Д ШО смещена во времени на 12 лет вперед с тем, чтобы представить вероятную локализацию ЦДА по широте до 2011 г

1933 1938 1943 1948 1953 1958 1963 1968 1973 1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008

Рис 9 Ход осредненных (11-летнее скользящее среднее) значений Д ЬСЮ (1) и аномалии по широте Южно-Тихоокеанского ЦДА (т = 12 лет)

Из данного графика следует, что при условии сохранения существующей связи центр Южно-Тихоокеанского антициклона на период до 2011 года будет по-прежнему находиться несколько южнее своего среднего многолетнего положения, однако при этом уже должен начать свое движение к экватору, приближаясь к средней за 105 лет широте При этом экстремум ЦДА должен существенно удалиться к северу от точки своего крайнего южного положения начала 1980-х гг, результатом чего может стать постепенное усиление пассатного переноса (меньшая повторяемость явлений Эль-Ниньо с возможным возникновением явления Ла-Нинья)

Интересно отметить, что полученные на основе наблюдений данные подтверждают результаты эксперимента, поставленного в 1979 г Б Хантом на численной модели, продемонстрировавшей изменения динамики глобальной атмосферы, соответствующие периодам ускорения и замедления вращения Земли (Аномально быстрое вращение Земли вызывало смещение зоны высокого давления к экватору с сооветствующим усилением пассатного переноса Аномально медленное вращение планеты вызывало смещение зоны высокого давления и воздушных масс тропосферы в направлении умеренных широт с усилением зонального переноса )

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы

1 По данным глобальных барических полей за период 1900-2004 гг в ходе их статистической обработки получены значения экстремумов давления и их локализации в семи перманентных океанических ЦДА обоих полушарий

2 Для характеристики состояния ЦДА предложен индекс интенсивности 1шт, являющийся количественным показателем статистической аномалии динамического состояния центров действия атмосферы

3 Проведено исследование статистической связи между индексом интенсивности Гщ- и географической локализацией экстремумов давления в ЦДА Выявлена значимая (р-1еуе! < 0,01) и в ряде случаев высокозначимая (р-1еуе1 < 0,001) статистическая связь между многолетним ходом 1ют и широтной/долготной аномалией экстремумов давления в ЦДА

4 Выявлены многолетние тренды роста и падения 1ц-.т и широтной аномалии, что с особой отчетливостью проявилось для ЦДА Южного полушария Абсолютный пик индекса интенсивности 1]кг ЮжноТихоокеанского антициклона в начале 1980-х гг совпал как с пиком аномалии по широте, так и с наиболее мощным Эль-Ниньо за весь период наблюдений

5 Рассчитаны корреляционные функции для индексов интенсивности 1пчт попарно взятых ЦДА Значимая и высокозначимая связь обнаружена в большинстве случаев Для ряда ЦДА максимальные коэффициенты корреляции соответствовали значительному лагу, что позволило получить регрессионные прогностические модели для отдельных пар ЦДА

6 Исследованы статистические связи между многолетними трендами индекса интенсивности 1вдт рассматриваемых ЦДА и вариациями скорости вращения Земли (выраженными через А ЬСЮ) Высокозначимая корреляция для лага от 0 до 15 лет получена для большинства ЦДА Для сглаженных значений 1ют такая связь обнаружена для всех без исключения Ц ДА

7 Исследована статистическая связь между географической локализацией экстремумов давления ЦДА и ходом А ЬОЭ Высокозначимая корреляционная связь выявлена для аномалий по долготе всех ЦДА за исключением Исландской депрессии Существенный коэффициент детерминации в сочетании с большим временным лагом в случае Алеутской депресии позволяет надеяться на использование найденной зависимости в практике сверхдолгосрочного прогнозирования

8 Высокозначимая корреляционная связь между широтной аномалией экстремумов ЦДА и А ЬСЮ была получена для всех центров действия Тесная связь аномалии по широте Южно-Тихоокеанского антициклона и Д ШО в сочетании с существенным временным лагом позволяет сделать предположение, что центр антициклона продолжит уже начавшееся движение к

экватору, результатом чего может стать постепенное усиление пассатного переноса, а также меньшая повторяемость и мощное гь явлений Эль-Ниньо

9 В итоге всего комплекса исследований выявлена значимая и высокозначимая статистическая связь динамического состояния центров действия атмосферы (их интенсивности и локализации) как между собой, так и с вариациями скорости вращения Земли Тем самым снова подтверждается ключевая роль ЦД Л в динамике общей циркуляции атмосферы

10 Тесная корреляция состояния центров действия как с с ходом Д LOD, так и между отдельно взятыми ЦДА в сочетании с временными лагами указывает на возможность использования полученных результатов в практике сверхдолгосрочного и климатического прогнозирования в масштабах от глобального и макрорегионального до локального

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Вершовский М Г Азорский антициклон и колебания скорости вращения Земли // В сб Вопросы промысловой океанологии, вып 3 - М Изд ВНИРО -2006 -С 171-178

2 Вершовский М Г Многолетние вариации скорости вращения земли как индикатор крупномасштабных изменений в атмосфере // В сб Труды Третьей Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", т 8 - СПб Изд Политехнического университета -2007 - С 187-189

3 Вершовский М Г Состояние центров действия атмосферы Атлантического и Тихого океана пути к прогнозированию // В сб Вопросы промысловой океанологии, вып 4, №2-М Изд ВНИРО-2007 -С 102-110

4.Вершовский МГ. Статистические оценки многолетних изменений интенсивности центров действия атмосферы // Научный журнал КубГАУ [Электронный ресурс] - Краснодар КубГАУ - 2007 - № 26 (2) - Шифр йнформрегистра 0420700012/0017 - С 1-15 - Режим доступа http //©j kubagro ru/2007/02/pdf/14 pdf

5 Вершовский M Г Центры действия атмосферы Атлантического океана и вариации скорости вращения Земли // Электронный научный журнал "Исследовано в России" - 2006 - С 2651 - 2660 - Режим доступа http //zhurnal аре relarn ru/articles/2006/275 pdf

6 Вершовский M Г Центры действия атмосферы индексы интенсивности за 1900 - 2004 гг // МИТС-Наука международный научный вестник [Электронный ресурс] - Ростов н/Д РГУ - 2007 - № 1 - Шифр Йнформрегистра 0420700032/0020 - С 1 - 10 - Режим доступа http //www roséis ru/REOS/nauka nsf/ShowArchiv9OpenAgent&Year=2007

7 Вершовский М Г, Кондратович К В Южно-Тихоокеанский субтропический антициклон интенсивность и локализация // Метеорология и гидрология -2007 -№12 - С 29-34

8 Кондратович К В , Вершовский М Г О многолетних изменениях интенсивности и географической локализации Южно-Тихоокеанского субтропического антициклона // Электронный научный журнал "Исследовано в России" - 2007 - С 310-316 - Режим доступа http //zhurnal аре relarn ru/articles/2007/032 pdf

9 Кондратович К В, Куликова JIА, Вершовский М Г Антициклонические центры действия атмосферы и вариации скорости суточного вращения Земли // В сб Вопросы промысловой океанологии, вып 3 -М Изд ВНИРО-2006 -С 160-170.

Ч.

м

Отпечатано с готового оригинал-макета в ЦНИТ «АСТЕРИОН» Заказ № 104 Подписано в печать 10 04 2008 г Бумага офсетная Формат 60х841/]6 Объем 1,5 п л Тираж 100 экз Санкт-Петербург, 191015, а/я 83, тел /факс (812) 275-73-00,970-35-70 айегкяК^айепоп ги

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Вершовский, Михаил Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Взаимосвязь общей циркуляции атмосферы с колебаниями скорости вращения Земли.

1.1 Физическо-математическое обоснование.

1.2 Астрономические основы исследуемых процессов.

1.2.1 Орбитальные параметры вращения Земли.

1.2.2 Наблюдения над колебаниями скорости вращения Земли.

1.3 История изучения проблемы.

ГЛАВА 2. Центры действия атмосферы; их роль в общей и региональной циркуляции атмосферы.

2.1 ЦДА Северного полушария.

2.2 ЦДА Южного полушария.

2.3 Эль-Ниньо - Южное колебание (ENSO).

ГЛАВА 3. Многолетние изменения экстремумов давления в центрах действия атмосферы.

3.1 Исходные данные и календари.

3.2 Первичная статистическая обработка данных.

3.3 Индекс интенсивности как статистический показатель состояния ЦДА.

3.4 Анализ изменений интенсивности и локализации ЦДА за 1900-2004 гг.1.

3.5 Оценки статистической связи хода интенсивности различных ЦДА.

ГЛАВА 4. Оценки статистической связи многолетнего хода изменения длительности суток (A LOD) и состояния ЦЦА.

4.1 Оценки статистической связи многолетнего хода индекса интенсивности ЦЦА и изменения длительности суток (A LOD).

4.2 Оценки статистической связи локализации экстремумов давления в ЦЦА и изменения длительности суток (A LOD).

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Многолетние изменения состояния центров действия атмосферы и вариации скорости вращения Земли"

Проблема изменений режима общей циркуляции атмосферы (ОЦА) является ключевой в современных исследованиях в гидрометеорологии и климатологии. Накопленные архивы уточненных и структурированных данных гидрометеорологических и геофизических величин, ставшие доступными для исследователей благодаря усилиям ряда международных и национальных служб и организаций, позволили провести детальный и многосторонний анализ многолетних изменений состояния центров действия атмосферы, определяющих режим ОЦА.

Работы, начатые в Массачусетсом институте технологии (Кембридж, США) по инициативе профессора В. Старра [53, 54], выявили и обосновали взаимосвязь между состоянием общей циркуляции атмосферы и флуктуациями скорости вращения Земли. Эти работы были продолжены учениками и последователями Старра: А. Оортом [45, 46], Р. Розеном, Д. Сэлстайном [48, 49, 50] и другими. Комплексный подход к проблеме взаимосвязи орбитальных характеристик вращения Земли (неравномерности скорости вращения, нутаций, чандлеровского движения полюсов) с состоянием атмосферы и гидросферы был предложен российским ученым Н.С. Сидоренковым в ряде его работ [19, 20, 21].

С появлением в 1955 г. атомных часов, введением международной атомной шкалы времени (TAI) и развитием геодезических технологий, а также внедрением глобальной системы навигации и определения положения (GPS), измерения колебаний скорости вращения Земли достигли высокой степени точности. В настоящее время погрешность в измерении длительности суток - Length Of Day или LOD — составляет 10 микросекунд [36]. Образованная под эгидой Международного астрономического союза и Международного союза геодезии и геофизики в 1987 г. Международная служба вращения Земли и системы координат (IERS, Париж, Франция) стала центром сбора, обработки, накопления и систематизации данных, относящихся среди прочего и к вариациям орбитальных характеристик планеты. Данная служба совместно с учеными разных стран проделала большую работу по уточнению и ректификации исторических данных, относящихся к флуктуациям скорости вращения и чандлерову движению полюсов. Это позволило исследователям расширить временные рамки анализа, включая в него периоды, предшествовавшие 1955 году. При этом большинство ученых, занимающихся данной проблемой, сходятся во мнении, что данные по скорости вращения Земли являются достаточно надежными начиная уже с 1860-х годов [37, 41].

Таким образом, существование взаимосвязи состояния атмосферы и орбитальных характеристик вращения планеты (в первую очередь колебаний скорости ее вращения) на данный момент является практически общепризнанным в структуре наук о Земле. Исследования в этой области успешно ведутся вот уже несколько десятилетий. При всем разнообразии подходов в подобных исследованиях обнаруживается общая доминанта.

Проведенные работы в подавляющем большинстве сосредоточены на оценке вклада суммарного движения планетарной атмосферы в колебания скорости вращения Земли. Данные глобальных наблюдений (в слое от 1000 до 100 гПа) используются в численных моделях, позволяющих рассчитывать угловой момент импульса атмосферы в целом [45, 49, 50].

В результате была установлена тесная связь между изменениями углового момента глобальной атмосферной массы и колебаниями скорости вращения Земли (г > 0,90). Отсюда вытекает возможность использования данных об изменении скорости вращения планеты (выражаемых через изменение длительности суток A LOD) в качестве индикатора глобальных процессов в атмосфере.

С другой стороны, глобальный подход к проблеме, сосредоточенный на расчете динамики всей массы атмосферы, исключает из общей модели региональные циркуляционные процессы. Известно, однако, что режим и состояние общей циркуляции атмосферы зависят от состояния интенсивности и локализации) центров действия атмосферы, то есть, квазистационарных барических образований, определяющих ход не только региональных, но и глобальных макропогодных и климатических процессов. Состояния ЦДА в данном случае оказываются вынесенными за рамки существующих моделей ОЦА. Глобальный подход демонстрирует высокую степень надежности при анализе сезонных (и отчасти межгодовых) изменений A LOD в увязке с глобальной атмосферной динамикой, однако многолетние (декадные и вековые) вариации скорости вращения Земли упомянутыми моделями не рассматриваются и не объясняются.

В соответствии с отмеченными выше моментами была определена цель настоящей работы: выявление закономерностей многолетних изменений интенсивности и локализации ЦДА в их взаимосвязи с вариациями скорости вращения Земли. Такая постановка проблемы определила задачи представляемой работы. К ним относятся:

1. расчет среднемесячных значений экстремального давления и локализации экстремумов давления в ЦДА по многолетним (1900-2004 гг.) данным барических полей и статистическая обработка полученных результатов;

2. расчет среднегодовых индексов интенсивности (статистических показателей динамического состояния ЦДА);

3. анализ хода индекса интенсивности и географического положения ЦДА;

4. оценки статистической взаимосвязи хода интенсивности различных ЦДА;

5. выявление и анализ статистических связей многолетнего хода интенсивности ЦДА и хода среднегодовых значений A LOD;

6. выявление связи A LOD и локализации экстремумов давления в ЦДА.

Данная работа состоит из четырех глав. В главе 1 рассматривается концепция В. Старра [45, 53], являющаяся ключевой для нашего исследования. В разделе 1.1 приведены граничные условия и основные составляющие уравнения баланса углового момента вращения Земли как единой системы. Раздел 1.2 посвящен астрономическим и геофизическим основам исследуемых нами процессов. В нем рассматриваются основные орбитальные характеристики вращения Земли (колебания скорости вращения, прецессионно-нутационные колебания, чандлеровское движение полюсов), а также принципы и методы наблюдений этих величин. Дана оценка надежности среднегодовых значений A LOD, полученных с момента начала непосредственных измерений (с 1955 г.) и полученных путем ректификации (реанализа) для предшествующих периодов (по данным IERS). В разделе 1.3 вкратце рассмотрены принципы и методы современных исследований взаимосвязи динамики глобальной атмосферы и вариаций скорости вращения Земли.

Глава 2 посвящена ЦЦА применительно к их роли в региональной и общей циркуляции атмосферы. Кратко рассмотрены постоянные (несезонные) ЦЦА Северного и Южного полушария, а также их роль в соответствующих мировых колебаниях, открытых Г. Уокером [59, 60] — Северо-Атлантическом (NAO), Северо-Тихоокеанском (NPO) и Южном (SO). Отдельно рассмотрен комплекс Эль-Ниньо — Южное колебание (ENS О) в его взаимосвязи с состоянием Южно-Тихоокеанского антициклона.

В главе 3 приводятся результаты статистический обработки многолетних исходных данных барических полей, позволившей определить положения экстремумов исследовавшихся ЦЦА, а также проанализировать изменения их состояния за период 1900-2004 гг. В разделе 3.1 дан пример исходных данных и построенных на их основе календарей. Раздел 3.2 посвящен описанию и практическому применению избранного нами статистического подхода: разбиению среднемесячных значений экстремумов давления в ЦЦА на пять равновероятностных градаций давления: значительно выше нормы (А), выше нормы (а), нормального (N), ниже нормы (Ь) и значительно ниже нормы (В). В последующем разделе (3.3) вводится понятие индекса интенсивности IiNT, рассчитанного по результатам предшествовавшей статистической обработки и представляющего собой количественный статистический показатель среднегодового состояния ЦДА. Раздел 3.4 посвящен общему анализу многолетнего хода индекса интенсивности, изменения географического положения всех рассматриваемых ЦДА и выявлению прослеживающихся тенденций состояния центров действия. Рассмотрены также связи между ходом интенсивности и локализацией экстремумов давления в отдельных ЦДА. I

Особое внимание уделено Южно-Тихоокеанскому субтропическому антициклону и его влиянию на повторяемость явления Эль-Ниньо — Ла-Нинья.

В заключительном разделе главы даны сводные оценки статистической связи между попарно взятыми ЦДА за исследуемый период (1900-2004). Здесь же приводятся все значимые коэффициенты корреляции (для p-level < 0,01) и регрессионные модели, позволяющие в отдельных случаях получить некоторое представление о суммарных тенденциях состояния ЦДА на период до нескольких лет в зависимости от состояния ЦДА-«предиктора».

Глава 4 посвящается анализу статистической связи многолетнего хода A LOD с ходом индекса интенсивности центров действия атмосферы и географической локализацией экстремумов давления в них. В разделе 4.1 рассматривается связь между многолетними рядами A LOD и индекса интенсивности ЦДА. В ряде случаев отмечается высокозначимая корреляция (p-level < 0,001) между ходом двух этих величин. Результаты анализа показывают, что обнаруженная и подтвержденная в целом ряде исследований связь между вариациями скорости вращения Земли и динамическим состоянием (динамикой) атмосферы проявляется не только на глобальном, но и на региональном уровне. В случае отдельных ЦДА отмечается значительный сдвиг во времени между ходом A LOD и индекса интенсивности (от 1-2 до 10-12 лет).

В разделе 4.2 рассмотрены результаты статистического анализа взаимосвязи A LOD и географической локализации экстремумов давления в ЦДА. Среди прочего, интерес представляет тот факт, что обнаруженные нами на основе наблюдений данные подтверждают результаты эксперимента, поставленного Б. Хантом [35] на численной модели, продемонстрировавшей изменения динамики глобальной атмосферы, соответствующие периодам ускорения и замедления вращения Земли. Стоит отметить и то, что наиболее тесная и синхронная связь между ходом среднегодовых величин A LOD и индекса интенсивности была получена для Южно-Тихоокеанского антициклона, который не только играет ключевую роль в механизме ENSO, но и, по мнению многих ведущих специалистов, является одним из основных факторов формирования мировой погоды.

Таким образом, на рассмотрение выносятся:

1. результаты статистической обработки расчетов значений экстремумов давления и их локализации в ЦДА на основе многолетних (1900-2004 гг.) данных барических полей;

2. результаты расчета среднегодовых индексов интенсивности;

3. анализ связи индекса интенсивности и географического положения ЦДА;

4. оценки статистической взаимосвязи между ходом интенсивности различных ЦДА;

5. анализ статистических связей многолетнего хода интенсивности ЦДА и хода среднегодовых значений A LOD;

6. анализ связи многолетних изменений A LOD и локализации экстремумов давления в ЦДА.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Вершовский, Михаил Георгиевич

13.Результаты исследования позволили подтвердить применимость модели В. Старра не только к общей циркуляции атмосферы, но и к анализу состояния отдельно взятых ЦДА.

14.Тесная корреляция состояния центров действия как с с ходом A LOD, так и между отдельно взятыми ЦДА в сочетании с временными лагами указывает на возможность использования полученных результатов в практике сверхдолгосрочного и климатического прогнозирования в масштабах от глобального и макрорегионального до локального.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проделанной работы и следующие из них выводы можно сформулировать следующим образом.

1. По данным глобальных барических полей за период 1900-2004 гг. в ходе их статистической обработки были получены значения экстремумов давления и их локализации в семи перманентных океанических ЦДА обоих полушарий. Результаты расчетов были сведены в соответствующие календари.

2. Для характеристики состояния ПДА был предложен индекс интенсивности 1мт5 являющийся количественным показателем статистической аномалии динамического состояния центров действия атмосферы.

3. Индекс интенсивности 1мг был рассчитан для всех ЦДА за весь исследуемый период. Результаты расчетов также были сведены в соответствующие календари.

4. Были проведено исследование статистической связи между индексом интенсивности 1мт и географической локализацией экстремумов давления в ЦДА. Расчеты позволили выявить значимую (p-level < 0,01), а в ряде случаев и высокозначимую (p-level < 0,001) статистическую связь между многолетним ходом индекса интенсивности 1мт и широтной аномалией экстремумов давления в ЦДА.

5. Расчеты выявили многолетние тренды роста и падения 1мт и широтной аномалии, что с особой отчетливостью проявилось для- ЦДА Южного полушария. Обнаружилось, что абсолютный пик индекса интенсивности 1мт Южно-Тихоокеанского антициклона в начале 1980-х гг. совпал как с пиком широтной аномалии, так и с наиболее мощным Эль-Ниньо за весь период наблюдений.

6. Были рассчитаны корреляционные функции для индексов интенсивности Iint попарно взятых ЦДА. Значимая и высокозначимая связь была выявлена для большинства исследовавшихся пар. В ряде случаев максимальные коэффициенты корреляции были получены для значительного лага, что позволило построить прогностические регрессионные модели для отдельных пар ЦДА.

7. Было проведено исследование статистических связей между многолетними тенденциями динамического состояния океанических ЦДА обоих полушарий (выраженного индексом интенсивности Iint) и вариациями скорости вращения Земли (выраженными через A. LOD). Результаты расчетов, корреляционных функций были сведены в соответствующие таблицы.

8. Высокозначимая корреляция для лага от 0 до 15 лет была, выявлена в случае большинства ЦДА, а для сглаженных значений Iint (для A LOD во всех случаях использовались среднегодовые величины) такая, корреляция была обнаружена для всех без исключения ЦДА.

9. Обнаруженная тесная корреляционная связь между ходом A LOD и состоянием Исландского ЦДА. позволила сделать предварительный вывод о прогрессирующем углублении Исландской депресии на период ближайших нескольких лет.

Ю.Исследовалась статистическая связь между географической локализацией экстремумов давления ЦДА и ходом A LOD. Высокозначимые коэффициенты корреляции были получены для аномалий по долготе всех ЦДА за исключением Исландского. Высокий коэффициент корреляции в. сочетании' с большим временным лагом в случае Алеутской депресии делает возможным использование найденной зависимости в практике сверхдолгосрочного прогнозирования.

11 .Высокозначимая корреляция между широтной аномалией экстремумов ЦДА и A LOD была получена для всех центров действия. Тесная связь аномалии по широте Южно-Тихоокеанского антициклона и A LOD в сочетании с существенным временным лагом позволяет сделать предположение, что центр антициклона продолжит уже начавшееся движение к экватору, результатом чего может стать постепенное усиление пассатного переноса, меньшая повторяемость и мощность явлений Эль-Ниньо.

12.В итоге всего комплекса исследований была выявлена значимая и высокозначимая статистическая связь динамического состояния центров действия атмосферы (их интенсивности и локализации) как между собой, так и с вариациями скорости вращения Земли. Тем самым снова подтверждается ключевая роль ЦДА в динамике общей циркуляции атмосферы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Вершовский, Михаил Георгиевич, Санкт-Петербург

1. Антонов А.Е. Климатология экстраординарных невских наводнений и их прогнозирование. СПб.: Гидрометеоиздат. - 2001. - С. 46 - 75.

2. Борисенков Е.П., Пясецкий В.М. Летопись необычайных явлений природы за 2,5 тысячелетия. — СПб.: Гидрометеоиздат. — 2003. — С. 110 — 132.

3. Вершовский М.Г. Азорский антициклон и колебания скорости вращения Земли. // В сб.: Вопросы промысловой океанологии, вып.З. М.: Изд. ВНИРО. - 2006. - С. 171 - 178.

4. Вершовский М.Г. Состояние центров действия атмосферы Атлантического и Тихого океана: пути к прогнозированию. // В сб.: Вопросы промысловой океанологии, вып.4., №2 — М.: Изд. ВНИРО. -2007.-С. 102-110.

5. Вершовский М.Г. Статистические оценки многолетних изменений интенсивности центров действия атмосферы. // Научный журнал КубГАУ Электронный ресурс. Краснодар: КубГАУ - 2007. - № 26 (2). - Шифр

6. Информрегистра: 0420700012/0017. С. 1 - 15. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2007/02/pdf/14.pdf

7. Вершовский М.Г. Центры действия атмосферы Атлантического океана и вариации скорости вращения Земли. // Электронный научный журнал "Исследовано в России". — 2006. С. 2651 — 2660. — Режим доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

8. Вершовский М.Г., Кондратович К.В. Южно-Тихоокеанский субтропический антициклон: интенсивность и локализация. // Метеорология и гидрология. 2007. - № 12. - С. 29 - 34.

9. П.Кондратович К.В., Куликова Л.А., Вершовский М.Г. Антициклонические центры действия атмосферы и вариации скорости суточного вращения

10. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы. JL: Гидрометеоиздат. - 1970. - С. 136 - 150.

11. Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М.: Недра. -1965.-380 с.

12. Матвеев JI.T. Физика атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат. - 2000. - С. 621 -624.

13. Нестеров Е.С. Изменчивость характеристик атмосферы и океана в атлантико-европейском регионе в годы событий Эль Ниньо и JIa Нинья. // Метеорология и гидрология. 2000. — № 8. — С. 74 — 83.

14. Орленок В.В. Основы геофизики. Калининград: Изд. КГУ. - 2000. - С. 35-44.

15. Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. СПб.: Гидрометеоиздат. - 2002. - 366 с.

16. Сидоренков Н.С. Неравномерность вращения Земли и процессы в атмосфере. // Труды Гидрометцентра СССР. 1978. - Вып. 205. - С. 48 -66.

17. Сидоренков Н.С. Нестабильность вращения Земли. // Вестник Российской Академии Наук. 2004. - Том 74, №8. - С. 701 - 715.

18. Смирнов Н.П., Саруханян Э.И., Розанова И.В. Циклонические центры действия атмосферы Южного полушария и изменения климата. СПб.: Изд. РГГМУ. - 2004. - С. 8 - 9.

19. Соркина А.И. Уточненные данные об интенсивности и положении центров действия атмосферы в Северном полушарии. // Тр. ГОИН, вып. 114. М.: Изд. ГОИН. - 1972. - С. 71 - 79.

20. Стехновский Д.И. Барическое поле Земного шара. — М.: Гидрометеоиздат. -1962.- 148 с.

21. Угрюмов А.И. Долгосрочные метеорологические прогнозы. — СПб.: Изд. РГГМУ. 2006. - С. 71 - 72.

22. Храбров Ю.Б. Методика составления прогнозов погоды на 3-7 дней. — М.: Гидрометеоиздат. — 1959. — 183 с.

23. Хромов С.П. Основы синоптической метеорологии. — JL: Гидрометеоиздат. 1948. - С. 445 - 503.

24. Abarca del Rio et al. Solar activity and Earth rotation variability. // J. of Geodynamics. 2003. - Vol. 36. - P. 423 - 443.

25. Ahrens C.D. Essentials of meteorology: an invitation to the atmosphere. — Brooks Cole. 2000. - 464 pp.

26. Bjerkness J. Atmospheric teleconnections from the Equatorial Pacific. // Month. Weather Review. 1969. - Vol. 97, No. 3. - P. 163 - 172.

27. Courtillot V. et al. Geomagnetic secular variation as a precusor of climatic changes. // Nature. 1982. - Vol. 297. - P. 386 - 387.

28. Dickey J.O. Earth Rotation. // Global Earth physics: a handbook of physical constants. — Amer. Geophys. Union. 1995. - P. 356 - 358.

29. Hirota I., Hirooka Т., Shiotani M. Upper stratospheric circulation in the two hemispheres observed by satellites. // Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 1983. -Vol. 109.-P. 443-454.

30. Hunt B.G. Experiments with a stratospheric general circulation model: Part IV. Inclusion of the hydrological cycle. // Mon. Wea. Rev. 1976. - Vol. 104. - P. 333 -350.

31. Hunt B.G. The Influence of the Earth's Rotation Rate on the General Circulation of the Atmosphere. // J. Atmos. Sci. 1979. - Vol. 36. - P. 1392 -1408.

32. Kallberg P. et al. ERA-40 Atlas. Reading (UK): European Centre for Medium Range Weather Forecasts. - 2005.

33. Klyashtorin L. Pacific salmon: climate-linked long-term stock fluctuations. // PICES Press. 1997. - Vol. 5, No. 2. - P. 1 - 34.

34. Lambeck K. The Earth's variable rotation. — Cambridge University Press. — 1980.41 .Lambeck K., Cazenave A. Long term variations in the length of day andiclimatic change. // Geophys. J. Roy. Astron. Soc. 1976. - Vol. 46. - P. 555 -573.

35. Morrison L.V. Re-determination of the decade fluctuations in the rotation of the Earth in the period 1861-1978. // Geophys. J. R. Astr. Soc. 1979. - Vol. 58. -P. 349-360.

36. Morrison)L.V., Lukac M.R., Stephenson F.R. Catalogue of observations of occultations of stars by the Moon for the years 1623-1942 and solar ecliplses for the years 1621-1806. // R. Greenwich Obs. Bull. 1981. - Vol. 186.

37. Oort A.H. Balance conditions in the Earth's climate system. // Advances in Geophysics. 1985. - Vol. 28A. - P. 75 - 98.

38. Rodwell M.J., Hoskins В.J. Subtropical anticyclones and summer monsoons. // J. of Climate. 2001. - Vol. 14. - P. 3192 - 3211.

39. Rosen R.D. The axial momentum balance of Earth and its fluid envelope. // Surv. Geophys. 1993. - Vol. 14. - P. 1 - 29.

40. Rosen R.D., Salstein D.A. Variations in atmospheric angular momentum on global and regional scales and the length of the day. // J. Geophys. Res. 1983. -Vol. 88.-P. 5451 -5470.

41. Salstein D.A., Rosen R.D. Earth rotation as a proxy for interannual variability in atmospheric circulation, 1860-present. // J. of Clim. and Appl. Meteor. — 1986. Vol. 25. - P. 1870 - 1871.

42. Seager R. et al. Air-sea interaction and the seasonal cycle of the subtropical anticyclones. // J. of Climate. 2003. - Vol. 16. - P. 1948 - 1966.

43. Segschneider J., Sunderman J. Response of a global ocean circulation model to real-time forcing and implications to Earth's rotation. // J. of Phys. Ocean. — 1997. Vol. 27. - P. 2370 - 2380.

44. Starr V.P. An essay on the general circulation of the Earth's atmosphere. // J. of Meteor. 1948. - No. 5. - P. 39 - 43.

45. Starr V.P., White R.M. A hemispherical study of the atmospheric angular-momentum balance. // Q. J. Roy. Meteor. Soc. 1951. - Vol. 77. - P. 215 -225.

46. Stephenson F.R., Morrison L.V. Long-term changes in the rotation of the Earth: 700 B.C. to A.D. 1980. // Phil. Trans. Roy. Soc. London. 1984. - Vol. A313. -P. 47-70.

47. Taylor H.A., Mayr H.G., Kramer L. Contributions of high-altitude winds and atmospheric moment of inertia to the atmospheric angular momentum-Earth rotation relationship. // J. Geophys. Res. 1985. - Vol. 90. - P. 3889 - 3896.

48. Trenberth K.E., Hurrell J.W. Decadal atmosphere-ocean variations in the <: Pacific. // Climate Dynamics. 1994. - Vol. 9. - P. 303-319.

49. Wahr J.M., Oort A.H. Friction- and mountain-torque estimates from global atmospheric data. // J. Atmos. Sci. 1984. - Vol. 41. -No. 2. -P. 190 - 204.

50. Walker G.T. Correlation in seasonal variations of weather, VTII. A preliminary study of world weather. // Mem. of the India Meteor. Dept. 1923. - Vol. 24. -No. 4.-P. 75-131.

51. Walker G.T. Correlation in seasonal variations of weather, IX. A further study of world weather. // Mem. of the India Meteor. Dept. 1926. - Vol. 24 - No. 9. -P. 275-333.

52. Walker G.T., Bliss E.W. World weather V. // Mem. R. Meteor. Soc. 1932. -Vol. 4. - P. 53 - 84.

53. Wang HuiJun, Sun JianQi, Fan Ke. Relationships between the North Pacific Oscillation and the typhoon/hurricane frequencies. // Science in China Series D: Earth Sciences. 2007. - Vol. 50, No. 9. - P. 1409 - 1416.