Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Сезонный ход и сезонность в изменчивости климата

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Сезонный ход и сезонность в изменчивости климата"

На правах рукописи

СЕЗОННЫЙ ХОД И СЕЗОННОСТЬ В ИЗМЕНЧИВОСТИ

КЛИМАТА

Специальности: 25.00.28 - Океанология;

25.00.30 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора географических наук

Москва - 2013

005538134

005538134

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Романов Юрий Александрович, доктор географических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук Золотокрылин Александр Николаевич, доктор географических наук, профессор, главный научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института географии Российской академии наук Семёнов Владимир Анатольевич, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики атмосферы им. A.M. Обухова Российской академии наук

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт глобального климата и экологии Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Российской академии наук»

Защита состоится «. ^r-Q 2013 г. в [£_ч.^мин. на заседании

диссертационного совета Д 002.239.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 117997, Москва, Нахимовский проспект, 36. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Автореферат разослан О 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук ¿/^^-Гинзбург Анна Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность диссертации определяется ключевой ролью сезонного хода в изменчивости глобального климата, а также хорошо выраженными проявлениями сезонности в разномасштабных изменениях климата. Климатическая система характеризуется значительной изменчивостью в широком спектре пространственных и временных масштабов. Сезонный ход является наиболее мощным сигналом в спектре изменчивости климатической системы Земли. Наиболее сильные магнитуды сезонных изменений различных климатических параметров (температуры воздуха, приземного давления, осадков и др.) наблюдаются в средних широтах. В качестве иллюстрации относительной роли сезонного хода в общей изменчивости климата на рис. 1 представлен спектр временного ряда температуры воздуха в Северо-Атлантическом секторе по Kutzbach and Bryson [1974] из работы Монина и Шишкова [2000], наглядно демонстрирующий важную роль сезонного хода в общей изменчивости климата.

Сезонный ход оказывает значительное влияние на изменчивость климата на различных пространственно-временных масштабах. Большинство наиболее известных климатических феноменов имеют хорошо выраженную сезонную зависимость. Например, в средних широтах наблюдается сезонное (от зимы к лету) ослабление интенсивности синоптических процессов, а также сезонное смещение основных траекторий циклонов. Другим примером является сезонная динамика центров действия атмосферы, проявляющаяся в сезонности структуры Северо-Атлантического колебания (САК, [Hurrell, 1995; Folland et al, 2009]). Наиболее ярким примером проявления сезонности в тропической зоне является Индийский муссон, характеризующийся сезонным изменением теплового контраста между сушей и океаном, ведущим к кардинальной перестройке режима атмосферной циркуляции в регионе.

В сравнении с материками, где сезонный ход температуры воздуха (и других параметров) является преобладающим, в океанах и морях роль сезонного хода в общей изменчивости климатических параметров существенно

различается в разных бассейнах и для разных параметров. Особая роль океана в климатической системе заключается в том, что, обладая высокой теплоёмкостью, океан является относительно «медленным» компонентом климатической системы, характеризующимся значительно меньшими амплитудами сезонного хода по сравнению с атмосферой. Относительно медленное накопление энергии в теплый сезон и ее медленная передача в атмосферу в зимний существенно уменьшают сезонные тепловые контрасты в характеристиках океана, в том числе в сезонном ходе температуры поверхности океана (ТПО), осуществляющей непосредственное взаимодействие с приводной атмосферой. Кроме того, океан, перенося (с главными океанскими течениями) значительные запасы тепла из тропиков в высокие широты, уменьшает тепловой контраст между высокими и низкими широтами, что тоже приводит к трансформации характеристик сезонного хода. Сложная структура сезонного хода поверхностных характеристик океана, несмотря на долгую историю исследований [Романов, 1970; Mizuno and White, 1983; JIanno и др., 1986; Levitus, 1987; Giese and Carton, 1994] изучена недостаточно, в частности, для

Рис. 1. Спектр температуры воздуха над Северной Атлантикой по Kutzbach and Bryson [1974] из работы Монина и Шишкова [2000].

10"

I. ЦИКЛ юл

10000 2000 1000 500 200 100 50 20 10

анализа проявлений сезонности климатической изменчивости. Поэтому исследование роли сезонного хода в изменениях климата над океанами представляется весьма актуальным. Построение детальной количественной картины пространственного распределения основных характеристик (прежде всего амплитуд и фаз) сезонного хода над океанами и их количественная оценка на основе современных данных крайне необходимы для понимания причин современных климатических изменений и достоверного прогнозирования колебаний климата в будущем.

Работа нацелена на выявление и анализ механизмов, формирующих сезонные особенности в изменениях климата, что является критически важным для успешного прогноза климатических аномалий на сезонных и более длительных временных масштабах.

Основная цель диссертации состоит в выявлении и количественном описании пространственной структуры характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров (ТПО, температуры воздуха и приземного атмосферного давления) над океанами Северного полушария, исследовании проявлений сезонности в межгодовых изменениях климата различных регионов и выявлении механизмов, формирующих сезонные особенности в изменчивости климата. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• провести количественное оценивание амплитудно-фазовых характеристик главных гармоник сезонного хода ТПО, температуры воздуха и приземного давления над океанами Северного полушария, а также выполнить оценку (на некоторых примерах) долгопериодной изменчивости амплитудно-фазовых характеристик сезонного хода ТПО и температуры воздуха;

• получить для различных сезонов достоверные количественные оценки главных мод изменчивости ключевых климатических параметров (осадков, температуры воздуха, испарения в Средиземном море) в Европейско-Средиземноморском регионе и исследовать их связи с режимами региональной атмосферной циркуляции;

• исследовать проявления сезонности в долгопериодной изменчивости ключевых компонентов гидрологического цикла (влагосодержания атмосферы, осадков) в тропиках, получить оценки линейных трендов и главных мод межгодовой изменчивости этих компонентов в различные сезоны;

• дать количественные оценки межгодовой изменчивости осадков в системе летнего Азиатского муссона и её связей с вариациями ТПО в тропической зоне Индийского и Тихого океанов.

Предметом защиты является решение фундаментальной научной проблемы

- количественная оценка характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров у поверхности океанов Северного полушария, описание их пространственной структуры, установление механизмов крупномасштабной климатической изменчивости, связанных с проявлениями сезонности в современных изменениях климата.

Научную новизну работы составляют основные положения, выносимые на защиту:

• выявлена и описана на количественном уровне пространственная структура амплитудно-фазовых характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров (ТПО, температуры воздуха и приземного атмосферного давления) над океанами Северного полушария. Установлены механизмы динамики атмосферы и океана (такие как вынос воздушных масс с материков на океаны в средних широтах, западные пограничные течения в океанах) определяющие (наряду с локальными процессами) пространственную структуру сезонного хода исследованных параметров над океанами Северного полушария;

• получены количественные оценки проявлений сезонности в изменчивости ТПО и испарения с поверхности в Средиземном море, а также температуры воздуха и осадков в Европейско-Средиземноморском регионе и выявлены

механизмы их формирования в разные сезоны. Впервые установлена сезонно-зависимая нестационарность связей климата Европейско-Средиземноморского региона с главным региональным климатическим сигналом - САК. Также впервые обнаружено, что главным механизмом, формирующим межгодовую изменчивость испарения с поверхности Средиземного моря в зимнее время, является Восточно-Атлантическое колебание;

• получены количественные оценки роли динамических и термодинамических факторов в формировании сезонных особенностей межгодовой изменчивости компонентов гидрологического цикла (влагосодержания атмосферы и осадков) в тропической зоне. Установлено, что пространственное распределение влагосодержания определяется термодинамическими факторами. Напротив, ведущую роль в формировании межгодовой изменчивости влагосодержания атмосферы играет атмосферная динамика;

• на основе полученных оценок характеристик изменчивости осадков в районах Индийского муссона и муссона Юго-Восточной Азии (МЮВА), показано, что межгодовая изменчивость осадков различна в двух муссонных подсистемах и связана с принципиально разной структурой аномалий ТПО в Индийском и Тихом океанах. Установлено, что (в отличие от Индийского муссона) изменчивость осадков в районе МЮВА не связана с аномалиями ТПО, формируемыми явлением Эль-Ниньо.

Достоверность представленных результатов определяется физической обоснованностью постановки задач, использованием наиболее современных и хорошо апробированных массивов данных и применением развитых методов статистического анализа. Для проверки полученных результатов использовались данные из разных источников. Например, анализ изменчивости осадков над Европой проводился как по спутниковым данным, так и по данным наземных (станционных) наблюдений. Интерпретация результатов анализа

проводится путем сопоставления с результатами других авторов, что дает основания для оценки их состоятельности. Большая часть результатов опубликована в ведущих международных журналах и прошла жесткий процесс рецензирования.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования её результатов для усовершенствования методов мониторинга и прогноза долговременной изменчивости климата. Результаты работы уже используются в диагностических исследованиях климата и его изменений, а также в моделировании и прогнозе таких изменений (примеры использования могут быть найдены в работах [Bograd et al., 2002; Trenberth et al., 2005; Pauling et al., 2006; Lopez-Moreno et al., 2008]).

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или в соавторстве с российскими и зарубежными коллегами. В работах с соавторами: часть результатов по исследованию амплитудно-фазовых характеристик сезонного хода получена совместно с И.М. Яшаяевым; результаты по анализу изменчивости элементов гидрологического цикла в тропиках получены совместно с зарубежными коллегами R.P. Allan и P.-S. Chu; исследование главных мод изменчивости температуры воздуха в Европейском регионе проводилось совместно с С.К. Гулевым; анализ изменчивости муссонных осадков был выполнен совместно с М.П. Александровой; исследование изменчивости климата Средиземного моря было проведено совместно с А.В. Архипкиным и А.А. Hannachi.

Апробация работы. Результаты и материалы диссертации неоднократно докладывались на национальных и международных конференциях и симпозиумах. Среди них: шестая международная конференция по статистической климатологии (Голвэй, Ирландия, 1995), ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Норкёппинг, Швеция, 1996), Генеральная ассамблея Международного Союза Геодезии и Геофизики (Бирмингем, Великобритания, 1999), конференция Американского Метеорологического Общества (Альбукерке, Нью-Мексико, США, 2001),

ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Ницца, Франция, 2004), конференция Чэпмена Американского Геофизического Союза (Кона, Гавайи, США, 2008), ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Тулуза, Франция, 2009), ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Цюрих, Швейцария, 2010), Генеральная ассамблея Международного Союза Геодезии и Геофизики (Мельбурн, Австралия, 2011), конференция по изменчивости климата (Денвер, Колорадо, США, 2011), Генеральная ассамблея Европейского Геофизического Союза (Вена, Австрия, 2010, 2012), конференция по изменчивости климата Средиземного моря (Мадрид, Испания, 2012) конференция Американского Геофизического Союза (Сан-Франциско, Калифорния, США, 2012). Отдельные результаты работы докладывались на семинарах Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Института Арктики и Антарктики Росгидромета, на географическом факультете МГУ, в университете Рединга (University of Reading, Reading, UK), университете штата Гавайи (University of Hawaii, Honolulu, USA), университете Лодзи (University of Lodz, Lodz, Poland), Стокгольмском университете (Stockholm University, Stockholm, Sweden), Национальном институте геофизики и вулканологии (INGV, Bologna, Italy).

Публикации. Научные результаты диссертации опубликованы в 24 статьях в российских и зарубежных рецензируемых журналах, входящих в списки цитируемых баз данных Scopus, Web of Science, список научных журналов ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 211 страниц, включая 54 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 218 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении рассматривается особая роль сезонного хода как наиболее мощного сигнала в изменчивости климата, в формировании климатической изменчивости и описываются различные подходы к анализу сезонного хода и проявлений сезонности в изменениях климата. Кроме того, обосновывается актуальность темы диссертации, рассматриваются научные предпосылки проводимого исследования, показывается место диссертации среди работ, посвященных исследованию сезонных процессов в климатической системе, формулируются решаемые в работе задачи и положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 подробно описываются использованные в работе массивы данных, которые можно разбить на четыре основные группы:

1) данные морских и наземных (станционных) наблюдений (параграф

1.1);

2) спутниковые данные (параграф 1.2);

3) климатические индексы (параграф 1.3);

4) данные реанализов (параграф 1.4).

Также в этой главе кратко излагаются примененные в исследовании методы анализа, включающие, наряду с традиционными статистическими методами (например, анализ линейных трендов, анализ средних квадратических отклонений), гармонический анализ (параграф 1.5), разложение пространственно-временных полей на эмпирические ортогональные функции (ЭОФ анализ, [Обухов 1960; Wilks 1995]) и линейные сингулярные разложения этих полей (Singular Value Decomposition, далее СВД анализ, параграф 1.6), позволяющие выделить и исследовать главные моды совместной изменчивости двух климатических параметров [Bretherton et al., 1992].

В Главе 2 проводится детальный анализ структуры сезонного хода в полях ТПО. температуры воздуха и атмосферного давления в северных частях Атлантического и Тихого океанов, а также рассматриваются некоторые взаимосвязи между характеристиками сезонного хода различных климатических параметров. В дополнение к анализу амплитуд и фаз годовой и

полугодовой гармоник, рассматриваются разности фаз в годовом ходе ТПО и температуры воздуха, а также соотношение амплитуд годовых и полугодовых гармоник. Для оценки относительного вклада сезонного хода в общую изменчивость рассматривается соотношение между дисперсиями сезонного хода и исходных рядов данных.

В параграфе 2.1 кратко описываются особенности климата Северной Атлантики и северной части Тихого океана. Отмечается, что, несмотря на имеющиеся общие черты (такие, например, как западные пограничные течения), в климатологиях поверхностных гидрометеорологических характеристик Северной Атлантики и северной части Тихого океана существуют и определенные различия. Под общепринятым международным термином «климатология» здесь подразумеваются средние многолетние значения того или иного параметра. В частности, главный климатический сигнал в Тихоокеанском регионе - Эль Ниньо - Южное колебание (ЭНЮК) -локализуется в тропиках, хотя может проявляться глобально. Самым мощным сигналом в климатической системе Северной Атлантики является СевероАтлантическое колебание (САК), центры действия которого располагаются в высоких и средних широтах. Таким образом, сезонный ход в северной части Тихого океана испытывает большее воздействие межгодовой изменчивости в тропиках, в то время как в Северной Атлантике такое воздействие сильнее проявляется во внегропических районах. Следует также отметить, что северная часть Тихого океана испытывает сильное влияние Азиатского муссона [Webster and Yang, 1992; Lau and Weng, 1999; Compo et al., 1999]. В Северной Атлантике аналогичного по своей природе и интенсивности явления не наблюдается. Особая роль Северной Атлантики в земной климатической системе отмечалась во многих работах [Шулейкин, 1968; Сауап, 1985; Лаппо и др., 1986] и связана с интенсивными процессами взаимодействия океана и атмосферы в высоких и средних широтах и высокой активностью разномасштабных процессов как в океане, так и в атмосфере. Ряд недавних работ указывает на то, что долгопериодные изменения интенсивности термохалинной циркуляции в

Северной Атлантике могут оказывать влияние на изменчивость климата Европы и Северной Америки на междекадных масштабах [Sutton and Hodson, 2005; Enfield et al., 2001].

В параграфе 2.2 рассматривается относительная роль сезонного хода в общей изменчивости климатических параметров. Для оценки вклада сезонного хода в общую изменчивость ТПО, температуры воздуха и давления по данным из массива ICOADS (International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set, [Woodruff et al., 1987, 2011]) были рассчитаны оценки дисперсий исходных временных рядов, сезонного хода и остаточных временных рядов (т.е. временных рядов, полученных после удаления сезонного хода). Карты распределения относительных вкладов сезонного хода в общую изменчивость ТПО, температуры воздуха и давления (рис. 2) демонстрируют их существенную пространственную изменчивость. Для ТПО и температуры воздуха пространственное распределение этого параметра характеризуется зональной структурой как в Атлантическом, так и в Тихом океане. Наиболее низкие вклады сезонного хода наблюдаются в тропиках и составляют 5% в Тихом и 15-20% в Атлантическом океане. Максимальные вклады в общую изменчивость наблюдаются в средних широтах, где они достигают 96 % в обоих океанах. Пространственная структура вклада сезонного хода в общую изменчивость давления существенно отличается от рассмотренных структур для ТПО и температуры воздуха. В средних широтах, в восточной и западной частях обоих океанов, вклад сезонного хода в общую изменчивость давления уменьшается до 5-10% (рис. 2). С другой .стороны, отмечено его заметное увеличение в субтропических областях, граничащих с континентами. Наибольший вклад (90%) наблюдается в западной части Тихого океана в регионе действия восточноазиатского муссона.

В параграфе 2.3 анализируются амплитуды и фазы годовой гармоники исследуемых климатических параметров. Наиболее высокие амплитуды ТПО (8°С) и температуры воздуха (10°С) наблюдаются в северо-западных частях Атлантического и Тихого океанов (рис. 3). Наиболее низкие амплитуды

Longitude

Longitude

Рис. 2. Вклад (в %) сезонного хода в общую дисперсию ТПО (а), температуры воздуха (б) и приземного давления (в).

(0.2°-0.5°С) как для ТПО, так и для температуры воздуха отмечены в тропиках. Вторичные максимумы амплитуд связаны с районами апвеллинга у побережий Африки и Калифорнии. Это согласуется с результатами Ьеу^в [1987], полученными для ТПО. Максимумы амплитуд годовых гармоник ТПО и температуры воздуха, которые наблюдаются возле континентов в средних широтах и в тропиках, связаны с сезонной интенсификацией западных ветров и пассатов соответственно, что формирует сезонный ход в выносе континентальных воздушных масс. Максимум (6 мб) амплитуд годового хода давления в Северной Атлантике расположен между Гренландией и Исландией (рис. 3). Отмечено 3 максимума амплитуд годового хода давления в северной части Тихого океана. Наиболее мощный максимум охватывает почти всю центральную часть средних широт Тихого океана. Мощный максимум (10 мб) амплитуд годового хода давления наблюдается к юго-востоку от Азии и представляет собой периферию сибирского антициклона, центр которого располагается над Байкалом [Зверяев и Разоренова, 1997].

Фазы годовой (и полугодовой) гармоники сезонного хода определяются как время (в месяцах) достижения минимума данной гармоникой с начала года. Отметим, что годовой ход в полях ТПО и температуры воздуха над океанами отстаёт от годового хода температуры поверхности суши и температуры воздуха над континентами. Это объясняется большей тепловой инерцией океана. Пространственное распределение фаз (рис. 4) отражает главные тенденции в общей циркуляции океана и атмосферы и условия теплообмена, стратификации и перемешивания, которые также сильно влияют на распространение годового сигнала в более глубокие слои океана. Главное направление распространения (т.е. роста фаз) годового сигнала над океанами -с северо-запада на юго-восток (рис. 4). Это хорошо согласуется с пространственным распределением амплитуд годовой гармоники ТПО и температуры воздуха (рис. 3), а именно, наиболее низкие (высокие) значения

Longitude

Рис. 3. Амплитуды годовой гармоники ТПО (а, °С), температуры воздуха (б, °С) и приземного давления (в, мб).

Рис. 4. Фазы (в месяцах) годовой гармоники ТОО (а), температуры воздуха (б) и приземного давления (в).

фаз в целом совпадают с самыми высокими (низкими) значениями амплитуд. Примечательной особенностью в средних широтах обоих океанов ярляется рост фаз (примерно на 0.5 месяца) годового хода ТПО вдоль течений Куросио (между 130°в.д. и 170°в.д.) и Гольфстрим (между 76°з.д. и 50°з.д.). Этот рост фаз формирует локальный максимум фазы (наиболее позднее наступление минимума в годовом ходе) в средних широтах. Этого не наблюдается в распределении фаз годового хода температуры воздуха, что может указывать на способность главных океанских течений сохранять и переносить сезонный сигнал.

Количественный анализ разности фаз годового хода между ТПО и температурой воздуха представляет особый интерес, так как эта характеристика может рассматриваться как мера связи между изменчивостью океана и атмосферы в годовом цикле (Гулев и Лаппо, 1983). Пространственное распределение разности фаз хорошо отражает крупномасштабную динамику океана и атмосферы (рис. 5), а также процессы локального взаимодействия океана и атмосферы и меняющееся влияние материков на региональный климат прибрежных и центральных областей северных частей Атлантического и Тихого океанов. На большей части акватории Северной Атлантики и северной части Тихого океана, за исключением низких широт, разности фаз положительны, что указывает на то, что годовой ход ТПО отстаёт от годового хода температуры воздуха (рис. 5). Таким образом, очевидно, что формирование годового хода температуры воздуха над океанами испытывает значительное (наряду с приходящей солнечной радиацией и локальными процессами) влияние адвекции континентальных воздушных масс, в Частности, интенсификации западного переноса в зимнее время. В этот сезон вынос холодного и относительно сухого континентального воздуха увеличивает потоки явного и скрытого тепла из океана в атмосферу и вызывает понижение ТПО. Отметим, что отклик океана на воздействие атмосферы довольно быстрый - разница фаз в западных частях Атлантического и Тихого океанов в средних широтах составляет около 0.5 месяца. Примечательно, что

распределение разности фаз в Северной Атлантике отражает структуру I Североатлантического субтропического круговорота, в центре которого

разности фаз минимальны (0.3 месяца). То, что разница фаз меньше в районах, удалённых от областей выноса континентального воздуха, можно интерпретировать как результат трансформации континентального воздуха над морской поверхностью.

Рис. 5. Разность фаз годовых гармоник ТПО и температуры воздуха (в месяцах).

Сравнение распределения амплитуд и фаз годового хода (рис. 3, 4) свидетельствует о существенном различии пространственной структуры годовых колебаний в полях давления и температуры воздуха над океанами. Фазы годового хода давления демонстрируют большую пространственную изменчивость по сравнению с фазами температуры воздуха. В отличие от континентов, над центральными частями океанов минимум в годовом ходе давления и температуры воздуха наблюдается зимой, и годовые колебания температуры воздуха запаздывают по отношению к годовому ходу давления примерно на 1.5 месяца в центральной части Тихого океана и на 0.5-1.0 месяца над Северной Атлантикой.

,3-0

Результаты работы свидетельствуют о том, что, наряду с процессами локального взаимодействия, важную роль в формировании годового хода ТПО и температуры воздуха в северных частях Атлантического и Тихого океанов играет крупномасштабная динамика атмосферы. Главные черты годового хода давления над океанами, в значительной степени, обусловлены сезонными вариациями термических контрастов между высокими и низкими широтами и между океанами и материками, а также сезонной динамикой главных климатических центров действия атмосферы в рассмотренных регионах (Исландский и Алеутский минимумы, Азорский и Гавайский максимумы).

В параграфе 2.4 анализируются амплитуды и фазы полугодовой гармоники. Установлено, что наиболее высокие амплитуды полугодовых колебаний ТПО и температуры воздуха наблюдаются в западных частях Атлантического и Тихого океанов в средних широтах. В северной части Тихого океана отмечено два максимума амплитуд: более слабый (1.4°С) - в центральной части акватории и более мощный (превышающий 2.5°С) - в Охотском море. Максимальные амплитуды полугодовых колебаний (1°С-1.4°С) в Северной Атлантике наблюдаются в районе Ньюфаундленда. Для выделения областей преобладания годовых (полугодовых) колебаний, рассматривается соотношение между амплитудами полугодовой и годовой гармоник. Для ТПО и температуры воздуха на большей части Атлантического и Тихого океанов (за исключением тропиков) амплитуды годового хода больше амплитуд полугодовых колебаний. Даже в средних широтах, где амплитуды полугодовой гармоники самые высокие, они в три раза ниже амплитуд годового хода. В тропиках, в частности, в западной части Тихого океана, амплитуды полугодовой гармоники ТПО и температуры воздуха могут быть равны и даже превышать амплитуды годового хода. Полугодовые колебания з средних широтах в целом находятся в противофазе к колебаниям в тропиках со средним сдвигом фаз около 3 мес., составляющим половину полугодового цикла. Такой сдвиг фаз свидетельствует о различном происхождении полугодовых колебаний в тропиках и в средних широтах. Помимо полугодового цикла в

приходе солнечной радиации, Merle et al. [1980] указывают на два других возможных источника полугодовых колебаний ТПО в тропиках: это локальная атмосферная динамика и мощные сезонные флуктуации трёх главных экваториальных противотечений.

В параграфе 2.5 на примере двух различных регионов (северная часть Тихого океана и Европа) рассматриваются климатические изменения амплитуд годового хода ТПО и температуры воздуха, связанные с двумя хорошо известными климатическими сигналами - Северотихоокеанским климатическим сдвигом середины 70-х годов прошлого века и САК.

Установлено, что структура аномалий амплитуд годового хода ТПО объясняется различной ролью зимних и летних ТПО в формировании годового хода в различные климатические периоды. Знаки зимних и летних аномалий ТПО в Тихом океане совпадают на большей части акватории. В случае положительных аномалий ТПО более сильные зимние (летние) аномалии формируют отрицательные (положительные) аномалии амплитуд годового хода. В случае отрицательных аномалий ТПО соотношение между сезонными аномалиями и аномалиями амплитуд годового хода противоположно описанному выше. Таким образом, относительная магнитуда зимних (летних) аномалий ТПО определяет знак аномалий амплитуд годового хода.

Показано, что межгодовая изменчивость амплитуд годового хода температуры воздуха над Европой, выраженная их первой ЭОФ модой, обусловлена, главным образом, влиянием САК. В параграфе 2.6 коротко формулируются основные выводы по результатам, полученным в главе.

В Главе 3 проводится исследование проявлений сезонности в долгопериодной климатической изменчивости осадков и температуры воздуха над Европой и испарения с поверхности Средиземного моря на основе сеточного массива данных, основанного на наземных станционных наблюдениях CRU [New et al., 1999, 2000; Mitchell et al., 2003] и турбулентных потоков тепла на границе океан-атмосфера OAFlux [Yu and Weller, 2007].

В параграфе 3.1 кратко описывается состояние исследований изменчивости климата Европейско-Средиземноморского региона и его аномалий. Подчеркиваются два важных аспекта, определивших выбор объекта исследования: значительное влияние климатических аномалий на экономику и жизнь людей в этом густонаселенном регионе, а также хорошая освещенность региона данными метеорологических наблюдений за достаточно длительный период времени.

В параграфе 3.2 исследуются проявления сезонности в межгодовой и вековой изменчивости региональной температуры воздуха и осадков. Показано, что средние квадратические отклонения (СКО) осадков, рассчитанные за период 1901-2000 г.г., демонстрируют значительные сезонные различия в межгодовой изменчивости региональных осадков. Зимой максимальные СКО осадков наблюдаются над западной Европой, а минимальные - над восточной Европой, Европейской Россией и восточной Скандинавией. Летом СКО осадков значительно уменьшаются (увеличиваются) над западной Европой (восточной Европой и Европейской Россией). Анализ СКО температуры воздуха (ТВ) показал, что более высокая (низкая) изменчивость ТВ наблюдается в областях с её более низкими (высокими) климатологическими значениями. Эта же закономерность отмечается при переходе от холодного сезона к тёплому: зимой магнитуды межгодовой изменчивости ТВ выше, чем летом.

Анализ линейных трендов осадков над Европой не выявил качественных сезонных различий. При этом количественные различия, определяемые магнитудами величин трендов и их статистической значимостью, существуют. Тренды преимущественно положительны и статистически незначимы почти над всей Европой в течение всех сезонов. Статистически значимые тренды осадков, наиболее хорошо выраженные осенью и зимой, обнаружены над Скандинавией. Наиболее сильные тренды отражают рост осадков в соответствующих регионах на 20 мм/мес в течение двадцатого века. Предположительно, этот рост осадков связан с глобальным потеплением, которое было особенно интенсивным в течение последних десятилетий над сушей в средних широтах [Karl et al., 1991;

Folland and Karl, 2001]. Это подтверждает и проведенный анализ трендов ТВ над Европой, выявивший положительные тренды ТВ над всем регионом для всех сезонов.

В параграфах 3.3 и 3.4 анализируется пространственно-временная структура главных мод эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) региональных осадков и ТВ. Установлено, что главные моды изменчивости Европейских осадков и ТВ демонстрируют отчетливую сезонную зависимость. Главные (доминирующие) моды изменчивости зимних, весенних и летних осадков связаны с САК. Однако пространственно-временная структура летней моды принципиально отлична от структур зимней и весенней мод. Как отмечалось ранее [Zveryaev, 2004], первая мода изменчивости летних осадков отражает более долгопериодные (в сравнении с соответствующей зимней модой) декадные вариации. Помимо отличного (от зимнего) режима атмосферной циркуляции, определяющего изменчивость летних осадков над Европой, другим фактором, играющим важную роль, являются процессы энерго- и влагообмена у поверхности земли. В частности, Köster and Suarez [1995] установили, что вклад процессов у поверхности суши в изменчивость осадков является наиболее сильным в летнее время, предположительно благодаря отклику влажностной конвекции и формирования условий конденсации на испарение и транспирацию у поверхности. В согласии с Koster and Suarez [1995] более поздние работы [Trenberth, 1999; Trenberth et al., 2003] показывают, что роль локального испарения в изменчивости осадков значительно возрастает от зимы к лету, когда роль зональной адвекции влаги существенно уменьшается. Нами впервые показано, что первая мода изменчивости осенних осадков не связана с САК. В работе выявлена сильная и статистически значимая связь этой моды с циркуляционными процессами, определяемыми аномалиями давления над Скандинавией, которые являются хорошо выраженной региональной модой низкочастотной изменчивости атмосферы [Barnston and Livezey, 1987]. Вторые моды изменчивости осадков в разные сепоны связаны с разными режимами атмосферной циркуляции. В

согласии с результатами анализа спутниковых данных об осадках [Zveryaev, 2004], вторая мода зимних осадков связана с аномалиями в поле давления над восточной Атлантикой [Barnston and Livezey, 1987]. Осенью вторая ЭОФ мода Европейских осадков связана с САК.

1 0.8 0.6 0.4 0.2 о

а) ЗИМА ЭОФ1(2)-САК

б) ВЕСНА ЭОФ1(2)-САК

J

л/V

-0.8

1 1 У^ ,-г .« ■ )

1900 1920 1940 1960 1980 2000 в) ЛЕТО ЭОФ1(2)-САК

0.8

1900 1920 1940 1960 1980 2000 г) ОСЕНЬ ЭОФ1(2)-САК

- - - -^Чд- ~

п—■—і—>—і—■—і—■—і 1900 1920 1940 1960 1980 2000

1900 1920 1940 1960 1980 2000 Рис. 6. Скользящие (21-летнее окно) корреляции между главными компонентами первой (красный цвет) и второй (синий цвет) ЭОФ мод зимних (а,), весенних (б), летних (в) и осенних (г) осадков и индексом САК. Пунктирными прямыми показан 95% уровень значимости.

Установлено, что первая мода изменчивости ТВ над Европой связана с САК во все сезоны, кроме летнего. Второй (после САК) по степени влияния на изменчивость ТВ над Европой, является дипольная структура с противоположными по знаку аномалиями в поле давления над восточной Атлантикой и Европейской территорией России. Её влияние особенно заметно в зимнее время, когда она тесно связана со второй модой ТВ. Ещё одной модой региональной атмосферной динамики, оказывающей заметное влияние на

Европейский климат, является уже упоминавшаяся аномальная структура в поле давления над Скандинавией.

а) ЗИМА ЭОФ1(2)-САК

0.8 0.6

0.4 і -

0.2 О -0.2 -0.4

-0.6

■А/Л

-Л

"V

б) ВЕСНА ЭОФ1(2)-САК

0.8 06 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6

А

1900 1920 1940 1960 1980 2000

в) ЛЕТО ЭОФ1(2)-САК

0.8 0.6 04 0.2 О -02 -0.4 -0.6

1900 1920 1940 1960 1980 2000 г) ОСЕНЬ ЭОФ1(2)-САК

0.8 0.6 0 4

0.2 О

-0.2 : V.,-,.--0 4 -0.6

1900 1920 1940 1960 1980 2000 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Рис. 7. Скользящие (21-летнее окно) корреляции между главными компонентами первой (красный цвет) и второй (синий цвет) ЭОФ мод зимней (а,), весенней (б), летней (в) и осенней (г) температуры воздуха и индексом САК. Пунктирными прямыми показан 95% уровень значимости.

В параграфе 3.5, наряду с анализом связей главных мод изменчивости осадков и ТВ над Европой с региональной атмосферной динамикой, анализируются скользящие корреляции между главными компонентами ведущих ЭОФ мод и индексом САК. Установлено, что ведущую роль в изменчивости регионального климата наряду с САК играют Восточно-Атлантическая, Восточно-Атлантическая - Западно-Российская и Скандинавская колебательные структуры (или режимы атмосферной циркуляции). Анализ скользящих корреляций выявил значительную нестационарность связей главных мод Европейских осадков (рис. 6) и ТВ (рис. 7) с САК. Впервые показано, что характер и теснота этих связей меняются не

только от сезона к сезону, но и существенно варьируются в течение двадцатого века на более длительных временных масштабах.

Рис. 8. Пространственные структуры первой (а, в) и второй (б, г) ЭОФ мод испарения для зимы (а, б) и лета (в, г). Красный (синий) цвет отражает положительные (отрицательные) значения.

а) ЕУА ЕСЖ-1 (58.2%)

в) ,МА ЕУА Е(Ж-1 (53.7%)

6) ЕУА Е0Г-2 (20.0%)

г) Ш ЕУА Е0Г-2 (11.1%)

В параграфе 3.6 исследуются сезонные особенности межгодовой изменчивости испарения с поверхности Средиземного моря и связанных с ней механизмов. Первая мода изменчивости испарения характеризуется однополярной структурой, а вторая - зонально-ориентированным диполем (рис. 8). В зимнее время испарение с поверхности Средиземного моря, а также его стандартные отклонения в 2-3 раза больше соответствующих летних величин. Например, в западной части Средиземного моря стандартные отклонения испарения составляют зимой около 30 см/год, а летом только 15 см/год. Ведущую роль в изменчивости испарения в Средиземном море в зимнее время играет атмосферная динамика, в частности, Восточно-Атлантическая колебательная структура. Существенный вклад в изменчивость испарения на междекадных масштабах вносят вариации ТПО. Летом роль ТПО в изменчивости испарения заметно усиливается, а роль атмосферной динамики

существенно ослабевает. Таким образом, установлена различная роль динамических и термодинамических факторов в формировании изменчивости средиземноморского испарения в разные сезоны. Летом испарение в Средиземном море находится под влиянием возмущений атмосферной циркуляции в тропиках, имеющих предположительно муссонное происхождение. При анализе связей между испарением и региональными осадками статистически значимые связи обнаружены только в зимнее время, главным образом в восточном Средиземноморье.

В целом, установленные в работе проявления сезонности в изменчивости Европейско-Средиземноморского климата (и связанные с ними механизмы) означают, что дальнейшее усовершенствование сезонного прогноза регионального климата является гораздо более сложной задачей, чем предполагалось раннее. Результаты, представленные в этой главе, указывают на актуальность и необходимость дальнейшего исследования проявлений сезонности в изменениях Европейско-Средиземноморского климата на различных пространственно-временных масштабах.

В Главе 4 на основе анализа изменчивости влагосодержания атмосферы рассматриваются специфические сезонные особенности разномасштабных изменений климата тропиков.

В параграфе 4 1 отмечается, что, будучи ключевым параметром глобальной климатической системы, атмосферная влага играет важнейшую роль в гидрологическом цикле. Особенно велика роль атмосферной влаги в тропиках, где содержится большая часть планетарного запаса атмосферной влаги и где её изменчивость тесно связана с выпадением интенсивных (в частности, муссонных) осадков. В данной работе структура изменчивости атмосферной влаги в тропиках исследуется на основе данных из реанализов Европейского Центра Среднесрочных Прогнозов Погоды [ЕЯА40, Црра1а е1 а1., 2005] и Национальных Центров по Прогнозу Окружающей Среды/ Национального Центра Атмосферных Исследований [ЫСЕР/ЫСАИ, Ка1пау й

а) ЗИМА. КЛИМАТОЛОГИЯ CWV (1979-2001)

б) ЗИМА. КЛИМАТОЛОГИЯ CWV-cc (1979-2001)

в) ЗИМА. КЛИМАТОЛОГИЯ CWV-dyn (1979-2001)

Рис. 9. Зимние (декабрь-февраль) сезонные климатологии (а) влагосодержания атмосферы (С\¥У) и его (б) термодинамического (С\¥У-сс) и (в) динамического (С\УУ-ёуп) компонентов (величины представлены в кг/м2).

al., 1996; Kistler et al., 2001]. В качестве данных по осадкам использовались данные спутниковых наблюдений из массива Global Precipitation Climatology Project [GPCP, Huffman et al., 1997; Adler et al., 2003].

В параграфе 4.2 описывается подход к анализу, позволяющий оценить вклад динамических (адвективных) и термодинамических (локальных) факторов в изменчивость влагосодержания атмосферы. Связь между влагосодержанием атмосферы и выпадающими осадками регулируется процессами локального испарения и адвекции влаги. Для количественной

а) ЛЕТО. КЛИМАТОЛОГИЯ CWV (1979-2001)

^-Lj-*—р--!-1-!_-!_1_|_!_!_!_!__ t /_(__

0 20Е 40Е 60Е 80Е 100Е 120Е 140Е 160Е 180 160W140W120W100W80W 60W 40W 20W

б) ЛЕТО. КЛИМАТОЛОГИЯ CWV-cc (1979-2001)

О 20Е 40Е 60Е 80Е 100Е 120Е 140Е 160Е 180 160W140W120W100W 80W 60W 40W 20W

в) ЛЕТО. КЛИМАТОЛОГИЯ CWV-dyn (1979-2001)

0 20Е 40Е 60Е 80Е 100Е 120Е 140Е 160Е 180 160W140W120W100W 80W 60W 40W 20W

Рис. 10. То же, что на рис. 9, но для лета (июнь-август).

оценки вклада динамики и термодинамики в изменчивость атмосферной влаги использовалось уравнение Клаузиуса-Клапейрона, определяющее условия локальной конденсации водяного пара при заданных температурных условиях в объеме влажного воздуха. Такой подход позволил разделить общую изменчивость атмосферной влаги на изменчивость, связанную с циркуляцией атмосферы, и изменчивость, обусловленную локальными процессами (термодинамикой). Ранее было показано, что такой подход оказался полезным для понимания обратных связей, относящихся к облачности [Bony et al. 2003]. Мы использовали этот подход для анализа изменчивости водяного пара и его связей с атмосферной динамикой и осадками.

а) ЗИМА. СКО С\ЛЛ/ (1979-2001)

30 э4-------- і——г-----г---т-----1 і----1— ---1----1------т------1------і г і і ■

О 20Е 40Е 60Е 80Е 100Е 120Е 140Е 160Е 180 160\ЛП40\Л/120\К/100\Л/ 80\Л/ 60\Л/ 40\Л/ 20\Л/

б) ЗИМА. СКО С\ЛЛ/-сс (1979-2001)

в) ЗИМА. СКО С\ЛЛ/-сіуп (1979-2001)

Рис. 11. Зимние (декабрь-февраль) стандартные отклонения (а) влагосодержания атмосферы и его (б) термодинамического (С\¥У-сс) и

(в) динамического (СШУ-сіуп) компонентов (величины представлены в кг/м2).

В параграфе 4.3 рассматриваются сезонные климатологии (рис. 9 и 10) и СКО (рис. 11 и 12) влагосодержания атмосферы в тропиках и его динамического и термодинамического компонентов. Показано, что стационарная долговременная структура влагосодержания в тропиках определяется, главным образом, локальными процессами, а именно откликом конденсации на изменения температурных характеристик в соответствии с уравнением Клаузиуса-Клапейрона. Горизонтальная адвекция влаги увеличивает локальное влагосодержание атмосферы над регионами,

а) ЛЕТО. СКО С\Л/\/ (1979-2001)

б) ЛЕТО. СКО СШ-сс (1979-2001)

в) ЛЕТО. СКО С\ЛЛ/-с1уп (1979-2001)

Рис. 12 То же, что на рис. 11, но для лета (июнь-август).

характеризующимися конвергенцией потоков на нижних уровнях в атмосфере. Зимой такими регионами являются южная часть Индийского океана, тропическая западная и южная части Тихого океана и Бразилия (рис. 9). Летом влагосодержание повышено над Африкой и районом Индийского муссона благодаря динамическому фактору, который также оказывает влияние на внутритропическую зону конвергенции и западную тропическую часть Тихого океана (рис. 10). Центральная экваториальная часть Тихого океана испытывает негативное влияние локальной динамики (т.е. дивергенции потоков в нижней атмосфере), которое уменьшает влагосодержание. Во время явлений ЭНЮК ситуация меняется на противоположную, когда конвергенция влаги в регионе играет главную роль.

Временная изменчивость влагосодержания атмосферы в тропиках обусловлена, главным образом, динамическим фактором (рис. 11 и 12). Только изменчивость в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого океана подвержена заметному воздействию локальных процессов (термодинамического фактора), которые по относительному вкладу в формирование общей изменчивости влагосодержания сопоставимы с адвективными факторами.

В параграфе 4.4 на основе разложения по ЭОФ исследуются главные моды изменчивости влагосодержания атмосферы в тропиках. Показано, что главным сигналом в межгодовой изменчивости влагосодержания в тропиках является ЭНЮК. Наиболее сильно этот сигнал выражен в зимнее время, когда первая ЭОФ мода описывает около половины общей изменчивости влагосодержания атмосферы. В частности, очень хорошо выражены мощные явления ЭНЮК 1982/83 и 1997/98 гг. Цикл явления ЭНЮК 1986-1989 гг. испытывал влияние как динамического, так и термодинамического факторов. В то же время ЭНЮК начала 1990-х годов находилось под доминирующим влиянием динамического фактора. Это подчеркивает различную природу отдельных явлений ЭНЮК.

В параграфе 4.5 рассматриваются трендовые изменения влагосодержания атмосферы в тропиках и их связь с изменениями осадков. Относительно медленные трендовые изменения влагосодержания атмосферы представляют большой интерес. В частности, эти изменения важны с точки зрения будущего изменения климата, предполагающего, что глобальное потепление будет сопровождаться ростом влагосодержания атмосферы [IPCC, 2007]. Таким образом, вопрос о том, связаны тренды (если они есть) влагосодержания за период 1979-2001 гг. с термодинамическим фактором или с декадными изменениями крупномасштабной атмосферной циркуляции, представляет особый интерес.

Установлено, что положительные тренды влагосодержания атмосферы (достигающие 0.2-0.3 кг/м2 в год) за данный период являются преобладающими

над океаном. Отрицательные тренды (до -0.3 кг/м2 в год) были обнаружены над экваториальной Африкой и Бразилией. Тренды в основном обусловлены динамическим фактором. Это, в частности, хорошо видно над экваториальной Африкой и Бразилией, где отрицательные тренды влагосодержания противоположны по знаку трендам, ожидаемым исходя из положительных трендов термодинамического компонента, связанных с ростом температуры. Над сушей изменения облачного покрова, связанные с уменьшением конвективной активности, объясняют положительный тренд температуры. При недостаточном количестве воды на поверхности суши повышение температуры не приводит к росту испарения и влагосодержания атмосферы.

Установлено, что тренды осадков распределены неравномерно и демонстрируют слабую связь с трендами влагосодержания. Отрицательные тренды осадков из массива GPCP [Huffman et al., 1997; Adler et al., 2003] над районами морской слоисто-кучевой облачности в Южном полушарии летом сопровождаются ростом влагосодержания, ослабленными восходящими движениями и небольшим охлаждением океанской поверхности, наиболее ярко выраженными в юго-восточной части Тихого океана. Над этим регионом ослабление восходящих движений в атмосфере связано с увеличением влажности в пограничном слое и развитием слоисто-кучевой облачности [Klein, 1997], которая охлаждает поверхность в дневное время. Эти тренды могут испытывать влияние изменений слоисто-кучевой облачности в процессе развития явления ЭНЮК.

В параграфе 4.6 для зимнего и летнего сезонов анализируются региональные временные ряды влагосодержания атмосферы и осадков. Установлено, что над многими тропическими регионами межгодовая изменчивость осадков тесно связана с изменениями влагосодержания как зимой, так и летом, о чем свидетельствуют коэффициенты корреляции между соответствующими временными рядами (таблица 1). Однако над некоторыми регионами (например, над западной частью Тихого океана, Индонезийским

Таблица 1. Коэффициенты корреляции между региональными временными рядами влагосодержания С\УУ, его термодинамического С\¥У-сс и динамического С\УУ-с1уп компонентов и осадков из массивов СМАР и вРСР (в скобках) для зимы и лета. Корреляции, выделенные жирным шрифтом, превышают уровень значимости 95%.

ЦеНТ! >альная Пацифнка Восточная Пашк шка

осадки, зим. осадки, лет. осадки, зим. осадки, лет.

СОТ 0.95 (0.94) 0.80 (0.81) СМ 0.80 (0.82) 0.54 (0.72)

сте сс 0.71 (0.71) 0.72 (0.65) СМ сс 0.84 (0.83) 0.84 (0.93)

СМ с1уп 0.98 (0.97) 0.71 (0.76) см ауп 0.52 (0.54) -0.31 (-0.17)

Западная Пацифнка Бразилия

осадки, зим. осадки, лет. осадки, зим. осадки, лет.

СМ 0.93 (0.93) 0.15 (0.12) СМ 0.54 (0.48) 0.64 (0.66)

СМ сс 0.13 (0.15) -0.65 (-0.54) СМ сс -0.65 (-0.57) -0.48 (-0.48)

см аул 0.94 (0.94) 0.42 (0.36) см ауп 0.70 (0.62) 0.75 (0.77)

Мо рекой Континент Австралия

осадки, зим. осадки, лет. осадки, зим. осадки, лет.

СМ 0.18 (0.16) 0.84 (0.83) СМ 0.83 (0.83) 0.45 (0.59)

СМ сс -0.66 (-0.70) 0.16 (0.15) СМ сс -0.86 (-0.85) -0.05 (0.11)

см аул 0.52 (0.52) 0.87 (0.87) см ауп 0.90 (0.90) 0.55 (0.64)

Индия Африка

осадки, зим. осадки, лег. осадки, зим. осадки, лет.

СМ 0.83 (0.77) 0.75 (0.69) СМ 0.45 (0.50) -0.07 (-0.01)

СМ сс -0.05 (-0.14) -0.57 (-0.55) СМ сс -0.35 (-0.40) 0.02 (0.01)

см аул 0.86 (0.82) 0.80 (0.75) см ауп 0.47 (0.53) -0.07 (-0.01

морским континентом, Африкой) такая связь наблюдается только в определенные сезоны. Хотя динамический фактор является главным в изменчивости осадков, в отдельных регионах, в отдельные сезоны термодинамический фактор уменьшает (или даже полностью изолирует) влияние динамического фактора на изменчивость осадков.

За период 1979-2001 гг. изменения крупномасштабной атмосферной циркуляции, связанные главным образом с ЭНЮК, были основным фактором межгодовой изменчивости и трендовых изменений влагосодержания. Термодинамический отклик влагосодержания на изменения температуры играл

существенно меньшую роль. В параграфе 4.7 суммируются результаты выполненного в главе анализа и формулируются основные выводы.

В Главе 5 на основе наиболее современных и долгопериодных данных об осадках [New et al., 1999, 2000; Mitchell et al., 2003] и ТПО [Parker et al., 1995; Rayner et al., 1995, 2006] исследуется пространственно-временная структура межгодовой изменчивости летних осадков в Индийском муссоне и муссоне Юго-Восточной Азии (МЮВА). Рассматривая главные компоненты (полученные с применением ЭОФ анализа) как индексы изменчивости региональных осадков, мы исследуем связи между изменчивостью летних осадков в Индийском муссоне и МЮВА и вариациями ТПО в тропической зоне Индийского и Тихого океанов.

В параграфе 5.1 описывается роль Азиатского муссона в глобальной климатической системе и его влияние на жизнь населения Южной и Юго-Восточной Азии. Кратко рассматриваются проблемы, связанные с предсказанием муссона. В частности, дается обзор состояния исследований, посвященных взаимосвязям между муссоном и явлением ЭНКЖ, а также связям Азиатского муссона с вариациями ТПО в Индийском и Тихом океанах.

В параграфе 5.2 рассматриваются климатологии, межгодовая изменчивость (характеризуемая СКО) и трендовые изменения осадков в Индийском муссоне и МЮВА. Установлено, что магнитуда общей изменчивости осадков (представленная СКО) хорошо согласуется с их климатологией. Линейные тренды свидетельствуют о долговременном уменьшении количества осадков над значительной частью Индии во второй половине двадцатого века. Это сокращение осадков наиболее сильно проявляется над северо-восточной Индией, где величины трендов достигают 3 мм/мес в год. В противоположность Индийскому муссону, статистически значимых трендовых изменений осадков над Юго-Восточной Азией обнаружено не было.

В параграфе 5.3 анализируются главные моды изменчивости осадков в Индийском муссоне и МЮВА (рис. 13). Показано, что первые ЭОФ моды

а) ЛЕТО ЭОФ-1 (25.03%) ОСАДКОВ

25Ы-

Х_ ^—Ю

4® ,

90Е

95Е 100Е 105Е 110Е 115Е 120Е

в) ГЛ. КОМПОНЕНТЫ ЭОФ-1

Л 1 л л ппв Г Пп

III И 1 и1 к и Ч_Н и

г) ГЛ. КОМПОНЕНТЫ ЭОФ-1

ж пгГлГ М

^ и 1Г и цГ и

Рис. 1 3 Пространственные структ уры первых ЭОФ мод летних осадков в Индийском муссоне (а) и МЮВА (б), и их главные компоненты (в, г).

объясняют около 25% общей изменчивости осадков в обоих регионах. Однако в Индийском муссоне первая ЭОФ мода отражает когерентные (или однонаправленные) изменения осадков над всей территорией Индии, тогда как в МЮВА первая мода отражает, главным образом, изменения осадков только в западной части региона. Первые ЭОФ моды летних осадков над Индией и Юго-Восточной Азией демонстрируют совершенно разный характер межгодовой изменчивости. Их главные компоненты не связаны между собой, о чем свидетельствует отсутствие значимой корреляции между ними. Главные компоненты первых ЭОФ мод осадков в двух муссонных подсистемах в

дальнейшем могут использоваться как объективно построенные индексы Индийского муссона и муссона Юго-Восточной Азии.

В параграфе 5.4 исследуются связи между главными компонентами первых ЭОФ мод осадков в двух муссонных подсистемах и ТПО в тропической зоне Индийского и Тихого океанов. Анализ сдвиговых корреляций между главными компонентами первых ЭОФ мод осадков и ТПО показал, что межгодовая изменчивость осадков в двух муссонных подсистемах связана с принципиально различными структурами аномалий ТПО в Индийском и Тихом океанах. Осадки в летнем Индийском муссоне положительно скоррелированны с ТПО в Индийском океане с предшествующего муссону сентября по май. Значимые положительные корреляции наблюдаются в Аравийском море и в районе Индийского океана северо-западнее Австралии. Во время муссонного сезона наблюдается смена знака корреляций на противоположный. Таким образом, в межгодовом поведении осадков Индийского муссона проявляется квази-двухлетняя цикличность со сменой знака корреляций между предмуссонным и муссонным - постмуссонным периодами. Ослабление корреляций с ТПО в Индийском океане в весеннее время может рассматриваться как региональное проявление так называемого весеннего «барьера предсказуемости». Wright [1979, 1985] показал, что весенний барьер характеризуется резким снижением устойчивости аномалий осадков в центральной части Тихого океана, аномалий ТПО в его восточной части, а также индекса Южного колебания и других индексов ЭНЮК. Наши результаты свидетельствуют о том, что весенний «барьер предсказуемости» существует не только в Тихом, но и в Индийском океане.

В работе не обнаружено статистически значимых корреляций между главными компонентами первой ЭОФ моды осадков в Индийском муссоне и ТПО в тропической зоне Тихого океана во время месяцев, предшествующих муссону. Однако во время муссонного сезона и последующей осени статистически значимые отрицательные корреляции с ТПО (достигающие -0.5) наблюдаются в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого

океана, что свидетельствует об активной роли Индийского муссона в его взаимосвязях с ЭНЮК.

Первая мода осадков в МЮВА связана с вариациями ТПО в северной части Индийского океана и в Южно-Китайском море в январе и феврале, предшествующих муссону. В Тихом океане значимые корреляции формируют трёх-полярную структуру, сохраняющуюся с ноября по март. Зонально-протяжённые центры действия этой структуры расположены в тропиках, субтропиках и средних широтах северной части Тихого океана, свидетельствуя, что взаимодействие между тропиками и средними широтами в зимние время играет важную роль в межгодовой изменчивости осадков в МЮВА.

Принимая во внимание то, что установленные связи с осенними и зимними аномалиями ТПО в Индийском океане заметно ослабевают весной, сложно предложить механизм, объясняющий, каким образом осенние и зимние аномалии ТПО могут влиять на летние муссонные осадки. Это же можно сказать и о связях между летними осадками в МЮВА и зимними аномалиями ТПО в северной части Тихого океана. Тем не менее, само знание специфики этих связей является необходимым базисом для понимания механизмов формирования межгодовой изменчивости летнего Азиатского муссона. В параграфе 5.5 подводятся итоги выполненного в главе анализа и формулируются основные выводы.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

1. Установлено, что вклад сезонного хода в общую изменчивость ТПО и температуры воздуха составляет 80-90% в средних широтах в Атлантическом и Тихом океанах. Относительный вклад гармоник сезонного хода в изменчивость атмосферного давления составляет лишь половину от аналогичного вклада в изменчивость ТПО и температуры воздуха. Общими чертами годового хода ТПО и температуры воздуха над океанами являются положения максимумов и минимумов амплитуд, а также главные направления распространения годовых гармоник. Разница фаз годового хода ТПО и температуры воздуха (ТПО

запаздывает по отношению к годовому ходу температуры воздуха на 0.3-0.5 мес) связана с адвекцией континентального воздуха и переносом сезонного сигнала в поле ТПО главными океанскими течениями. Последний из упомянутых процессов приводит к росту фаз годового хода ТПО вдоль западных пограничных течений.

2. Главные ЭОФ моды (отражающие межгодовую и междекадную изменчивость) европейских осадков и температуры воздуха демонстрируют хорошо выраженную сезонную зависимость. Роль САК в изменчивости климата Европы существенно меняется от сезона к сезону, и в отдельные сезоны важную роль играют другие региональные режимы атмосферной циркуляции (например, Скандинавская и Восточно-Атлантическая — Западно-Российская колебательные структуры в поле давления). Выявлена существенная нестационарность связей регионального климата с САК.

3. Получены количественные оценки изменчивости испарения в Средиземном море. Ведущую роль в изменчивости испарения на междекадных масштабах играет ТПО, а на межгодовых - атмосферная динамика, в частности Восточно-Атлантическое колебание в поле атмосферного давления. Летом роль ТПО в изменчивости испарения заметно усиливается, а роль атмосферной динамики существенно ослабевает, что свидетельствует о различной роли динамических и термодинамических факторов в формировании изменчивости средиземноморского испарения в разные сезоны.

4. Установлено, что структура пространственного распределения влагосодержания атмосферы в тропиках определяется, главным образом, термодинамической взаимосвязью между влагосодержанием и температурой. Изменчивость влагосодержания атмосферы в тропиках обусловлена преимущественно динамическим фактором.

5. Главным сигналом в межгодовой изменчивости влагосодержания атмосферы в тропиках является ЭНЮК. В частности, очень хорошо выражены мощные явления ЭНЮК 1982/83 и 1997/98 гг. Цикл явления ЭНЮК 1986-1989 гг. испытывал влияние как динамического, так и термодинамического

факторов. Однако ЭНЮК начала 1990-х годов находилось под доминирующим влиянием динамического фактора, что свидетельствует о различной природе отдельных явлений ЭНЮК.

6. Показано, что положительные тренды влагосодержания атмосферы в тропиках являются преобладающими над океаном (где их величины достигают 0.2-0.3 кг/м2 в год). Отрицательные тренды (до -0.3 кг/м2 в год) были обнаружены над экваториальной Африкой и Бразилией. Тренды в основном обусловлены динамическим фактором.

7. Установлен различный характер межгодовой изменчивости осадков в двух главных подсистемах летнего Азиатского муссона - Индийском муссоне и муссоне Юго-Восточной Азии. Выявлено, что первые ЭОФ моды осадков (характеризующие их межгодовую изменчивость) в двух муссонных подсистемах связаны с принципиально различными структурами аномалий ТПО в Индийском и Тихом океанах.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своим учителям в науке: безвременно ушедшему Сергею Сергеевичу Лаппо, доктору физико-математических наук, профессору, чл.-корр. РАН, с 1995 по 2006 гг. директору ИО РАН, и Сергею Константиновичу Гулёву, доктору физико-математических наук, профессору, чл.-корр. РАН, заведующему Лабораторией взаимодействия океана и атмосферы и мониторинга климатических изменений ИО РАН, в содружестве и творческом партнерстве с которыми был получен ряд представленных в работе результатов. Автор благодарит соавторов своих публикаций за плодотворное сотрудничество и выражает признательность друзьям и коллегам в российских и зарубежных научных центрах за полезные обсуждения результатов работы.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Зверяев И.И., Яшаяев И.М. Сезонная изменчивость полей давления, температуры воды и воздуха в Северной Атлантике по данным COADS // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1996. № 2. С. 222-239.

2. Разоренова О.А., Зверяев И.И. Характеристики низкочастотной изменчивости средней тропосферы северного полушария в зимний период. Часть 1. Дисперсии, тренды, дальние связи, изаномалы поля геопотенциала АТ-500 // Метеорология и гидрология. 1996. № 5. С. 83-96.

3. Разоренова О. А., Зверяев И.И. Характеристики низкочастотной изменчивости средней тропосферы северного полушария в зимний период. Часть 2. Индексы атмосферной циркуляции и аномальность поля геопотенциала АТ-500 // Метеорология и гидрология. 1996. № 6. С. 73-82.

4. Зверяев И.И., Разоренова О.А. Сравнительный анализ характеристик сезонного хода приземного давления и геопотенциала на уровне 500 гПа // Метеорология и гидрология. 1997. № 1. С. 27-36.

5. Zveryaev I.I. Decadal and longer changes of the sea level pressure fields and related synoptic activity over the North Atlantic // Int. J. Climatol. 1999. Vol. 19. P. 1177-1185.

6. Zveryaev 1.1., Selemenov KM. Decadal scale changes in the annual cycle of the North Pacific sea surface temperature // Int. J. Climatol. 2000. Vol. 20. P. 16391651.

7. Yashayaev IM, Zveryaev I.I. Climate of the Seasonal Cycle in the North Pacific and North Atlantic Oceans // Int. J. Climatol. 2001. Vol. 21. P. 401 -417.

8. Zveryaev I.I. Interdecadal changes in the zonal wind and the intensity of intraseasonal oscillations during boreal summer Asian monsoon // Tellus. 2002. Vol. 54. P. 288-298.

9. Zveryaev 1.1., Chu P.-S. Recent climate changes in precipitable water in the global tropics as revealed in NCEP/NCAR reanalysis // J. Geophys. Res.-Atmos. 2003. Vol. 108. D10. 4311. doi:10.1029/2002JD002476.

10. Zveryaev 1.1., Aleksandrova MP. Differences in rainfall variability in the South and Southeast Asian summer monsoons // Int. J. Climatol. 2004. Vol. 24. P. 1091-1107.

11. Zveryaev I.I. Seasonality in precipitation variability over Europe // J. Geophys. Res.-Atmos. 2004. Vol. 109. D051103. doi: 10.1029/2003JD003668.

12. Zveryaev 1.1., Allan R.P. Water vapor variability in the tropics and its links to dynamics and precipitation // J. Geophys. Res.-Atmos. 2005. Vol. 110. D21112. doi:10.1029/2005JD006033.

13. Zveryaev I.I. Seasonally varying modes in long-term variability of European precipitation during the twentieth century // J. Geophys. Res.-Atmos. 2006. Vol. 111. D21116. doi: 10.1029/2005JD006821.

14. Зверяев И.И. Климатология и долгопериодная изменчивость годового хода температуры воздуха над Европой // Метеорология и гидрология. 2007. № 7. С. 18-24.

15. Зверяев И.И., Гулёв С.К. Сезонность и нестационарность изменчивости Европейского климата в двадцатом веке // Доклады Академии Наук. 2007. Т. 416. №5. С. 1-4.

16. Zveryaev I.I., Wibig J. Allan R.P. Contrasting interannual variability of atmospheric moisture over Europe during cold and warm seasons // Tellus. 2008. Vol. 60A. P. 32-41.

17. Зверяев И.И., Архипкин А.В. Структура климатической изменчивости температуры поверхности Средиземного моря. Часть I: Стандартные отклонения и линейные тренды // Метеорология и гидрология. 2008. № 6. С. 55-64.

18. Зверяев И.И., Архипкин А.В. Структура климатической изменчивости температуры поверхности Средиземного моря. Часть II: Главные моды изменчивости // Метеорология и гидрология. 2008. № 7. С. 58-66.

19. Zveryaev I.I. Interdecadal changes in the links between European precipitation and atmospheric circulation during boreal spring and fall // Tellus. 2009. Vol. 61A. P. 50-56.

20. Zveryaev 1.1., Gulev S.K. Seasonality in secular changes and interannual variability of European air temperature during the twentieth century // J. Geophys. Res.-Atmos. 2009. Vol. 114. D02110. doi: 10.1029/2008JD010624.

21. Zveryaev 1.1., Rudeva I. A. Intraseasonal non-stationarity of the leading modes of atmospheric moisture over Europe during summer // Climate Dynamics. 2010. doi: 10.1007/s00382-009-0701-х.

22. Zveryaev 1.1., Allan R.P. Summertime precipitation variability over Europe and its links to atmospheric dynamics and evaporation // J. Geophys. Res.-Atmos. 2010. Vol. 115.D12102.doi: 10.1029/2008JD011213.

23. Allan R.P., Zveryaev I.I. Variability in the summer season hydrological cycle over the Atlantic-Europe region 1979-2007 // Int. J. Climatol. 2011. doi: 10.1002/joc.2070.

24. Zveryaev 1.1., Hannachi A P. Interannual variability of Mediterranean evaporation and its relation to regional climate // Climate Dynamics. 2012. doi: 10.1007/s00382-011-1218-7.

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано в печать 04.07.2013 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ 260. Тел./факс: (495) 939-3890,939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 527 к.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Зверяев, Игорь Иванович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ

им. П.П. ШИРШОВА

05201352059

Зверяев Игорь Иванович

СЕЗОННЫЙ ХОД И СЕЗОННОСТЬ В ИЗМЕНЧИВОСТИ

КЛИМАТА

на правах рукописи

25.00.28 - океанология; 25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание учёной степени доктора географических наук

МОСКВА - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Цели и задачи работы 5

Глава 1. Массивы данных и методы анализа 18

1.1. Данные судовых и станционных наблюдений 18

1.2. Спутниковые данные 19

1.3. Климатические индексы 21

1.4. Данные реанализов 22

1.5. Гармонический анализ 23

1.6. Анализ главных компонентов 25

Глава 2. Структура сезонного хода температуры поверхности океана, температуры воздуха и приземного давления над океанами

Северного полушария 27

2.1. Введение 27

2.2. Относительная роль сезонного хода в общей изменчивости климатических параметров 28

2.3. Амплитуды и фазы годовой гармоники 32

2.4. Амплитуды и фазы полугодовой гармоники 41

2.5. Примеры изменчивости характеристик сезонного хода 48

2.6. Выводы 59

Глава 3. Сезонность разномасштабных вариаций климата

Европейско-Средиземноморского региона 62

3.1. Введение 62

3.2. Межгодовая и вековая изменчивость 64

3.3. Главные моды изменчивости осадков 73

3.4. Главные моды изменчивости температуры воздуха 79

3.5. Связи с режимами атмосферной циркуляции 84 3.5. а. Корреляции с полями приземного давления 84 3.5.6. Скользящие корреляции между главными компонентами

ведущих ЭОФ и индексом САК

3.6. Главные моды изменчивости испарения с поверхности Средиземного моря и их связь с ТПО и другими климатическими параметрами

3.7. Выводы

Глава 4. Проявление сезонных особенностей в изменчивости климата тропиков

4.1. Введение

4.2. Вклад динамических и термодинамических факторов в изменчивость влагосодержания атмосферы в тропиках

4.3. Сезонные климатологии и стандартные отклонения

4.4. Главные моды изменчивости влагосодержания атмосферы в

тропиках 134

4.5. Трендовые изменения и связи между влагосодержанием атмосферы и осадками 139

4.6. Анализ региональных временных рядов 147

4.7. Выводы 154

Глава 5. Азиатский муссон как наиболее мощный сезонный сигнал в тропической зоне 159

5.1. Введение 159

5.2. Климатология и межгодовая изменчивость осадков в

Индийском муссоне и муссоне Юго-Восточной Азии 162

94

105 118

123

123

124 129

5.3. Главные моды в изменчивости муссонных осадков 164

5.4. Связи с изменчивостью ТПО в тропической зоне Индийского

и Тихого океанов 169

5.5. Выводы 182

Заключение. Основные результаты работы 185

Список литературы 188

Введение. Цели и задачи работы.

Климат и погода оказывают значительное влияние на жизнь человека и его хозяйственную деятельность. Вследствие этого, изменения климата и разномасштабные климатические аномалии всегда вызывали живой интерес не только в научном сообществе, но и среди других слоев населения. Этот интерес значительно усилился со времени начала инструментальных наблюдений примерно в середине девятнадцатого века. Возросшее в последние годы внимание к проблеме изменений климата (Gruza et al. 1999; Груза и Ранькова 2003) связано, в первую очередь, с так называемым глобальным потеплением и с участившимися климатическими аномалиями, такими, например, как летние тепловые волны над западной Европой в 2003 году (Beniston 2004, Schär et al. 2004, Tebaldi et al. 2006) и над Европейской территорией России в 2010 году (Черенкова и Золотокрылин 2010, Мохов 2011, Груза и Ранькова 2011, Золотокрылин и Титкова 2010, Barriopedro et al. 2011, Dole et al. 2011), а также аномально холодные зимы на Европейской территории России (Petoukhov and Semenov 2010). Такие климатические аномалии наносят серьёзный ущерб региональным экономикам, а также условиям проживания и здоровью людей.

Климатическая система характеризуется значительной изменчивостью в широком спектре пространственных и временных масштабов. Это отражено и в наиболее распространенном определении климата по А. С. Монину (1982): «Климат — это статистический ансамбль состояний, который проходит сложная система взаимодействия атмосферы, гидросферы и земной коры». Сезонный ход является наиболее мощным сигналом в спектре изменчивости климатической системы Земли. Под сезонным ходом того или иного

а)

99%-ный

доверительный

интервал

Последние 10000 лет

I %-ный доверительным шнервал

Последние 8500 лет '

10"' 10° / цикл год-1

10000

2000 1000 500 200 100 50

20 10 5 2 1

/"', юды

Рис. В.1. Спектры глобальной температуры воздуха (а) и температуры воздуха над Северной Атлантикой (б).

климатического параметра подразумевается совокупность годовой и кратных ей гармоник. В большинстве случаев годовая и полугодовая гармоники описывают большую (часто подавляющую) часть сезонного хода. Под сезонностью в данной работе подразумеваются проявления сезонных различий в разномасштабной изменчивости климата. Например, разнонаправленные (зимой и летом) тренды осадков (или других параметров). Наиболее сильные сезонные контрасты различных климатических параметров наблюдаются в средних широтах, особенно над континентами. В качестве иллюстрации относительной роли сезонного хода в общей изменчивости климата на рисунке В.1 представлены спектр временного ряда глобальной приземной температуры воздуха (Рис. В. 1а) из работы Mitchell (1976) и спектр временного ряда температуры воздуха в Северо-Атлантическом секторе (Рис. В. 16) по Kutzbach and Bryson (1974) приведенный в работе Монина и Шишкова (2000). Очевидно, что приведенные спектры демонстрируют ведущую роль сезонного хода в общей изменчивости климата. Другой наглядной иллюстрацией роли сезонного хода в общей изменчивости климата является рисунок 2.1, воспроизведенный из работы Yashayaev and Zveryaev (2001), на котором показан вклад сезонного хода (в процентах) в общую изменчивость температуры поверхности океана (далее ТПО), температуры воздуха и приземного давления над океанами Северного полушария. Хорошо видно, что вне тропиков (севернее 20°с.ш.) вклад сезонного хода в изменчивость термических параметров превышает 80%. Для приземного давления этот вклад несколько ниже, но также значителен.

Сезонный ход оказывает значительное влияние на изменчивость климата на различных пространственно-временных масштабах. Следует отметить, что большинство наиболее известных климатических феноменов (сигналов)

имеют хорошо выраженную сезонную зависимость. В качестве примера проявления такой зависимости в средних широтах можно назвать, например, сезонное (от зимы к лету) ослабление интенсивности синоптических процессов, а также сезонное смещение основных траекторий циклонов. Другим примером является сезонная динамика центров действия атмосферы, проявляющаяся в сезонности структуры Северо-Атлантического колебания (САК, НиггеП, 1995; БоНапё & а1, 2009). САК представляет собой крупномасштабное перераспределение воздушных масс между высокими широтами Северной Атлантики и субтропиками. Это перераспределение хорошо отражается в полях приземного давления и геопотенциала (НиггеП, 1995). Главные центры действия САК (с противоположными по знаку изменениями барических полей) располагаются в районе Исландии и Азорских островов. Как известно, феномен САК наиболее ярко проявляется в холодное время года, когда аномальные возмущения атмосферной динамики наиболее велики. Летом САК выражено гораздо слабее и его пространственная структура (с южным центром действия расположенным не над Азорскими островами, а над северной Европой) существенно отличается от структуры зимнего САК (БоИапс! е1 а1, 2009).

Несмотря на то, что амплитуды сезонного хода отдельных климатических параметров (например, температуры воздуха) в тропиках относительно (в сравнении со средними широтами) невелики, проявления сезонности главных климатических сигналов в тропиках хорошо известны. Наиболее ярким примером проявления сезонности в тропической зоне является Индийский муссон, характеризующийся сезонным изменением теплового контраста между сушей и океаном, ведущим к сезонной перестройке режима атмосферной циркуляции в регионе. В результате такой перестройки летом в районе Индийского субконтинента преобладают юго-

западные ветры, приносящие влагу с океана на материк, что (в совокупности с орографическим эффектом) приводит к аномально высоким осадкам. Напротив, зимний муссон характеризуется северо-восточными (т.е., направленными с материка на океан) ветрами и, как следствие, относительно низкими осадками (см. например, Романов 1979, 1994, Хромов и Петросянц 2001, Wang 2006). Другим примером проявления сезонности в тропиках является такой климатический феномен как Эль-Ниньо, также демонстрирующий хорошо выраженную сезонную эволюцию. Связанные с Эль-Ниньо аномалии ТПО в тропической зоне Тихого океана, как правило, начинают формироваться в конце весны. Затем, в течение нескольких месяцев они усиливаются, распространяются на запад и достигают своих максимальных значений в январе-феврале, после чего относительно быстро разрушаются (Diaz et al. 2001). Так называемая внутритропическая зона конвергенции (далее ВЗК) также характеризуется хорошо выраженной сезонной динамикой. В летнее время (июнь - август) ВЗК смещается к северу, зимой наблюдается миграция ВЗК в южном направлении.

Существует два подхода к определению сезонного хода. Более традиционным является подход, при котором климатологический сезонный ход определяется путем осреднения данных для каждого месяца (или сезона) за много лет. Полученный таким путем набор средних (месячных или сезонных) полей того или иного параметра даёт общее представление о его сезонной изменчивости. Примеры таких полей могут быть найдены, например, в Атласе океанов (Горшков и др. 1974-1980), Mizuno and White (1983), World Ocean Atlas (1994). Существенным недостатком такого подхода является ступенчатая структура полученного сезонного хода и различная статистическая значимость средних значений, расчитанных для разных месяцев или сезонов. Возникают проблемы и с определением сезонов.

Сезонные максимумы и минимумы не наблюдаются одновременно над большими регионами. Таким образом, установка фиксированных календарных границ для различных сезонов может приводить к неточному определению естественных сезонов. Эта проблема рассматривается, в частности, в работе Прокопова (2009), где предложен подход к определению сезонов, учитывающий вероятностный характер распределения сроков начала переходных сезонов на календарной шкале года и их длительности.

Другой подход основан на параметрическом описании сезонного хода. Примеры такого подхода могут быть найдены в Wyrtki (1965), Oort and Rasmussen (1971), White and Wallace (1978), Horel (1982), Merle et al. (1980), Merle (1983), Мохов (1985), Лаппо и др. (1986), Levitus (1987), Гулёв и Зверяев (1990), Petrie et al. (1991), Wang (1994), Зверяев и Яшаяев (1996). Во избежание часто случающегося смешения понятий «сезонный ход» и «годовой ход», отметим, что мы рассматриваем сезонный ход как сумму годовой, полугодовой и других кратных году гармоник. Таким образом, годовой ход представляет собой часть (как правило, наиболее важную) сезонного хода. В упомянутых выше работах сезонный ход описывается амплитудами и фазами годовой, полугодовой и других кратных году гармоник. Такой подход позволяет получить соответствующее сезонное значение того или иного параметра в любой момент года, а также выделить зимние и летние поля параметров в соответствии с установленными путём анализа фаз минимумами и максимумами в годовом ходе. Параметрическое описание сезонного хода даёт возможность получить более точную (в сравнении с традиционным подходом) количественную оценку характеристик сезонного хода. Анализ пространственного распределения амплитуд и фаз помогает установить природу сезонного хода в различных регионах, и выявить механизмы, формирующие изменения структуры сезонного хода.

Такой анализ позволяет выявить региональные особенности поглощения приходящей солнечной энергиии и её перераспределения различными компонентами глобальной климатической системы. Характеристики сезонного хода могут использоваться при инициализации климатических моделей, а также могут служить достаточно жестким критерием для оценки способности различных моделей воспроизводить сезонный ход в климатической системе (Giese and Carton, 1994).

В сравнении с материками, где сезонный ход является преобладающим (особенно в средних широтах) в общей изменчивости климатических параметров, в океанах и морях роль сезонного хода (и его характеристики) в общей изменчивости существенно различается в разных бассейнах и для разных параметров. Особая роль океана в климатической системе заключается в том, что обладая высокой теплоёмкостью, океан является относительно "медленным" компонентом климатической системы, характеризующимся значительно меньшими амплитудами сезонного хода по сравнению с атмосферой. Относительно медленное накопление энергии в теплый сезон и ее медленная передача в атмосферу в зимний существенно уменьшает сезонные тепловые контрасты в характеристиках океана, в том числе в сезонном ходе температуры поверхности океана, осуществляющей непосредственное взаимодействие с приводной атмосферой. Это приводит, в частности, к изменению амплитуд и фаз главных гармоник сезонного хода температуры воздуха. Кроме того, океан, перенося (с главными океанскими течениями) значительные запасы тепла из тропиков в высокие широты, уменьшает тепловой контраст между высокими и низкими широтами, что тоже приводит к трансформации характеристик сезонного хода. Сложная структура сезонного хода поверхностных характеристик океана, несмотря на долгую историю исследований (Романов, 1970; Mizuno and White, 1983;

JIanno и др., 1986; Levitus, 1987; Giese and Carton, 1994) изучена недостаточно, в частности для анализа проявлений сезонности климатической изменчивости. Поэтому исследование роли сезонного хода в изменениях климата над океанами представляется весьма актуальным. Именно поэтому одной из главных задач исследования являлся анализ характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров над океанами на основе современных массивов данных. Построение детальной количественной картины пространственного распределения основных характеристик (прежде всего амплитуд и фаз) сезонного хода над океанами и их количественная оценка на основе современных данных крайне необходимы для понимания причин современных климатических изменений и достоверного прогнозирования колебаний климата в будущем.

Недавние работы (Zveryaev and Selemenov 2000, Bograd et al. 2002, Елисеев и др. 2006, Зверяев 2007, Stine et al. 2009, Qian et al. 2011) свидетельствуют о том, что характеристики сезонного хода различных климатических параметров (и в различных регионах земного шара) существенно меняются не только в пространстве, но и во времени. При этом меняются не только амплитуды (что может свидетельствовать о разнонаправленных изменениях зимних и летних значений того или иного климатического параметра), но и фазы главных гармоник (что, в случае годовой гармоники, указывает на более раннее, или более позднее наступление очередного сезона). Проявления сезонности в изменениях климата, которым до недавнего времени уделялось относительно немного внимания, также являются отражением изменений характеристик сезонного хода. Например, рост летних и понижение зимних температур воздуха в конкретном регионе приводят к увеличению амплитуды годового хода температуры в этом регионе. Противоположные сезонные тенденции

приводят к уменьшению амплитуды годового хода температуры воздуха. Иными словами, отмеченные выше процессы означают, что региональный климат становится более суровым (в случае роста амплитуд годового хода), или более мягким (в случае уменьшения амплитуд). Наряду с анализом характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров, исследование проявлений сезонности в межгодовых изменениях климата различных регионов являлось одной из основных задач выполненной работы.

Более глубокое и детальное знание пространственно-временной структуры сезонного хода, его межгодовой и междекадной изменчивости, а также взаимодействия с процессами на других временных масштабах является крайне важным для корректного моделирования климата (Frankignoul and Reynolds, 1983; Kim and North, 1993; Lau and Nath, 1994) и диагноза его изменений (Oort and Rasmussen, 1971; Deser and Blackmon, 1993). Знание структуры сезонной изменчивости обеспечивает базис для мониторинга изменений климата на различных пространственно-временных масштабах. Работа нацелена на выявление и анализ механизмов, формирующих сезонные особенности в изменениях климата, что является критически важным для успешного прогноза климатических аномалий на сезонных и более длительных временных масштабах.

Основная цель диссертации состоит в выявлении и количественном описании пространственной структуры характеристик сезонного хода ключевых климатических п