Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структура многолетних колебаний осадков на русской равнине

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Структура многолетних колебаний осадков на русской равнине"

Гч

<5" ^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК _ ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи

Попова Валерия Васильевна УДК 551.583.1(2)

СТРУКТУРА МНОГОЛЕТНИХ КОЛЕБАНИЙ ОСАДКОВ НА РУССКОЙ РАВНИНЕ

11.00.09 - метеорология, климатология агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена в Лаборатории климатологии Института географии Российской Академии наук

Научный руководитель -

доктор географических наук, профессор А.Н.Кренке

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Л.П.Кузнецова

кандидат географических наук P.M. Вильфанд

Ведущая организация - Кафедра метеорологии и климатологии географического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова

Защита диссертации состоится <$9>>дёКй6рЯ> 1997 года в 10 часов на заседании специализированного Диссертационного совета (Д.003.19.03) при Институте географии РАН по адресу: Москва, 109017, Старомонетный пер., 29, Институт географии РАН, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии РАН, по адресу: Москва, Старомонетный пер., 29.

Просьба высылать отзывы на автореферат (2 экз.) в Институт географии РАН по указанному адресу на имя Ученого секретаря.

Автореферат разослан <Д>Я0Л 6f>5l 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат географических наук

Г.М.Николаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Фундаментальная проблема исследования изменения климата включает в себя изучение его региональных проявлений. В отношении атмосферных осадков эта задача особенно актуальна. Осадки, являясь основной приходной компонентой водного баланса земной поверхности и одной из важнейших климатических характеристик, отличаются высокой изменчивостью во времени и в пространстве. Изучение пространственных и временных особенностей многолетних колебаний осадков на территории Русской равнины и определяющих их факторов имеет большое значение для исследования научных проблем - выявления условий формирования многолетнего режима осадков и разработки региональных сценариев будущих изменений климата. Не менее важно знание основных закономерностей многолетних колебаний осадков при решении ряда практических задач, связанных с рациональным использованием водных ресурсов.

Изучение многолетних колебаний осадков представляет собой самостоятельную научную проблему, которая активно развивается с 60-х годов. Методические разработки по интерпретации и представлению данных сетевых метеорологических наблюдений над осадками [Ц.А.Швер,1976,1984; A.B.Мещерская, Н.А.Болдырева, К.В.Леднева, К.МЛугина, 1977,1978,1988; Н.И.Ефремова,1976, и др.], результаты изучения статистических характеристик изменчивости осадков, полученные в работах Р.Л.Кагана [1973,1974], Г.В.Грузы, Э.Я.Раньковой, Е.Г.Апасовой [1979,1982,1985,1987], К.М.Лугиной, A.B.Мещерской [1970,1978], А.А.Исаева [1981,1986] и других авторов, а также, исследования и гипотезы, касающиеся факторов формирования режима осадков [О.А..Дроздов, 1971, 1977, 1981, 1986; ПЛ.Гройсман, 1981, Ф.З.Батталов, 1968, и др.] значительно расширили знания в этой области. Вместе с тем, задача выявления закономерностей многолетнего режима осадков на территории Русской равнины и формирующих его макроциркуляционных факторов, остается еще не изученной. Накопленные к настоящему времени данные о колебаниях осадков в

историческом прошлом, выполненные на основе реконструкций по косвенным показателям, предоставляют возможность судить об устойчивости пространственных и временных особенностей многолетнего режима осадков, установленных по данным инструментальных наблюдений, что представляет интерес с точки зрения разработки сценариев будущих изменений климата.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы заключается в выявлении пространственных и временных закономерностей многолетних колебаний атмосферных осадков на территории Русской равнины и основных факторов, их определяющих.. В рамках данного исследования были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать пространственную связанность колебаний годовых осадков на Русской равнине и ее зависимость от циркуляционного режима.

2. Выделить на территории Русской равнины районы, однородные по характеру многолетних колебаний осадков.

3. Установить частотно-временную структуру многолетней изменчивости осадков и оценить соотношение низкочастотной и высокочастотной составляющих по выделенным районам, однородным по характеру колебаний осадков.

4. Оценить роль режима циркуляции атмосферы в многолетних колебаниях осадков на Русской равнине и формировании их пространственной и временной структуры, используя различные показатели изменений циркуляционных процессов.

5. Установить проявления пространственных особенностей многолетних колебаний осадков в природной среде (на примере колебаний уровня Каспия).

6. Исследовать проявления пространственных особенностей колебаний осадков на Русской равнине, установленных по данным за инструментальный период, в историческом прошлом, используя результаты климатических реконструкций.

Научная новизна. На основе объективных методов проведено районирование территории Русской равнины по характеру колебаний осадков, отвечающее макроциркуляционным условиям формирования их многолетнего режима.

Исследованы пространственные особенности соотношения низкочастотной и высокочастотной составляющих в колебаниях осадков и выявлена роль циркуляционного режима в формировании их

пространственной и временной структуры за период инструментальных наблюдений.

Показано, что основные пространственные особенности колебаний осадков, установленные по данным за период инструментальных наблюдений, проявляются и во времена малого ледникового периода.

Методика исследований и исходные данные. Исследования проводились методами многомерной статистики и анализа временных рядов. В частности, для решения задачи районирования территории Русской равнины по характеру многолетних колебаний осадков применен метод разложения по ортогональным проекциям (метод главных компонент). Применение спектрального анализа позволило установить частотно-временную структуру многолетних колебаний осадков, а также изменений циркуляции атмосферы.

Основным исходным материалом для исследования послужили данные об осадках за период с 1891-1983 гг., осредненные по площадям 45 административных районов на Европейской территории бывшего СССР [Н.И.Ефремова, 1976; К.В.Леднева, А.В.Мещерская, 1977; A.B.Мещерская, Н.А.Болдырева, 1988], и трех сопредельных государств на территории Центральной Европы (Польша, Германия, Чехословакия) [Baur F.,1975; Kozuchovski К.,1985; Brazdil R.,1986], Использовались, также , точечные данные об осадках по 30 пунктам на территории Русской равнины, предоставленные ГГО им А.И.Воейкова. Объектом исследований являются годовые суммы осадков и осадки холодного периода. Выбор указанных данных определялся их значением для формирования условий увлажнения исследуемой территории, а также более высокой по сравнению с осадками летнего периода обусловленностью процессами общей циркуляции атмосферы. В качестве показателей изменения циркуляционных процессов использовались данные о продолжительности действия элементарных циркуляционных механизмов (ЭЦМ) по классификации Б.Л.Дзердзеевского за период с 1899-1983гг. [1946,1970], многолетние данные о характеристиках Азорского антициклона и Исландской депрессии [М.Х.Байдал и др., 1994] и индекса меридиональное™ Х.П.Погосяна-А.А.Павловской [1977].В работе также анализировались данные о колебаниях осадков и водности рек в историческом прошлом, реконструированные на основе косвенных показателей колебаний климата [В.А.Климанов, 1982,1984,1985,1988,1995; М.М.Чернавская, 1989,1995; Э.Г.Московкина, 1960; Г.И.Швец, 1972].

Практическая ценность. Результаты исследования могут быть использованы:

-для разработки регионального климатического прогноза, -при оценке достоверности климатических реконструкций последнего тысячелетия,

-при выборе оптимального расположения реперных пунктов для получения исходных данных для климатических реконструкций, -для развития сети климатического мониторинга, -для ряда практических задач, связанных с рациональным использованием водных ресурсов: планирования ресурсов водопотребления, строительства и эксплуатации гидросооружений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Советско-Американском симпозиуме по палеоклимату (Москва, сентябрь 1987), школе-семинаре ИВ ПАН (Звенигород, октябрь1987), заседании Географического общества (декабрь 1987), семинаре МГУ им.М.В.Ломоносова по проблеме Каспийского моря (Москва, январь

1988), VI Всесоюзной конференции по применению статистических методов в метеорологии (Светлогорск, май 1989), Международном симпозиуме по колебаниям климата в прошлом и настоящем (Брно,

1989), Международном симпозиуме по колебаниям климата (Финляндия, 1994), Международной конференции «Каспий-95» (Москва, июнь 1995), а также на научных семинарах лаборатории климатологии и гидрологии ИГ РАН.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем Ц5страниц, включая 29 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 104 названия.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели и задачи исследования, сформулированы основные положения, составляющие предмет защиты.

В Главе 1 - приводится обзор предшествующих исследований, посвященный многолетним колебаниям атмосферных осадков и дается характеристика исходных данных.

Глава 2. Пространственная связанность многолетних колебаний

атмосферных осадков на Русской равнине Кратко рассматриваются основные параметры пространственной связи колебаний осадков и методы их изучения. Обычным методом

определения параметров пространственной связанности является вычисление корреляционных функций, которые получают путем расчета парных коэффициентов корреляции между осадками на любых двух станциях и осреднения полученных значений по градациям расстояний. Радиус корреляции является основным параметром корреляционной пространственной связанности осадков, который позволяет судить о пространственных масштабах колебаний. Наиболее информативным методом оценки пространственных связей колебаний осадков является построение поля изокоррелят для избранного центра корреляции. При этом радиус корреляции рассчитывается в нескольких направлениях и может служить характеристикой анизотропности поля корреляции.

Дается анализ поля корреляции колебаний годовых осадков на Русской равнине с центром в Москве, построенного путем расчета парных коэффициентов корреляции (с учетом их статистической значимости на 95% уровне) по данным 18 станций. Отмечается выраженная анизотропность поля: область высоких значений связи, ограниченная изокоррелятой 0,7, вытягивается в юго-восточном направлении почти на 700км, в то время как ее протяженность в северовосточном направлении вдвое меньше. То есть, в направлении на северо-восток связь колебаний осадков с осадками в центре убывает вдвое быстрее, чем в юго-восточном направлении.

Делается предположение о том, что поле корреляции годовых осадков является результирующим, как по отношению к сезонным осадкам, так и по отношению к осадкам, выпавшим в годы с преобладанием того или иного циркуляционного режима. По классификации Б.Л.Дзердзеевского за период с 1899-1983 гг. были выделены 37 лет с повышенной продолжительностью (выше средней за указанный период) меридиональных типов ЭЦМ и 38 лет с преобладанием зональных типов ЭЦМ. Чтобы оценить влияние циркуляционных процессов на характер пространственной корреляции осадков для указанных последовательностей лет, так же, как и для всего периода, были рассчитаны парные коэффициенты корреляции и построены поля изокоррелят с центром в Москве. Сравнение полей корреляции осадков в годы активизации меридиональных и зональных процессов показывает, что при малых отличиях в тесноте связи и наличии анизотропности в том и другом случае, характер анизотропности различен. В годы активизации меридиональных процессов области изокоррелят вытянуты в меридиональном направлении, причем радиус корреляции в направлении на юго-запад намного превышает его протяженность на запад и северо-запад, а в

направлении на восток его величина незначительна. В годы, когда в циркуляции атмосферы преобладает западный перенос, в ориентации поля изокоррелят появляется значительная зональная составляющая. В целом области корреляции в этом случае вытянута в юго-восточном направлении. В этом направлении отмечается и наибольшее значение радиуса корреляции, в направлении на юго-запад, северо-запад и северо-восток их величина примерно одинакова и почти вдвое уступает наибольшему радиусу корреляции. Приводятся параметры сжатия эллипсов корреляции.

Делается вывод о том, что характер пространственной связи колебаний осадков может значительно различаться год от года в зависимости от направления переноса воздушных масс, формирующих режим осадков. Интенсивный западный перенос вызывает усиление связи колебаний осадков в центре Русской равнины в зональном направлении, а при активизации меридиональных процессов наиболее тесная связь в колебаниях осадков отмечается вдоль меридиана.

Особенности пространственной связанности колебаний годовых осадков по территории Русской равнины определяются различиями циркуляционных условий формирования режима осадков на севере и юге Русской равнины. Для исследования характера пространственной связанности годовых сумм осадков в зависимости от географического положения полюса корреляции были построены изокорреляты ( при коэффициенте корреляции 0,7) с центрами в 13 точках на Русской равнине для периода 1891-1983 гг. в целом и для последовательностей лет, выделенных по преобладанию меридиональных и зональных типов ЭЦМ (рис.1).

Анизотропность поля корреляции колебаний годовых осадков, обнаруженная для центра Русской равнины, характерна в той или иной степени и для всей территории в целом, но характер и степень анизотропии различаются как по территории, так и в годы активизации зональных или меридиональных ЭЦМ. По данным за весь период в южных районах Русской равнины связь колебаний годовых осадков убывает с расстоянием медленнее по меридиану, чем по широте. В центре и на северо-западе наиболее тесная связь в колебаниях осадков отмечается в юго-восточном направлении, на севере - вдоль широты, а на востоке - в направлении на юго-запад.

В годы с преобладающими меридиональными ЭЦМ на южной части Русской равнины наблюдается усиление связанности осадков по долготе. Особенно значительно это усиление между 30-м и 40-м меридианом, где связанность осадков по долготе в годы активизации

10 20 30 40 50 60

для 13 центров корреляции в годы преобладания зональных (1) и меридиональных (2) ЭЦМ.

меридионального переноса становиться значительно теснее, чем вдоль широты. Отмечается асимметричность областей корреляции относительно центров. Так связь осадков на северо-западе Русской равнины с южными районами теснее, чем с северными. На юго-западе, напротив, максимальная связь отмечается к северу от центра корреляции. Ближе к центру Русской равнины связанность осадков с западными районами выше, чем с восточными. Зональный перенос усиливает связанность годовых осадков по широте. Области изокоррелят вытягиваются в широтном направлении на всей территории севернее 55-й параллели. В южных районах связь в меридиональном

направлении, как правило, остается более тесной. Т. е., на юге Русской равнины характер корреляции осадков не меняется при активизации зонального переноса, так же как на севере связанность осадков по широте остается более тесной и в годы с преобладанием меридиональных ЭЦМ. Это свидетельствует о том, что зональные ЭЦМ не играют значительной роли в формировании многолетнего режима осадков на юге Русской равнине, а меридиональные процессы в циркуляции атмосферы, в свою очередь, слабо влияют на колебания годовых осадков на севере.

Установлены пространственные масштабы колебаний годовых осадков. На уровне корреляции 0,7 в зависимости от направления географического положения и направления наиболее высокой связанности они варьируют от 100 до 500км. Пространственные масштабы колебаний на уровне статистически значимой корреляции достигают 1200 км.

Глава 3. Районирование территории Русской равнины по характеру колебаний осадков.

В первой части излагается постановка задачи и дается краткое описание метода. Районирование по характеру колебаний сводится к разделению исходных временных рядов, относящихся ко всей рассматриваемой территории, на группы по степени связанности и сходству временной структуры, определении их географического положения и границ. Для решения этой задачи в работе был применен метод главных компонент (или метод разложения на естественные ортогональные составляющие), основной принцип которого сводится к получению р линейных комбинаций переменных X в /»-мерном пространстве, таких, чтобы каждая линейная комбинация описывала как можно большую часть изменчивости X и в то же время была линейно не зависима от всех других главных компонент. Главная компонента У/ представляет собой некоторую линейную комбинацию р переменных У^хХ^гЪ^-^рКр], 7=1,2,...,«, (1)

где Рь Р2 , •••> - коэффициенты, представляющие собой веса переменных. Первая главная компонента Ух представляет собой линейную комбинацию р переменных с коэффициентами Р}, равными нормированному характеристическому вектору, соответствующему наибольшему характеристическому корню ковариационной матрицы исходных переменных. Вторая главная компонента Y2 с

коэффициентами Р2 соответствует второму по величине характеристическому корню, и т.д. вплоть до р-й главной компоненты. В настоящей работе в качестве критерия для разделения рядов исходных переменных на группы, служат веса переменных в значимые главные компоненты.

Во второй части дается описание применения метода главных компонент для районирования территории Русской равнины по характеру колебаний осадков. Анализировались 49 переменных, соответствующих многолетним рядам годовых осадков (а также осадков холодного периода), осредненных по площади, для 49 областей, включая сопредельные территории Польши, Германии, Чехословакии. Приводятся значения весов переменных, собственных чисел главных компонент и процентных долей изменчивости, описываемой ими. Как в случае годовых осадков, так и для осадков холодного периода значимыми оказались три первые главные компоненты. В качестве критерия для выбора значимых главных компонент, помимо формальных критериев, в данной задаче задавалась доля от общей изменчивости колебаний, соответствующая необходимой степени детализации районирования и которую, следовательно, должны описывать выбранные главные компоненты. В данном случае это доля общей изменчивости, которая может быть обусловлена макроциркуляционным режимом. На основе анализа связи между колебаниями осадков в соседних административных областях она определена как 55% изменчивости для годовых осадков, 65% для осадков холодного периода. В случае годовых осадков три первые главные компоненты описывают 55% общей изменчивости осадков, а в случае осадков холодного периода 64%.

Следующий этап районирования сводился к группировке переменных (многолетних рядов осадков), в соответствии с весами переменных, определяющими их вклад в первые три главные компоненты. В результате все переменные разделяются на три группы: первая объединяет те из них, которые имеют наибольший вклад в первую главную компоненту, вторая - во вторую, третья - в третью главную компоненту. Переменные второй, а также третьей группы, были разбиты еще на две группы каждая в соответствии со знаком их весов. Таким образом, все 49 переменных распределились по пяти группам, которые на территории Русской равнины (каждая переменная отнесена к центру области, по которой производилось площадное осреднение) образовали пять районов (рис.2), причем все точки, соответствующие переменным одной группы, расположились в виде непрерывной

области, что может служить косвенным свидетельством правильности выбора значимых главных компонент. Географическое положение выделенных районов, их протяженность и число указывают на обусловленность макро-циркуляционными факторами, что соответствует поставленной задаче. Положение выделенных районов определяется следующим образом: I - запад Русской равнины, включающий Белоруссию, Западную Украину и Польшу; II - северозападная часть Русской равнины, объединяющая Прибалтику, Карелию, Ленинградскую, Псковскую, Новгородскую, Тверскую и Вологодскую области; III - центральная часть, включающая бассейны Оки и Дона и небольшую часть Волго-Вятского района; IV - восточная часть Русской равнины, на которой располагаются бассейн Камы, Средняя и Нижняя Волга; V - юг-запад Русской равнины, занятый основной частью Украины (за исключением западных и северных областей). Положение районов, однородных по характеру осадков холодного периода (рис.2), примерно такое же, как и в случае годовых осадков. Небольшие

25 30 3« 40-48 а

Рис. 2. Границы районов, однородных по характеру многолетних колебаний годовых осадков (1) и осадков холодного периода (2). 1-У- номера районов.

различия наблюдаются в положении границ между 7-ым и II-им, а также III-им и /К-ым районами.

В заключительной части дается анализ многолетних колебаний осадков на Русской равнине и их частотно-временной структуры по выделенным районам (рис.3,а,б). Приводятся основные характеристики многолетнего хода осадков для каждого района, установленного путем

Рис.3. Многолетний ход (годовые и пятилетние скользящие средние значения) (й) и функции спектральной плотности (б) колебаний годовых осадков по районам. 1-У - номера районов, однородных по характеру колебаний годовых осадков. 1 - границы 95%-го доверительного интервала.

осреднения рядов осадков по входящим в него административным областям. Показано, что многолетние колебания осадков в выделенных районах отличаются по амплитуде внутривековых изменений, их продолжительности, соотношению с межгодовыми колебаниями и временной привязке влажных и сухих периодов (рис.3,а). Частотно-временная структура колебаний осадков в каждом из выделенных районов определялась по виду функции спектральной плотности. Спектры рассчитывались с помощью метода оценивания параметрического представления процессов [В.Е.Привальский, 1985], позволяющего получить надежные оценки соотношения вклада низкочастотной и высокочастотной составляющих колебаний при исследовании коротких временных рядов. Все три типа спектров присутствуют в колебаниях годовых сумм осадков на территории Русской равнины (рис.3,б). Спектры по типу «красного шума» с преобладанием низкочастотных колебаний характерны для изменчивости осадков на северо-западе (район II) и востоке Русской равнины (район IV). Спектры колебаний годовых осадков на западе (район I) и в центре (район III) Русской равнины близки к «белому шуму», представляющему собой равномерное распределение спектральной плотности по частоте, в то же время в центре Русской равнины отмечается тенденция к увеличению доли двухлетнего цикла в изменчивости осадков по типу «синего шума», которая проявляется в возрастании функции спектральной плотности с частотой, но не превышающем уровень статистической значимости. Типичный «белый шум» дает спектральный анализ колебаний годовых осадков на юго-западе Русской равнины (район У). Сопоставление частотно-временной структуры изменчивости годовых осадков по районам, однородным по характеру их колебаний, показало, что на северо-западе и на востоке Русской равнины в изменчивости осадков преобладают длиннопериодные колебания (с длиной периода 10-30 лет). Равный вклад длиннопериодных и короткопериодных (межгодовых) колебаний в изменчивость годовых осадков характерен для юга Русской равнины, запада и центра. В центре в колебаниях осадков отмечается тенденция к увеличению роли двухлетней цикличности.

Глава 4. Циркуляционные механизмы колебаний осадков на Русской равнине

В первой части дается описание показателей многолетнего режима циркуляции атмосферы и их особенностей. В качестве показателей изменения циркуляционного режима в данной работе были выбраны

продолжительность действия ЭЦМ по классификации Б.Л.Дзердзеевского [1946,1970], а также количественные показатели процессов, формирующих циркуляционный режим над территорией Русской равнины - характеристики центров действия атмосферы, Исландской депрессии и Азорского максимума (аномалии давления, широты и долготы) [М.Х.Байдал и др.,1994] и индекс меридиональное™ Х.П.Погосяна-А.А.Павловской [1977]. Предлагается, таким образом, совместное применение визуальной классификации, какой является классификация Б.Л.Дзердзеевского, и количественных показателей циркуляционных процессов. По результатам взаимного корреляционного анализа делается вывод о том, что указанные данные о колебаниях циркуляционных процессов статистически не связаны между собой и, следовательно, не дублируют друг друга, а при совместном анализе более полно описывают изменчивость циркуляционных процессов на Русской равнине, чем каждый из них в отдельности.

Для классификации Б.Л.Дзердзеевского приводятся данные о роли каждого из типов зональной и меридиональной групп ЭЦМ в изменчивости циркуляции, полученные на основе корреляцинного анализа многолетнего хода продолжительности их действия. В годовом обобщении более 50% общей изменчивости зональных типов принадлежит 4-му и 5-му типу. В холодном полугодии среди зональных типов ЭЦМ ведущими являются 1-й и 7-й типы, на которые приходится более 50% изменчивости. Среди меридиональных типов по вкладу в изменчивость в холодном полугодии и, еще в большей степени, в годовом обобщении лидирует 12-й тип.

Во второй части рассматривается связь годовых осадков на Русской равнине ( как по среднему многолетнему ходу для выделенных по характеру колебаний осадков районов (Глава 2), так и по данным годовых осадков, осредненных по площади, для 30 административных районов) с различными показателями изменения циркуляционных процессов. Продолжительность действия группы меридиональных типов ЭЦМ в целом имеют положительную корреляцию с осадками на востоке Русской равнины (район IV), в этом же районе наблюдается несколько менее тесная противоположная по знаку связь с продолжительностью действия зональных групп ЭЦМ. Среди отдельных типов наиболее высокое значение корреляции отмечается между 12-ым типом и осадками в том же районе на востоке Русской равнине, а из группы зональных типов статистически значимая связь с колебаниями осадков обнаруживается на северо-западе, в районе II - с б-м типом, и с 1-м

типом - в К-ом районе, на юго-западе Русской равнины, В первом случае корреляция имеет положительный знак, во втором и третьем -отрицательный. В поле коэффициентов корреляции между колебаниями годовых осадков по 30-и административным областям и продолжительностью действия зональных типов ЭЦМ, выделяется область отрицательных значений корреляции с максимальными коэффициентами около 0,4, располагающаяся в восточной части Русской равнины, охватывающей Поволжье почти до Волгограда, нижнее течение Камы и часть районов Центральной России. Статистически значимая отрицательная связь наблюдается, также, на юго-западе Русской равнины, в южных областях Украины. Смена знака связи осадков с продолжительностью действия зональных типов ЭЦМ происходит на северо-западе Русской равнины, хотя статистически значимые значения положительной корреляции обнаруживаются только в районе Прибалтики. Поле корреляции годовых осадков с продолжительностью действия меридиональных ЭЦМ имеет тот же характер, но со сменой знаков на противоположные.

Делается вывод о том, что колебания годовых осадков на востоке, юго-западе и северо-западе Русской равнины зависят от типа преобладающих ЭЦМ, зональных или меридиональных. Увеличение продолжительности действия зональных типов ЭЦМ вызывает уменьшение годовых осадков на востоке и на юго-западе Русской равнины и увеличение на северо-западе. И наоборот, активизация меридиональных типов ЭЦМ ведет к уменьшению осадков на северо-западе и увеличению на юго-западе и на востоке Русской равнины. В западных и центральных районах Русской равнины, за исключением тех, что прилегают к восточной части, колебания годовых осадков не связаны со сменой ЭЦМ. Спектры взаимной когерентности между годовыми осадками и отношением продолжительности действия зональных типов ЭЦМ к меридиональным показывают, что, на периодах колебаний 10-30 лет на востоке Русской равнины наблюдается более тесная связь, чем для межгодовых колебаний. Значения функции взаимной когерентности в области периодов 10-30 лет для осадков на востоке Русской равнины достигают около 0.6 (рис.4). В центре и на западе Русской равнины также можно отметить тенденцию к усилению связи между колебаниями осадков и отношением продолжительности действия зональных ЭЦМ к меридиональным при увеличении периода колебаний, не выходящую, однако, за пределы уровня статистической значимости. При этом на западе Русской равнины эта связь имеет обратный характер.

Рис. 4. Функция взаимной когерентности колебаний осадков на востоке Русской равнины (район IV) и отношения продолжительности действия зональных ЭЦМ к меридиональным.

1 - уровень значимости,

2 - границы 95%-го доверительного интервала.

Поле корреляции колебаний годовых осадков на Русской равнине с индексом меридиональное™ Погосяна-Павловской имеет много общего с корреляцией между осадками и продолжительностью действия меридиональных типов ЭЦМ по Б.Л.Дзердзеевскому. Различия проявляются прежде всего в более тесной отрицательной связи на северо-западе и положительной на юго-западе, причем в этом случае области корреляции занимают территории, большие по площади, по сравнению с полем корреляции между осадками и продолжительностью действия меридиональных типов ЭЦМ.

Отклонение Исландской депрессии по широте, также может расцениваться как механизм усиления или ослабления зонального (или меридионального) переноса над Русской равниной. В поле корреляции аномалий широты Исландской депрессии с осадками на Русской равнине отмечены уже выявленные особенности связи осадков и циркуляции, в большей степени на юго-западе, в меньшей - на востоке и северо-западе.

На основании анализа приведенных связей между годовыми осадками на Русской равнине и показателями изменения циркуляционных процессов делается вывод о том, что колебания годовых осадков на востоке, юго-западе и северо-западе территории в значительной степени определяются циркуляционным режимом. Усиление зонального переноса вызывает увеличение годовых сумм осадков на северо-западе и уменьшение их на востоке и юго-западе, при активизации меридионального обмена больше осадков выпадает на востоке и юго-западе, а на северо-западе количество осадков уменьшается. Приводятся количественные оценки доли изменчивости годовых осадков, обусловленной изменениями циркуляционного режима, связанного с усилением западного переноса или меридионального обмена, рассчитанные исходя из независимости

перйод, годЬ1

использованных показателей циркуляционных процессов и значений их корреляции с колебаниями осадков.

Предлагается схема развития циркуляционных процессов, соответствующих зональной и меридиональной циркуляции на Русской равнине и обуславливающих определенные изменения в режиме увлажнения.

Показано, что пространственная и временная структура колебаний осадков на Русской равнине обусловлена режимом циркуляции атмосферы. Это вытекает из сопоставления полей корреляции между осадками и колебаниями показателей циркуляционных процессов и схемы районирования территории Русской равнины по характеру многолетних колебаний осадков, а также спектров многолетних колебаний осадков со спектром отношения продолжительности действия зональных ЭЦМ к меридиональным.

Глава 5. Проявления колебаний осадков на Русской равнине в

природной среде в последнем столетии и в историческом прошлом.

В первой части приводятся результаты сопоставления количества осадков на территории Русской равнины в годы активизации зональных и меридиональных ЭЦМ, которые определялись по превышению их продолжительности действия над средним многолетним значением (Гл.1). Были рассчитаны разности между средними годовыми суммами осадков в годы активизации меридиональных ЭЦМ и в годы активизации зональных ЭЦМ по 30 станциям. На обширной территории, охватывающей Поволжье, юг Украины и частично центральные районы Русской равнины, эти разности положительны, в среднем они составляют 40-50мм, что равняется почти половине величины межгодовой изменчивости осадков в этих регионах. К северу и к западу от указанных районов разница между годовыми осадками в годы с разным циркуляционным режимом уменьшается, становясь статистически незначимой. На северо-западе и севере Русской равнины, а также в районе Северо-Германской низменности разница меняет знак. Таким образом, в этих районах в годы активизации зональных процессов в годовом среднем осадков выпадает больше, чем при увеличении продолжительности действия меридиональных ЭЦМ. Делается предположение о том, что северные территории Русской равнины, которые из-за недостатка данных об осадках не рассматривались при выделении районов, однородных по характеру многолетних колебаний осадков, являются еще одним, VI-ым районом, близким по характеру колебаний осадков ко II-му (северо-запад Русской

равнины), но отличающемуся большей континентальностью. Показано, что увеличение средних сумм годовых осадков в Поволжье и на юге Украины в годы меридиональной циркуляции происходит за счет холодной половины года, а превышение осадков в годы усиления зонального переноса на севере и северо-западе в основном наблюдается в теплый период.

Дается объяснение распределения разницы в выпадении осадков в «меридиональные» и «зональные» годы между теплым и холодным полугодием с точки зрения сезонных особенностей циркуляции атмосферы над Русской равниной, связанных с ролью южных циклонов зимой и развития гребня Азорского антициклона летом. Приводятся результаты сопоставления последовательностей лет активизации меридиональной и зональной циркуляции по классификации Б.Л.Дзердзеевского с последовательностью чередования засушливых и аномально влажных лет для территории Русской равнины, построенных на основе каталогов Ю.Л.Раунера [1981], а также и А.В.Мещерской и В.Г.Блажевич [1978].

Во второй части показано, что колебания осадков на востоке Русской равнины и их связь с циркуляционным режимом проявляются в колебаниях уровня Каспийского моря в последнем столетии. Дается краткая справка по данным исследований колебания уровня Каспия и эволюции взглядов на эту проблему, которая привела к признанию изменений климата основным фактором колебания уровня. Установленные в настоящей работе особенности пространственной и временной структуры колебаний осадков на Русской равнине и их связи с циркуляционным режимом позволяют выяснить роль циркуляционных процессов в изменении уровня Каспия. Бассейн Волги, в котором формируется 80% поверхностного притока в Каспий, занимает большую территорию на Русской равнине, причем, по данным исследований и согласно схеме районирования Русской равнины по характеру колебаний осадков (Гл.З), основная часть стока Волги ( 87%) [И.С.Зайцева,1995] поступает из III и IV районов, где значительная доля изменчивости осадков, как это было установлено в Гл.4, определяется циркуляционным режимом - при активизации зональной циркуляции выпадает меньше осадков, и, наоборот, усиление меридионального обмена приводит к их увеличению. Установлено, что в среднем различия между годовыми осадками на основной части бассейна Волги в годы с тем и другим циркуляционным режимом составляет 40-50мм, причем в основном за счет холодного полугодия, что имеет большое значение для речного стока. В свою очередь, возрастание осадков в

бассейне Волги в годы усиления меридиональной циркуляции не может не приводить к увеличению поверхностного притока в Каспий. Это подтверждается сравнением основных составляющих водного баланса Каспия в годы с меридиональной и зональной циркуляцией. В годы с меридиональной циркуляцией возрастает поверхностный приток и уменьшается эффективное испарение. Установлено, что общее превышение приходных составляющих водного баланса в меридиональную эпоху по сравнению с зональной равняется 125мм. Это согласуется с данными Г.С.Голицына, Г.Н.Панина и др.[1990] о высокой отрицательной корреляции между речным стоком и видимым испарением в периоды резких изменений уровня Каспия.

Предлагается объяснение приведенных данных с точки зрения роли циркуляционного режима для основных составляющих водного баланса Каспия. Усиление меридионального переноса над территорией Русской равнины приводит к установлению циклонического барического поля над основной частью бассейна, а также, и над акваторией, вызывая уменьшение видимого испарения и увеличение речного стока. Напротив, при активизации зонального переноса и большая часть бассейна Каспия и его акватории находится под влиянием гребня Азорского антициклона, приводя к дефициту осадков и увеличению испарения. Приведенное сопоставление хода уровня Каспия, фактического и реконструированного с учетом хозяйственной деятельности, с многолетними колебаниями циркуляции показывает, что резкое падение Каспия в 30-е годы происходило вскоре после наступления зональной эпохи, в 50-х годах, с переходом к меридиональной эпохе, отмечалась тенденция к повышению, которая в начале 70-х годов после вспышки зональных процессов, сменилась резким падением уровня. В конце 70-х годов вновь увеличилась продолжительность действия меридиональных типов ЭЦМ и уровень Каспия стал расти.

Приводятся спектры колебаний продолжительности действия зональных ЭЦМ по классификации Б.Л.Дзердзеевского и их взаимной когерентности с колебаниями уровня Каспия, в которых отмечается возрастание функции области периодов 10-30 лет, характерных для циркуляционных эпох. Величина функции взаимной когерентности при этом достигает 0,5, что можно считать количественной характеристикой связи колебаний уровня Каспия 10-30-летнего периода с циркуляционным режимом.

Делается оценка превышения притока в Каспий в ХУП-Х1Хвв., когда его уровень находился возле отметки -25м., по сравнению с 40-ми

и 50-ми годами нашего столетия (периодом резкого падения уровня), которое должно было составлять примерно 120-130мм, что очень близко по величине к разнице между величинами притока в годы с меридиональной и зональной циркуляцией. Делается предположение о том, что характер увлажнения бассейна Каспия в этот период был обусловлен активизацией меридиональных процессов, т.е. период XVII-ХЕХвв., называемый малым ледниковым, являлся меридиональной циркуляционной эпохой или чередованием длительных периодов с преобладанием меридиональной циркуляции и менее продолжительных с усилением зонального переноса, а отметку -25 м можно считать верхним климатическим пределом колебаний уровня Каспийского моря.

Третья часть посвящена сопоставлению пространственных особенностей колебаний осадков, установленных за период инструментальных наблюдений, с данными об увлажнении Русской равнины в историческом прошлом, восстановленным по косвенным показателям. Восстановленные данные о количестве атмосферных осадков на территории Русской равнины в историческом прошлом в основном базируются на палинологических данных [В.А.Климанов, 1982,1984,1985,1988,1995; М.М.Чернавская, 1989,1995 ]. Восполнить недостаток количественных реконструированных данных об осадках позволяют характеристики водности рек Даугава и Днестр, восстановленные Э.Г.Московкиной [1960] и Г.Швецом [1972], которые лучше отражают колебания увлажненности в соответствующих регионах, чем большие реки, бассейны которых расположены на обширных территориях, где условия увлажнения не однородны. В тоже время, согласно полученным выше выводам, данные о колебаниях уровня Каспия в историческом прошлом также могут служить показателем колебаний увлажненности на востоке Русской равнины в бассейне Камы и Средней Волги. Приводится характеристика достоверности климатических реконструкций, которая зависит от характера источника косвенных индикаторов увлажненности и метода реконструкции. С учетом приведенных оценок точности данных реконструкций были построены схемы аномалий увлажнения Русской равнины, средние для периодов ХУП-ХУШ вв. (малый ледниковый период) и Х-ХШвв. (средневековый оптимум).

Из распределения восстановленных по косвенным данным отклонений годовых осадков от современных норм и характеристик водности рек делается заключение о том, что основные пространственные особенности колебаний осадков, которые были установлены по данным за период инструментальных наблюдений,

10 20 30 40 -50 «О

Рис. 5. Отклонения годовых сумм осадков от современных норм (1-4): : и характеристики водности рек (5,6) по данным реконструкций для : малого ледникового/ периода (ХУП-ХГХ вв.) и аномалии годовых : осадков (7) в меридиональную циркуляционную эпоху 1950-1970 гг. 1 - отклонения осадков ¿г = -20 мм; 2 - <1г = 0мм; 3 - ¿г= 20мм; 4 - <1г=40мм; 5 - разность многоводных и маловодных лет <±Г<0; 6 - с1£>о; 7 - изолинии значений аномалий в мм.

прослеживаются и в малом ледниковом периоде, причем, соотношение аномалий в различных районах территории Русской равнины (рис.5) соответствует усилению меридиональной циркуляции. Приводится поле аномалий годовых осадков для меридиональной циркуляционной эпохи по классификации Дзердзеевского (1950-1970 гг.), подтверждающее этот вывод (рис.5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. На территории Русской равнины установлены пять районов, однородных по характеру колебаний осадков: I - запад Русской равнины, включающий Белоруссию, Западную Украину и Польшу; II - северозападная часть Русской равнины, объединяющая Прибалтику, Карелию, Ленинградскую, Псковскую, Новгородскую, Тверскую и Вологодскую области; III - центральная часть, включающая бассейны Оки и Дона и небольшую часть Волго-Вятского района; IV - восточная часть Русской равнины, на которой располагаются бассейн Камы, Средняя и Нижняя Волга; V - юг-запад Русской равнины, занятый южными областями Украины.

2. Выявлены пространственные особенности частотно-временной структуры многолетних колебаний осадков на Русской равнине. Многолетние колебания годовых осадков в районах, однородных по характеру колебаний осадков, отличаются по статистическим параметрам, времени наступления и продолжительности сухих и влажных периодов, амплитуде колебаний и соотношению низкочастотной и высокочастотной составляющих в общую изменчивость. На северо-западе и на востоке Русской равнины в изменчивости осадков преобладают длиннопериодные колебания (с длиной периода 10-30лет). Равный вклад длиннопериодных и короткопериодных (межгодовых) колебаний в изменчивость годовых осадков характерен для юга Русской равнины, запада и центра. В центре в колебаниях осадков отмечается тенденция к увеличению роли двухлетнего цикла.

3. Установлена роль циркуляционного режима в колебаниях осадков на Русской равнине. Увеличение осадков на северо-западе и уменьшение осадков на юго-западе и на востоке Русской равнины связано с увеличением продолжительности действия зональных типов ЭЦМ по классификации Б.Л.Дзердзеевского и уменьшением меридиональное™ циркуляции по другим показателям изменения циркуляционных процессов. Активизация меридиональных процессов, проявляющаяся в увеличении продолжительности действия меридиональных типов ЭЦМ, а также индекса меридиональное™ Погосяна-Павловской сопровождается увеличением осадков на юго-западе и на востоке Русской равнины и уменьшением на северо-западе.

4. Показано, что пространственная и временная структура колебаний осадков на Русской равнины определяется режимом общей циркуляции атмосферы. Равный вклад низкочастоной и высокочастотной составляющих в изменчивости осадков в центре Русской равнины связан с одинаковой ролью зональных и меридиональных процессов в колебаниях осадков в этом районе. Преобладание вклада длиннопериодных колебаний в изменчивости осадков на востоке Русской равнины обусловлено значимостью меридиональных циркуляционных процессов в многолетнем режиме осадков в этом районе, так же, как и преобладание длиннопериодных колебаний в изменчивости осадков на северо-западе Русской равнины обусловлено превалирующей ролью зональных циркуляционных процессов.

5. Установлено, что связь увлажнения Русской равнины, в частности в ее восточных районах, с режимом циркуляции атмосферы, обуславливает зависимость уровня Каспийского моря от характера циркуляционных процессов. Активизация меридионального обмена вызывает повышение уровня, а при усилении зонального переноса уровень Каспия падает. При дальнейшем преобладании меридиональной циркуляции уровень Каспия будет подниматься до отметки -25м, которую можно считать верхним климатическим пределом подъема уровня Каспийского моря.

6. Показано, что особенности пространственной структуры колебаний осадков на Русской равнине и их связи с циркуляционным режимом, установленные по данным за инструментальный период, прослеживаются в аномалиях годовых осадков по данным реконструкций во время малого ледникового периода.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Колебания климата Европейской части СССР в историческом прошлом (в соавторстве с А.Н.Кренке, М.Е.Ляховым, А.Н.Золотокрылиным, М.М.Чернавской) // Изв. АН СССР. сер. геогр.. 1986. №1. С. 26-36

2. Колебания влажности климата на Европейской территории СССР за последние 4000 лет ( в соавторстве с Ю.Л.Раунером, А.Н.Золотокрылиным) // Изв. АН СССР. сер. геогр. 1983. № 1. С. 5-59

3. Количество осадков в позднем голоцене на ETC по данным о колебаниях водности рек, озер и озерных отложений ( в соавторстве с А.Н.Золотокрылиным) В кн. "Колебания климата за последнее тысячелетие" JI.: Гидрометеоиздат, 1988. 407 с.

4. Многолетние колебания осадков на Европейской территории СССР и их связь с глобальной циркуляцией // Материалы метеорологических исследований. М.: Междувед. геофиз. ком., 1988. Вып. 14. С. 120-125.

5. Пространственные связи в поле осадков на ЕТ СССР и их зависимость от типа циркуляции атмосферы // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1989. №1. С. 98-104.

6. Реконструкция динамики увлажнения и температуры воздуха за исторический период (по природным показателям) ( в соавторстве с А.Н.Кренке, .Е.Ляховым, А.Н.Золотокрылиным, М.М.Чернавской ) В кн. "Палеоклиматы позднеледниковья и голоцена. М.: Наука. 1989. С. 12-17.

7. Пространственная и временная структура колебаний атмосферных осадков на территории Восточной и Центральной Европы // Водные ресурсы. 1992. № 4. С. 124-130.

8. Колебания уровня Каспийского моря и глобальная циркуляция атмосферы ( в соавторстве с А.Н.Кренке) // Материалы метеорологических исследований. М.: Междувед. геофиз. ком. 1992. Вып. 15. С. 116-121.

9. Климатические факторы и пределы колебаний уровня Каспийского моря в соответствии с данными исторического прошлого (в соавторстве с А.Н.Кренке)// Сб. рефератов, Межд. конф. "Каспий-95", Москва, июнь 20-23, 1995. С. 16.

10. Климатические факторы и пределы колебаний колебаний уровня Каспийского моря в соответствии с данными исторического прошлого. Международный симпозиум " природные и социально-экономические последствия изменений уровня Каспийского моря", Москва, май 15-20, 1995, Программа и тезисы, с. 16.

11. Оценка антропогенных воздействий на климат и сток в ВерхнеВолжском бассейне (в соавторстве с А.Н.Кренке, Н.И.Коронкевичем, Г.П.Медведевой). В сб. "Малые реки России", М.: Геогр. общество, 1994. С. 80-100.

12. Реконструкция климата малой ледниковой эпохи и его

моделирование И Вестник Моск. университета (совместно с

А.В.Кисловым). 1995. № 5. С. 23-31.

13. Методы реконструкции увлажнености по гидрологическим данным и их информативность (в соавторстве с ЮЛ.Раунером, А.Н.Золотокрылиным). В монографии «Изменчивость климата Европы в историческом прошлом». М.: Наука. 1995. С. 34-37.

14. Группировки экстремумов в рядах косвенных показателей климата Восточной Европы за последние ЮООлет (в соавторстве с Ю.Л.Раунером, А.Н.Золотокрылиным). Там же. С.68-72.

15. Спектральный анализ сверхдлинных рядов косвенных показателей увлажненности за последние 4000 лет (в соавторстве с Ю.Л.Раунером, А.Н.Золотокрылиным). Там же. С. 72-78.

16. Реконструкция изменения увлажнености по озерным отложениям (в соавторстве с А.Н.Золотокрылиным). Там же. С. 131-134.

17. Районирование территории Русской равнины по согласованности рядов осадков методом их разложения на главные компоненты. Там же. С. 134-138.

18. Типы внутривековых колебаний осадков и их связь с колебаниями циркуляции атмосферы и термическим режимом. Там же. С. 138-142.

19. Зависимость корреляционных полей осадков от типов циркуляции атмосферы ( в соавторстве с А.Н.Кренке). Там же. С. 150-156.

20. Колебания уровня Каспийского моря как интегратор изменений климата на Русской равнине (в соавторстве с А.Н.Кренке). Там же. 156-160.

21. Циркуляционные механизмы колебаний осадков на Русской равнине Н Материалы метеорологических исследований. М: Междвед. Геофиз. ком., 1967, Вып. 16. С. 203-222.

22. Методические подходы к изучению пространственно-временной динамике аномалий климата в XVII-XIX веках по профилю Центральная-Восточная Европа (в соавторстве с А.В.Пушиным и М.М.Чернавской) // Материалы метеорологических исследований. М.: Междувед. Геофиз. ком., 1997. Вып. 16. С. 238-260.

23. Spatial features of the precipitation fluctuations in europe according to the general circulation types. In: Climatic changes in the historical and the instrumental periods. Brno. 1990. p. 215-218.

24. Long-term variability in the precipitation fluctuations over the Russian plain and it's relatioship with global climatic changes. In: Proceedings of the SILMU conf., Helsinki, 22-25 August 1995, p.253-257