Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Циклонические центры действия атмосферы, циркуляция и климат Южной Полярной области во второй половине XX столетия

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Циклонические центры действия атмосферы, циркуляция и климат Южной Полярной области во второй половине XX столетия"

Министерство образования н науки РФ Федеральное агентство по образованию

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи УДК 551Л 3.3+351.583

Розанова Ирина Владимировна

ЦИКЛОНИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ ДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ, ЦИРКУЛЯЦИЯ И КЛИМАТ ЮЖНОЙ ПОЛЯРНОЙ ОБЛАСТИ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XX СТОЛЕТИЯ

15.00.30 — Метеорология, Климатология, Агрометеорцлогня

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2006

Диссертация выполнена в Российском Государственном Гидрометеорологическом университете (РГГМУ)

Научные руководители:

доктор географических наук, профессор Н.П.Смирнов

доктор географических наук .профессор В.И.Воробьев

Официал ьные оппоненты:

доктор географических наук, профессор К. В.Кондратович

кандидат географических наук, с.н.с. Л .ГО. Рыжаков

Ведущая организация

Кафедра климатологии н мониторинга окружающей среды факультета географин и геоэкологии Санкт-Петербургского Государственного университета

Защита состоится 26 декабря 2006 г. в 15 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д.212.197.01 при Российском Государственном Гидрометеорологическом университете по адресу: 191196, Санкт-Петербург, Малоохтннский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного Гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан _ ноября 2006 г.

Ученый секретарь доктор фш.-мат. наук

диссертационного совета проф. А.Д.Кузнецов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На среднемесячных картах прдаемвэго давления на земном шаре отчетливо выделяются замкнутые области низкого и высокого давления. В Южном полушарии имеются три стационарные ангициклоническне области, расположенные в субтропических широтах каждого ю трех океанов. На юге, охватывая Антарктический континент, простирается обширная зона низкого давления, центральная часть которой располагается между 60° ю. ш. и берегом материка. В преде лах этой зоны выделяются три области миболее низкого давления, приуроченные к каждому из секторов Южного океана: атлантическому, инаоокеанскому и тихоокеанском у.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия появились работы, в которых центры действия атмосферы стали рассматриваться как объекты, характеризуемые иите живностью (величиной давления в центре) и географическим положением центра Первым такому анализу был подвергнут Исландский минимум давления Несколько позднее - другие центры действия атмосферы Северного полушария.. Вместе с исследованием динамики характеристик центров действия атмосферы приходило и понимание того, что они тесно связаны с климатическими вариациями в рег подах их расположения и, более того, их положение и инт« нежность определяют тип н интенсивность циркуляции атмосферы в удаленных от них районах. В Южном полушарии, за исключением Южно-Атлантического максим ума давления, характеристики других цгнгров действия ранее не рассматривались. В то же время интенсивность этих центров и связанный с зпм западно-восточный перенос в Южном полушарии выражевд згачительно сильнее, чем Северном. Поэтому в работе на материалах второй половины двадцатого столетия наряду с получением многолетних характеристик положения и интенсивности циклонических центров действия Южного полушария проанализирована их сезонная и многолетняя динамика. Сделана успешная попытка найти южный аналог индексу Северо-Атлантического колебания, которое по общему лршнакию во мшгем определяет характер и интенсив кость циркуляции атмосферы и особенности динамики климата на большей части Северного полушария. Получены некоторые оценки взаимосвязи характеристик многолетней динамики циклонических центров действия атмосферы в Северном и Южном полушариях, свидетельствующие о единстве атмосферной циркуляции на земном шаре. Установлена зависимость многолетнего режша температуры и осадков в Антарктике от изменчивости Южно-Полярного колебания и интенсивности циклонических центров действия. Показано отсутствие во

еггорой половши двадцатого столетня устойчивых во времени н пространстве тенденций в изменении интеживиоети циркуляции и режима температуры и влажности, что ж согласуется с утверждениями о существовании глобального потепления.

Следует отметить, что в диссертации, как и в многих других работах, центры действия атмосферы рассматриваются как обобщенные характеристики динамики атмосферы, понимая при этом, что они по сути являются статистическим и образами реально возникающих и перемещающихся циклонических образований. Южная Полярная область не является в этом смысле исключением. Как будет показано далее, существование циклонических центров действия атмосферы в ее атлантическом, индийском н тихоокеанском секторах отражает циклоническую активность в этих регионах. Последняя, в частности, является основной причиной формирования в прнаЕггарктнческой акватории Южного океана обширных облачных полей, существенно затрудняющих космический землеобзор с помощью спутниковых оптических систем. Такая информация особенно важна в нави-ационный (светлый) период, когда осуществляется проводка судов к берегам Антарктиды и проводятся экспедиционные работы на континенте,

Цель исследования. На основе изучения метеорологических данных за вторую половину XX столетия дать всестороннюю характеристику циклонических центров действия и интенсивности зональной циркуляции Южного полушария, а также динамики климата Южной Полярной области.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• расчет и анализ внутрм-одовой и межгодовой динамики характеристик циклонических центров действия Южного полушария (интенсивности и координат);

• исследование структуры многолетней изменчивости характеристик циклонических центров действия Южного полушария;

• сравнительный анализ многолетней динамики циклонических центров действия Северного и Южного полушарий;

• выбор н апробация лучшего варианта индекса Южно-Полярного колебания;

• исследование межгодовой изменчивости индекса Южно-Полярного колебания и его связей с другими индексами и формами атмосферной циркуляции;

• анализ многолетней изменчивости тем пераггуры и осадков в Антарктике;

» разработка метода априорной оценки успешности обзора земной поверхности с помощью спутниковых оптических систем на основе использования климатических данных о количестве общей облачности;

• вероятностная оценка успешности обзора поверхности Антарктиды и ледовой обстановки на прилегающей к ней акватории Южного океана в навигационный период.

Методы исследования. При обработке и аналше рядов исходных данных использовались методы корреляционного и его игрального анализа, скользящего осреднения и разложения на естественные ортогональные функции. Научная ношена:

впервые на больших временных рядах получены характеристики интенсивности е годовой и полугодовой волн в изменениях положения центров всех трех циклонических центров действия Южного полушария;

получены статистически значил ые связи как между характеристиками циклонических центров действия Южного полушария, так и с аналогичными характеристиками циклонических центров действия Северного полушария;

предложен новый индекс Южно-Полярного колебания, в большей мере, чем предыдущие, учитывающий особенности зональной циркуляции в различных секторах Южной Полярной области;

установлен! связи форм атмосферной циркуляции Южного полушария с индексом Южно-Полярного колебания н индексами циркуляции Северного полушария (NAO и NPOX которые (связи) в перспективе могут >меть прогностическое значение;

установлено отсутствие во временных рядах интенсивности циклонических центров действия Южного полушария, температуры и осадков в Южной Полярной области устойчивых однозначных тенденций их изменений, что свидетельствует, в свою очередь, об отсутствии повсеместного потепления в этом регионе;

разработан новый метод вероятностной оценки успешности обзора земной поверхности с помощью спутниковых оптических систем с использованием климатических данных о количестве общей облачности;

получены данные о возможности получения от спутниковых оптических систем землеобэора полезной информации о состоянии ледового покрова Южного океана и поверхности Ангарктиды в навигационный период.

Практическая значимость работы заключается, в первую очередь, в том, что она может служить методологической базой для проведения исследований циркуляционного режша других регионов. Приведенные в работе многолетние характеристики температуры и осадков, а также сведения об их изменчивости метут быть использованы при составлении климатических описаний. Метод вероятностной оценки успешности оСзора земной поверхности с помощью спутниковых оптических систем позволяет уже на

этапе планирования операций получить представление о периодичности получения полезной информации от этих систем.

Обоснованность н достоверность полученных в работе результатов обусловлена болышы объемом исходных данных, корректным применением современных методов их обработки и непротиворечивостью результатов современным взглядам на общую циркуляцию атмосферы.

Апробация результатов, Основные результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры метеорологических прогнозов РГТМУ, на итоговых сессиях Ученого Совета РГТМУ и опубликованы в пяти статьях к одной монографии.

Пазащкту выносятся

1. Результаты определения характеристик циклонических центров действия Южного полушария, анализа их временной и пространственной изменчивости и её структуры.

2. Результаты сравнительного анализа многолетней динамики циклонических центров действия Южного и Северного полушарий.

3. Новый подход к оценке интенсивности Южно-Полярного колебания к его индекс.

4. Результаты анализа связей форм атмосферной циркуляции Южного полушария о индексами циркуляции обоих полушарий.

5.Результаты анализа пространственной и временной изменчивости температуры и осадков в Южной Полярной области.

6. Метод вероятностной оценки успешности обзора земной поверхности спутниковыми оптическими системами по климатическим данным о количестве обшей облачности,

7. Результаты ашлюа расчетов количества пролетов ИСЗ с суточным интервалом, обесточивающее 90%-ную вероятность успешного ойзора ледового покрова Южной Полярной области и поверхности Антарктиды в навигационный период.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит го введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименований источников, четырех приложений, содержит 131 страниц основного текста, включая 62 рисунка и 43 таблицы.

Содержание диссертационной работы

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели н задачи диссертационной работы.

В первой главе и латается методика и результаты расчетов характеристик (интенсивности и координат) циклонических центров действия Южного полушария. В качестве исходного материала был использован архив среднемесячных карт приземного давления в Южной полярной области с 1957 по 2000 год включительно, см данный в Арктическом и Антарктическом научно -исследовательском институте.

На рис. 1 приведены положения циклонических центров действия атмосферы в среднем за 44 года наблюдений (1957-2000), а в табл.1, средние годовые зтачения всех характеристик центров.

Таблица 1

Средние годовые значения характеристик циклонических центров действия атмосферы в

Южном полушарии.

Характеристика Южно -Атла нгичееккй И шюокеа некий Южно-Тих оокеанский

РгПа 982 981 982

ф° ю.ш. 69 64 71

V в .д. -30* 99 -160

Примечание: * -знак минус оначяст эяплдную долготу,

Средняя годовая интенсивность всех центров действия атмосферы в Южном полушарии практически одинакова. Они более глубоки, примерно на 20 гПа, по сравнению с Исландсыы и Алеутскии минимумами давления в Северном полушарии. Циклонические центры действия в Южном полушарии располагаются ближе к полюсу, особенно 1СЫено-Тихоокеанский центр, который почти на 17° широты ближе к Южному полюсу, чем его Северо-Тйхоокеаиекий аналог к Северному. Циклонические цгнтры действии атмосферы на севере к на юге как в Атлантическом, так и в Тихоокеанском секторах находятся, примерно, на одних и тех же меридианах. Различия составляют мстес 20° долготы.

Из гити основных циклонических центров действия атмосферы на Земле самым изменчивым по интенсивности является Исландский минимум давления, а самым стабильным, особенно взтниб период - Южно-Атлантический.

Что касается перемещений по широте, все циклонические центры действия атмосферы Южного полушария более стабильны по сравнению с их северными аналогами. И как в случае интенсивности, наиболее изменчивым является Исландский минимум давления, а наиболее стабильным - Южно-Атлантический.

Рис.1 Срсднем!югоястнсе положение циклонических центров действия атмосферы в

Южном полушарии.

В табл.2 приведены средние многолетние значения давления и координат трех циклонических центров действии атмосферы Южного полушария за каждый месяц Обращает на себя внимание удивительно точное совпадение сезонного хода давления в рассматриваемых центрах действия атмосферы. Кроме того, в сезонных изменениях всех характериетте депрессий хорошо видно наличие, наряду с годовой, гармоникой гармоники с периодом 0,5 года, В результате, в изменениях давления основной минимум наблюдается в сентябре-октябре, а следующий-в марте. Максимум давления имеет место в январе, а последующий максимум наблюдается в мае. Максимальное широтное смешение к северу всех центров действия атмосферы наблюдается в сентябре-октябре н марте, а к югу - в январе и июне. ЗшоЙ все центры иневдг тенденцию смещаться к востоку, тогда как летом онизашмают наиболее западное положение.

Таблица 2

Средние многолетние значения давления Р н координаты (ф, X) циклонических тигров действия атмосферы в Южной полярной области.

Месяцы Р,гПа ф° ю.ш. X" в.д.

ЮжноАтлантический >5 Б 1 8 0 1 к И & § У 0 Е 1 1 1 4с в I 0 1 к ЮжноТихоокеанский « Н 1 1 I 2 3 2 8 1 1 в >в | ■ * & о Я о 1 £

Январь 986,1 985,3 986,7 67,8 62,9 71,1 -39,3 95,5 -166,5

Февраль 984,4 984,2 985,5 68,3 63,9 70,3 -32,4 104,6 -158,2

Март 981,8 981,1 981,8 69,3 65,0 70,9 -зи 103,6 -159,0

Апрель 983,1 982,2 982,5 69,0 64,6 70,4 -24,1 102,6 -158,3

Май 983,1 983,4 983,2 68,1 64,4 70,3 -21,5 102,4 •162,8

Июнь 983,0 982,5 982,5 68,8 62,3 69,2 -28,7 96,5 -154,8

Июль 981,1 979,4 979,1 69,3 63,8 71,0 -26,4 98,8 -155,9

Август 979,8 977,0 978,9 69,0 64,3 71,7 -283 99,8 -1603

Сентябрь 981,2 977,1 979,1 69,8 65,0 71,4 -29,6 105,9 -157,2

Октябрь 979,1 977,7 976,5 70,2 65,1 71,8 -28,0 97,1 •161,5

Ноябрь 980,5 980,6 979,7 68,4 64,4 70,8 -31,9 91.2 -1613

Декабрь 9843 984,4 985,1 67,4 63,0 71.1 -35,4 91,8 -162,6

С целью обобщения полученных результатов и сведения к минимуму ошибок определения координат центров действия атмосферы по синоптически* каргам были выполнеш разложения на естественные ортогональные функции (ЕОФ) сезонного хода каждой характеристики по трем центрам и в целом всех характеристик. Результаты разложения подтвердили сделанные выше выводы.

Далее, в основном, анализируются тменения зиыних значений характеристик центров действия атмосферы, поскольку именно зшой циклонические центры действия атмосферы наиболее выражены, что наилучшим образом отражается и связью между среднегодовыми нзнлним и характеристиками {табл.3). Анализируя закономерности многолетних изменений давления в течение 44 лет, можно отмстить следующее. В многолетнем ходе давления всех трех центров действия атмосферы наблщдалось два минимума - в 60-е и 80-е годы (рис.2).

гПа

____;____ 11 » 1 J J 1

л 1 | Т| ^ 1 1 \ 1 1 ^ 1 ---- 1 Ь'—1 1 11111

__ 1 | * 1 1111 1111

1955 1960 (965 1970 1ЭЭО 1905 1990 1539 2О00

Л]а

Рис.2 Изменения давления за знаний периоде циклонических центрах действия атмосферы Южного полушария: Южно ^Антарктический (а), ИндоокеанскиЙ (б), ЮжноТихоокеанский (в). Жирной линией показаны их 5-летние скользящие средние.

Максимумы в многолетнем холе изменения давления наблюдались в 50-е, 70-е и 90-с голы. Присутствие двух минимумов и трех максимумов в многолетних изменениях давления у всех трех центров действия атмосферы за рассматриваемый период свидетельствует о наличии в этих изменениях вариации с периодом около 20 лет.

Т&блица 3

Значения коэффициентов корреляции между среднегодовым и и сезонным и значениям и характеристик циклонических центров действия атмосферы Южного полушария

(г»»*-0,37)

Сезоны Зима ) Весна Лето Осень

Давление

Юж но-Атлангический 0,72 0,32 0,46 0,55

Индоокеанский 0,83 0,61 0,43 0,66

Юж но-Тнхоокеанский 0,90 0,78 0,42 0,73

Широта

Южно -Атлантический 0,86 0,49 0,61 0,70

И ндоокеанский 0,89 0,69 0,64 0,50

Юж ко-Тихоокеа не кий 0,81 0,68 0,62 0,51

Долгота

Юж но-Атлангический 0,88 0,69 0,32 0,59

Индоокеанский 0,71 0,55 0.« 0,68

Южно-Тихоокеанский 0,87 0,58 0,54 0,70

При рассмотрении спектров многолетних гамененнй давления в циклонических центрах действия атмосферы, вариация с периодом около 20 лет представляется основной н полностью превалирует в изменчивости характеристик Южно-Тихоокеанской депрессии (рнс.ЗХ В изменениях характеристик Южно-Атлантического центра действия наиболее значительна вариация с периодом. 7-8 лет, которая характерна и для многолетней изменчивости североатлангических центров действия атмосферы. В изменениях давления и широты Южно-Тихоокеанской депрессии заметно наличие слабой вариации с периодом 4 — 5 лет, которая наиболее характерна дня ссверотихоокеанских центров действия атмосферы, и особенно для Гонолульского максимума давления.

Непосредственное сопоставление многолетнего хода давления в циклонических центрах обоих полушарий дало следующие результаты.

Рис.З Спектры многолетней шненчивостн давления в центрах действия атмосферы Южного полушария: Южно^Атла этический (а), Индоокеанекий (б), Южно-Тихоокеанский

(в).

На рис.4 и рис.5 приведено сопоставление сглаженных по 5-летиям значений давления в центрах Исландской и Алеутской депрессий за эмний периоде аналогичными

Значениям и давления в депрессиях Южного полушария, а в табл.4 соответствующие коэффициенты корреляции между ними.

Таблица 4

Значения коэффициентов корреляции между З-леггомн скользящим и средними значениями давления в циклонических центрах Северного и Южного полушарий.

Центры ЮжноАтлантический Нндоокеажкий ЮжноТихоокеанский

Исландский -0,62** -0,33* -0,05

Алеутский 0,42** 0,68** 0,72**

Прнмпшп»: Знак - уронен* обеспеченности 95%, - 99У*.

Й815

та

»84 11}

ВТО

1 1 Е 1 а\ 1 1 * 1 ' 1 Ул1 ^ м ' » 1 1 1 1 \ \

'мТдГГ * » |/ 4 IV 4 » » ____£.„^1_______«____ \ 1 1 /\ .

Г 1 ' А * , 1 /1 1 |/| V 1 /\1 ___/!______П__11__I -л * _ V Л 1 / 1 V / А * V / 1 Г \ 1 / Л^ \ г^ |\ 1\ \ 1 г^ 1 V 11 11 / \ \ »/ 1 у А/ д / \ \ _ \. _

» | N 1 V / ) * \ / » 1 1 у| % у VI /

14 11111 1*11111

1001

12]

699

997

ем

993 991 939 087

1960 1863 1970 1973 1380 1985 1990 1995 2000

Рис.4 Сопоставление 5-летних скользящих средних з качений давления за зимний периоде центре Исландской депрессии (2) с изме нениям в давления (1) в Южно-Атлантической депрессии и Индоокеанской (б). 13

Рис.5 Сопоставления 5-летних скользящих средних значений давления за знаний периоде центре Алеутской депрессии (1) с изменениями давления (2) в Южно-Тихоокеанской депрессии (а) и Инаоокеанской (б).

Как следует ш приведенных данных, изменения давления в центрах действия, расположенных в Атлантике, противофазнл между собой. При этом связь давления в Неландском минимуме о давлением в центрах Южного полушария быстро уменьшается к востоку и вообще отсутствует с давлением в Южно-Тихоокеанской депрессии. В то же время межгодовые гаменения давления в Алеутской депрессии и Южно-Тихоокеанской депрессии синфазпы и практически идентичны (рнс.5)

Таким образом, можно считать установленным, что многолетние изменения давления в циклонических центрах действия атмосферы Северного и Южного полушарий и их широтного положении происходят скнфазно в Тихоокеанском регионе и асинфазно в

Атлантическом. Многолетняя изменчивость характеристик Индоокеанского циклониченекого центра, не имеющего своего северного аналога, отражает черты подобной изменчивости как атлантических, так и тихоокеанских центров действия атмосферы, но при этом ее связь с изменчивостью тихоокеанских центров проявляется зам етгее.

Во второй главе рассматривается, предложенный автором индекс ЮжноПолярного колебания, его межгодовая изменчивость, связь с другими индексами и формами атмосферной циркуляции.

Благодаря наличию циклонических центров действия атмосферы в Южной полярной области (ЮПО) н антнциклонических 1ШНГров в тропических районах Атлантического, Индийского и Тихого океанов в широтном поясе от 40" до 60° ю.ш. осуществляется постоянный западно-восточный перенос воздушных масс. Интенсивность этого переноса определяет многие характеристики климата ЮПО, а также интенсивность самого мощного в Мировом океане Антарктического циркумполярного течения.

Предложение некоторых авторов использовать в качестве индекса ЮжноПолярного колебания разность осредненных по широтным кругам 60 и 40 градусов значений давления не кажется нам удачным. Нам представляется, что зональное осреднение давления по широте сглаживает пространственные особенности поведения атмосферной циркуляции, и использование указанного индекса ограничивает в этом случае возможности анализа по регионам. Поскольку одной га главных целей нашей работы являлось исследование активности циклонических центров действия атмосферы, локализующихся в трех секторах южной полярной области, для выбора индекса Южного полярного колебания был использован другой подход.

К сожалению, в отличие от Северного полушария, в Южном полушарии, преимущественно океаническом, покрытие данными наблюдений весьма ограничено, поэтому найти приемлемые пункты наблюдений для определения разностей давления в районах, близких к расположению центров действия атмосферы, почти невозможно. В связи с этим мы воспользовались разностями давления между станциями расположенными на побережье Антарктиды и на южных побережьях Южной Америки, Африки и Австралии, а также разностями давлений на широтных кругах ЗС и 60° ю.ш. на нескольких меридиональных разрезах (рис.6).

Для определения индекса Южно-Полярного колебания используются средние разности давления за зим кий период, которые, как и в северном полушарии, наилучшим образом отражают изменения среднегодовых разностей давления.

Рнс.б Расположение станций и сечений по которым определялись разности давлений.

Поскольку разность давлений между парами станций, а тем более на одном меридиональном разрезе в таком обширном регионе вряд ли может Сыть достаточно показательным индексом циркуляции атмосферы ЮПО, мы использовали разложение на естественные ортогональные функции (ЕОФ) нескольких выборок разностей давления. Этот прием был успешно применен ранее при исследовании Северо-Атлантического и Северо-Тихооксанского колебаний. Значения первой главной компоненты разложения на ВОФ указанных выборок разностей давления в дальнейшем мы будем шзывать индексом Южно-Полярного колебания (ЭРО). Как видно го да иных табл.5, значения индекса имели отрицательные з даче кия в середине 50-х годов, 70-х годов н особенно в середине 90-х годов, В 60-е годы, преимущественно в их вторую половину, и в 80-е годы значения индекса были положительными. Можно (скидать, что в первом десятилетня XXI в. также будет наблюдаться максимум в интенсивности зональной циркуляции в ЮПО. Установлено, что индекс БРО тесно связан с характеристиками циклонических центров действие атмосферы в ЮПО.

Таблица 5

Средние за 10-летия значения индекса Южно-Полярного колебания.

Годы SPO

I9J7-1960 -0,28

1961 - 1970 0,61

1971 - 1980 -0,09

1981-1990 0,4!

1991 -2000 -0,94

Как и следовало предполагать, связь с давлением отрицательная, что означает, что рост значений индекса наблюдается при акцептации циклонических центров действия атмосферы.

Трендовая составляющая за 44 года в индексе 5ГО почти в два раза меньше стандартного отклонения изменчивости их значений за те же годы. Таким образом, можно заключить, что в изменениях индекса Южно-Полярного колебания значимый тренд во вторую половину XX столетия отсутствует. Результаты, приведенные в табл.б , показывают, что связь между индексом Южно-Полярного колебания и индексами, характертующш н интенсивность циркуляции атмосферы в северных частях Атлантического и Тихого океанов, отрицательна изючшд,

Таблица б

Коэффициенты корреляции между индексом SPO и индексами, характеризующей интенсивность циркуляции в Северном полушарии: NAO hNPO

Индексы SPO Исходные значения SPO 5-летнне скользящие средние БРО Исходные значения минус 5-летнне скользящие средние

NAOoO -0,36* -0,67** -0,09

NPO06 -0,33* ■ -0,03 -0,58"

Примечание. Знак "*" указывает на 95%-ный уровень обеспеченности,"**" - на 99%-ный.

Однако, как видно ш данных второго и третьего столбцов таблицы, эта связь осуществляется для различных регионов на разных участках спектра изменчивости. Если между Северо^Атлангическии и Южно-Полярным колебанием связь осуществляется на частотах соответствующих периодам более 7-8 лет, то между Северо-Тихоокеанским и Южно-Полярным • на частотах 5 лет и менее.

В середине прошлого века Г. Я. Вангенгсйм предложил классификацию атмосферной циркуляции Северного полушария, основанную на изучении макропроцессов в атмосфере севернее 30° с.ш. Были предложены три формы циркуляции: V/, С, Е Позднее, на основе тех же принципов были определены аналогичные три формы циркуляции атмосферы для Южного полушария: зональная - 7. и две меридиональные -Ма нМЬ.

Сопоставление 5-летних скользящих средних значений повторяемости форм атмосферной циркуляции и индексов показало, что в долгопериодной части спектра изменчивости связь существует и она довольно заметна (табл.7).

Таблица 7

Коэффициенты корреляции между 5-летними скользящими средним и значениям и повторяемости форм атмосферной циркуляции Южного полушария и индексами циркуляции 5РО, МАО и N РО.

Индекс Форма циркуляции

Z М, Мь

SPO 0,22 -0,48** 0,47**

NAO -0,74** 0,71** -0,33*

NPO -0,58** 0,59** -0,07

Примечание: Знйк^-уровеньобсспечмнйпн 99%.

Как видно ю данных табл.7, индекс Южно-Полярного колебания слабо связан с повторяемостью зональной формы, но существенно лучше связан с меридиональными формами циркуляции атмосферы. При увеличении индекса характер циркуляции атмосферы больше соответствует форме МЬ и, наоборот, при его ослаблении форме Ма. Особенно высока связь с повторяемостью форм циркуляции у индекса NAO. При увеличении индекса NAO ослабевает повторяемость зональной формы циркуляции и в определенной степени формы МЬ, а преимущественное развитие получают процессы формы Ма. И, наоборот, при ослаблении Северо-Атлантического колебания, пресущественное развитие получают процессы формы Z Такой же характер связи

наблюдается у повторяемости форм атмосферной циркуляции в Южном полушарии и с индексом NPO. Таким образом, долгопериодная изменчивость меридиональных форм циркуляции в южном полушарии весьма тесно связана с изменчивостью ЮжноПолярного колебания, тогда как повторяемость зональных форм циркуляции, как в Северном, так и в Южном полушариях, оказываются связанными с Северо-Атлангнческмч и Северо-Тихоокеанскнм колебаниями Следовательно, можно с уверенностью полагать, что между циркуляцией атмосферы в Северном и Южном полушариях, несмотря на большие различия между полушариями (первое -континентальное, второе ~ океаническое), существует несомненная связь, и существуют также общие планетарные причины, определяющие динамику глобальной атмосферной циркуляции.

Дальнейшие исследования в этом направлении, возможно, метут привести к установлению прогностических связей, полезных при долгосрочном и сверхдолгосроч i гом метеорологическом прогнозировании.

В третьей главе Ц)иводятся результаты исследования многолетжй изменчивости режша температуры и осадков в Антарктике, а также его связи с циклоническими центрами действия Южного полушария. В связи с проблемой «глобального потепления» в этой главе довольно подробно проанализированы возможнее изменения режта температуры и осадков в ЮПО не только с точки зрения его связи с динамикой атмосферной циркуляции, но и также его общие особенности во второй половине прошедшего столетия, т.е. в период, когда максимально возросла аотропогеншя нагрузка на атмосферу Земли.

Для анализа режича температуры Южной Полярной области были использована среднемесячные данные по приемной тем пературс воздуха на станциях в Антарктике ш apxitea данных Арктического и Антарктического научно-исследовательского института. Выло выбрано 22 станции, имеющих наиболее длишые ряды шблюдений (рис.7). Из них 12 станций относительно равномерно расположены на побережье Антарктиды, 4 станции на Антарктическом полуострове н шесть станций на островах, расположенах зшчителыю севернее побережья Антарктиды,

Данные, приведенные в табл,8, показывают, что на большинстве станций (16 из 22-х) изменение средних декадных температур воздуха от десятилетия к следующему десятилетию носили знакопеременный характер. На десяти станциях ю 22 -к самыми холодными были 60-е годы XX столетия, на восьми - 90-е годы и на четырех - 70-е годы. Если рассматривать самые теплые десятилетия, то на девяти станциях из 22 -х самыми теплыми были 80-е годы, на шести-70-е годы и только на сем и- последнее десятилетне.

Рис.7 Схема расположения станций наблюдений за характеристиками климата в Антарктиде и Южном океане.

Такт образом, данные табл. 8 не подтверждают предположения об активно развивающемся глобальном потеплении, которое, естественно, должно было Бы охватывать и Антарктику.

Убедигелыче результаты об отсутствии потепления на Антарктическом континенте дают результаты анализа линейных трендов приземной температуры воздуха на станциях за период с 1961 по 2000 г. На всех станциях, расположенных на континенте, за исключением станций Антарктического полуострова и станции Мак-Мердо, трена отсутствует на протяжении первых 30 лет, а затем в последнее десятилетие наблюдается отрицательный тренд. Только в районе Антарктического полуострова и на ст. Мак-Мердо отмечается замепый положительна йтресщ как в целом за рассматриваемый период, так н особенно в последнее 10-летие. На островных станциях тренд положительный, но не очень большой, и его величина уменьшается с удалением от Антарктического полуострова.

Таблица 8

С ре дне декадные значения температуры воздуха на станциях в Антарктиде и Южшм

океане.

Годы « а § л U i tí К и о X л CQ U и i X 1 Е х о & 5 Дейвис ж § ж Восток в а и ы й § et 1 X о S et

1961-70 -18,8 -17,5 -10,8 -10.3 -10,9 -11,3 -10,2 -11,6 -55,4 -9,7 -10.8

1971-80 -18,2 -16,7 -10,3 -10,6 •10,9 -11,0 -10,0 -11,0 -55,1 -8,8 -10,5

1981^90 -18,1 -17,0 -10,1 -10,3 -11,2 -11,5 -10,2 -11,3 -55,2 -8,9 -10,4

1991-00 -19,4 -16,6 -10,0 -10,5 -10,9 -11,5 -10,2 -И,ó -55,5 -9,5 -11,1

Годы 1 г> ж « S о С а. 13 1 § ÜL с 1" § S. К U л i X 4} fe Он tí S I < 1 S 8 CL з» s £ & i = Ci. I э 1 & 1 S в g щ Ц а <

1961-70 -17,3 -5,4 •4,4 -2,6 -5,7 -3,6 2,0 5,4 4а 4,6 7,0

1971-80 -17,2 -5,1 -3,9 -2,8 -6,0 -4,1 2,1 5,4 4,6 3,1 7,1

1981 -90 -16,8 -4,1 -3,2 -2,3 -4,8 -3,0 2,2 5,9 4,7 5,1 7,3

1991-00 -16,5 -4,5 -3,0 -2,0 -4,5 -3,1 2,5 6,3 4,9 4.9 7,0

Анализ связей многолетней динамики температуры воздуха с индексами атмосферной циркуляции позволил сделать вывод, что ока испытывает влияние двух колебаний: Северо-Атлантического, более ответственного за долгопериодную динамику (с периодами изменчивости более 6-7 лет) и Северо-Тихоокеанского центра, ответственного за короткопернодную динамику температуры воздуха (с периодами от 2-3 лет до 5-6 лет), Это влияние осуществляется через изменения интенсивности ЮжноПолярного колебания, которое, как было показано во второй главе, теми связано с индексами циркуляция атмосферы северного полушария.

Наряду с темгерагурон воздуха осадки являются важнейшей характеристикой климата. Считается, что важзым следствием глобального потепления климата является усиление влагооборота на Земле, а это должно привести к увеличению годовых сумм осадков tía континентах. Так ли обстоит депо в Южной Полярной области? Чтобы

ответить на этот вопрос, были проаналгонровани те немногочисленные данные по осадкам, которые имеются в архиве Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

В нашем распоряжении имелось лишь десять станций, имеющих наблюдения за осадкам и 30 лет и более (табл.9).

Таблица 9

Средние за 10-летия значения осадков на антарктических станциях.

2 а г б | 5 1 2 Мирный | Восток 1 1 2 1 С 1 < Оркадас § 1 1 » 2 в 1 ы к а, 1 Я 1 2 <

1951-60 - - - - - 42,5 - 204Д 93,1 79,3

1961-70 20,5 48,7 57,6 2,11 18,4 41,5 66,6 223,9 48,8 71,1

1971-80 22,5 47,9 36,4 2,0 17,0 47,7 43,8 197,1 61,7 73,5

1981^90 19,2 41,0 36,1 2,1 20,4 55,8 45,4 181,1 64,3 80,9

1991-00 15,3 40,1 52,2 1,6- - - - - - -

Данные приведенные в табл. 9 в большинстве своем свидетельствуют, что во второй половине XX столетня не наблюдалось непрерывного увеличения или уменьшения количества осадков, как на континентальных, так и на островных станциях Южной Полярной области. Десятилетние периоды их увеличения сменялись периодами уменьшения и наоборот. На пример, на большинстве рассматриваемых станций, из которых пять расположен на континенте, максимальные осадки наблюдались в 60« годы, на ст.Новолазаревская - в 70-е годы, на ст. о. Кергелен - в 50-с годы. В 80-е годы максимальные осадки наблюдались лишь на станциях. Мак-Мердо, Аргуро-Прат и Маккуори-А иле нд

Анализ линейных трендов показал, что на пяти станциях из десяти за рассматрдааемые периоды времени (1951 - 1990 гг. или 1961 - 2000 гг.) наблюдался заметный (больше величины а) отрицательный тренд. Положительный тренд выражен только на двух станциях (Мак-Мердо и Артуро-Прат). На остальных четырех станциях линейные тренды в изменениях осадков за 40 лет не выражены.

Таким образ™, данные по осадкам в Южной Полярной области, как и данные по температуре воздуха, не подтверждают в целом наличия здесь глобального потепления климата. По нашему мнению, отмеченные выше разнонаправленные изменения в

температуре ii количестве осадков в различных регионах Антарктики связаны с естественным ходом многолетней изменчивости атмосферной циркуляции в Южной Полярной области.

Расчеты показали, что изменения осадков на семи ш десяти станций значимо связаны с изменениями либо индекса Южно-Полярного колебания (SPO), либо давления в центрах южных депрессий Они также связаны с изменчивостью индекса СевероАтлантического колебания (NAO). Количество осадков на восьми т десяти станций значимо связаны с индексом NAO. Наиболее высокие значения коэффициентов корреляции NAO с годовыми суммами осадков наблюдаются на станциях, расположенных в атлантическом секторе Южной Полярной области

Следовательно, на основе анализа многолетних изменений температуры и количества осадков на станциях в Антарктике можно сделать вывод о том, что они связаны с многолетней изменчивостью в характере и интенсивности атмосферной циркуляции в Северной Атлантике, что позволяет предполагать ев важную роль в формировании долгопериодной изменчивости глобальной циркуляции атмосферы (с периодам и изменчивости более 6-7 лет).

В четвертой главе рассматриваются возможности получения полезной информации о состоянии ледового покрова Южного океана и поверхности Антарктиды в навигационный период от спутниковых оптических систем землеоСвора.

Одним вв важных направлений практических приложений результатов научных исследований Антарктиды и Южного океана является совершенствование методов гидрометеорологического обеспечения научных работ в Антарктике и плавания научных, транспортных, рыболовецких и других судов в прна кг арктических водах Южного океана, которые, практически, в течение всего года имеют ледовый покров. Поэтому организация слежения за его состоянием и эволюцией в навигационный период является одной ш приоритетных задач, которую приходиться решать гидрометеорологам.

Используя ежедневные данные о количестве обшей облачности можно дать априорную оценку вероятности диагноза состояния поверхности Антарктиды и ледового покрова приангарктичсской акватории Южного океана с помощью оптических систем землеобзора потакойформуле

гдеЛ^ - среднее суточное количество общей облачности в квадрате, к - количество пролетов ИСЗ над квадратом с суточным интервалом, п - количество интервалов по к наблюдений в архивной выборке, использованной для расчетов.

Существенным недостатком, ограничивающие возможности практического применения этой формулы, является недоступность архивов ежедневных спутниковых данных о количестве общей облачности широкому кругу потребителей. В то же время есть опубликованные средние многолетние (климатические) данные за каждый месяц года. Их можно использовать для получения априорной оценки вероятности успешного обзора земной поверхности из космоса при различном количестве пролетов ИСЗ над изучаемым районом с суточным интервалом,если эту формулу преобразовать следуюнны образом.

Представим ежедневное значение количества обшей облачности

как ТУ = №Ср — <5, где Л^ - среднее многолетнее количество обшей облачности в

данном квадрате, а 5 - отклонение от него в данные сутки. Тогда формула, например, для двух пролетов ИСЗ с суточным интервалом прклет такой вид:

и п

Аналогичные формулы могут быть написана для большего количества пролетов ИСЗ с суточным интервалом,

Егтесгвенно предположить, что, во-первых, отклонения N соседних суток от Л^, как правило, будут иметь различные знаки, поэтому их суммы будут малы; во-

вторых, поскольку отклонения от NCp чаще всего меньше его и меньше единицы, то их

произведения также будут невелики. Поэтсму члены, куда входят суммы и произведения отклонений от среднего значения количества общей облачности, должны быть

существенно меньше разности \ — В связи с этим был сделан вывод, что без

большой потери точности можно оценить априорную вероятность успешного обзора земной поверхности из космоса по климатическим данным о среднем месячном или сезонном количестве общей облачности при различном числе пролетов спутника над изучаемым районом с суточным интервалом. Формула дм расчета будет иметь следующий вид:

где к -количество пролетов ИСЗ с суточным интервалом.

С шяью проверки возможности практического использования этой формулы, вместо предыдущей, выполнены расчеты для квадратов с центральной точкой 60° с.ш. и 30° вл, а также 60° с.ш. и 100° в д. для большого количества пролетов ИСЗ в зимний и летний сезоны 1988-1991гг. (по 360 ежедневных наблюдений за каждый сезон). Различия в результатах расчетов по обевд формулам т превышают одного процента.

Таким образам, при перспективном планировании работы спутниковых оптических систем можно по климатическим данмлм о количестве общей облачности оценить вероятность успешного обзора земной поверхности при различном количестве пролетов ИСЗ над изучаемым районом. Более того, последняя формула позволяет оиенить с заданной вероятностью ожидаемую периодичность успешности обзора земной поверхности. Для этого нужно приданном N^ иайги такое значение к, при котором Р, SF**, где Р- заданное критическое значение вероятности, обеспечивающее потребителю приемлемую для его целей оценку возможности обзора поверхности Антарктики в навигационный период.

Исходным материалом дня решения поставленной задачи послужили многолетние ежемесячные данные о количестве общей облачности, Они получены в результате обработки ежедневных спутниковых фотографий облачного покрова Земли за десятилетний период (1971-1980гг.) и представляют собой оформленные в виде таблиц средние месячные значения количества общей облачности в сферических прямоугольниках размером 5° широты и!0° долготы.

С целью создания общего представления о территориальном распределении количества пролетов ИСЗ с суточным интервалом, обеспечивающее успешность обзора поверхности Антарктики с помощью оптических систем землеобзора равное 90%, на рис. 8 приведены три карты. На первой из них показано распределение числа пролетов ИСЗ в первый месяц навигашюиного периода (октябрь); на второй в его середине (январь)инатретьей — вегоконце (май^

В первую очередь обращает на себя внимание общее сходство в распределении количества пролетов ИСЗ, обеспечивающее 90%-ную вероятность успешного обзора поверхности Антарктики, в начале, середине и конце навга-ацнонного периода. В течении всей его продолжительности для обеспечения успешности обзора континента А>ггарктиды с вероятностью 90% необходимо не более трех пролетов ИСЗ с суточным интервалом. Изолиния три пролета практически везде окаймляет контуры материка.

3«

Я

«

н

ПО 1»

Рис.8 Распределение количества пролетов ИСЗ с суточным интервалом, обеспечивающих 90%-ную вероятность успешного обзора поверхности Антарктики в октябре (аХ январе (б), мае (в).

Другой особенностью является наличие в широтном поясе 50-60° ю.ш. полосы высоких значений количества пролетов. В е£ пределах необходимое количество пролетов достигает 12 и, местами, даже более. Вдоль этого широтного пояса в своем движении с запада на восток проходят северные периферии фронтальных циклонов со сплошной и значительной облачностью, покрывающей большие территории и на длительное время исключающая возможность получения полезной информации о состоянии ледовой обстановки в этой части Южного океана от спутниковых оптических систем. По мере приближения к континенту условия наблюдения несколько улучшаются и вблизи береговой черты составляют 4-6 пролетов ИСЗ с суточным интервалом.

Таблица 10

Средние месячдое и средние за навм-анионный период количества пролетов ИСЗ по широтным зонам, обеспечивающие вероятность успешного обзора поверхности Антарктики, равную 90%.

Широтная зош,° Месяцы (№) Период

10 И 12 1 2 3 4 5

50-55 11 11 10 9 9 10 10 10 10

55-60 9 11 10 9 9 11 11 10 10

60-65 10 10 9 8 9 9 10 9 9

65-70 6 7 8 6 7 7 7 7 7

70-75 4 4 3 4 4 4 3 3 4

75-80 2 2 2 2 2 2 2 2 2

80-85 I 1 I 1 1 1 1 1 1

85-90 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Среднее 4.1 4.4 4,2 3,7 3,9 4,2 4,3 4,1 4,1

Данные таблицы 10 подтверждают выводы, сделанные в результате визуальной оценки особенностей рас преде лениа количества пролетов ИСЗ над Антарктикой по каргам за начальный, серединный и когечный месяцы навигационного периода. Наиболее благоприятные условия для получения информации о состоянии поверхности Антарктики следует ожидать в январе-феврале.

Таким образом, благоприятные условия для использования спутниковых оптических систем землеобэора в Антарктике в нави-ашюнный период, когда ведется активная работа по обеспечению жшнедеятельности антарктических станций и проводятся обширные научные исследования, наблюдаются только над континентом и вдоль береговой черты. Здесь, в основном, в зависимости от удаленности от берега, количество пролетов ИСЗ с суточным интервалом, обеспечивающее вероятность успешного обзора подстилающей поверхности 90% составляет 1-3. По мере удаления от берега в направлении на север периодичность получения полезной информации о состоянии ледового покрова быстро возрастает н на его северной границе достигает 9-12 суток. Это обстоятельство делает проблематичным использование спутниковых оптических систем земле обзора в качестве основного средства наблюдения за состоящем ледового покрова Южного океана.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.

1. В результате обработки синоптических материалов за вторую половину XX столетия получены статистические характеристики циклонических центров действия атмосферы Южного полушария: географические координаты центров и интенсивность (давление в центре).

2. Подтверждено наличие в годовом ходе положения и интенсивности циклонических центров действия Южного полушария полугодовой волны: в декабре-январе и июне - максимум давления при смешении центров на северо-запад, а в сентябре-октябре и в марте, при смешении центров на юго-восток, мннж« ум давления.

3. Установлено, что в годовой волне все циклонические центры действия Южной полярной области движутся по часовой стрелке. В полугодовой волне в этом же направлении перемещаются центры Ищюокеанской и Южно-Тихоокеанской депрессий, а Южно Атлантической - наоборот, против часовой стрелки.

4. Зафиксировано отсутствие отчетливо выраженных и характерных для всех циклонических центров действия Южного полушария трендов в гаме пения их параметров.

5. Показано существование связи между многолетними (пятилетними средними) значениями давления и широтой центров действия атмосферы Южного и Северного полушарий. Изменения указанных параметров происходит одновременно, синфаэно в Тихом океане (Южно-Тихоокеанский — Алеутский минимумы) и асинфазно в Атлантическом океане (Южно^Англантический - Исландский минимумы) Эти связи свидетельствуют о существовании единого планетарного циркуляционного механизма, дальнейшие исследования которых могут оказаться полезными при долгосрочном метеорологическом прогнозировании.

6. В связи со слабой освещенностью метеорологическими данными обширной акватории Южного океана, с целью повышения надежности оценок интенсивности зональной циркуляции в Южном полушарии, предложен и успешно использован в работе индекс Южно-Полярного колебания (5Ю),расчеты которого ведутся с использованием результатов разложения разностей давления на четырех разрезах на ЕОФ.

7. Установлены статистически значимые связи индекса Южно-Полярного колебания с индексами циркуляции Северного полушария, а также между формами атмосферной циркуляции ГЛ.Ваи'енгейма и их аналогами в Южном полушарии, •гго указывает на наличие общих планетарных причин, определяющих динамику атмосферной циркуляции на всей Земле.

8. На изменение температуры воздуха в Антарктике оказывает влияние СевероАтлантическое колебание (периоды более 6-7 лет) и Северо-Тихоокеaiкжое колебание (периоды от 2-3 до 5-6 лет). Это влияние осуществляется через изменение интенсивности Южно Полярного колебания.

9. 3накоперененность изменений температуры и количества осадков от десятилетия к следующему десятилетию, отсутствие на большинстве станций Антарктики статистически значимых положительных трендов температуры и количества осадков позволяют сделать вывод об отсутствии в последние десятилетия XX века общего потепления Антарктики.

10. Карабогана методика вероятностной оценки успешности обзора земной поверхности с помощью спутниковых оптических и ИК -систем землеобзора по климатическим данным о количестве общей облачности, что исключает необходимость использования для расчетов архивы ежедневных спутниковых данных о количестве общей облачности.

11. В навигационный период благоприятные условия для получения полезной информации о состоянии поверхности Антарктики с помощью спутниковых оптических систем землеобзора существуют только на континенте Антарктиды и не посредстве шю прилегающей к побережью акваторией, где периодичность поступления полезной информации составляет 1-3 суток. Над всей остальной частью Южного океана, покрытой льдом, периодичность поступления сведений о состоянии ледового покрова составляет 912 суток, что вряд ли позволяет считать спутниковые оптические системы землеобзора основным средством получения полезной информации о состоянии поверхности этой части Южного океана.

Публикации актора по теме диссертации

1. Розанова И.В. Рациональный метод априорной оценки вероятности успешного обзора земной поверхности из космоса в оптическом диапазоне при наличии облачности //Материалы итоговой сессии Ученого Совета: Тезисы докл., Санкт-Петербург, 23 - 24 января 2001 г.-Спб.:Изд. РГТМУ.-С.14- 17. (соавторы: Воробьев В Н., Розанов Р.Е)

2. Розанова И.В. Априорная оценка вероятности успешного ofaopa земшй поверхности из космоса по климатическим данным о количестве общей облачности // Исследование земли из космоса.-2002. -№1. -С.38 -41 (соавторы:Воробьев В.И., Розанов Р.Е)

3. Розанова HJ3. Изменчивость интенсивности и положения циклонического ueinpa действия в атлантическом секторе Южного океана во второй половшее XX столетия //

Метеорологи» и гидрология. - 2003, - Jfsl. - С.75 - 82 (соавторы: Смирнов Н.П., СарухавднЭ.И.)

4. Розанова И В. Сезонная динам ика характеристик центров действия атмосферы в южной полярной области // Материалы итоговой сессии Ученого Совета: Тезисы докл., Санкт-Петербург, 27-28 января 2003 г,-Спб.: Изд. РГШУ, - С.46 - 47.

5. Розанова ИВ. Циклонические центры действия атмосферы южного полушария и изменения климата//Монография, - СПб.,: Изд. РТТМУ. -217с. (соавторы:Смирнов Н.П., СаруханянЭ.И.)

6. Розанова ИЛ. Вероятностная оценка возможности определения состояния земной поверхности с помощью оптических систем ИСЗ по климатическим данным о количестве облачности// Сборник трудов молодых ученых но гидрометеорологии. — Спб.: Изд. РГГМУ.-С.22-28. (соавтор: Розанов Р.Е).

Подписана a печать 20.11.06. Формат60к90 1/16. Гарнитур« Times Now Roman. Бумага офитяа*. Печгп. офсетиа*. Уиинсч л. 1.3. Тираж 100 эп. Заказ № 88 РГГМУ, 195196, Санкт-Петербург, Мвлоохтиискнй пр., 98. ЗАО «НПП «Система», 195112, Санкт-Петербург, Малоохтинскяй пр.ЛО/2.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Розанова, Ирина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ЦИКЛОНИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ ДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ В ЮЖНОЙ ПОЛЯРНОЙ ОБЛАСТИ.

1.1 Методика и результаты определения давления в центрах и координат циклонических центров действия атмосферы в Южной полярной области.

1.2 Внутригодовая изменчивость циклопических центров действия.

1.3 Многолетняя изменчивость и взаимосвязь характеристик циклонических центров действия Южной полярной области.

1.4 Структура многолетней изменчивости.

1.5 Сравнительный анализ многолетней динамики циклонических центров действия атмосферы Северного и Южного полушарий.

ГЛАВА 2 ЮЖНО-ПОЛЯРНОЕ КОЛЕБАНИЕ.

2.1 Возможное представление индекса Южно-Полярного колебания.

2.2 Межгодовая изменчивость Южно-Полярного колебания.

2.3 Связь Южно-Полярного колебания с другими индексами атмосферной циркуляции.

2.4 Индекс Южно-Полярного колебания и повторяемость форм атмосферной циркуляции Южного полушария.

ГЛАВА 3. ЮЖНО-ПОЛЯРНЫЕ ЦИКЛОНИЧЕСКИЕ ЦЕНТРЫ ДЕЙСТВИЯ АТМОСФЕРЫ И ДИНАМИКА РЕЖИМА ТЕМПЕРАТУРЫ И ОСАДКОВ В АНТАРКТИКЕ ВО ВТОРОЙ ПОЛОВИНЕ XX ВЕКА.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Температура воздуха.

3.3 Осадки.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ УСПЕШНОГО ОБЗОРА АНТАРКТИДЫ И ЛЕДОВОГО ПОКРОВА ПРИАНТАРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ В НАВИГАЦИОННЫЙ ПЕРИОД С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИСЗ. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ.

4.1. Постановка задачи априорной оценки вероятности успешного обзора Антарктиды и ледового покрова приантарктичсской акватории Южного океана с помощью спутниковых измерительных систем оптического диапазона.

4.2 Ледовый покров приантарктической части Южного океана в навигационный период.

4.2.1 Структура ледового покрова приантарктической акватории Южного океана в теплое полугодие.

4.2.2 Положение северной границы распространения ледового покрова в приантарктической акватории Южного океана в теплое полугодие и длительность навигационного периода.

4.3. Метод априорной оценки вероятности успешного обзора земной поверхности с помощью космических оптических систем с использованием архивов ежедневных спутниковых данных о количестве общей облачности.

4.4. Метод априорной оценки вероятности успешного обзора земной поверхности с помощью космических оптических систем по климатическим данным о количестве общей облачности.

4.5. Оценка количества пролетов ИСЗ с суточным интервалом, обеспечивающих успешность обзора поверхности Антарктики в навигационный период с вероятностью 90%.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Циклонические центры действия атмосферы, циркуляция и климат Южной Полярной области во второй половине XX столетия"

На среднемесячных картах приземного давления на земном шаре отчетливо выделяются замкнутые области низкого и высокого давления. В Северном полушарии это Исландский и Алеутский минимумы давления, Азорский и Гонолульский максимумы давления, а также Сибирский максимум, (в холодную половину года.) и Азиатская депрессия (в теплую половину года). В Южном полушарии имеются три стационарные антициклонические области, расположенные в субтропических широтах каждого из трех океанов: Атлантического, Индийского и Тихого. На юге, охватывая Антарктический континент, простирается обширная зона низкого давления, центральная часть которой располагается между 60° ю.ш. и берегом материка. В пределах этой зоны наиболее часто выделяются три области наиболее низкого давления, приуроченные к каждому из секторов Южного океана: атлантическому, индоокеанскому и тихоокеанскому.

Все упомянутые выше области, представляющие собой квазистационарные барические системы принято в настоящее время называть центрами действия атмосферы. Понятие о центрах действия атмосферы было выдвинуто Тейсерантом-де-Бором еще в конце девятнадцатого столетия. Однако по ряду причин и, в частности, потому, что введение этого понятия в то время не способствовало пониманию механизма общей циркуляции атмосферы, центрам действия атмосферы долгое время не уделялось достаточно внимания. Только начиная с 60-х годов прошлого столетия появились работы, в которых центры действия атмосферы стали рассматриваться как объекты, характеризуемые интенсивностью (величиной давления в центре) и географическим положением центра. Первьш такому анализу был подвергнут Исландский минимум давления. Несколько позднее были получены и проанализированы значения давления и координаты других центров действия атмосферы Северного полушария. В последующие годы характеристики центров действия атмосферы, в основном только для Северного полушария, рассматривались неоднократно. В самые последние годы наиболее детальные исследования центров действия атмосферы выполнены для Северной Атлантики [1,2] и Северной части Тихого океана [3].

Вместе с исследованием динамики характеристик центров действия атмосферы приходило и понимание того, что они тесно связаны с климатическими вариациями в регионах их расположения и, более того, их положение и интенсивность определяют тип и интенсивность циркуляции атмосферы в регионе. Наиболее полно это было показано на результатах исследований центров действия атмосферы в Северной Атлантике [1,4,5,6], а совсем недавно и в исследовании центров действия в северотихоокеанском регионе [3].

В Южном полушарии, за исключением Южно-Атлантического максимума давления [2], характеристики центров действия ранее не рассматривались. В то же время интенсивность этих центров и связанный с этим западно-восточный перенос в Южном полушарии выражены значительно сильнее, чем Северном. Поэтому в работе на материалах второй половины двадцатого столетия наряду с получением многолетних характеристик положения и интенсивности циклонических центров действия Южного полушария проанализирована их сезонная и многолетняя динамика. Сделана успешная попытка найти южный аналог индексу Северо-Атлантического колебания, которое по общему признанию во многом определяет характер и интенсивность циркуляции атмосферы и особенности динамики климата на большей части Северного полушария [1,3,6,7]. Получены некоторые оценки взаимосвязи характеристик многолетней динамики циклонических центров действия атмосферы в Северном и Южном полушариях с целыо выяснения причин, формирующих эту динамику.

Следует отметить, что в данной работе, как и в многих других, центры действия атмосферы рассматриваются как обобщенные характеристики динамики атмосферы, понимая при этом, что они по сути являются статистическими образами реально возникающих и перемещающихся циклонических образований. Южная Полярная область не является в этом смысле исключением. Как будет показано далее, существование циклонических центров действия атмосферы в ее атлантическом, индийском и тихоокеанском секторах отражает циклоническую активность в этих регионах. Последняя, в частности, является основной причиной формирования в приантарктической акватории Южного океана обширных облачных полей, существенно затрудняющих космический землеобзор с помощью спутниковых оптических систем. Такая информация особенно важна в навигационный (светлый) период, когда осуществляется проводка судов к берегам Антарктиды и проводятся экспедиционные работы на континенте.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Розанова, Ирина Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате обработки синоптических материалов за вторую половину XX столетия получены статистические характеристики циклонических центров действия атмосферы Южного полушария: географические координаты центров и интенсивность (давление в центре).

2. Подтверждено наличие в годовом ходе положения и интенсивности циклонических центров действия Южного полушария полугодовой волны: в декабре-январе и июне - максимум давления при смещении центров на северо-запад, а в сентябре-октябре и в марте ,при смещении центров на юго-восток, минимум давления.

3. Установлено, что в годовой волне все циклонические центры действия Южной полярной области движутся по часовой стрелке. В полугодовой волне в этом же направлении перемещаются центры Индоокеанской и Южно-Тихоокеанской депрессий, а Южно Атлантической - наоборот, против часовой стрелки.

4. Зафиксировано отсутствие отчетливо выраженных и характерных для всех циклонических центров действия Южного полушария трендов в изменения их параметров.

5. Показано существование связи между многолетними (пятилетними средними) значениями давления и широтой центров действия атмосферы Южного и Северного полушарий. Изменения указанных параметров происходит одновременно, синфазно в Тихом океане (Южно-Тихоокеанский - Алеутский минимумы) и асинфазно в Атлантическом океане (Южно-Антлантический - Исландский минимумы). Эти связи свидетельствуют о существовании единого планетарного циркуляционного механизма, датьнейшие исследования которых могут оказаться полезными при долгосрочном метеорологическом прогнозировании.

6. В связи со слабой освещенностью метеорологическими данными обширной акватории Южного океана, с целыо повышения надежности оценок интенсивности зональной циркуляции в Южном полушарии, предложен и успешно использован в работе индекс Южно-Полярного колебания (SPO), расчеты которого ведутся с использованием результатов разложения разностей давления на четырех разрезах на ЕОФ.

7. Установлены статистически значимые связи индекса Южно-Полярного колебания с индексами циркуляции Северного полушария, а также между формами атмосферной циркуляции Г.Я.Вангенгейма и их аналогами в Южном полушарии, что указывает на наличие общих планетарных причин, определяющих динамику атмосферной циркуляции на всей Земле.

8. На изменение температуры воздуха в Антарктике оказывает влияние СевероАтлантическое колебание (периоды более 6-7 лет) и Северо-Тихоокеанское колебание (периоды от 2-3 до 5-6 лет). Это влияние осуществляется через изменение интенсивности Южно Полярного колебания.

9. Знакопеременность изменений температуры и количества осадков от десятилетия к следующему десятилетию, отсутствие на большинстве станций Антарктики статистически значимых положительных трендов температуры и количества осадков позволяют сделать вывод об отсутствии в последние десятилетия XX века общего потепления Антарктики.

10. Разработана методика вероятностной оценки успешности обзора земной поверхности с помощью спутниковых оптических и ИК-систем землеобзора по климатическим данным о количестве общей облачности, что исключает необходимость использования для расчетов архивы ежедневных спутниковых данных о количестве общей облачности.

11. В навигационный период благоприятные условия для получения полезной информации о состоянии поверхности Антарктики с помощью спутниковых оптических систем землеобзора существуют только на континенте Антарктиды и непосредственно прилегающей к побережью акваторий, где периодичность поступления полезной информации составляет 1-3 суток. Над всей остальной частью Южного океана, покрытой льдом, периодичность поступления сведений о состоянии ледового покрова составляет 912 суток, что вряд ли позволяет считать спутниковые оптические системы землеобзора основным средством получения полезной информации о состоянии поверхности этой части Южного океана.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Розанова, Ирина Владимировна, Санкт-Петербург

1. Смирнов Н.П., Воробьев В.Н., Кочанов C.IO. Северо-Атлантическое колебание и климат. СПб., Изд-во РГГМУ, 1998, 121 с.

2. Machel Н., Kapala A., Flohn Н. Behaviour of the centers of action above the Atlantic since 1881. Part 1: Characteristics of seasonal and interannual variability. Int. J. of Climatology, Vol.18, 1998, p. 1- 22.

3. Смирнов Н.П., Воробьев B.II. Северо-Тихоокеанское колебание и климат. СПб, Изд-во РГГМУ,2002,122 с.

4. Perry. А.Н. Changes in position and intensity of major N. Hemisphere centers of action. Weather, 26, 1971, p. 268 270.

5. Sahsamanoglou H.S. A contribution to the study of action centers in the North Atlantic. Int. journal of Climatology, vol.10, 1990, p.247-261.

6. Kapala A., Machel H., Flohn H. Behaviour of the centers of action above the Atlantic since 1881. Part 2: Associations with regional climate anomalies. Int. J. Climatology, Vol. 18,1998, p. 23-36.

7. CLIVAR. A Research Programme of Climate Variability and Prediction for the 21-th Century. World Climate Research Program, August, 1997,48 p.

8. Саруханян Э.И., Смирнов Н.П. Водные массы и циркуляция Южного океана. Л., Гидрометеоиздат, 1986,288 с.

9. Taliaard I.I and all. Climate of the Upper Air., Part 1. Southern Hemisphere. Vol.1., NAVAIR 50-1C-55, 1969, 135 p.

10. Simmonds I. Modes of atmospheric variability over the Southern Ocean. J. of Geophys. Res. vol. 108, № C4,2003, sov 5-1-5.30.

11. Стехновский Д.И. Барическое поле земного шара. М., Гидрометеоиздат, 1962, 148 с.

12. Атлас Антарктики. Изд-во ГУГК, 1966,225 с.

13. Швердфегер В. Погода и климат Антарктики. Л., Гидрометеоиздат., 1987, 264 с.

14. Метеорология Южного полушария., ред. Ч.У. Ныотон, Гидрометеоиздат, 1976, 260 с.

15. Pillpot Н. Some Observationally identified Meteorological Features of East Antarctica. Bureau of Meteorology Australia, Meteorological Study, №42, 1997, 275 p.

16. Van Loon H. On the interaction between Antarctica and middle latitudes. Research in the Antarctic (L. Quam. Ed.) Washington, D.C., AAAS, 1971, p. 477-487.

17. Defant A. Die Schwankungen der atmospherischen Zirkulation uber dem Nordatlantischen Ozean im jahrigen 1881 1905. Geogr. Ann. 1924, Bd 6, p.13-41.

18. Walker G.T., Bliss E.M. World Weather. V Mem Roy Meteorlog. Soc, №46 19326 p. 5384

19. Brasket A., Curry J., Maslanik J. Sea-ice variability in Greenland and Labrador Seas and their interaction with the North Atlantic Oscillation. In. Conference on Polar Processes and Global Climate. Draff Summary Report. Oslo, Norway, 1997, p.23-25

20. Lamb P.J. and R.A. Peppier. North Atlantic Oscillation: Concept and an Application. Bull. American Meteorol. Soc., Vol. 68, №10,1987, p. 1218-1225.

21. Robinson W.A. The dynamic of the zonal index a simple model of atmosphere. Tellus, vol. 43, 1991, p.295-305.

22. Rogers J.S. The association between North Atlantic Oscillation and the Southern Oscillation in the Northern Hemisphere. Month . Weather Rev., vol.112, 1984, p. 19992015.

23. Rossby C.G. Relation between variation in the intensity of zonal circulation and the displacements of the semipermanent centers of action. I. Marine Res., №2, 1939, p. 3855.

24. Бабкин В.И., Воробьев В.Н., Смирнов Н.П. Северо-Атлантическое колебание и динамика стока рек Европы. Труды РГГМУ, вып. 122, 1999, с. 114-121.

25. Воробьев В. Н., Качанов С. 10., Смирнов II. П. Сезонные и многолетние колебания уровня морей Северного Ледовитого океана. СПб, Изд-во РГГМУ, 2000, 113 с.

26. Дворкин Е. Н., Качанов С. Ю., Смирнов Н. П. Северо-Атлантическое колебание и многолетние изменения уровня Северного Ледовитого океана. Метеорология и гидрология, 2000, №3, с.78-84

27. Dickson R.R. and all. The Arctic Ocean Response to the North Atlantic Oscillation. J. of Climate, Vol.13,2000, p.2671-2695.

28. Eden C. And Jung T. North Atlantic Interdecadal Variability: Oceanic Response to the North Atlantic Oscillation (1865-1997). J. of Climate, Vol.14, 2001, p.676-691.

29. Joyce Т. M., Deser G., Spall M. The relation between Decadal Variability of Subtropical Mode Water and the North Atlantic Oscillation. J. of Climate, Vol.13, 2000, p.2550-2569.

30. Venegas S.A , Mysak L. Is a Dominant Timescale of Natural Climate Variability in the Arctic. J. of Climate, vol. 13, 2000, p. 3412-3434.

31. Zhang J., Rothrock D. and Steele M. Recent Changes in Arctic Sea Ice. The Interplay between Ice dynamics and thermodynamics. J. of Climate, Vol.13,2000, p.3099-3114

32. Войнов Г.Н. Приливные явления в Карском море. СПб, Изд-во РГО, 1999,109 с.

33. Walker G.T. World Weather. Q.I. Roy Met. Sav, 54 ,1928, p. 79-87.

34. Gong D. and Wong S. Definition of Antarctic Oscillation index. Geophys. Res. Let., Vol.26, №3,1999, p.459-462.

35. Kidson J.W. Indices of the Southern Hemisphere. Zonal Wind. J. of Climate, Vol.1, 1988, p.183-194.

36. Trenberht K.E. Fluctuation and trends in indices of the Southern Hemisphere. Q.I.Roy. Met. Soc,m 103,1976, p. 67-75.

37. Саруханян Э.И., Смирнов Н.П. Многолетние колебания стока Волги. Опыт геофизического анализа. JI., Гидрометеоиздат, 1970, 167 с.

38. Вангенгейм Г.Я. Основы макроциркуляционного метода долгосрочных метеорологических прогнозов для Арктики. Труды ААНИИ, т.34,1952, 314с.

39. Гире А. А. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долгосрочные гидрометеорологические прогнозы. JL, Гидрометеоиздат., 1971,488с.

40. Гире А. А. Макроциркуляционный метод долгосрочных гидрометеорологических прогнозов. J1., Гидрометеоиздат, 1974,485с

41. Дыдина JI. А. и др. Формы атмосферной циркуляции в Южном полушарии. Труды ААНИИ, т.ЗЗО, 1976, с. 5-16.

42. Рыжаков JI.IO. Некоторые характеристики аномального развития форм атмосферной циркуляции Южного полушария в холодное время года. Труды ААНИИ, т.ЗЗО, с. 17-29.

43. Рыжаков JI.IO. Характерные аномальности циркуляции атмосферы над Южным полушарием и некоторые прогностические связи для района Антарктики. Сб. "Циркуляция атмосферы в полярных областях", JL, Гидрометеоиздат, 1978, с. 123129.

44. Воробьев В.Н., Смирнов Н.П. Арктический антициклон и динамика климата Северной Полярной области. СПб, Изд-во РГГМУ, 2003, 82 с.

45. Chapmen W. and Walsh J.E. Reccnt variation of sea-ice and air temperature in high latitudes. Bull. Amer. Meteorol. Soc., №74,1993, p. 33-47.

46. Deser C., Walsh J.E., Timlin M.S. Arctic Sea Ice Variability in the Context of Recent Atmospheric Circulation Trends. J. of Climate, Vol.13,2000, p.617-633

47. Proshutinsky A., Jonson M., Polyakov I. Decadal scale variability of the Arctic System. Proceeding of ACSYS Conference on Polar Processes and Global Climate, WMO/ID, №908,1998, p.206-211.

48. Przybylak R. Temporal and spatial variation of surface air temperature over the period of instrumental observations in the Arctic. Int. J. of Climatology, Vol.20, 2000, p. 587-614.

49. Radionov V.F and Aleksandrov E.J Tendcncics of Climate in the Northern Polar Proceeding Conference on Polar processes and Global Climate. Part II, 1997, p. 209-211.

50. Jones P.D. Recent variations in mean temperature and diurnal temperature range in the Antarctic. Geophys. Res. Let., 22,1995, p.1345-1348.

51. Fletcher J.O. Ice Extent on the Southern Ocean and its relation to World Climate. Memorandum RM-5793-NSF, The Rand Corporation, California, 1969, 108p.

52. Говердовский В.Ф. Космическая метеорология с основами астрономии. СПб., ЛГМИ, 1995.

53. Романов А.А. Льда Южного океана и условия судоходства. Л., Гидрометеоиздат, 1984.

54. Северный ледовитый и Южный океаны. Наука, 1985.

55. Матвеев ЮЛ., Титов В.И. Данные о структуре и изменчивости климата. Глобальное поле облачности. Обнинск, ВНИИГМИ-МЦД., 1985.

56. Воробьев В.И. Исследования макроструктуры планетарных облачных полей по спутниковым данным. Гидрометеорология научно-техническому прогрессу. Сборник научных трудов, Л., ЛГМИ, 1990.

57. Воробьев В.И., Фадеев B.C. Характеристики облачного покрова северного полушария по данным метеорологических спутников. Л., Гидрометеоиздат, 1981.

58. Комаров B.C., Креминский А.В., Ломакина Н.Я. Воробьев В.И. Об оценке требуемого количества пролетов ИСЗ для успешного обзора земной поверхности из космоса при ее закрытии облачностью в момент первого пролета. Оптика атмосферы и океана, №1, 1998.

59. Воробьев В.И., Розанова И.В., Розанов Р.Е. Априорная оценка вероятности успешного обзора земной поверхности из космоса по климатическим данным о количестве общей облачности. Исследование Земли из космоса. №1, 2002.

60. Таблицы количества пролетов ИСЗ, обеспечивающего вероятность успешного обзора 90% поверхности Антарктики