Комплексный анализ основных центров действия атмосферы Северного полушария

удк 551.589

комплексный анализ основных действия атмосферы северного

с. В. Морозова

Саратовский государственный университет E-mail: swetwl@yandex.ru

на основании нового подхода к изучению циркуляционных объектов на Северном полушарии физико-статистическим способом рассмотрены изменения динамики циркуляционного режима на полушарии в различные периоды состояния земной климатической системы. Ключевые слова: атмосферная циркуляция, земная климатическая система, центры действия атмосферы.

A Comprehensive Analysis of the Centres

of the Atmosphere Action of the Nortern Hemishere

s. W. Morozova

On the basis of a new approach to the study of the circulation of objects in the hemisphere physical-statistical method considered changing dynamics of the main circulation system of the Northern Hemisphere. Based on this approach, the peculiarities of the circulation regime change in the hemisphere at different periods of the Earth's climate system.

Key words: circulation of the atmosphere, the Earth's climate system, centres of the atmosphere action.

В структуре циркуляции атмосферы над Северным полушарием имеют место две хорошо выраженные в течение всего года циркуляционные системы - Северо-Атлантическая, представленная Исландским минимумом и Азорским максимумом давления, и Северо-Тихоокеанская, включающая в себя Алеутский циклон и Гавайский (Гонолуль-ский) антициклон. В отдельности динамика этих циркуляционных систем хорошо изучена, оценено влияние каждой из них на климат [1-3]. Однако эти циркуляционные системы существуют не изолированно друг от друга, а внутри единого, взаимосвязанного и взаимообусловленного механизма общей циркуляции атмосферы (ОЦА), поэтому в настоящей работе поставлена задача провести комплексное исследование циркуляционных систем Северного полушария, включая зимний Азиатский и Арктический антициклоны.

Для решения этой задачи для каждого из шести вышеназванных центров действия атмосферы определялись три характеристики: широта, долгота и давление в центре по последней замкнутой изобаре) на временном промежутке с 1931 по 1989 г. На основании указанных данных исследовалась их динамика. Относительно широтно-долготного смещения указанных ЦДА следует отметить, что все шесть центров действия - Исландский и Алеутский минимумы, Азорский и Гавайский максимумы, а также зимний Азиатский и Арктический антициклоны

- не имеют большого смещения по меридиану, в то время как вдоль круга широты каждый центр действия мигрирует довольно сильно. В качестве примера приведём диаграммы изменения долготы североатлантических (рис. 1) и северотихоокеанских центров действия (рис. 2).

В большинстве месяцев года центры Исландского минимума и Азорского максимума (см. рис. 1) находятся примерно на одном меридиане, причём центр антициклона от месяца к месяцу практически не смещается, в то время как циклонический центр довольно сильно изменяет своё положение в течение года, особенно летом, продвигаясь к западу на 30-40°.

На основании диаграммы, представленной на рис. 2, можно заключить, что центр Гавайского антициклона в течение всего года расположен восточнее центра Алеутского циклона, наибольшее расхождение между этими центрами наблюдается зимой (порядка 50°). В конце весны, летом и в начале осени происходит их сближение, причём наиболее сильно изменяет своё положение центр Гавайского антициклона. Наименьшее расстояние между этими ЦДА отмечается в апреле и октябре (5° и 10° соответственно).

Изменение долготы центра Арктического антициклона также довольно существенно и составляет в отдельные месяцы 60-70°, однако каких либо определённых закономерностей его годового смещения вдоль круга широты не выявлено.

Подробнее рассмотрим изменения интенсивности центров действия атмосферы Северного полушария. Обычно интенсивность циркуляционных систем (Северо-Атлантической, СевероТихоокеанской), а также других объектов циркуляции характеризуется различными индексами NAO (Северо-Атлантическое колебание), SOI (Южное колебание), SCA (Скандинавское колебание), PO (Полярное колебание) и т. п., причём эти индексы рассматриваются изолированно друг от друга. В настоящем исследовании предлагается новый способ изучения интенсивности циркуляционных систем и объектов циркуляции Северного полушария, заключающийся в одномоментном рассмотрении временной динамики нескольких ЦДА. Для этого на временной график нанесены годовой ход разницы давления в Северо-Атлантических центрах действия (индекс NAO) и СевероТихоокеанских (индекс NPO), что представлено на рис. 3. Отметим, что годовой ход этих индексов

Н  , - - -  н -- - - - -

Месяц

///// ^ Г /У^У/г

Рис. 1. Сезонные изменения долготы центров Исландского минимума и Азорского максимума

19 —*—*—*—*-*—*—*—*—*—

Месяц Месяц

Рис. 2. Сезонные изменения долготы центров Алеутского минимума и Гонолульского максимума

^ -.-.—.-.—.-.-.—.—.-.-.—

Месяц Месяц

Рис. 3. График сопряженности колебаний Северо-Атлантических и СевероТихоокеанских центров действия атмосферы

аналогичен, причем интенсивность циркуляционной системы Северной Атлантики в течение всего года (за исключением апреля) выше, чем севера Тихого океана. В течение года наибольшей активности обе циркуляционные системы достигают зимой и в начале весны, летом их активность минимальна, а осенью начинает возрастать. Вычислим разницу между индексами колебаний данных циркуляционных систем и назовем ее индексом сопряженности колебаний североатлантических и северотихоокеанских центров действия. Отметим, что этот индекс обращается в нуль в мае и ноябре, во все остальные месяцы он остается стабильным, однако в течение осени плавно уменьшается. На основании исследования индекса сопряженности колебаний можно отметить, что

состояние северотихоокеанской циркуляционной системы более стабильно, чем североатлантической, причем активность ЦДА над севером Тихого океана по интенсивности приближается к атлантической осенью, а в апреле оказывается даже несколько выше, что, по-видимому, косвенно отражает смену зимнего муссона на летний. На основании рис. 3 также можно предположить, что смена муссонной циркуляции с зимней на летнюю происходит более резко, чем с летней на зимнюю.

Отметим, что наибольший вклад в величину индекса сопряженности колебаний вносят именно циклонические центры действия, потому что давление в антициклонических образованиях имеет практически одинаковую величину в течение года (табл. 1) (разница 2-4 гПа), в то время

Значения давления в центрах некоторых ЦДА

Таблица 1

Месяц Давление, гПа

Исландский минимум Азорский максимум Алеутский минимум Гавайский максимум

Январь 993 1025 993,8 1022,4

Февраль 995,5 1024 996,8 1021,4

Март 998 1023 999,5 1022

Апрель 1006,3 1022,5 1006 1024,9

Май 1007 1024 1007,3 1023,9

Июнь 1008 1024,5 1009,1 1023,4

Июль 1007 1025,3 1009,7 1024,9

Август 1005 1023 1008,3 1024,3

Сентябрь 1003 1021 1006,3 1021,6

Октябрь 1001 1021 1002,3 1020,5

Ноябрь 999 1022 998,3 1020,9

Декабрь 994 1024 996,7 1023

Среднегодовое 1001,4 1023,2 1002,8 1022,7

как изменение давления в циклонических ЦДА североатлантического и северотихоокеанского регионов довольно существенно (до 10 гПа).

Однако, помимо этих наиболее крупномасштабных циркуляционных систем, в атмосфере Северного полушария присутствует еще два не менее значимых объекта циркуляции - Арктический и зимний Азиатский антициклоны. Отметим, что изучению этих центров действия в отдельности также посвящена обширная литература.

Как уже указывалось, все барические образования связаны между собой, а сезонные их изменения взаимообусловлены в годовом ходе, поэтому целесообразно комплексно рассмотреть режим центров действия атмосферы, существующих в Северном полушарии.

Вначале рассмотрим синхронную динамику центров действия атмосферы Северной Атлантики, зимнего Азиатского и Арктического антициклонов, после этого - синхронную динамику центров действия атмосферы северной части Тихого океана, зимнего Азиатского и Арктическо-

го антициклонов. Относительно комплексного изучения миграций этих ЦДА выводы получились малозначимые, поэтому в настоящей статье не приводятся, однако относительно изменения интенсивности получены довольно интересные результаты.

Среднемесячное изменение давления в центрах трех барических образований: Азорского максимума, Исландского минимума и зимнего Азиатского антициклона - представлено на рис. 4. Следует отметить асинхронность колебания давления в циклоническом центре и двух антициклонических центрах действия атмосферы в холодное время года. В январе наблюдается усиление активности рассматриваемых центров: давление в центре Исландского циклона минимальное, а в Азорском и зимнем Азиатском антициклонах - максимальное. С апреля по октябрь наблюдаем согласованный ход изменения давления в центрах Исландского минимума и Азорского максимума. С момента начала формирования зимнего Азиатского антициклона резко

проявляется рассогласованность хода давления в этих ЦДА. По мере исчезновения Азиатского антициклона колебания Исландского минимума и Азорского максимума снова происходят согласованно. Возможно, зимний Азиатский антициклон вносит дисбаланс в синхронность колебаний давления в центрах действия атмосферы над Северной Атлантикой и влияет на величину индекса NAO.

Среднемесячное изменение давления в трех центрах действия атмосферы: Азорском максимуме, Исландском минимуме и в Арктическом антициклоне - наглядно показывает рис. 5. Колебание давления в центре Арктического антициклона находится в противофазе с колебанием давления в центрах Азорского максимума и Исландского минимума. Особенно четко наблюдается противофаза колебаний давления между Арктическим максимумом и Исландским циклоном.

График, отражающий среднемесячное изменение давления в течение года в трех центрах действия: северотихоокеанских ЦДА и зимнем Азиатском антициклоне, представлен на рис. 6. Следует отметить, что в зимний период рассогласованность хода давления в циркуляционной системе северной части Тихого океана выражена слабее, по сравнению с североатлантическими центрами действия. Таким образом, можно заключить, что зимний Азиатский антициклон больше влияет на североатлантическую циркуляционную систему, чем на северотихоокеанскую, но, тем не менее, влияние Сибирского максимума давления на индекс NPO тоже весьма ощутимо.

Были исследованы также сезонные изменения давления в центрах Гавайского максимума, Алеутского минимума и Арктического антициклона. Можно отметить, что колебание давления в центре Арктического антициклона также находится в противофазе с колебанием давления северотихоокеанской циркуляционной системы и североатлантической.

Таким образом, обнаружено влияние зимнего Азиатского антициклона на изменение давления в центрах действия атмосферы Северной Атлантики, что проявляется в противоположности фаз хода давления в зимний период. Подобное влияние зимнего Азиатского антициклона на северотихоокеанскую циркуляционную систему несколько слабее.

За последние 150 лет земная климатическая система претерпела некоторые изменения, которые наиболее ярко выражаются в проявлениях глобальной температуры [4,5]. В целом за указанный период исходя из анализа хода глобальной температуры воздуха земная климатическая система находится в стадии потепления. Но внутри этого промежутка выделяют три естественных климатических периода: первая волна глобального потепления, период стабилизации и вторая волна глобального потепления. Первая

волна началась в конце XIX века и закончилась в 40-х годах XX века. После нее наступил небольшой период стабилизации, длившийся два десятилетия: 50-60-е годы XX века. С середины 70-х годов началось новое потепление, названное второй волной и продолжающееся с некоторым замедлением по настоящее время [4, 5]. Глобальная средняя приземная температура воздуха за период с конца XIX века возросла на 0,6-0,2°С, а с учетом данных [5] рост температуры составил 0,74°С.

За климатические периоды осреднения поля приземного давления в настоящем исследовании взяты следующие интервалы: 1931-1960 гг. и 1970-1989 гг. Первый период осреднения приземного поля давления приблизительно совпадает с периодом стабилизации, второй - с началом второй волны глобального потепления. В эти два периода проведено сравнение основных характеристик центров действия - изменения положения и интенсивности.

В широтно-долготных смещениях (миграциях) ЦДА выявлены следующие особенности (табл. 2, 3): в обозначенные климатические периоды состояния Земной климатической системы широта всех исследуемых центров изменилась незначительно - не более чем на два-три градуса. Однако смещение центров вдоль круга широты изучаемых ЦДА на двух исследуемых временных промежутках довольно заметно, особенно у Исландского и Алеутского минимумов. Исландский циклон в более поздний исследуемый период сместился на 6° к западу, а Алеутский - на 14° к востоку. Такое расхождение циклонических центров предполагает расширение зоны влияния Сибирского антициклона, особенно в восточном направлении.

Значения давления в центрах исследуемых ЦДА в два климатических периода приведены в табл. 4. На основании анализа табл. 4 выявлено, что в два климатических периода наибольшая стабильность характерна для субтропических антициклонов - Азорского и Гавайского максимумов, давление в их центрах практически не изменилось. От одного периода к другому произошло углубление циклонических центров: так давление в центрах Исландского и Алеутского минимумов во второй исследуемый период, по сравнению с первым, уменьшилось на 2,9 гПа и 2,7 гПа соответственно. Активность Арктического антициклона во второй исследуемый период также возросла, давление в его центре увеличилось на 1,9 гПа, но особенно усилился зимний Азиатский антициклон, давление в центре которого оказалось выше в последний исследуемый период, по сравнению с первым, на 9,7 гПа. Отметим, что изменение давления в центрах рассмотренных ЦДА от одного климатического периода к другому хорошо выражено во все сезоны года, за исключением летнего, во время которого эти изменения слабее.

Рис. 4. Сезонные изменения давления в центрах Азорского максимума, Исландского минимума и зимнего Азиатского антициклона

1ИЙ

гчп ...........

Месяц

Рис. 5. Сезонные изменения давления в центрах Азорского максимума, Исландского минимума и Арктического антициклона

Рис. 6. Сезонные изменения давления в центрах Гонолульского антициклона, Алеутского минимума и Азиатского антициклона

Среднемноголетние значения широты центров действия атмосферы Северного полушария

за различные периоды

Таблица 2

Месяц Исландский минимум Азорский мак-сиимум Алеутский минимум Гонолульский максимум Арктический антициклон Зимний Азиатский антициклон

19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989

Январь 60 61,3 35 35 50 49,7 30 36 75 76 48 50

Февраль 60 60 35 33 50 51,3 34 32,7 76 72,33 50 48

Март 58 61 26 33 50 50,7 32 31,3 88 76,75 50 50

Апрель 60 62 30 35 55 57,1 34 35,4 85 80,7 - -

Май 60 58 30 34 55 55,8 34 33,6 80 80,6 - -

Июнь 62 63 32 34 58 56,8 33 35,4 75 75,5 - -

Июль 65 63 35 35 57 59,3 38 37,6 81 76,8 - -

Август 63 64 34 34 60 57,8 38 39,1 80 75,7 - -

Сентябрь 62 64 34 36 58 56,1 36 37 85 77,2 - -

Октябрь 60 62 32 35 58 58,2 32 35,4 85 77 - -

Ноябрь - 62 - 35 - 53,4 - 35,6 - 80,5 - 49,5

Декабрь 61 65 33 34 52 53,2 30 35,8 78 77,69 49 50

Среднемного-летнее 61 62,1 32,4 34,4 54,8 54,9 33,7 35,4 80,7 77,2 49,6 49,5

Таблица 3

Среднемноголетние значения долготы центров действия атмосферы Северного полушария

за различные периоды

Месяц Исландский минимум, з.д. Азорский максимум, з.д. Алеутский минимум, з.д. Гонолульский максимум, з.д. Арктический антициклон, в.д. Зимний Азиатский антициклон, в.д.

19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989

Январь 30 32,5 20 28 179 170,6 137 125,5 180 226,66 100 96,2

Февраль 31 31 21 23 182 167 135 133,2 170 214,44 99 95

Март 32 31 32 27 190 171,7 142 145,9 220 178,43 91 93

Апрель 33 36,7 35 32 180 159,5 145 154,5 210 196,3 - -

Май 30 31 37 29 175 164,4 146 146,5 215 188,2 - -

Июнь 32 43 34 39 180 162,8 148 147,7 220 200,4 - -

Июль 20 62 38 35 185 167,9 148 151,7 170 171 - -

Август 25 48 35 36 188 169,4 147 148,7 220 163,7 - -

Сентябрь 30 25 35 37 185 169,5 145 150,7 200 193,4 - -

Октябрь 35 28 30 37 160 160,3 140 151,1 215 202,7 - -

Ноябрь - 29,5 - 33 - 164,4 - 139,5 - 173,8 - 96

Декабрь 30 32 28 34 185 174,8 135 131,7 175 234,23 98 96

Среднемно-голетнее 29,8 35,8 31,4 32,5 180,9 166,8 142,6 143,8 199,5 195,2 94,8 95,2

Исходя из проведенного анализа, можно заключить, что выявленные изменения положения и интенсивности ЦДА согласуются с выводами [5] по наибольшей климатической изменчивости в умеренных и высоких широтах и при фактическом отсутствии потепления в субтропиках. Отсутствие потепления в восточном секторе Арктики [6] на фоне второй волны глобального потепления может быть следстви-

ем необычайного усиления активности зимнего Азиатского антициклона, распространения его влияния на восточные районы Арктики, тем более что Алеутский минимум в этот период отошел к востоку. Одновременно происходило ослабление влияния западного отрога Сибирского максимума на Поволжье [7]. Возрастание активности Арктического антициклона одновременно с углублением Исландского минимума

Таблица 4

Среднемноголетние значения давления, гПа, в центрах действия атмосферы Северного полушария

Месяц Исландский минимум Азорский мак-сиимум Алеутский минимум Гонолульский максимум Арктический антициклон Зимний Азиатский антициклон

19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989 19311960 19701989

Январь 996 993 1022 1025 997,5 993,8 1020 1022,4 1022 1025,7 1035 1047,5

Февраль 1000 995,5 1022,5 1024 1000 996,8 1020 1021,4 1024 1026,1 1035 1043,5

Март 1002,5 998 1020 1023 1005 999,5 1022,5 1022 1025 1027 1030 1034,5

Апрель 1007,5 1006,3 1022,5 1022,5 1010 1006 1022,5 1024,9 1022,5 1023,5 - -

Май 1012,5 1007 1022,5 1024 1007,5 1007,3 1022,5 1023,9 1020 1021,2 - -

Июнь 1010 1008 1025 1024,5 1011 1009,1 1022,5 1023,4 1017,5 1017,3 - -

Июль 1010 1007 1025 1025,3 1010 1009,7 1027 1024,9 1012,5 1014,4 - -

Август 1008 1005 1025 1023 1009 1008,3 1025 1024,3 1012,5 1014,8 - -

Сентябрь 1005 1003 1022,5 1021 1008 1006,3 1022 1021,6 1015 1017,3 - -

Октябрь 1001 1001 1020 1021 1002,5 1002,3 1020 1020,5 1015 1019,6 - -

Ноябрь - 999 - 1022 - 998,3 - 1020,9 - 1020,5 - 1036

Декабрь 995 994 1025,5 1024 1000 996,7 1020 1023 1020 1020,5 1035,9 1045,5

Среднемного-летнее 1004,3 1001,4 1023 1023,2 1005,5 1002,8 1022,1 1022,5 1018,7 1020,6 1031,7 1041,4

позволяет говорить об обострении градиентов между этими двумя центрами, а следовательно, об усилении западно-восточного переноса по северу Европы и об увеличении влияния субтропических антициклонов на её южные районы. В связи с возрастанием активности Алеутского минимума и смещения его в восточном направлении в начале второй волны глобального потепления весьма вероятно усиление интенсивности западного переноса и над северо-восточной частью Тихого океана. Таким образом, подтверждается тезис о региональном влиянии Общей циркуляции атмосферы (ее структурных элементов) на климат.

Можно сделать вывод, что в разные естественные климатические периоды состояния земной климатической системы имеют место различия в интенсивности и положении отдельных ЦДА. Периоду стабилизации соответствует менее глубокое состояние Исландского и Алеутского минимумов и их сближение, в то время как в начале второй волны глобального потепления их интенсивность возросла и они разошлись: Исландский минимум к западу, Алеутский минимум к востоку. Среди антициклонических центров действия во вторую волну глобального потепления наиболее активными оказались Арктический и зимний Азиатский антициклоны.

Выявленные особенности распределения поля приземного давления согласуются с региональными климатическими изменениями.

Библиографический список

1. Смирнов Н. П., Воробьев В. Н., Качанов С. Ю. СевероАтлантическое колебание и климат. СПб., 1998. 119 с.

2. Смирнов Н. П., Воробьев В. Н. Северо-Тихоокеанское колебание и динамика климата в северной части Тихого океана. СПб., 2002. 121 с.

3. Воробьев В. Н., Смирнов Н. П. Арктический антициклон и динамика климата северной полярной области. СПб., 2003. 82 с.

4. ШерстюковБ. Г. Региональные и сезонные закономерности изменений современного климата / ГУ «ВНИИГМИ-МЦД». Обнинск, 2008. 246 с.

5. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации: в 2 т. М., 2008. Т. 1. Изменения климата. 227 с.

6. Шиловцева О. А., Кононова Н. К., Романенко Ф. А. Пространственно-временные изменения климата в арктических регионах России в конце XIX - начале XXI веков // Глобальные и региональные изменения климата : тр. междунар. конф. Киев, 2010. С. 36-37.

7. Морозова С. В., Полянская Е. А. Характеристика барического поля на АТ-500 в первом ЕСР в 1971-1989 гг. // География в вузах России. СПб., 1994. С. 86-88.