Долгопериодная изменчивость температуры воды и воздуха у юго-западного побережья Сахалина

2000

Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра

Том 127

И.П.Карпова, Т.А.Шатилина (АО НВП "Система-А", г. Санкт-Петербург;

ТИНРО-центр, г. Владивосток)

ДОЛГОПЕРИОДНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ И ВОЗДУХА У ЮГО-ЗАПАДНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ

САХАЛИНА

Попытки решить задачу прогнозирования термических условий в Японском море и его северной части предпринимались неоднократно (Глаголева и др., 1957; Шапкина, 1959; Уранов, 1971; Климов, 1984). Так,

B.Ф.Шапкиной (1959) был разработан метод прогноза средней температуры воды в слоях 0-25 м (для летнего периода - май-август), 0-200 м (для осенне-зимнего периода - сентябрь-апрель) на основных стандартных разрезах Японского моря. Метод основан на учете тепловой инерции и поисках связей между изменениями от года к году послойной температуры воды и полями атмосферного давления над районами Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также над северо-западной частью Тихого океана, для аналитического представления которых использовались полиномы Чебышева.

Метод прогноза температуры воды у юго-западного побережья о.Сахалин разрабатывался М.Г.Глаголевой с соавторами (1957) в двух вариантах: краткосрочный (с заблаговременностью от 5 до 15 дней) и долгосрочный (с заблаговременностью от 0,5 до 1,5 мес).

Решением проблемы долгосрочного прогнозирования температуры воды у юго-западного побережья о.Сахалин на основе исследования основных цикличностей, присущих тепловым процессам в Татарском проливе, занимались Е.Н.Уранов (1971) и С.М.Климов (1984). Е.Н.Уранов с помощью периодограмманализа ряда среднегодовых температур воды на Антоновском разрезе (Татарский пролив) в слое 0-200 м выявил основные периодичности и на основе их составил прогноз до 2000 г. Однако точность этого прогноза оказалась неудовлетворительной.

C.М.Климовым по данным наблюдений над прибрежной температурой воды на ГМС Холмск и Невельск путем использования метода максимальной энтропии обнаружены периодические составляющие продолжительностью 1,75 и 5,56 года. Прогноз существенной положительной аномалии температуры воды в Татарском проливе на 1984 г. также не оправдался (Климов, 1984).

Вышесказанное дает основание искать пути к разработке долгосрочного прогноза температурных условий в северной части Японского моря.

Цель данной работы - выяснить основные закономерности в изменчивости температуры воды и воздуха у западного побережья о.Саха-

50

лин, выделить основные цикличности в ее колебаниях и экстремальные по тепловым условиям годы.

В северной части Японского моря наиболее обеспечен данными Антоновский разрез, наблюдения на котором ведутся с 1924 г. (Климов, 1987). Этот разрез в наибольшей степени отражает тепловое состояние вод Татарского пролива. Однако моменты съемок неравномерно распределены во времени, что влечет за собой необходимость осреднения и приведения к середине месяца (единой дате), т.е. обязательную предварительную обработку исходного материала, которая может внести определенные погрешности, искажающие естественный ход природных процессов. Ежедневные наблюдения над температурой воды на прибрежных гидрометеостанциях западного побережья о.Сахалин свободны от вышеуказанных недостатков и в то же время, согласно исследованиям С.М.Климова (1984), достаточно полно отражают изменения режима Цусимского течения. Так, коэффициент корреляции прибрежной среднегодовой температуры воды на ГМС Холмск с аналогичной температурой слоя 0-200 м на Антоновском разрезе за период с 1924 по 1990 г. составил 0,7 (Климов, 1981).

Исследования температурного режима прибрежных вод у юго-западного побережья о.Сахалин показали, что как на гидрометеостанциях Холмск, Невельск, Чехов, так и на Антоновском разрезе в формировании температурных аномалий наблюдается преобладание адвективных факторов над климатическими (имеются в виду прежде всего муссоны и особенности теплообмена между морем и атмосферой) (Панфилова, 1961; Покудов, Власов, 1980; Климов, 1981, 1987). В этом районе наиболее существенное влияние на колебания температуры воды оказывает теплое Цусимское течение. Так, отрицательная среднемесячная температура воды (норма) на ГМС Невельск и Холмск отмечена только в феврале, в то же время на расположенной на противоположном берегу Японского моря ГМС мыс Золотой аналогичные минимальные температуры зимой имеют отрицательные значения с декабря по март. Влияние адвекции проявляется и в межгодовой изменчивости: коэффициент корреляции между температурами пары станций, расположенных примерно на одних широтах, но в зонах влияния различных течений, Чехов (о.Сахалин, Цусимское течение) и мыс Золотой (Приморье, Приморское течение), равняется 0,52, а аналогичный коэффициент между температурами ГМС Невельск и Холмск достигает 0,98 (Покудов, Власов, 1980). Преобладание адвективных факторов над климатическими в зоне 47-48° с.ш. подтверждается сравнительно небольшими различиями между сезонными температурами воды западного и восточного побережий Японского моря, составляющими 2,0-2,5 оС вне зависимости от сезонных изменений муссонов, которые в первую очередь определяют климат всего этого региона (Панфилова, 1961).

Для рассмотрения изменчивости тепловых условий у западного побережья о.Сахалин были использованы следующие материалы: аномалии среднемесячных температур воды (1913-1995 гг.) и воздуха (19081986 гг.) на ГМС Холмск, температура воды в слое 0-200 м на гидрологическом разрезе Антоновском (1924-1992 гг.) и температура воздуха в точке с координатами 45о с.ш. и 140о в.д., осредненная по площади трапеции со сторонами 5о по широте и 10о по долготе (1891-1990 гг.).

Одно из направлений долгосрочного прогнозирования природных процессов основано на анализе, наиболее полном учете и экстраполя-

51

ции основных цикличностей, свойственных внутренней структуре временного ряда. Разработанная методика долгосрочного и сверхдолгосрочного прогнозирования различных ритмических процессов (метод сверхдолгосрочного прогноза гидрометеорологических элементов - МСПГЭ (Методические рекомендации..., 1997)) позволяет выполнить все необходимые процедуры: проанализировать внутреннию структуру исследуемого процесса, выделить основные цикличности, оценить их роль в общей изменчивости, отыскать математические выражения, наилучшим образом аппроксимирующие каждую цикличность, и с их помощью осуществить экстраполяцию. Эта методика успешно применяется для прогноза среднегодовой температуры воды в слое 0-200 м на разрезе «Кольский меридиан» в Баренцовом море на протяжении последних 12 лет, оправдываемость составила 83 %.

Исследование ритмики изменений тепловых процессов в рассматриваемом регионе проведено путем расчета спектральной плотности и полосовой фильтрации основных цикличностей в соответствии с методикой МСПГЭ.

Временной ход среднегодовых температур воды и воздуха представлен на рис. 1, 2. Следует отметить, что на фоне достаточно хаотичных межгодовых колебаний прибрежной температуры воды и воздуха выделяется существенное понижение температуры воды и воздуха на разрезе Антоновском в последние десятилетия, а также абсолютный вековой максимум температуры воздуха и прибрежной температуры воды в 1990 г. и минимум в 1913 г. (табл. 1). По-видимому, только отсутствие данных о температуре воздуха на ГМС Холмск после 1986 г. обусловило то обстоятельство, что ее максимум отмечен в 1947 г. (в этом же году отмечен второй по величине максимум температур воздуха в точке 45о с.ш. и 140о в.д. и воды на ГМС Холмск (рис. 1, 2). Для трапеции с координатами центра 45о с.ш. и 140о в.д. максимум температуры воздуха также приходится на 1990 г. Тенденция к понижению температуры в слое 0-200 м на разрезе Антоновском проявилась и в годы экстремальных температур: максимум (1926 г.) в начале периода наблюдений, минимум (1985 г.) в конце. Обращают на себя внимание малые различия величин размаха межгодовых колебаний (3,15-3,51 оС).

Была проведена классификация лет по аномалиям рассматриваемых параметров, исходя из соответствующих величин среднеквадрати-ческих отклонений (а) (Терещенко, 1997). По тепловому состоянию были выделены пять типов режима:

1 - аномально холодный, -АТ, оС < -1,5 ат;

2 - холодный, -0,5 ат > -АТ, оС > -1,5 ат;

3 - средний (нормальный), 0,5 ат > АТ, оС > -0,5 ат;

4 - теплый, 0,5 ат < АТ, оС < 1,5 ат;

5 - аномально теплый, АТ, оС > 1,5 ат.

Значения среднеквадратических отклонений приведены в табл. 2. Внутригодовые изменения среднеквадратических отклонений температур воды (аw) и воздуха (аа) различны: для температуры воды характерны довольно плавные изменения с максимумом в августе-сентябре (прибрежная температура) или октябре (слой 0-200 м) и минимумом в марте-апреле; изменения температуры воздуха имеют более сложный вид и характеризуются двумя максимумами (в январе и июле-августе) и двумя минимумами (в мае и сентябре-октябре). Согласованность изменений годового хода среднеквадратических отклонений в температу-

52

I-1_i_I_!_I

1 900 1910 1920 1930 19MO 1950 1960 1970 1980 1990

Рис. 1. Кривые временного хода среднегодовой прибрежной температуры воды на ГМС Холмск

Fig. 1. The temporal motion curves of the average annual costal water temperature at the Kholmsk station

8 ,20 " 7 ,70 "

О

* ?,20

6,70 6,20 5,70 5,20 4 ,70 4 ,20 3,70 3,20 2, 70

1900 1910 1920 1930 19Ц0 1950 1960 (970 1980 1990

Рис. 2. Кривые временного хода температур воздуха в точке 45о с.ш. 140° в.д.

Fig. 2. The temporal motion curves of air temperatures in latitude 45 N, longitude 140 E

53

pax воздуха характеризуется коэффициентом линейной корреляции (г), равным 0,89, а в температурах воды r = 0,80.

Таблица 1

Экстремальные значения среднегодовых температур воды (Tw) и воздуха (Та) у западного побережья о.Сахалин, °С

Table 1

Exctreme values of the air (Ta) and water (Tw) average annual temperatures

at the west Sakhalin, °C

Температура, место, период наблюдений Максимум Год Минимум Год Размах

Та, ГМС Холмск,

1908-1986 5,33 1947 2,18 1913 3,15

Тw, ГМС Холмск,

1913-1995 8,38 1990 4,88 1913 3,50

Та, 45о с.ш. 140о в.д.,

1891-1990 8,58 1990 5,07 1913 3,51

Тw, слой 0-200 м,

разрез Антоновский,

1924-1992 5,21 1926 1,94 1985 3,27

Таблица 2

Среднеквадратические отклонения температуры воды

Table 2

The air

От- Месяц За

кло- 1 2 3 4 56 7 8 9 10 11 12 год

нен.

owi 0,98 0,80 0,83 0,76 1,14 1,45 1,52 1,78 1,78 1,53 1,53 1,19 0,66

oa2 2,26 1,71 1,31 1,16 1,00 1,18 1,36 1,45 1,04 1,01 1,37 1,74 0,63

oa3 1,85 1,77 1,54 1,16 1,11 1,24 1,41 1,28 0,87 1,10 1,30 1,81 0,56

ow4 1,03 0,91 0,72 0,83 0,92 0,99 0,98 1,25 1,37 1,39 1,07 1,08 0,69

Наибольший интерес представляют периоды крупных аномалий по величине и продолжительности сохранения знака аномалии. Анализ среднемесячных и среднегодовых аномалий температур воды и воздуха показал, что количество аномально теплых и холодных лет в соответствии с вышеприведенной классификацией составляет 4-9 % от длины временных рядов среднегодовых величин и 5-7 % для среднемесячных значений.

Относительно сезонных особенностей распределения аномалий можно отметить следующее: для первой половины года и особенно весенних месяцев характерно преобладание положительных аномалий (> 1,5); в июне-июле во всех данных, а в октябре-декабре в температуре воздуха преобладали отрицательные аномалии.

В табл. 3 и 4 приведены периоды устойчивого сохранения положительных (теплого и аномально теплого типа режима) и отрицательных (холодного и аномально холодного типа режима) аномалий продолжительностью более 3 мес для среднемесячных температур воды и воздуха на ГМС Холмск.

За период с 1913 по 1986 г., за который имеются наблюдения над температурой воды и воздуха на ГМС Холмск, совпадение периодов со-

54

хранения одного знака аномалий наблюдалось в 40 % случаев для положительных аномалий температуры воды и воздуха; для отрицательных аномалий - в 30 % случаев для температуры воды и в 50 % для температуры воздуха.

Таблица 3

Периоды устойчивого (более 3 мес) сохранения теплого и аномально теплого (в скобках, Т > 1,5) типов режима температур воды и воздуха на ГМС Холмск

Table 3

The periods of settled

Температура воды

Температура воздуха

4-7 1914 (5); 3-9 1920 (4);

7-10 1928 (7, 8, 10); 9-12 1932 (11); 6-9 1936; 4-8 1938 (7, 8); 11-12 1944 (11), 1-11 1945; 1-7 1947; 3-9 1948 (4-5, 7-8); 6-10 1949 9-12 1956 (10), 1-2 1957; 2-6 1958 (2, 4); 1-5 1963; 2-5 1968 (2-5);

8-12 1973 (9, 11), 1 1974; 11-12 1980 (12), 1-4 1981 (1); 12 1988; 1-3 1989; 1-7 1990 (1-4, 7); 9-12 1990 (12); 1-4 1991; 12 1992; 1-3 1993 (2, 3); 11-12 1993, 1-3 1994; 10-12 1994, 1-2 1995 (2); 5-8 1995

12 1917 (12); 1-4 1918 (1); 10-12 1919; 1 1920 (1); 5-8 1920 (8); 8-12 1925;

1-2 1926; 7-10 1928 (7-10);

2-5 1938; 6-10 1943; 6-12 1946 (8), 1 1947; 1-5 1948

Таблица 4

Периоды устойчивого (более 3 мес) сохранения холодного и аномально холодного (в скобках, Т < -1,5) типов режима температур воды и воздуха

на ГМС Холмск

Table 4

The periods of settled (more than 3 months) preservation of cold and abnormal cold (T < -1,5 in brackets) regimes of water and air temperatures at the

Kholmsk station

Температура воды

Температура воздуха

5-12 1913 (7, 9, 11-12); 11-12

1915 (11-12), 1-2 1916; 10-12

1916 (12), 1-3 1917; 10-12 1920 (12); 1-3 1921; 1-5 1924 (3, 5); 1-6 1924 (3, 5); 1-6 1929; 12 1934, 1-3 1935 (3); 11-12 1937 (12); 1-2 1938; 2-5 1951; 10-12 1953, 1-5 1954; 10-12 1954; 1-3 1955; 10-12 1960; 1-4 1961; 10-12 1969; 1-2 1970 5-10 1971 (8); 9-12 1975 (9); 4-11 1976 (5-6, 8-10); 6-12

1978

9-12 1912 (9-12); 1 1913 (5-7), 1913 (5-7, 9-11); 4-7 1931 (4-5, 7);

1-4 1933 (2); 11-12 1952 (11-12); 1-2 1953; 7-10 1964 (9); 5-7 1969 (6, 8); 6-9 1971 (8-9); 8-11 1976 (7, 11);

2-5 1980 (4); 10-12 1984, 1 1985

По продолжительности сохранения знака аномалий можно выделить теплые и холодные периоды, причем в аномально теплые (аномаль-

55

но холодные) годы знак аномалий среднемесячных температур сохранялся на протяжении 9-11 мес. Так, в самом холодном году за рассматриваемый период (1913 г.) на ГМС Холмск отрицательные аномалии температуры сохранялись на протяжении 11 мес, а аналогичные температуры воздуха - 10 мес; в теплом 1948 г. положительные аномалии температуры воды отмечены на протяжении 11 мес, а температуры воздуха - на протяжении 12 мес. Экстремальные значения среднемесячных температур обычно приурочены к периодам устойчивого сохранения положительных или отрицательных аномалий. Интересно отметить, что периоды экстремально теплых режимов наблюдаются чаще всего в весенне-летний период, а также то, что до 70-х гг. экстремумы отмечались с периодичностью 10 лет (1928, 1938, 1948, 1958, 1968). После 1970 г. возрастает количество экстремально холодных лет (они также приходятся на весенне-летнее время).

Результаты расчетов ритмики изменений тепловых процессов в рассматриваемом регионе представлены в табл. 5.

Таблица 5

Оценка вклада квазипериодических составляющих в общую дисперсию

временных рядов, %

Table 5

Estimation of quasi-recurrent constituents contribution to the total dispersion

of the temporal rous, %

Характеристика, Квазипериодические составляющие Длина ря-

период наблюдений Тренд 11 8 5-4 3-2 да, лет

Температура воздуха на ГМС Холмск,

1908-1986 10 30 - 25 30 79

Температура воды на ГМС Холмск,

1913-1995 10 - 30 20 25 82

Температура воздуха в точке 45о с.ш. 140о в.д.,

1891-1990 10 25 - 25 30 100

Температура воды на разрезе Антоновском в слое 0-200 м,

1924-1992 20 - 45 10 20 69

Обращает на себя внимание тот факт, что внутренняя структура временных рядов температуры воды подобна, т.е. для этих рядов характерны следующие цикличности: трендовая, квазивосьмилетняя, квазичетырех-пятилетняя, квазидвух-трехлетняя, но вклад каждой из них в общую дисперсию ряда несколько различен. Примечательно, что для Антоновского разреза вклад тренда такой же, что и для квазидвухлетнего цикла.

Заметим, что подобная ритмика характерна и для других гидрологических элементов Дальневосточного региона, в частности для ледовито-сти Охотского и Японского (Татарского пролива) морей (данные по ле-довитости получены из Хабаровского центра данных). Так, для ледовито-сти Охотского моря характерны следующие цикличности: трендовая (квазитридцатилетняя) со вкладом в общую дисперсию ряда около 35 %; квазивосьмилетняя (около 30 %) и двух-трехлетняя (около 25 %); для ледовитости Японского моря - квазивосьмилетняя (около 70 %) и двух-трехлетняя (около 25 %).

В изменчивость временных рядов температуры воздуха основной вклад вносят квазиодиннадцатилетняя, квазичетырех-пятилетняя и ква-зидвух-трехлетняя составляющие. В целом вклад трендовых составляющих невелик (особенно это касается температуры воздуха и прибрежной температуры воды).

На рис. 1, 2 представлен временной ход трендовых составляющих годовых значений рассматриваемых величин, что позволяет проследить внутривековую тенденцию изменений. Так, если для температуры воздуха и поверхностной температуры воды характерна тенденция к росту, то в слое 0-200 м отмечалось существенное понижение температуры, которое еще более значительно выражено в слое 100-200 м.

В качестве примера согласованности изменений одноименных цик-личностей на рис. 3, 4 представлен временной ход квазивосьмилетних (для температуры воды) и квазиодиннадцатилетних (для температуры воздуха) составляющих, вносящих существенный вклад в общую изменчивость тепловых процессов. Обращает на себя внимание преобладающая синхронность наступления экстремумов, особенно для температуры воздуха.

0,99 <0 0,89 ° 0 ,79 0,69 0,59 0,49 0,39 0,29 О, 19 0,03 -0,0 i -о, и -0,2-1 -0,3J -0,41

-0,54 -0,61

1900 1910 1920 1930 1940 1950 I960 1970 1980 1990

Рис. 3. Изменения квазивосьмилетних составляющих среднегодовой температуры воды на ГМС Холмск

Fig. 3. Quasi-eight-year constituents changes of the average annual water temperature at the Kholmsk station

На интегральных кривых годовых аномалий рассматриваемых рядов температуры (рис. 5, 6) видна общая тенденция тепловых изменений, моменты перехода от положительных к отрицательным аномалиям (и наоборот), а также четко выявляющиеся квазиодиннадцатилетние колебания температуры воздуха. Скоррелированность этих тепловых изме-

57

Рис. 4. Изменения квазиодиннадцатилетних составляющих среднегодовых температур воздуха на ГМС Холмск

Fig. 4. Quasi-eleven-year constituents changes of the average annual air temperatures at the Kholmsk station

Рис. 5. Интегральные кривые годовых аномалий температуры воды на разрезе Антоновском в слое 0-200 м

Fig. 5. The annual abnormalities integral curves of water temperature at the Antonovskiy section in 0-200 m layer

гопериодная составляющая (около 30 лет, т.е. Брикнеровский цикл), что соответствует среднему периоду циркуляционных эпох, выделенных по формам атмосферной циркуляции (Гирс, 1971).

Литература

Гире A.A. Многолетние колебания атмосферной циркуляции и долгосрочные гидрометеорологические прогнозы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971. -280 с.

Глаголева М.Г., Сауекан Е.М., Тютнев Я.М. Метод прогноза температуры воды у юго-западного побережья о.Сахалин // Тр. ЦИП. - 1957. -Вып. 57. - С. 98-131.

Климов С.М. Особенности годового хода и аномалии температуры на Антоновском разрезе // Инф. письмо СахУГКС. - 1987. - № 1/111. - С. 4150.

Климов С.М. Расчет характеристик верхнего квазиоднородного слоя и гидротермического фона в Татарском проливе в период прогрева: Автореф. дис.... канд. геогр. наук. - Владивосток: ТОИ ДВНЦ АН СССР, 1984. - 24 с.

Климов С.М. Спектральный состав многолетних колебаний температурного режима на северной периферии Цусимского течения // Инф. письмо СахУГКС. - 1981. - № 1/90. - С. 46-56.

Методичеекие рекомендации по иепользованию метода еверх-долгоерочного прогнозирования гидрометеорологичееких элементов (МСПГЭ) и программного комплекеа «Призма». - Мурманск: ПИНРО, 1997. - 39. с.

Панфилова С.Г. Температура вод // Основные черты геологии и гидрологии Японского моря. - 1961. - С. 155-169.

Покудов В.В., Влаеов H.A. Температурный режим прибрежных вод Приморья и о.Сахалин по данным ГМС // Тр. ДВНИГМИ. - 1980. - Вып. 86. - С. 109-118.

Терещенко В.В. Сезонные и межгодовые изменения температуры и солености воды основных течений на разрезе «Кольский меридиан» в Баренцевом море. - Мурманск: ПИНРО, 1997. - 70 с.

Уранов E.H. Прогноз многолетних колебаний термического режима вод у юго-западного Сахалина // Изв. ТИНРО. - 1971. - Т. 75. - С. 103-105.

Шапкина В.Ф. Прогноз температуры воды в районах течения Куросио, Цусимского и Приморского // Тр. ЦИП. - 1959. - Вып. 91. - С. 18-50.

Поступила в редакцию 26.04.99 г.