Моделирование барических полей в исследованиях изменчивости климата

2006

Известия ТИНРО

Том 145

УДК 551.5

Т.А.Шатилина, Л.Ю.Матюшенко

МОДЕЛИРОВАНИЕ БАРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ИЗМЕНЧИВОСТИ КЛИМАТА

Показаны некоторые возможности исследования изменчивости барических структур над Азиатско-Тихоокеанским регионом с помощью современных ГИС-технологий, включающих в себя ArcView GIS, модуль Spatial Analyst, модуль 3D Analyst. Визуализация аномалий геопотенциала Н500 проводится на пространстве второго естественно-синоптического района (30- 700 с.ш. 800 в.д. — 1600 з.д.). Для моделирования выбраны годы, характеризующиеся экстремальными гидрометеорологическими условиями, когда ярче проявляются климатические изменения. Показана возможность использования программы ArcView GIS для диагноза и прогноза климатических изменений. С помощью визуализации определяется динамика крупных аномалий барических полей.

Shatilina T.A., Matyushenko L.Yu. Baric fields modeling in the studies of climate change // Izv. TINRO. — 2006. — Vol. 145. — P. 247-258.

Some possibilities are shown for studies of baric structures variability in the Asia-Pacific region based on GIS-technologies, including ArcView GIS, Spatial Analyst module, and 3D Analyst module. Visualization of the H-500 isobaric surface height anomalies is performed for the 2nd natural synoptic area (30-70oN, 80oE — 160oW). For modeling, the years were selected with extreme meteorological conditions, when climatic changes were more visible. The model abilities for diagnosis and prognosis of climate changes are shown. By visualization procedure, dynamics of large anomalies of the baric fields is traced.

При исследованиях колебаний климата в большинстве работ его изменения представляются в виде временных рядов каких-либо климатических параметров (температуры воды и воздуха, ледовитости, индексов циркуляции, давления и т.д.). К примеру, на рис. 1 показан временной ход аномалий геопотенциала Н500 в январе (центральном месяце зимнего сезона) на аэрологических станциях Охотск и Николаевск-на-Амуре в 1950-2000 гг., а на рис. 2 — динамика аномалий Н500 в июле (центральном месяце летнего сезона) в координатах 300 с.ш., 1100 в.д. (область азиатской депрессии).

Представленная динамика аномалий позволяет сделать вывод о колебаниях давления в одной точке, которые могут не отражать тенденции изменения давления на более обширных территориях, и по ним трудно определить пространственное расположение очагов аномалий Н500 (их локализацию), выявить различия пространственного распределения для аномальных лет, таких как 1963, 1974, 1991 и 1997 (см. рис. 1), а также определить различия циркуляции над вторым естественным синоптическим районом северного полушария для разных режимов атмосферной циркуляции, таких как 1948-1975 гг. (отрицательные аномалии) и 1976-1998 гг. (положительные аномалии) (см. рис. 2). Для решения таких задач необходимы современные программы, позволяющие довольно точно построить пространственное распределение барических полей и их аномалий. Поэтому ви-

зуализация барических полей является необходимым этапом в изучении изменчивости атмосферной циркуляции — одной из основных причин изменчивости климата. Она позволяет достаточно быстро и по единой методике выявить положение в пространстве очагов роста и снижения атмосферного давления, определить диапазон (шкалу) изменчивости, выявить интенсивность и положение над районами дальневосточных морей экстремальных изменений в полях атмосферного давления.

Рис. 1. Ход аномалий Н500 в январе на аэрологических станциях Охотск и Николаевск-на-Амуре в 1950-2000 гг.

Fig. 1. H500 anomalies course Ohotsk and Nickolaeyvsk-on-the-Amur acrological stations in January, 1950-2000

Годы

Рис. 2. Динамика аномалий Н500 в июле в координатах 30о с.ш. 110о в.д.

Fig. 2. H500 anomalies dynamics in July 30 N 110 E

В предлагаемой работе показаны некоторые возможности исследования изменчивости барических структур над Азиатско-Тихоокеанским регионом с помощью современных ГИС-технологий, включающих в себя ArcView GIS, модуль Spatial Analyst, модуль 3D Analyst (Моделирование ..., 1999). Визуализация аномалий геопотенциала Н500 (давление воздуха в средней тропосфере на уровне 5000 км) проводится на пространстве второго естественно-синоптического района (30-700 с.ш. 800 в.д. — 1600 з.д.) (рис. 3).

Рис. З. Второй естественно-синоптический район северного полушария

Fig. З. The 2nd natural synoptical area of the northern hemisphere

Для работы использовался архив среднемесячных данных геопотенциала H500, содержащихся на CD-ROM NCERP/CAR Reanalysis Monthly Mean CD-ROM 1948-1998. Моделью географической информации является оцифрованная карта. В нашем примере это карта Азиатско-Тихоокеанского региона с нанесенными на нее данными среднетропосферного давления в виде точек. Каждая точка хранится как одна пара координат и атрибут среднемесячных данных геопотенциала H500. Получаем модель данных в векторном формате.

Используя расширения Spatial Analyst, 3D Analyst, моделируем поверхности с помощью растра и изолиний. В настоящей работе для моделирования взяты годы, характеризующиеся экстремальными гидрометеорологическими условиями, когда ярче проявляются климатические изменения.

H рис. 4 представлено среднемноголетнее барическое поле поверхности АТ500 в январе. Видно пространственное положение основной климатической ложбины над восточным побережьем Азии (изогипса 516 гПа), а к югу от нее располагается высотная фронтальная зона северного полушария. Эти циркуляционные факторы определяют режим атмосферной циркуляции над дальневосточными морями и прилегающей частью Тихого океана.

C помощью программы ArcView GIS проведем анализ атмосферной циркуляции в некоторые экстремальные годы.

H рис. 5 представлено пространственное распределение барического поля на уровне АТ500 и аномалий геопотенциала H500 в январе 1978 г. Видно, что в этом году у побережья восточной Азии была развита барическая ложбина с выделением отдельного охотоморского среднетропосферного циклона. ^д Азиатско-Тихоокеанским регионом отчетливо прослеживались три очага падения H500. Один из них располагался над Охотским морем в области охотоморско-го циклона. Из метеорологии известно, что в очагах понижения H500 скаплива-

Рис. 4. Среднемноголетнее барическое поле поверхности АТ500 в январе, гПа Fig. 4. The medium long-term baric field of AT 500 in January, hPa

Рис. 5. Пространственное распределение барического поля на уровне АТ500 (а) и аномалий геопотенциала Н500 в январе 1978 г. (б), дкм

Fig. 5. The baric field space distribution at AT500 level (a), H500 anomalies space distribution in January, 1978 (б), dkm

ется холодный арктический воздух, адвекция холода достигает приземного слоя, поэтому под очагами снижения Н500 у земли температура воздуха экстремально низкая, и если очаг низкого давления располагается над морской поверхностью, то под ним происходит интенсивное охлаждение водных масс (Шаталина и др., 2002). Это охлаждение связано также с изменением траекторий циклонов, выходящих на район Охотского моря. Заметим, что в зимний период 1978 г. ледовитость Охотского моря была очень большой (в январе она составила 81 %). Визуализация аномалий барического поля помогает объяснить эту природную аномалию, обусловленную интенсивной адвекцией арктического воздуха на акваторию Охотского моря.

Значительные изменения в полях Н500 над Азиатско-Тихоокеанским регионом наблюдались в 90-е гг. 20-го столетия (Шатилина, 1998). Так, на рис. 6 представлены поля АТ500 в январе 1991, 1996 и 1997 гг., когда над Охотским морем отмечались экстремальные значения Н500. В эти годы наблюдалась аномальная структура барических полей АТ500. В 1991 и 1997 гг. эта аномалия проявилась в положении климатической среднетропосферной ложбины, которая практически отсутствовала, охотоморский циклон занимал южное положение (он располагался над северными Курильскими островами). В связи с этим интересно напомнить, что в 1991 и 1997 гг. отмечалось крупное Эль-Ниньо, что, видимо, и обусловило формирование аномальной структуры поля Н500. В январе 1996 г. северо-восточная часть Охотского моря находилась под влиянием тихоокеанского высотного гребня, что означало интенсивное вторжение на акваторию моря теплых масс воздуха (высотный гребень формируется над теплыми акваториями Тихого океана).

В 1990-е гг. наблюдалось иное положение крупных очагов аномалий в поле Н500, чем в 1978 г. Так, в 1991 г. очаг повышения Н500 отмечался над Охотским морем (рис. 7, а), а в противофазе с ним в Тихом океане наблюдался очаг понижения. В центре очага аномалии геопотенциала Н500 достигали 16 дкм, что является экстремальным изменением барического поля. В январе 1978 г. над этим районом Охотского моря располагался очаг отрицательных значений геопотенциала. В январе 1997 г. очаг положительных значений аномалий Н500 размещался над теми же районами Охотского моря, что и в январе 1991 г. (рис. 7, б). Выявленные с помощью программы ArcView GIS различия в режимах атмосферной циркуляции в январе этих лет объясняют и замеченные многими исследователями изменения в океанологических условиях дальневосточных морей и Тихого океана. Одним из параметров этой климатической системы является ледовитость дальневосточных морей. Экстремумы в режимах атмосферной циркуляции, проявившиеся в изменении интенсивности и положении среднетропосферной климатической ложбины, по нашему мнению, явились одной из причин аномалий ледовитости дальневосточных морей. Так, ледови-тость Охотского моря в 1991, 1996 и 1997 гг. была аномально низкой, она составила соответственно 31,1 %, 30,0 и 47,2 %. Другим звеном климатической системы Азиатско-Тихоокеанского региона является температура воды и воздуха. Эти параметры в 1990-е гг. достигали исторического максимума (Гайко, 2000; Шатилина и др., 2002).

Очень важно иметь сведения об атмосферных процессах в весенний период, когда происходит миграция промысловых рыб в дальневосточные моря, и особенно важно определить экстремальные процессы.

На рис. 8 представлены барическое поле АТ500 и аномалии Н500 в мае 1986 г. Видно, что в этом месяце над Японским и Охотским морями наблюдалась холодная барическая ложбина, а над евроазиатским континентом сформировался высотный муссонный гребень, отрицательные аномалии Н500 (очаги

Рис. 6. Пространственное распределение барического поля на уровне АТ500 в январе 1991 г. (а), 1996 г. (б) и 1997 г. (в), гПа

Fig. 6. The baric field space distribution at AT500 in January, 1991 (a), 1996 (б), 1997 (в), hPa

Рис. 7. Пространственное распределение аномалий геопотенциала Н500 в январе 1991 г. (а) и 1997 г. (б), дкм

Fig. 7. H500 anomalies space distribution in January, 1991 (a), 1997 (б), dkm

холода) наблюдались над Японским морем и северо-западной частью Тихого океана. Такое развитие макропроцессов обусловило формирование очагов холода над Японским морем, что сказалось на формировании отрицательных аномалий температуры воды в Японском море и южнокурильском районе (вследствие депрессивного состояния течения Соя). Так, в 1985-1988 гг. на антоновском и сангарском гидрологических разрезах отмечался аномальный минимум температуры воды (Климов, Павлычев, 1989; Карпова, Шаталина, 2000; Дьяков, 2003).

На рис. 9 представлена структура поля АТ500 и аномалии геопотенциала Н500 в мае 1998 г. Видно, что над Японским и Охотским морями располагался высотный гребень, а холодная ложбина была смещена на Берингово море. Таким образом, структура поля в мае 1998 г. значительно отличалась от структуры барического поля в мае 1986 г., наблюдались крупные положительные аномалии геопотенциала Н500 над южной частью Японского моря. Наибольшие аномалии темпе-

Рис. 8. Пространственное распределение барического поля на уровне АТ500 (а), аномалий геопотенциала Н500 (б) в мае 1986 г., дкм

Fig. 8. The baric field space distribution at AT500 1986 (a), H500 anomalies (б) in May, 1986, dkm

a

ратуры воды отмечались над очагом положительной аномалии Н500 по оси высотного гребня (видимо, в зоне наибольшего выноса теплых субтропических масс воздуха).

Очень важно иметь данные об аномалиях атмосферной циркуляции в период летнего дальневосточного муссона, который обусловливает смещение теплых воздушных масс на акваторию дальневосточных морей и определяет их водный режим.

На рис. 10 (а) представлено распределение аномалий барического поля в июле 1978 г. Видно, что по сравнению с январем очаг тропосферного холода сместился на континентальные районы, а северо-западная часть Тихого океана находилась под влиянием теплых воздушных масс субтропического антициклона. Такое распределение очагов накопления теплых и холодных воздушных масс определило аномальное потепление поверхностной температуры в северо-западной части Тихого океана и похолодание в северной части Татарского пролива. Другая картина распределения очагов тепла и холода над Дальневос-

дкм

Рис. 9. Структура поля АТ500 (а), аномалии геопотенциала Н500 (б) в мае 1998 г. Fig. 9. AT structure (a), H anomalies (б) in May, 1998, dkm

точным регионом отмечалась в июле 1992 г. (рис. 10, б). В отличие от июля 1978 г. обширный очаг положительных аномалий Н500 наблюдался над континентальными районами восточной Азии с центром 500 с.ш. 950 в.д., а под влиянием отрицательных аномалий Н500 находилась северо-западная часть Тихого океана. Такая синоптическая ситуация определила климатические особенности в континентальных и мористых районах Дальневосточного региона. Так, теплый воздух из центральных районов Азии выносился на континентальные районы восточной Азии, поэтому лето в этих районах было жаркое и засушливое. Температура воды в северо-западной части Тихого океана, в отличие от 1978 г., была низкой. Это было обусловлено различием в положении очагов тепла и холода над Дальневосточным регионом, что видно на смоделированных нами барических картах.

Атмосферные процессы, протекающие в предзимье (ноябрь—декабрь), во многом определяют климатические условия в дальневосточных морях в зимний период, особенно это заметно в предзимье экстремальных лет. Так, на рис. 11 показано распределение аномалий барического поля в ноябре 1990 и 1995 гг. (предзимье аномальных 1991 и 1996 гг.). Крупномасштабные очаги положительных аномалий Н500 в этом синоптическом сезоне располагались

I i -11 --Э

Ш я

ilM

-5-..-1

ш-i-t

¡_  1 я§

! H 5- 7 ! ! Щ

;~ГИ Э-- 11

Г i-11 --!9 Г ] -9 - -7 I i -7--5  -5--3 i ¡ -3--1

[_ I -1 -1

I ] 1 - 3 _¡3-5 [ ! 5 - 7

Рис. 10. Распределение аномалий барического поля 1978 г. (а) и 1992 г (б), дкм Fig. 10. The baric field anomalies distribution July, 1978 (a) and 1992 (б), dkm

над Беринговым морем. Величины аномалий достигали 18-24 дкм, т.е. превышали амплитуду колебаний в другие сезоны. Таким образом, с помощью моделирования барического поля в предзимье можно определить масштабы и интенсивность макросиноптических процессов, обусловливающих в последующие сезоны аномальные гидрометеорологические процессы над дальневосточными морями и прилегающей частью Тихого океана. Заметим, что в январе 1991 и 1996 гг. очаги положительных аномалий геопотенциала отмечались над северозападной частью Охотского моря, такие процессы получили название восточный вынос (Тростников, 1960). Возможно, что крупная аномалия, возникшая в предзимье этих лет, смещалась на запад и способствовала аномальному переносу теплых воздушных масс с океана на Охотское море, что и явилось основной причиной аномально низкой ледовитости.

Таким образом, нами показана возможность использования программы ArcView GIS для диагноза и прогноза климатических изменений над Дальневосточным регионом. Продемонстрировано на реальных примерах, что с помощью визуализации можно определить динамику крупных аномалий барических полей и выявить их возможное влияние на океанологический режим дальневосточных морей и Тихого океана.

Рис. 11. Распределение аномалий барического поля в ноябре 1990 (a) и 1995 гг.

Fig. 11. The baric field anomalies distribution in November, 1990

Кроме того, информация о климате находится на сайтах сети Интернет и доступна для использования в исследованиях влияния климата на динамику уловов промысловых объектов.

Литература

Гайко Л.А. Анализ многолетних наблюдений температуры воды и воздуха в заливе Петра Великого (Японское море) // Гидрологические и экологические условия дальневосточных морей: оценка воздействия на морскую среду: Тр. ДВНИГМИ, тем. вып. № 3. — Владивосток, 2000. — С. 62-76.

Дьяков Б.С. О возможности зависимости динамики уловов промысловых рыб и тихоокеанского кальмара в Японском море от атмосферных и гидрологических процессов // Изв. ТИНРО. — 2003. — Т. 135. — С. 244-265.

Карпова И.П., Шатилина Т.А. Долгопериодная изменчивость температуры воды и воздуха у юго-западного побережья Сахалина // Изв. ТИНРО. — 2000. — Т. 127. — С. 50-60.

Климов С.М., Павлычев В.П. О сопряженности в изменении фронта // Тез. докл. 4-й Всесоюз. конф. по проблемам промысл. прогнозирования (долговрем. аспекты). — Мурманск, 1989. — С. 92-94.

Моделирование нашего мира: Руководство ESRI по проектированию базы данных / М.Зейлер. — Redlands, California: ESRI Inc., 1999. — 254 с.

Тростников М.В. Синоптические условия выноса масс морского воздуха на юг Дальнего Востока // Тр. ДВНИГМИ. — 1960. — Вып. 11. — С. 54-84.

Шатилина Т.А. Долгопериодная изменчивость атмосферной циркуляции над Дальневосточным регионом и ее влияние на термический режим и динамику вод // Изв. ТИНРО. — 1998. — Т. 124. — С. 681-707.

Шатилина Т.А., Никитин А.А., Муктепавел Л.С. Особенности атмосферной циркуляции при аномальных океанологических условиях в Японском, Охотском морях и прилегающей части Тихого океана // Изв. ТИНРО. — 2002. — Т. 130. — С. 79-94.

Поступила в редакцию 15.11.05 г.