Атмосферная циркуляция избыточно влажных и сухих периодов Обь-Иртышского междуречья

О. С. Литвинова, Н.В. Гуляева

АТМОСФЕРНАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ ИЗБЫТОЧНО ВЛАЖНЫХ И СУХИХ ПЕРИОДОВ

ОБЬ-ИРТЫШСКОГО МЕЖДУРЕЧЬЯ

Проанализирована связь между аномалиями сумм осадков за год, теплый и холодные периоды в Обь-Иртышском междуречье и формами атмосферной циркуляции Вангенгейма-Гирса и североатлантическим колебанием (1кло) в ХХ - начале XXI в. Начиная с 80-х гг. прошлого столетия наблюдается незначительное уменьшение годового количества атмосферных осадков за счет уменьшения осадков в теплый период на фоне роста повторяемости форм циркуляции W и С. Корреляция между аномалиями осадков и 1кло наблюдается лишь в отдельные месяцы.

Ключевые слова: климат; атмосферная циркуляция; осадки.

Внимание ученых всего мира привлекает растущая повторяемость аномальных природных явлений, в том числе климатических: засух, избыточно влажных периодов, наводнений и др. Изменчивость средних и аномальных величин связана с особенностями атмосферной циркуляции, физико-географическими особенностями и временем года.

Эти факторы, действуя в тесной взаимосвязи, определяют особенности распределения осадков в пространстве и во времени, как в течение года, так и от года к году.

Одним из основных факторов колебания сумм атмосферных осадков является атмосферная циркуляция. В связи с этим была использована типизация атмосферных процессов Вангенгейма-Гирса [1], в которой все многообразие атмосферных процессов в первом естественном синоптическом районе (45° з.д. - 95° в.д.) северного полушария объединено в три формы циркуляции: западную ^), восточную (Е), меридиональную (С). Процессы западной формы циркуляции отличаются наличием в тропосфере волн малой амплитуды и смещением барических образований с запада на восток. При развитии процессов восточной и меридиональной форм циркуляции в тропосфере образуются стационарные волны большой амплитуды, в результате наблюдается развитие меридиональных составляющих циркуляции.

Кроме того, использовался индекс зональной циркуляции Е.Н. Блиновой (1Б), представляющий собой осредненную для определенной широты скорость гео-строфического ветра:

и(ф) = ХасоБ ф, где Х - угловая скорость вращения атмосферы, а - радиус Земли; ф - широта. В периоды ускорения вращения Земли аномально развитыми являются зональные процессы, в периоды замедления - меридиональные [2].

В последнее время все большее внимание уделяется вопросу изменчивости тропосферной циркуляции и влияния переноса над Северной Атлантикой на климатические характеристики.

Понятие «североатлантическое колебание» подразумевает изменения поля давления и, как следствие, интенсивности зонального переноса над внетропиче-ской зоной Северной Атлантики, его количественное выражение - индекс (^Ло) - определяется как разность нормированных на стандартное отклонение аномалий приземного давления между Исландией (Рейкьявик или Стиккисхоульмюр) и Азорскими островами (Понта-Дельгада) либо югом Пиренейского полуострова (Гибралтар или Лиссабон) [3. С. 676-679].

Исследования североатлантического колебания и его вклада в климатическую изменчивость приводят к выводу о его первостепенной роли как механизма атмосферной циркуляции Северного полушария. Однако, как правило, изучение вклада NAO в изменчивость климатических параметров ограничивается зимним сезоном, когда их корреляция с INAO наиболее велика [4. С. 63].

Основные задачи исследования: на основе составленного каталога аномально влажных и сухих периодов (годовых, теплого и холодного периодов) исследовать их повторяемость с 1936 по 2006 г.; определить роль атмосферных процессов форм W, Е, С, индекса циркуляции Е.Н. Блиновой в формировании избыточно влажных и сухих периодов; выявить влияние североатлантического колебания INAO >0 и INAO <0 на циркуляцию и формирование избыточно влажных и сухих периодов Обь-Иртышского междуречья.

Исходные данные и методика анализа

Для выявления аномально влажных и сухих периодов использованы длиннорядные данные многолетних наблюдений 17 метеорологических станций ЗападноСибирского УГМС за 1936-2006 гг., расположенных в ландшафтных зонах южной тайги, лесостепи и степи (табл. 1).

Суммы осадков за период с 1936 по 1966 гг. откорректированы по единой методике, т.е. приведены к показаниям осадкомера и исправлены поправкой на смачивание.

Год (и периоды года - теплый, холодный) относился к избыточно влажному, если сумма осадков превышала 120% средней многолетней нормы (X О > 120%), и к сухому, если сумма осадков составляла 80% и меньше средней многолетней нормы (X О < 80%). Аномалии осадков рассчитывались по отношению к средней многолетней норме вычисленной за весь исследуемый период (1936-2006 гг.).

Исследование повторяемости форм циркуляции W, Е, С над рассматриваемой территорией проводилось за период 1936-2006 гг.; индекса циркуляции Е.Н. Блиновой - за период 1949-2006 гг. по сезонам года и отдельно по месяцам. С помощью линейных и кусочно-линейных трендов выявлялись тенденции изменчивости осадков, индекса и форм циркуляции за рассматриваемые периоды и в последнее двадцатилетие (рис. 1).

В ходе работы использованы среднемесячные данные INAO Климатического прогностического центра США за период 1950-2006 гг.

Повторяемость влажных (£ О > 120%) и сухих (£ < 80%) периодов в ландшафтных зонах* Обь-Иртышского междуречья в 1936-2006 гг.

Год

Ландшафтная зона О > 120% 81 > О <119% < 80%

Число случаев % Число случаев % Число случаев %

Южная тайга 6 6 61 87 4 7

Лесостепь 10 8 54 85 7 7

Степь 5 8 53 74 13 18

Теплый период

Южная тайга 10 13 54 76 7 11

Лесостепь 10 13 48 72 13 15

Степь 12 15 45 65 14 20

Холодный период

Южная тайга 11 11 48 72 12 17

Лесостепь 16 24 36 49 19 27

Степь 19 27 34 49 18 24

* Ландшафтные зоны и пункты наблюдений: Южная тайга (Средний Васюган, Новый Васюган, Пудино, Парабель, Кыштовка, Северное); Лесостепь (Барабинск, Каргат, Венгерово, Здвинск, Чулым, Ужаниха, Кочки); Степь (Краснозерское, Карасук, Кочки, Родино).

W

Е 180-1 140 -

140 -, 80

и

О, мм

1 80

600 1 160 - Ц

=^м-м* ;00:уЛ^п

160

У^’А'Уіа

Рис. 1. Многолетние колебания атмосферных осадков, индекса и форм циркуляции W, Е, С (дни): 1 - год; 2 - теплый период; 3 - холодный период; А - южная тайга; Б - лесостепь; В - степь;. временной ход,----------кусочно-линейные тренды

1

2

3

20

20

80

60

20

0

45 0

50

35 0

25

30

250

200

Б

20

0

В

Повторяемость избыточно влажных и сухих периодов

Территория Обь-Иртышского междуречья характеризуется значительной изменчивостью климатических элементов. Годовые суммы осадков изменяются в пределах Обь-Иртышского междуречья от 580 мм в тайге до 380-310 мм в лесостепи и степи. В их распределении проявляется одна из общегеографических закономерностей - зональность. Наряду с зональностью в пространственной структуре отмечается провинциальность: годовая сумма осадков увеличивается с запада на восток - северо-восток от 340 до 420 мм.

Для региона характерен континентальный тип годового хода осадков, максимум приходится на теплый период, когда выпадает в среднем 75-80% годовой суммы осадков. В теплый период максимум приходится на летние месяцы. Максимальное количество осадков выпадает в июле (40-80 мм), за июнь-август выпадает 46-50% годовой нормы. Наименьшее в году количество осадков выпадает в феврале и марте. Осенью осадков выпадает больше, чем весной.

Повторяемость аномалий увлажнения свидетельствует о том, что дефицит осадков отмечается как в теплый, так и холодный периоды года. В целом наибольшая повторяемость аномальных периодов увлажнения характерна для лесостепной зоны (см. табл. 1). Причем дефицит осадков здесь чаще наблюдается в холодный период года (25-27%). Особенно сухо было в 1942, 1943, 1950, 1951, 1952, 1954, 1955, 1967 гг., когда сумма осадков была ниже средней многолетней нормы на 50%.

В последнее десятилетие XX в. и в начале XXI в. чаще отмечались влажные холодные периоды: 1990, 1994, 1997, 2001, 2002 гг. Особенно много осадков выпало в холодный период 2002 г. (180% нормы, северная лесостепь).

В теплый период чаще аномалии сумм осадков повторяются в южной лесостепи (20%). В большинстве случаев сумма выпавших осадков составляла 121-134% и только в 1946 г. - 153%, что на 2,5 раза больше средней многолетней нормы. В целом за год сумма осадков за рассматриваемый период (71 год) в ландшафтных зонах изменилась незначительно, при общей тенденции к снижению в лесостепной зоне и увеличению в южной тайге и степи.

Таким образом, для всех ландшафтных зон характерна значительная изменчивость осадков. Наибольшей повторяемостью избыточно влажных и сухих периодов отличается лесостепь. Чаще отрицательные аномалии сумм осадков наблюдаются в холодный период. Начиная с 1980-х гг., во всех ландшафтных зонах наблюдается уменьшение годового количества осадков, за исключением южной тайги, где прослеживается тенденция к снижению, но пока происходит на фоне положительной аномалии. Снижение годовой суммы осадков происходит за счет уменьшения осадков в теплый период, в то время как в холодный период отмечается тенденция к увеличению осадков.

Макроциркуляционные условия влажных и сухих периодов

Для Обь-Иртышского региона установлено, что при процессах формы Е развивается циклоническое барическое поле и формируется область избытка осадков.

В период активизации процессов формы С над рассматриваемой территорией формируется антицикло-нальное барическое поле.

Во время развития процессов формы W в холодный период отмечаются положительные аномалии осадков. В теплое время года циклонические процессы при форме W также характерны, но циклоны смещаются севернее рассматриваемого региона.

В период 1980-2006 гг. уменьшение годового количества осадков отмечается на фоне роста повторяемости форм циркуляции W и С и снижения формы Е (см. рис. 1).

В работе проведен корреляционный анализ между формами циркуляции Вангенгейма-Гирса, аномалиями осадков при INAO > 0 и INAO < 0 по месяцам для севера (южная тайга) и юга (степь) рассматриваемой территории. Распределение коэффициентов корреляции между аномалиями осадков при INAO > 0 и INAO < 0 и развитии разных форм циркуляции в ландшафтных зонах междуречья Оби и Иртыша значительно меняются от месяца к месяцу. Значимые коэффициенты корреляции между аномалиями осадков и индексом NAO выявлены лишь в отдельные месяцы, тем не менее вклад этих месяцев в климатический режим может быть существенным (табл. 2).

При INAO > 0 аномально влажные периоды в южной тайге формируются в теплый период (июнь, июль, сентябрь) при развитии атмосферных процессов форм W и Е (R = 0,32-0,40), в степи (июнь) - формы Е (R = 0,47). Аномально сухие периоды формируются на рассматриваемой территории при развитии формы С (R = 0,310,49). Аномально влажные периоды в южной тайге в холодный период года (ноябрь) формируются при активизации атмосферных процессов формы W(R = 0,53), в степи (ноябрь, декабрь) - форм W и С (R = 0,43-0,44), сухие - при развитии процессов формы Е (R = 0,43). В целом при INAO > 0 наиболее тесная связь аномалии осадков с числом дней развития атмосферных процессов форм W и Е, и I получена для декабря-февраля (XII-II) в южной тайге. Значения /-статистик составили 1.21-3.11 при достоверности 1.5. При использовании индекса циркуляции Блиновой значения /статистики возрастает до 3,04-3,3, что подтверждает их репрезентативность.

При INAO < 0 избыток осадков в холодный период года в южной тайге (ноябрь-март) и в степи (январь-март) отмечается при развитии атмосферных процессов форм W и С (R = 0,34-0,55), дефицит осадков - при развитии формы Е (R = 0,34-0,49). В теплый период года наиболее тесные связи между аномалией осадков и атмосферной формой циркуляции Е получены для степи, коэффициент множественной корреляции достигает 0,44.

Для южной тайги и степи значения /-статистик в анализируемые месяцы для показателей атмосферных форм циркуляции составляют 1,5-3,3, что подтверждает их репрезентативность.

В остальные месяцы на рассматриваемой территории региона, как в теплый, так и в холодный периоды коэффициенты парной и множественной корреляции слабые, что свидетельствует о более сложной природе атмосферных процессов, влияющих на формирование аномально влажных периодов.

Множественная и парная корреляция аномалии осадков при 1^ао > 0 и 1^ао < 0 по месяцам

ІКАО > 0

Ландшафтная зона Месяц, сезон Число лет Число случаев аномально влажных периодов/ форма циркуляции (п) г Я ^статистика Формула

10> 120% 10< 80% \У Е С ІКАО О

Южная тайга июнь 25 8/ \У(4) 7/ С (4) 0,31 - 0,04 - 0,33 1,57 - - - Х= 1,92\У+105,87

-0,30 0,31 -1,44 - Х =-1,940+117,74

июль 31 5/ Е(4) 9 - 0,38 - - 0,13 0,45 - 2,40 - - 1,36 X = 2,18Е-57,00

сентябрь 29 6/Е(5) 10/0(5) - 0,39 -0,47 - - 0,40 - 2,15 - - Х= 1,9Е+55,21

0,49 -2,76 X = -3,31С+147,39

ноябрь 23 6/ \У(3) 7 0,39 - -0,24 0,46 0,70 1,47 - -2,94 2,78 X = 1,24\У-19,69 1ЫАО+ 4,14и(у)-95,41

-0,38 0,71 -1,66 -2,78 3,36 X = -1,11Е-18,29 1ЫАО+ 4,60и(у)-91,20

зима 30 10/\У(8) 3/Е(3) 0,39 - - 0,53 0,62 1,21 - -1,69 3,04 X = 0,34\У + 3,73И(уМ8,94

-0,42 0,63 -1,48 -1,36 3,11 X = -0,29Е + 3,69Й(у)-27,31

холодный период 30 7/\У(5) 2 0,44 - - 0,25 0,52 2,6 - - 1,5 X = 0,49\У+ 2,07и(у)-1,79

-0,45 0,53 -2,68 - - 1,67 X = -0,35\У+ 2,27и(у)+37,65

лето 28 4 7/Е (6) 0,36 - - 0,38 0,28 0,52 1,62 - - 2,11 0,33 X = 0,74\У+21,22 1ЫАО+ 46,28

Степь июнь 25 5/Е(3) 11/0(8) - 0,46 - - 0,50 - 2,59 - - X = 4,5Е-62,5

-0,49 0,49 -2,52 X = -6,02С+155,97

ноябрь 23 9/ \У(5) 9 0,44 - - - 0,61 0,65 1,06 - - - 2,73 X = 6,99и(у)-241,49

декабрь 32 9/С(4) 11/Е(5) - -0,34 -0,24 0,21 0,47 - -1,59 -1,88 1,20 X = -1,54Е+30,78

0,40 0,48 1,61 Х= 2,63С-5,06

ГОД 25 3 3 - - -0,34 -0,22 - 0,45 - - -1,9 -1,4 - X = -0,35С-29,38 1КАО+ 97,60

1ыао < 0

Южная танга январь 24 8/С (6) 8 - - 0,34 - 0,41 0,53 - - 1,54 - 2,11 X = 1,750+ 2,98и(у)-23,83

февраль 25 4АУ(2) 8/Е (6) 0,56 - - - 0,45 0,58 2,0 - - - - Х=2,61\У+ 54,34

март 29 8 7/Е (7) 0,35 - -0,22 0,28 0,50 1,56 - -1,88 1,16 Х= 1,96\У-17,65 1ЫАО+ 1,68й(у)+16,36

-0,44 0,53 -1,96 -1,56 1,21 X = -1,86Е-14,36 1ЫАО+ 1,6бй(у)+63,15

октябрь 28 7 5 - - - 0,45 0,53 0,58 - - - 1,36 2,22 X = 11,92 1ЫАО+ 4,14й(у)-72,54

ноябрь 33 11/0(7) 10/Е(7) - -0,52 - - 0,52 - -3,14 - - X = -2,10Е+107,38

0,41 0,42 2,30 X = 2,440 +49,24

декабрь 24 7/ ЩЗ) 5/ Е(3) 0,44 - -0,30 0,20 0,60 2,57 - -2,2 - X = 3,2\У-25,5 1ЫАО+ 29,87

-0,38 0,49 -1,61 -1,3 - X = -1,6Е-16,23 1ыдо+54,81

теплый период 29 4 7 - - 0,25 - - 0,38 - - 1,86 - - Х= 0,420+ 13,39

весна 26 3 3 -0,21 - - -0,16 - 0,35 -1,52 - - -1,36 0,86 X = 0,45\У+62,78

Степь январь 24 8/0(6) 9 - - 0,33 - 0,38 0,55 - - 1,55 -1,48 2,27 X = 2,61С +4,72и(у)-112,35

февраль 25 11АУ(5) 11 0,51 - - - 0,44 0,55 1,52 - - - - Х = 4,28\У+ 29,79

март 29 9/ С(5) 13/ Е(9) - -0,54 - 0,38 0,59 - -2,61 - 1,43 X = -3,22Е + 2,52и(у)+56,99

0,41 0,57 2,4 2,45 X = 3,440 +4,091Ху)-76,34

май 31 10/Е(8) 11 - 0,37 - 0,24 - 0,44 - 1,94 - 1,36 - X = 2,0Е+20,74 1ЫАО+ 104,29

октябрь 28 7 5 -0,35 - 0,42 0,40 0,59 -2,08 - - - 1,80 X = -2,66\У+5,18и(у)-85,29

декабрь 24 8АУ(4) 6/Е(4) 0,36 - -0,33 - 0,56 2,40 - -2,19 - X = 4,3\У-35,99 1ЫАО+ 69,02

-0,37 0,46 -1,56 - - X =-2,16Е+ 103,22

зима 26 7/ С(5) 5 -0,44 - -0,39 - 0,49 -1,60 - -1,10 - X = -1,07\У+ 117,32

0,24 0,47 1,3 -2,02 X = 0,710-31,07 1ЫАО+ 49,95

весна 26 6 /Е(5) 7 - - - -0,23 0,31 0,55 - - - -2,22 2,52 X = -55,77 1ЫАО+ 5,27и(у)-86,28

осень 28 5 6АУ(5) -0,38 - - 0,23 - 0,50 -2,53 - - 1,54 - X = -1,44\У+20,46 1ЫАО+ 92,49

теплый период 29 5/ С(3) 6 - - 0,20 - 0,39 0,50 - - 1,7 - 2,62 X = 0,420+ 5,88й(у)-124,04

В ландшафтных зонах междуречья Оби и Иртыша наибольшая повторяемость аномальных периодов увлажнения характерна для лесостепной зоны.

В период 1980-2006 гг. уменьшение годового количества осадков отмечается на фоне роста годовой повторяемости форм циркуляции W и С, и снижения -формы Е.

Наиболее тесная связь формирования аномально влажных холодных периодов на рассматриваемой территории отмечается при 1МА0 < 0, при развитии атмосфер-

ных процессов форм W и С, сухих холодных периодов -формы Е. При 1МА0 > 0 наиболее тесные связи отмечаются при формировании аномально влажных теплых периодов в южной тайге - при развитии атмосферных процессов форм W и Е, в степи - формы Е. Сухие теплые периоды на рассматриваемой территории отмечаются при 1МА0 > 0 при развитии атмосферных процессов формы С.

Авторы статьи выражают благодарность Г.М. Виноградовой за предоставленные данные об индексе циркуляции Е.Н. Блиновой.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГирсА.А. Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 280 с.

2. Блинова Е.Н. К теории годового хода незональной циркуляции атмосферы // Труды ИФА. 1958. № 2. С. 5-22.

3. Hurrell J.W. Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: Régional temperatures and précipitation // Sciens. 1995. Vol. 269. Р. 676-679.

4. Попова В.В., Шмакин А.Б. Влияние североатлантического колебания на многолетний гидротермический режим Северной Евразии: Стати-

стический анализ данных наблюдений // Метеорология и гидрология. 2003. № 5. С. 62-74.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 29 сентября 2009 г.