Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика центров действия атмосферы 8
1.1. Компоненты общей циркуляции атмосферы 8
1.2. Обзор исследований центров действия атмосферы 12
2. Пространственно-временная изменчивость координат и интенсивности цда первого естественного синоптического района 27
2.1. Изменения пространственного положения и интенсивности ОДА 28
2.2. Многолетняя динамика характеристик ЦДА 34
2.3. Особенности взаимосвязей между характеристиками ЦДА... 39
2.4. Взаимосвязи характеристик ЦДА и Северо-Атлантического колебания 45
3. Современные изменения, основных климатических показателей на территории республики Татарстан 50
3.1. Физико-географическая характеристика территории республики 50
3.2. Особенности барико-циркуляционного режима 51
3.3. Режим температуры воздуха 57
3.4. Режим количества атмосферных осадков 61
3.5. Режим влажности воздуха 65
3.6. Прикладные показатели климата 67
4. Влияние динамики нда на изменения температуры воздуха и количества осадков на территории татарстана 78
4.1. Корреляционные связи характеристик ЦДА с аномалиями температуры воздуха и количества осадков 78
4.2. Оценка прогностической информативности характеристик ЦДА методом «наложенных эпох» 80
4.3. Результаты прогнозирования аномалий температуры воздуха и количества осадков методом «средних эталонов» 84
Заключение 91
Литература 93
Приложения 103
- Обзор исследований центров действия атмосферы
- Взаимосвязи характеристик ЦДА и Северо-Атлантического колебания
- Оценка прогностической информативности характеристик ЦДА методом «наложенных эпох»
- Результаты прогнозирования аномалий температуры воздуха и количества осадков методом «средних эталонов»
Введение к работе
Актуальность проблемы. Центры действия атмосферы (ЦДА) представляют собой крупномасштабные структурные образования общей циркуляции атмосферы (ОЦА), непосредственно влияющие на распределение давления и движений в тропосфере, волновые переносы импульса, тепла, влаги и прочих физических субстанций, интенсивность циклонической и антициклонической деятельности. ЦДА во многом определяют характер погоды и климата обширных территорий Земли.
Важный вклад в изучение теории возникновения и развития ЦДА внесли работы К. Россби, Е.Н. Блиновой, А.С. Монина, И.И. Мохова и др. В работах синоптического плана рассмотрена динамика ЦДА за длительный период, приведена статистика их местоположения и интенсивности. В Казанском университете, начиная с работ П.Т. Смолякова и Н.В. Колобова на протяжении многих десятилетий велись исследования по ОЦА в целом, динамике ЦДА, изучению циклоничности и антициклоничности в системе ОЦА в целях долгосрочного прогноза погоды.
Данная работа продолжает эти традиции и в ней главное внимание уделено динамике трех центров действия атмосферы – исландского минимума, азорского максимума и сибирского максимума, оказывающих сильное влияние на формирование погоды и климата в Европейской части России. В частности, в работе впервые рассматривается связь между характеристиками указанных ЦДА и климатическими показателями Республики Татарстан (РТ) в период, приходящийся на наиболее активную фазу глобального потепления климата 1970-х – начало XXI столетия.
Актуальность темы обусловлена важной ролью ЦДА в формировании погодно-климатических условий региона и слабой изученностью механизма воздействия ЦДА на погоду и климат РТ в последние десятилетия.
Целью настоящей работы является исследование динамики параметров центров действия атмосферы первого естественного синоптического района (I ЕСР) в зимний период и оценка их влияния на формирование погодно-климатических условий Республики Татарстан.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработка методики получения и статистической обработки данных о состоянии ЦДА.
-
Исследование закономерностей пространственно-временных изменений параметров ЦДА за период 1948–2009 гг., взаимосвязей в их динамике.
-
Изучение изменения основных показателей климата на территории Республики Татарстан в исследуемый период.
-
Получение количественных оценок влияния параметров ЦДА на температурный режим и режим осадков на территории Республики Татарстан.
Использованные данные. В качестве исходных данных использованы данные NCEP реанализа (http://www.cdc.noaa.gov) атмосферного давления, приведенного к уровню моря в узлах регулярной географической сетки с шагом по широте и долготе 2,5 на 2,5 (1948–2009 гг.); индексы NAO (1948–2009 гг.), данные приземных метеорологических наблюдений по территории Республики Татарстан с 1966 по 2004 год (ГУ ВНИИГМИ-МЦД, г.Обнинск); данные метеорологической станции Казань, университет (1948–2009 гг.).
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением методов статистического анализа (корреляционный, регрессионный, дискриминантный анализы) и оценкой достоверности полученных результатов, а также соответствием полученных результатов основным положениям динамической метеорологии и климатологии.
Научная новизна работы:
-
По данным за 1948–2009 гг. изучены пространственно-временные изменения характеристик ЦДА I ЕСР зимой.
-
Выявлены количественные взаимосвязи в поведении параметров ЦДА и индексов Северо-Атлантического колебания (САК или NAO).
-
Проанализированы изменения климатических показателей Республики Татарстан в современный период.
-
Впервые получена количественная оценка влияния ЦДА на климат Республики Татарстан в современный период.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Пространственно-временные закономерности изменения и особенности взаимосвязей основных характеристик ЦДА в период интенсивного глобального потепления.
-
Выявленные тенденции в изменениях основных показателей климата на территории РТ за последние десятилетия.
-
Физико-статистический механизм влияния ЦДА на погодно-климатические условия РТ.
-
Оценка влияния параметров ЦДА на температурный режим и режим осадков на территории РТ.
Научно-практическая ценность работы. Полученные в работе результаты используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам «Климатология», «Теория общей циркуляции атмосферы». Кроме того, результаты могут использоваться при составлении долгосрочных метеорологических прогнозов погоды на исследуемой территории.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 14 публикациях, из которых 7 опубликованы в изданиях перечня ВАК. Результаты исследований докладывались и обсуждались:
на Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающей среды», РГГМУ, 2005 г., г. Санкт-Петербург;
на второй конференции молодых ученых Национальных Гидрометслужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии», 2006 г., г. Москва;
на Всероссийской научно-практической конференции «Природно-ресурсный потенциал Республики Татарстан и сопредельных территорий», 2007 г., г. Казань;
на Всероссийской научно-прикладной конференции «Региональные аспекты глобальных изменений климата и их последствия», 2008 г., г.Калуга;
на Всероссийской научной конференции «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований», 2009 г., г. Казань;
на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: опыт, проблемы, поиски решения», 2010 г., г. Казань;
на итоговых научных конференциях и научных семинарах кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы Казанского государственного университета в 2005–2010 гг.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений. Список использованных источников содержит 93 наименования. Общий объем диссертации (без приложений) составляет 102 страницы машинописного текста, включая 9 рисунков, 23 таблицы и 10 приложений.
Обзор исследований центров действия атмосферы
В связи с большим влиянием на погодные условия и климат, которые оказывают ЦДА, им посвящено достаточно большое количество работ, краткий обзор которых содержится в [43, 73, 74 и др.]. Еще в 1879 - 1880 гг. Тейсеран де Бор, изучая причины аномально холодной зимы, пришел к выводу, что основные черты погоды в Европе зависят от интенсивности и динамики крупных барических образований - азорского и сибирского максимумов, а также исландского минимума. Позднее, в 1888 г. Б.И. Срезневский выявил, что происхождение штормов в Азовском и Чёрном морях в более половине случаев связано с деятельностью антициклонов. Были выявлены связи между колебаниями некоторых максимумов. Этим вопросом в 1890 г. занимался Гильдебрандсон [38]. Таким образом, уже к концу 1890 г. в метеорологии окончательно утвердилось понятие «Центры действия атмосферы». Позднее, в середине 20 века, известный отечественный климатолог СП. Хромов дал следующую трактовку ЦДА [77]: «Климатологический центр действия атмосферы — это область низкого или высокого давления на многолетней средней карте, являющаяся статистическим результатом преобладания в данном районе барических систем одного знака над барическими системами другого знака. Синоптический центр действия атмосферы — это высокий, относительно малоподвижный циклон или антициклон, обнаруживающийся на синоптической карте».
Изучению влияния пространственной динамики и интенсивности ЦДА на аномалии метеорологического режима в Европе было положено ещё в конце 19 века. Выше уже упоминались некоторые результаты, полученные в этом направлении для Западной Европы Тейсеран де Бором [4]. Затем исследования в этом направлении были продолжены Б.П. Мультановским [49], который ещё в 1915 г. высказал гипотезу о том, что «...руководящие процессы в атмосфере, влияющие на погоду Европы, лежат вне её пределов, а Европа является лишь ареною, где развёртываются уже следствия (рефлексы) этих основных процессов». При этом он полагал, что основными процессами для Европы являются изменения состояния и активности азорского и полярного ЦДА.
СП. Хромов [77] всю совокупность ЦДА делит на перманентные и сезонные, выделив при этом 7 перманентных и 14 сезонных ЦДА. Для Северного полушария перманентными являются следующие ЦДА: экваториальная депрессия, азорский антициклон, гонолульский антициклон, исландская депрессия, алеутская депрессия, арктический антициклон. К зимним ЦДА относятся: сибирский антициклон, канадский антициклон; к летним — азиатская депрессия, северо-американская депрессия.
Определенный вклад в изучение ЦДА был внесён профессором Казанского университета Н.В. Колобовым [38, 55]. Им был изучен режим циклоничности и антициклоничности во внетропических широтах Северного полушария по данным ежемесячных синоптических карт за период с 1949 по 1968 гг. Согласно исследованиям Т.В. Мартыновой [43], изучавшей динамику и эволюцию пар ЦДА (азорский максимум — исландский минимум, алеутский минимум — гонолульский максимум) следует, что исландский минимум и азорский максимум имеют перекрещивающийся характер миграции, сближаясь в холодную часть года, они отдаляются в тёплую половину года. Также Т.В. Мартынова показала, что в зимнее время воздействие атлантических ЦДА на климатические характеристики суши происходит более интенсивно, чем летом.
В.Ф. Мартазинова [42] занималась исследованием влияния ЦДА и ВФЗ на устойчивость поля аномалий температуры воздуха Северного полушария. Влияние ЦДА на устойчивость поля аномалий температуры воздуха во времени выделялось путем использования дискриминантного анализа. В результате было установлено, что в холодное время года (октябрь - март) устойчивость данного поля определяется активностью азорского, сибирского, канадского максимумов и алеутской депрессии, в тёплое полугодие (апрель — октябрь) решающий вклад вносит активность азорского, гонолульского и сибирского максимумов.
С целью использования обнаруженных закономерностей в колебаниях состояний арктического, сибирского максимумов и алеутского минимума для прогноза синоптического положения по восточному району Арктики сотрудником ААНИИ А.А. Дмитриевым [27] была предпринята попытка оценить влияние различных факторов на колебания этих систем. Он установил, что амплитуды изменения давления в районах локализации ЦДА во многом определяются разновидностями форм циркуляции атмосферы и характером их макропреобразований. В состоянии исследуемых барических систем выявлены гармонические компоненты с периодом 5 и 10 дней. Также была описана связь колебаний ЦДА с изменением солнечной активности, выявлено, что влияние активных долгот Солнца на состояние ЦДА лучше всего проявляется в периоды спада 11-ти летнего цикла и в периоды максимумов, а слабее в периоды минимумов солнечной активности.
Определённый вклад в изучение многолетней изменчивости ЦДА и их взаимосвязи с макроциркуляционными процессами Северного полушария был внесён учёными Казанского университета Ю.П. Переведенцевым, Н.В. Исмагиловым, К.М. Шанталинским [61]. Ими выявлены долговременные тенденции в изменениях географического положения и интенсивности атлантической и тихоокеанской циркуляционных пар, скрытые периодичности в рядах средних месячных значений давления ЦДА. Дан анализ корреляционных связей, установленных между параметрами ЦДА и индексами циркуляции Каца, формами циркуляции Вангенгейма-Гирса.
Значительный вклад в изучение ЦДА и их связи с климатом внесен учеными Российского Государственного Гидрометеорологического Университета Смирновым Н. П., Воробьевым В. Н., Качановым С. Ю. В их работах [72, 73] рассматриваются сезонные и многолетние изменения интенсивности и положения исландского минимума и азорского максимума давления, определяющие интенсивность циркуляции атмосферы над Северной Атлантикой. Анализируются различные представления индекса САК (NAO) и производятся рекомендации о предпочтительности использования того или иного индекса NAO. Показана межгодовая динамика индекса NAO за последнее столетие и его временная структура. Детально рассмотрена связь изменений индекса NAO с колебаниями различных климатических характеристик (температурой воздуха, осадками, ледовитостью, температурой воды, уровнем) Северной Атлантики и прилегающих регионов Северной Америки и севера Евразии. Производятся сравнения изменений индекса NAO с изменениями других индексов - Эль-Ниньо - Южное колебание (ENS О) и Северо-Тихоокеанское колебание (NPO). Показано также, что динамика интенсивности циркуляции атмосферы над Северной Атлантикой определяет колебания уровня моря в Североевропейском бассейне, заметно влияет на колебания уровня в морях Карском и Лаптевых и в небольшой степени - в Восточно-Сибирском море. На колебания уровня Чукотского моря значительное влияние оказывает северотихоокеанское колебание. Наблюдается тесная связь между колебаниями уровня и характеристиками климата Северного Ледовитого океана.
Взаимосвязи характеристик ЦДА и Северо-Атлантического колебания
Многочисленные исследования [2, 43, 72, 73, 86, 88 и др.] показывают, что взаимосвязь между характеристиками центров действия атмосферы проявляется в течение всего года. Однако следует подчеркнуть, что наиболее выраженными и интенсивными ЦДА (особенно океанические) являются зимой [72, 73]. В свою очередь это обеспечивает соответствующие изменения метеорологического режима на значительных территориях находящихся не только вблизи локализации центров действия, но и на территориях значительно удаленных от их местоположения. Одним из наиболее распространенных индексов, характеризующих интенсивность циркуляции во внетропических широтах Северной части Атлантического океана является индекс Северо-Атлантического Колебания (САК), отражающий разность атмосферного давления между северной, и южной частью Северной Атлантики. Высокие значения САК связаны с отклонениями больше нормы интенсивности исландского минимума и азорского максимума, что способствует усилению западно-восточного переноса в нижней части тропосферы и приводит к адвекции тепла с Атлантики на континент. Существует несколько методик подсчета данного индекса, наиболее часто индекс САК вычисляется на основе станционных данных как разность нормированного давления, приведенного к уровню моря на станциях Лиссабон и Рейкьявик, или на станциях Гибралтар и Рейкьявик. На рис. 3 отображена динамика индекса САК, рассчитанного по разным методикам (NCEP реанализ, East Anglia University), а также фактическая разность атмосферного давления между центрами азорского и исландского ЦДА за период с 1950 по 2009 г. Выявлено, что наиболее значимые тенденции увеличения значений индексов САК наблюдаются в феврале.
Однако, сглаживание полиномами высших порядков показало, что в последние несколько лет наблюдается ослабление интенсивности циркуляции над Северной —Атлантикой. При этом в среднем за зиму (рис. 4) также наблюдается увеличение разности давления между Азорским и исландским ЦДА. Рассмотрим теперь количественную взаимосвязь между различными вариантами индексов, характеризующих интенсивность воздухообмена в Северной Атлантике. В табл. 8 представлены значения коэффициентов корреляции между индексами САК, рассчитанными по различным методикам и фактической разностью атмосферного давления в центральных частях азорского и исландского максимума. Анализируя данную таблицу легко убедиться, что во все зимние месяцы наиболее согласованы между собой значения разности атмосферного давления в центре азорского и исландского ЦДА и индекса САК, вычисленного на основе станционных данных как разность аномалий атмосферного давления, приведенного к уровню моря на станциях Гибралтар и Рейкьявик (данные East Anglia University ). По результатам анализа пространственно-временной изменчивости характеристик ЦДА зимой можно сформулировать следующие основные выводы: Рассматриваемые ЦДА в многолетней динамике начиная претерпевали определенные изменения, как в местоположении, так и в интенсивности.
При этом следует отметить, что Северо-Атлантическая пара ЦДА наиболее интенсивной за исследуемый период была в 80-90-ые годы XX века. Наименьшая же их интенсивность приходится на начало исследуемого периода. Сибирский максимум, напротив, был несколько интенсивнее в начале изучаемого периода (50-60-ые годы). - В пространственной динамике Северо-Атлантических ЦДА зимой преобладает зональная составляющая движения (вдоль широтных кругов), что подтверждает справедливость положения о господстве западного переноса в тропосфере умеренных широт и его влиянии на преобладающие траектории движения приземных барических образований. - Зимой наиболее тесная связь в пределах I ЕСР наблюдается между исландским минимумом и азорским максимумом. Наибольшая положительная связь наблюдается в поведении координат (ср, Я) центра азорского максимума (г=0,72) и исландского минимума (г=0,70). Наибольшая отрицательная связь наблюдается между значениями атмосферного давления в центрах азорского и исландского ЦДА (г=-0,60), когда с углублением (заполнением) исландского минимума связан рост (падение) атмосферного давления в центре азорского максимума. - Влияние пространственной миграции центров действия атмосферы на изменение их интенсивности проявляется в основном через изменение географических широт. Лучше всего эта множественная корреляционная связь в среднем за зиму прослеживается для азорского максимума ( RP.F.L =0,729), пространственная миграция которого объясняет до 53 % всех особенностей эволюции давления в его центре. - В исследуемый период (1948-2009 гг.), в целом наблюдалось увеличение межширотных градиентов атмосферного давления над Северной Атлантикой зимой, особенно в феврале, которое приводило к увеличению западного переноса воздушных масс с Атлантики на Евразийский континент. Однако следует также отметить, что в последние несколько лет наблюдается уменьшение значений индекса САК, что в свою очередь, означает уменьшение интенсивности зональной циркуляции.
Оценка прогностической информативности характеристик ЦДА методом «наложенных эпох»
Суть решаемой задачи при этом сводилась к тому, чтобы оценить в какой мере колебания средних сезонных характеристик ЦДА (р, р, X) могли бы быть использованы для прогноза аномалий температуры воздуха и количества атмосферных осадков на территории РТ зимой. Для решения поставленной задачи использовался метод «наложенных эпох» [10, 19]. При этом таблицы многолетних данных о характеристиках ЦДА представлялись в виде некоторой матрицы: где my0 hn;j = l,k) _ характеристики ЦДА в зимние месяцы, і - годы,у — порядковый номер характеристики ЦДА. Далее по каталогу отбирались годы, когда на территории РТ в декабре-феврале имели место положительные аномалии температуры (осадков) и с помощью (13) формировалась подвыборка где хи те же характеристики ЦДА в годы, когда наблюдались положительные аномалии температуры (осадков). Затем аналогично (14) формировалась подвыборка, с годами, когда наблюдались отрицательные аномалии температуры (осадков) В формулах 14 и 15 п\ число лет, когда выполнялось первое условие (положительные аномалии), а п г число лет, когда выполнялось второе условие (отрицательные аномалии). Очевидно, что сумма определяет общий объём выборки матрицы М.
Далее для каждого столбца выборок М1,М2 разыскивались значения функции, которая подчиняется «t — распределению» Стьюдента [10 - 12]: В формуле (17) ХІ У] средние арифметические значения столбцов матриц МХ,М2 Ирпг —число строк; і ст2 "дисперсии, тех же столбцов. Если при заданном, достаточно малом значении уровня значимости а и числе степеней свободы окажется, что t а,т, определяемого по таблицам «t - распределения», то с надёжностью можно считать, что колебания рассматриваемой характеристики ЦДА оказывают своё влияние на формирование аномалий режима температуры и атмосферных осадков, и, наоборот, - если t - а,т . Расчёт функции (табл. 18) и последующее ее сравнение с табличными величинами показали, что из полного состава тестировавшихся предсказателей в отношении ожидаемого характера аномалий температуры воздуха в зимний период на территории РТ прогностически информативными являются изменения атмосферного давления в центре исландского минимума (t=3,70) и давление в центре азорского максимума (t=l,97). Все остальные характеристики ЦДА в отношении аномалий температуры воздуха имеют меньшую надежность. Выявлено, что положительным аномалиям температуры воздуха на территории РТ с доверительной вероятностью более 99% соответствует относительно низкое давление в центре исландского минимума (990,8 гПа) и с доверительной вероятностью более 96% относительно высокое давление в центре азорского максимума (1025,5 гПа), и, наоборот, отрицательным аномалиям в среднем соответствует относительно высокое давление в центре исландского минимума (995,1 гПа) и относительно низкое давление в центре азорского максимума (1023,9 гПа).
Результаты прогнозирования аномалий температуры воздуха и количества осадков методом «средних эталонов»
Предпринята попытка использовать полученные предикторы для составления ретроспективных прогнозов аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков. Методологической основой для построения данного двухфазного долгосрочного метеорологического прогноза послужил метод дискриминантного анализа - «метод средних эталонов» [4, 19, 20], суть которого состоит в следующем. Исходный архив данных по ЦДА делился на две подвыборки: обучающую (1948-1986 гг.) и независимую (1987-2009 гг.). Заблаговременность прогнозов принималась нулевой. Затем на материалах обучающей выборки определяется оптимальный состав и вид «эталонных векторов» Х- У : где/ = 1,и; ХІ УІ информативные компоненты ЦДА в зимний период. Из независимой выборки (1987-2009 гг.), включающей в себя характеристики ЦДА, отбираем вектор z = lr/ того же состава и той же размерности, что и информативные векторы Х У. Компоненты всех векторов предварительно центрируются и нормируются [4, 11 и др.].
После этого вычисляются функции: представляющие собой комплексные показатели сходства сравниваемых векторов [4]. При этом -1,0 (z,x) 2,0 -1,0 (z,y) 2,0. Решающие прогностические правила формулируются так: если окажется, что C(z,x) C(z,y), то будущее положение предиктанта следует ожидать в первой градации, и, наоборот, - во противоположной градации, если окажется, что \z x) \z y). Случаи с C\z- x)-C\z- y) относятся к числу маловероятных. Для составления ретроспективных прогнозов аномалий температуры воздуха и осадков использовалось по одному предиктору, выбранному по наибольшей доверительной вероятности. Полученные результаты сведены в табл. 20, 21. В данных таблицах знаками «+» и «-» обозначены соответственно положительные и отрицательные аномалии температуры воздуха и атмосферных осадков. Из табл. 20 видно, что предложенная методика прогнозирования аномалий температуры воздуха вполне оправдана всего 5 ошибочных прогнозов из 22 испытаний. В то же время при прогнозе аномалий осадков (табл. 21) оказалось, что в 4 - х случаях из 22 значения комплексных показателей сходства сравниваемых векторов принимают значение равное -1, что свидетельствует о том, что данная методика в этих случаях не позволяет корректно определить состояние предсказываемой величины.
Для оценки оправдываемо сти составленных ретроспективных прогнозов использовалась следующая таблица 22 [4]: здесь символы Фі и Ф2 означают фактическое осуществление первой и второй градаций, а Пі и П2 -прогнозы этих градаций; пц и я22 число прогнозов и осуществления первой градации и второй градации соответственно; пп и ri2j — число неоправдавшихся прогнозов первой и второй градации соответственно; nw, Щь п2о, Щ 2 суммы соответствующих столбцов и строк; Таким образом, очевидно, что доля оправдавшихся прогнозов определяется следующим соотношением: при этом величина F изменяется в пределах от 0 до 1. Для определения методического выигрыша (AF) оценивалась также величина случайной оправдываемости Fo . Очевидно, что в случае F F0 применение предложенной методики можно считать вполне целесообразным. Кроме того, для оценки оправдываемости составленных ретроспективных прогнозов использовался показатель, предложенный Н.А. Багровым [4 ]
