Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные изменения климата, методы анализа, исходные данные 16
1.1. Глобальные и региональные изменения климата по данным инструментальных наблюдений 16
1.2. Исходные данные для анализа 24
1.3. Методы анализа 25
Глава 2. Современные тенденции в изменениях температуры воздуха 35
2.1. Изменения температуры в XX и XXI веках в Северном полушарии Земли и, в частности, в Европе. 35
2.2. Сезонные особенности изменения температуры воздуха в Европе 40
2.3. Выводы по главе 2 46
Глава 3. Колебания температуры воздуха на территории Европы 47
3.1. Пространственные особенности колебаний температуры и климатическое районирование 47
3.2. Сравнение границ однотипных районов колебаний температуры с другими классификациями 58
3.3. Устойчивость климатических районов в эпоху интенсивного глобального потепления 62
3.4. Макроциркуляционные характеристики формирования региональных особенностей колебаний климата 66
3.5. Выводы по главе 3 70
Глава 4. Влияние Северной Атлантики на колебания температуры воздуха в Европе 71
4.1. Корреляции температуры воздуха в Европе с ТПО Атлантики 71
4.2. Теплосодержание океана и колебания температуры воздуха в Европе 77
4.3. Новый индекс влияния Северной Атлантики на температуру воздуха в Европе 80
4.4. Колебания температуры воздуха в Европе и индекс инерционности океана 88
4.5. Дальние связи между колебаниями ТПО и температурой воздуха в Европе 92
4.6. Выводы по главе 4 100
Глава 5. Глобальный фактор колебаний климата 102
5.1. Корреляции колебаний среднегодовой температуры воздуха над континентами и ТПО мирового океана с колебаниями скорости вращения Земли 102
5.2. Вклад колебаний скорости вращения Земли в колебания ТПО и температуры воздуха в Европе 109
5.3. Вклад колебаний ТПО в заданном районе Атлантики в колебания температуры Европы. 114
5.4. Выделение района в Атлантике, ответственного за колебания температуры воздуха в заданном районе Европы. Оценка вклада в уравнение регрессии . 117
5.5. Выводы по главе 5 123
Заключение 124
Список использованной литературы 128
- Глобальные и региональные изменения климата по данным инструментальных наблюдений
- Пространственные особенности колебаний температуры и климатическое районирование
- Дальние связи между колебаниями ТПО и температурой воздуха в Европе
- Выделение района в Атлантике, ответственного за колебания температуры воздуха в заданном районе Европы. Оценка вклада в уравнение регрессии
Введение к работе
Изучение изменений климата Европы имеют длительную историю. Тренды температуры изучались многими за рубежом (Jones P.D., Folland C.K. Karl T.R., Wallace J.M., Zhang J, Parker, D. E.) и в России (Груза Г.В., Ранькова Э.Я., Переведенцев Ю.П., Шанталинский К.М., Шерстюков Б.Г., Анисимов О.А., Бардин М.Ю., Разуваев В.Н., Булыгина О.Н. и др.). Меньше изучались колебания температуры.
Большое внимание уделялось изучению влияния Атлантики на климат Европы, начиная с работ Бьеркнеса Дж. и Митчела Дж. М. В России этими вопросами занимались Лаппо С.С., Монин А.С., Даценко Н.М., Максимов И.В., Мохов И.И., Гулев С.К., Бышев В.И, Нейман В.Г, Добролюбов С.А., Разоренова О.А. и др. Исследование взаимосвязи взаимодействия океана и атмосферы с климатом в Европе, неразрывно связано с изучением атмосферной циркуляции. В данном направлении работали Семенов В.А., Хон В.Ч., Латиф М., Роекнер Э., Крыжов В. Н., Полонский А.Б, Попова В. В, Шмакин А.Б, Нестеров Е.С, Угрюмов А.И., Wallace J. M., Ворли С. Поиски энергоактивных зон в океане проводились ранее в рамках программы «Разрезы», под руководством Марчука Г.И., но тогда изучались районы наиболее интенсивных сезонных перестроек потоков тепла на границе атмосферы и океана, межгодовые колебания не рассматривались. Результаты работ перечисленных авторов послужили базой для дальнейшего более углубленного изучения проблемы колебаний климата Европы на современных данных.
В настоящей работе сезонные особенности исследовались в меньшей степени, а основное внимание было направлено на изучение межгодовых колебаний среднегодовой температуры воздуха Европы и на изучение возможных причин возникновения этих колебаний. Много места в работе уделено исследованию влияния многолетних колебаний температуры поверхности океана (ТПО) на температуру воздуха (ТВ) различных районов Европы. Анализируется роль атмосферной циркуляции в формировании пространственных различий в колебаниях температуры воздуха в разных регионах Европы.
Актуальность темы
Потепление климата в Европе в последнее десятилетие становится все заметнее и все чаще приводит к опасным последствиям для человека.
Наряду с парниковым фактором потепления, региональные факторы изменений климата остаются недостаточно изученными.
Актуальность темы определяется необходимостью более глубоких знаний о естественных региональных колебаниях температуры воздуха и об их причинах в эпоху современного глобального потепления.
Актуальность выбора темы диссертации именно сегодня определяется тем, что развитию исследований по этой теме способствует появление новых обширных массивов данных наблюдений за атмосферой и океаном, которые позволяют более детально изучать старые проблемы на новых данных.
Цель работы: Выявить региональные изменения ТВ в Европе и их причины в период современного глобального потепления.
Для достижения цели решались следующие задачи
Исследовать современные тенденции в изменениях ТВ
Провести районирование территории Европы по колебаниям ТВ
Выявить региональные особенности колебаний ТВ Европы
Установить возможные причины формирования региональных климатических особенностей.
Оценить вклад океана и неравномерности вращения Земли в изменения ТВ в Европе
Объектом исследования является температура воздуха (ТВ) в Европе в период современного глобального потепления.
Предмет исследования: региональные особенности, новые тенденции и возможные причины изменений и колебаний ТВ Европы
Методы исследования:
Исследования проводились на основе существующих методов статистического анализа и оценки достоверности полученных результатов. Использованы методы корреляционного анализа, метод анализа трендов, исследовались аномалии и тренды во временных рядах с оценкой статистической достоверности полученных результатов. Визуализация полученных результатов была выполнена на основе Геоинформационных Систем. Использовались программы: MapInfo и ArcView Gis. В MapInfo интерполяция осуществлялась методом взвешенных обратных расстояний (Inverse Distance Weighting - IDW)
Исходные данные для обработки:
В работе использованы данные наблюдений за атмосферой на гидрометеорологических станциях мира и за температурой поверхности Мирового океана в узлах географической сетки, данные теплосодержания океана, а также данные об изменениях скорости вращения Земли и продолжительности суток. Привлекались данные об индексах циркуляции атмосферы.
Анализ проводится за период интенсивного глобального потепления с 1976 по 2010, но привлекались данные и за более длительный период.
Научная новизна результатов:
Выявлены новые особенности в изменении пространственной и сезонной структуры потепления климата северного полушария, которые привели к временному замедлению глобального потепления климата с начала ХХI века.
Предложен авторский индекс влияния Атлантики на колебания ТВ в Европе.
Установлено, что наилучшие статистические связи колебаний ТВ Европы с ТПО обнаруживаются в тех районах Мирового океана, в которых морские течения встречают препятствия в виде подводных хребтов и цепей островов.
Показано, что многолетние колебания скорости вращения Земли имеют наилучшую статистически достоверную корреляцию с колебаниями ТПО также в тех районах, в которых морские течения пересекают подводные хребты и цепи островов.
Получены количественные оценки вклада колебаний скорости вращения Земли в колебания ТПО и оценки вклада колебаний ТПО в колебания ТВ в Европе.
Практическая и теоретическая значимость полученных результатов
Полученные результаты уточняют и развивают существующие представления о формировании изменений и колебаний климата Европы, об их связи с процессами в верхнем слое океана и о роли глобального внешнего фактора – скорости вращения Земли – в модуляции возмущений в океане и в атмосфере. Обнаруженные зависимости и количественные оценки вклада глобального внешнего фактора в колебания ТПО в специфических районах, а также оценки вклада возмущений ТПО в этих районах в колебания климата Европы, могут использоваться при разработке новых физико-математических и статистических моделей климата.
Выводы о существенном вкладе естественных составляющих колебаний климата в общий временной ход изменений регионального климата имеют теоретическое значение для понимания региональных процессов в климатической системе.
Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ в курсе лекций по теории климата и циркуляции атмосферы.
Защищаемые положения:
-
Новые особенности в изменении пространственной и сезонной структуры потепления климата северного полушария, которые сопровождаются замедлением глобального потепления климата с начала ХХI века.
-
Авторский индекс – показатель влияния Атлантики на климат Европы.
-
Многолетние колебания температуры воздуха Европы на 25-35 % зависят от колебаний ТПО в районах пересечения морских течений с подводными хребтами.
-
Колебания скорости вращения Земли приводят к появлению синхронных колебаний ТПО Мирового океана преимущественно в районах пересечения морскими течениями подводных хребтов (вклад до 30-45 %) и аналогичных колебаний ТВ в Европе (вклад до 20-30 %)
Апробация работы
Материалы исследований докладывались на международных, всероссийских, региональных научных конференциях:
Международная научная конференция «Проблемы адаптации к изменению климата» (Москва, 2011 г.).
Международная конференция «Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы)» (Воронеж, 2012 г.).
16-я Международная конференция молодых ученых «Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (Звенигород, 2012 г.).
Международная научная конференция по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, 2012 г.).
Всероссийская конференция молодых специалистов, посвященная 50-летию НПО « Тайфун» (Обнинск, 2010 г).
Всероссийская конференция молодых ученых, посвященная 55-летию института Прикладной геофизики (Москва, 2011 г).
Конференция «Использование средств и ресурсов Единой системы информации об обстановке в Мировом океане для информационного обеспечения морской деятельности в Российской Федерации» (Обнинск, 2012 г.).
Научная региональная конференция Калужского государственного педагогического университета им. К.Э Циолковского (Калуга, 2009, 2010, 2011 и 2012 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских и докторских диссертаций.
Личный вклад соискателя
Все представленные в диссертации результаты и выводы получены в ходе исследований выполненных лично соискателем. Обработка данных метеорологических наблюдений и статистический анализ выполнены по алгоритмам и программам, разработанным соискателем.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 39 рисунков, 6 таблиц. Общий объем работы 139 страниц. Список цитируемой литературы насчитывает 103 источника.
Глобальные и региональные изменения климата по данным инструментальных наблюдений
Потепление климата двадцатого столетия уже давно статистически достоверно доказано. Но вопрос о причинах потеплениях продолжает обсуждаться. Существуют две основные версии объяснения происходящего потепления - антропогенная (рост температуры за счет антропогенного повышения концентрации парниковых газов - парниковый эффект) и естественная.
Антропогенной гипотезы придерживается Межправительственная группа экспертов (МГЭИК), согласно Оценочному докладу которой, рост среднегодовой глобальной температуры воздуха вызван преимущественно увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, и в первую очередь углекислого газа и метана [97]. В 2008 году в Росгидромете подготовлен «Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской федерации» [37,38]. В нем также сделан вывод об антропогенной природе современного потепления. Согласно [81], потепление климата, по крайней мере, в последние 30-40 лет в значительной степени обусловлено увеличением концентрации парниковых газов (в первую очередь диоксида углерода) вследствие антропогенного воздействия — сжигания органического топлива.
Для прогноза изменений климата на будущее во многих климатических центрах мира построены физико-математические модели климата, в которых концентрация углекислого газа в атмосфере является фактором современных изменений климата. Оценки будущего климата по моделям показывают, что антропогенный рост концентрации СОг будет сопровождаться потеплением климата многие десятилетия и даже столетия. Модели являются важным этапом в построении теории климата как способ обобщения результатов исследований климата на основе наблюдений и как инструмент проверки сложившихся представлений о процессах в климатической системе на их соответствие известным законам физики. Сравнение модельных и эмпирических данных позволяет совершенствовать как методы эмпирического анализа, так и физико-математические модели.
Несмотря на огромные усилия и определенные успехи в моделировании современного климата, как отмечено в работе [20], фундаментальный вопрос - какова чувствительность климатической системы к малым внешним воздействиям (СО2) _ остается до настоящего времени практически открытым. Там же показано, что чувствительность к концентрации СО2 многих современных совместных моделей общей циркуляции атмосферы и океана существенно завышена. Это означает, что повышение температуры воздуха за последние десятилетия нельзя полностью объяснить усилением антропогенных парниковых газов. Такой вывод не противоречит осторожным выводам доклада [29]. Но и отрицание усиливающегося парникового эффекта было бы неправильным. Наличие парниковой составляющей в современных изменениях климата доказано на экспериментальных данных [72]. Ключевой проблемой здесь является определение относительной роли естественных и антропогенных факторов изменений климата. Такая проблема рассматривается в разных работах [32].
Существует целый ряд других нерешенных проблем в физико-математических моделях, часть этих проблем обусловлена, как указано в работе [21], недостаточным уровнем понимания физических процессов.
Но на фоне медленного потепления происходят колебания климата разного временного масштаба. Существует немало публикаций, в которых излагаются другие возможные причины изменений и естественных колебаний климата. Потепление с середины семидесятых годов ХХвека иногда называют восходящей ветвью 60-70-летнего колебания климата, после которой последует похолодание. Так, например Н. К. Кононова в своей работе [22] задает вопрос, что происходит, потепление или колебание климата и излагает доводы в пользу циркуляционной природы наблюдаемых колебаний климата.
Споры о причинах современного изменения климата обостряются в последние годы, особенно в связи с тем, что в последние годы глобальное потепление замедлилось или приостановилось. В авторской работе [73] обнаружены новые тенденции в трендах температуры воздуха над океаном и континентами в Северном полушарии Земли за последнее десятилетие и расширение областей в Северном полушарии с отрицательными трендами среднегодовой температуры воздуха и поверхности океана.
Колебания климата имели место в истории Земли всегда и были вызваны внутренними колебательными свойствами климатической системы или внешними причинами. Логично предположить, что причины колебаний климата, происходящие в прошлом, не исчезли и должны действовать и теперь.
Колебания климата имеют различные периоды и циклы, которые могут накладываться друг на друга, вследствие чего усложняется задача выявления причин и следствий изменения климатических характеристик. Исследование естественных колебаний климата широко освещено в научных работах. Например, автоколебания северной ветви Гольфстрима, изученные Шулейкиным [76], могут быть примером межгодовой изменчивости [30], а также явление Эль-Ниньо, изученное Бьеркнесом [7]. Внутривековые колебания климата были рассмотрены Митчеллом [94], климатическое потепление в начале двадцатого столетия и некоторое похолодание в низких широтах связано, согласно автору, с изменением Мирового океана. Наиболее заметно теплели в этот период зимы в высоких широтах Северного полушария [30,31]. Межвековые колебания также были исследованы Бьеркнесом [77] и связывались с аномалиями во взаимодействии океана и атмосферы.
В большинстве работ отечественных исследователей анализ изменений климата ограничивается Северным полушарием или полярными областями [2,5,10,13,15—17,39,68-71]. Исследования изменений климата, особенно Арктики, вследствие большой чувствительности ее климата к глобальному потеплению, очень актуальны. Данная проблема освещена во многих работах [34-35,68-71,79,80,97,98,99,103].
Важнейшим элементом климатической системы является океан, влияющий,в том числе и на изменения в Арктике. Исследования изменения климата океана становятся в настоящее время очень актуальными в связи с опасениями некоторых исследователей относительно изменений в глобальном океаническом конвейере и возможном ослаблении Гольфстрима, что может привести к похолоданию в Европе.
Океан является огромным поглотителем и аккумулятором тепла. Пространственные особенности взаимодействия океана и атмосферы определяются циркуляцией атмосферы, а интенсивность обмена энергией на границе океан-атмосфера определяется разностью температур и толщиной верхнего слоя перемешивания океана.
Океан является естественным регулятором в климатической системе, и любые изменения его состояния сильно влияют на глобальную температуру. Интересно, что повышение температуры поверхности океана с середины XX столетия меньше повышения средней температуры воздуха над поверхностью суши [72], а в работе В. Н.Бышева говорится, что за двадцатое столетие имелись промежутки лет, когда эти изменения были разнонаправленного характера [6].
Одним из важнейших направлений является исследование интенсивности взаимодействия океана и атмосферы, связанное с термохалинными изменениями водных масс и вертикальным перемешиванием в верхнем слое океана [59]. Понимание механизмов связи характеристик водных масс с интенсивностью потоков тепла на границе океана и атмосферы очень важно для исследования климата в целом. Изменение взаимодействия океана и атмосферы является внутренним собственным фактором климатической системы, на который также могут влиять и внешние факторы. Одним из важнейших проявлений изменения крупномасштабной циркуляции атмосферы являются аномалии Североатлантического колебания (САК). Признано, что наибольшее влияние на погоду и климат Европы оказывает Североатлантическое колебание. Оно выражено во все сезоны года и проявляется в масштабах от нескольких суток до нескольких столетий [33,43].
Влияние североатлантического колебания на климат в Европе рассматривается во многих публикациях [4,36,43,44]. По оценке МГЭИК тренд САК объясняет примерно половину потепления в северной Евразии за период 1968-1997 гг. [88,102]. Исследования Североатлантического колебания и его вклада в климатическую изменчивость, как указано в [45] приводят к выводу о его первостепенной роли в атмосферной циркуляции Северного полушария. Так в работах [60,61,100], а также и в других работах В.А.Семенова показана ведущая роль естественных колебаний океанического переноса тепла в Северной Атлантике в глобальные изменения приповерхностной температуры воздуха, получены количественные оценки вклада. Примерно 50% потепления в Северном полушарии в последние три десятилетия обусловлены вариациями Североатлантической меридиональной циркуляции, вызывающие естественные колебания в интенсивности переноса океанического тепла в Северной Атлантике.
Пространственные особенности колебаний температуры и климатическое районирование
Климат регионов определяется комплексом условий, таких как: географическая широта места, атмосферная циркуляция, близость океана, рельеф местности и др. При схожих перечисленных условиях в пределах некоторых территорий складываются близкие климатические условия. Такие территории называют климатическими районами.
Районирование - это деление территории по некоторым признакам, характеризующим однородность внутри района и различия между районами. Климатическое районирование - разделение местности на регионы с более или менее однородными климатическими условиями.
Из многочисленных классификаций климатов для всего Земного шара, наиболее распространенной является классификация климатов Кеппена. Одной из получивших наибольшее признание схем климатического районирования нашей страны является районирование Б.П. Алисова [1]. В основу районирования [1] Б.П.Алисовым положены циркуляционные особенности регионов (циклоническая деятельность и перенос теплых и холодных воздушных масс) и особенности радиационного режима.
При делении территории на климатические районы по характерным признакам необходимо выбирать количественные критерии, при которых различия признаков внутри района были бы меньше, чем между районами. Климатические районы обычно выделяются по осредненным многолетним данным. В условиях меняющегося климата актуальным становится климатическое районирование не по средним условиям, а по условиям изменений или колебаний климата. Во многих современных работах изучаются долгопериодные изменения климата, называемые трендами.
Разделение территории по признаку положительных и отрицательных трендов разной интенсивности и есть районирование по трендам.
Самостоятельный интерес представляет собой районирование территории по короткопериодным изменениям - по колебаниям климата с периодами от нескольких лет до трех десятилетий. В настоящем исследовании ставилась задача выделения районов с однотипными колебаниями климата. Границы районов однотипных трендов и районов однотипных колебаний климата не обязательно должны совпадать, так как причины их формирования могут быть различными. Так, например, тренды температуры воздуха, как известно, содержат антропогенную составляющую, а короткопериодные изменения климата, скорее, являются результатом естественных колебаний в климатической системе. Неоднородность в пространстве естественных факторов неустойчивости климата создает региональные особенности колебаний климата и формирует климатические районы с характерными свойствами.
Европа является составной частью, так называемого, первого естественного синоптического района (ЕСР), в который входит вся Европа и примыкающая часть Азии. Известно, что в этом районе погода и климат в значительной мере определяется влиянием Атлантики. Для сохранения целостности района влияния Атлантики и для выявления главных пространственных различий в колебаниях климата Европейского региона проводилось климатическое районирование в пределах всего ЕСР, который был задан границами территории по долготе от 40 з.д до 100 в. д, а по широте от 20 с.ш. до северных границ континента. ЕСР - это значительная часть Северного полушария, в которой многие процессы в атмосфере обладают определенной обособленностью и могут изучаться в некоторой мере независимо от процессов в других частях Земли [11]. Дополнительно в классификации участвовали станции по прилегающим районам Азии до 135в.д.
Весь анализ проводился по рядам среднегодовых значений температуры воздуха за 1966-2009 годы на метеорологических станциях. Использовались данные по 2491 станции. Главной целью районирования было определение границ районов с однотипными колебаниями климата. Колебания климата анализировались по отклонениям среднегодовой температуры воздуха от линейного тренда.
Районирование произведено с помощью метода объективной классификации, предложенного в работе [72]. Метод основан на анализе пространственных корреляционных связей. Подробная методика использованного метода описана в главе 1 и в [74], ниже дается лишь краткое описание сути и общие положения методики.
Из исходных рядов среднегодовых значений температуры воздуха на станции вычитались значения линейного тренда за период 1966-2009гг. Дальнейший анализ проводился по отклонениям от тренда. Если тренды в рядах температуры отнести к антропогенным изменениям климата, тогда отклонения от трендов можно рассматривать как естественные колебания климата.
Ставилась задача выделения границ районов с однотипными естественными колебаниями климата. В пределах первого ЕСР колебания климата происходят согласованно на некоторых пространственных участках и отличаются на удаленных расстояниях. Задача сводится к выделению групп станций с климатическими колебаниями одного класса (типа). В результате анализа наблюдений на группе метеорологических станций обнаруживались колебания климата одного класса. Территория, ограниченная этой группой станций, принималась за климатический район. Разделение территории ЕСР на несколько климатических районов дает общую картину районирования.
В процессе работы экспериментально подобраны наилучшие критерии меры близости в методе объективной классификации (см. .1.3): rl=0.7, г2=0.5. После обработки общее количество климатических районов в первом ЕСР оказалось равно 15. По каждому району получены список станций и осредненный многолетний температурный ряд, характеризующий колебания климата в этом районе за 1966-2009гг.
На рис.3.1 приведены результаты классификации по колебаниям температуры (по отклонениям от трендов). Станции, входящие в один район, выделены одним цветом и значком одного типа. В легенде карты указаны номера выделенных районов и число станций, вошедших в соответствующий район.
Каждый из районов обладает своими особенностями колебаний.
На рис.3.2 показаны колебания температуры(отклонения от трендов) по 15 районам. Из графиков видно большое разнообразие в колебаниях температуры на анализируемой территории. Размах межгодовых колебаний составляет от 1 до 4С.
В таблице 3.1 приведены наименования выделенных районов и их территориальное положение. Наименования необходимы для удобства последующего изложения.
Наименования районов даны по их физико-географической принадлежности к определенной территории. Так, например, первый район получил название Центрально- Европейский, занимая территорию в средних широтах Европейской территории России, и Южный Урал, а последний, пятнадцатый район, назван Юго-западным, так как охватывает Пиренейский п-ов, юго-западную часть Франции и побережье северной Африки. В дальнейшем, в работе условимся обозначать районы по этим наименованиям.
Подобие и различия колебаний климата в разных районах оценивались по коэффициентам взаимной корреляции. В таблице 3.2 приведены коэффициенты корреляции между колебаниями климата в разных районах.
Районы, имеющие между собой высокий коэффициент положительной корреляции, как правило, находятся рядом друг с другом. Колебания климата в соседних районах похожи, но их подобие ниже установленного критерия, поэтому они не вошли в один район. Также есть пары районов с высоким коэффициентом положительной корреляции, расположенные на большом расстоянии друг от друга. Такие районы нельзя объединить по причине их разобщенности. Высокая корреляция колебаний климата в удаленных районах является проявлением дальних связей в колебаниях климата. Ослабление критерия подобия позволило бы объединить некоторые соседние районы, но тогда пришлось бы и некоторые удаленные районы с дальними связями считать одним районом, а это недопустимо, так как тогда нарушился бы принцип неразрывности климатического района.
Сравнение различий колебаний климата внутри выделенных районов и между районами проводилось по среднеквадратическим отклонениям. По станциям внутри каждого района вычислялось среднеквадратическое отклонение колебаний температуры на станциях от эталона колебаний климата соответствующего района, полученного в процессе районирования. А различия между районами оценивались по среднеквадратическим разностям между эталонами колебаний климата в разных районах.
В табл. 3.3 продемонстрированы среднеквадратические различия колебаний климата внутри районов (строка 0), и перекрестные среднеквадратические различия колебаний климата в пятнадцати районах (строки 1 - 15). Различия внутри района оказались меньше, чем между районами. Исходя из этого можно заключить, что классификация выполнена успешно, а целесообразность деления территории на 15 районов объективна.
Дальние связи между колебаниями ТПО и температурой воздуха в Европе
Предварительный анализ показал, что значимые корреляции между колебаниями климата Европы с ТПО обнаруживаются далеко за пределами Северной Атлантики. Поэтому в настоящем разделе ставилась задача поиска связей колебаний температуры воздуха в Европе с ТПО во всех частях Мирового океана.
Зависимость климата различных регионов от интенсивности взаимодействия океана и атмосферы обсуждается во многих работах [27]. Большинство работ отечественных исследователей посвящено изучению процессов взаимодействия в Северном полушарии, в том числе в полярных областях. Одним из важнейших направлений является исследование интенсивности взаимодействия океана и атмосферы связанное с термохалинными изменениями водных масс и вертикальным перемешиванием в верхнем слое океана [59]. Понимание механизмов связи характеристик водных масс с интенсивностью потоков тепла на границе океана и атмосферы очень важно для исследования климата в целом.
При рассмотрении дальних связей в изменениях климата Северного полушария часто обращают внимание на явление Эль-Ниньо, которое может существенно влиять на аномалии погоды некоторых регионов. Климатические аномалии на территории России в связи с Эль-Ниньо рассматривались в работе [14]. Авторы [14] приходят к выводу, что для территории бывшего СССР отклик ЭНЮК определенно обнаружен, но он имеет слабую интенсивность, и, как правило, затушеван обычными колебаниями условий погоды.
Авторами [19] проведен анализ климатических изменений в текущем столетии и получены выводы об увеличении теплосодержания слоя взаимодействия океана с атмосферой и о повышении температуры деятельного слоя океана на 0,5 С в XX столетии. Все изменения трактуются как результат изменений атмосферной циркуляции, которые возникают при изменениях угловой скорости вращения Земли. В других работах тех же авторов более конкретно указывается на зависимость температуры приполярной зоны от Североатлантического колебания, что не противоречит ранее приведенным результатам.
Соискателем был выполнен анализ дальних связей колебаний температуры воздуха в Европе с колебаниями ТПО в пределах всего Мирового океана, включая Южное полушарие, на основе данных о ТПО в узлах сетки.
Использовались временные ряды температуры воздуха по авторским климатическим районам Европы за период 1976-2010 гг. и за тот же период - данные о температуре поверхности Мирового океана (ТПО) в узлах географической сетки 5x5 градусов. Исходные данные описаны в 1.2.
Ряды температуры по каждому климатическому району Европы получены осреднением постанционных данных в пределах заданных границ каждого района. Обоснование границ климатических районов и осреднение описаны в разделе 3.3 и в работе [55], а также в работах [56,74]. По сравнению с другими существующими делениями территории на районы наше районирование наиболее приемлемо для исследований колебаний климата, так как выполнено было на основе подобия колебаний температуры, а не ее многолетних норм или других характеристик. Методика описана в разделе 1.3.
Вычислялись коэффициенты корреляции между временным рядом температуры воздуха каждого отдельного климатического района Европы и рядами ТПО во всех узлах Мирового океана. Оценивалась достоверность коэффициентов корреляции. Для ряда данных с 1976 по 2010 г. доверительной границей для 95 % уровня значимости является коэффициент корреляции г=0.35. Оценка значимости коэффициентов корреляции описана в 1.3.
Исследования выявили общие особенности и некоторые различия для каждого района. Для примера показана карта корреляций района умеренных широт ЕТР. На рис.4.9. представлена карта коэффициентов корреляции колебаний среднегодовой температуры воздуха в умеренных широтах ЕТР (широтная зона 50-60СШ) с колебаниями температуры поверхности Мирового океана в узлах географической сетки.
Рис. 4.9 показывает, что колебания температуры воздуха в умеренных широтах ЕТР имеют значимую корреляцию с очень удаленными частями Мирового океана, как в Атлантике, так и в Тихом океане. Области океана с наибольшими значимыми положительными корреляциями расположены в акватории Баренцева, Балтийского, Черного морей, вблизи Азорских островов, а также в бассейне Мексиканского залива. Положение вытянутых очагов положительных корреляций в Атлантике примерно совпадает с положением океанического течения Гольфстрим, несущего тепло от Мексиканского залива в Северную Атлантику, распространяясь до Баренцева моря. Это совпадает с известными положениями о том, что климат Европы в значительной мере зависит от Гольфстрима.
Кроме этого, колебания температуры воздуха в умеренных широтах ЕТР имеют положительную корреляцию с колебаниями температуры поверхности океана в нескольких участках у берегов Африки в области Канарского и Гвинейского течений, а также - в западной части Тихого океана у берегов Новой Гвинеи в районах прохождения северного и южного пассатных течений и в Охотском море (залив Шелихова), но коэффициент корреляции меньше порога значимости (г 0.35).
Самые высокие корреляции на карте обнаружены преимущественно в тех удаленных районах океанов, в которых океанические течения встречаются с препятствиями - подводными хребтами и грядами островов. На рис. 4.9 выделено семь районов на пересечении подводных хребтов морскими течениями со значимыми корреляциями. Цифрой 1 на карте (рис. 4.9) показан очаг максимальных положительных корреляций в районе пересечения Гольфстримом Срединно-атлантического хребта вблизи Азорских островов (г 0.4), а цифрой 2 (очаг положительной корреляции) показан район прохождения Гвианского течения и пересечения Экваториальным течением Срединно-атлантического хребта (г=0.4), которое далее несет свои воды на северо-запад, вдоль хребта.
Цифрой 4 показан район пересечения Южным экваториальным течением остров Меланезии, восточнее Новой Гвинеи, а цифрой 5 пересечение Северо-Тихоокеанским течением Северо-западного хребта, коэффициент корреляции (г=0.4).
В противофазе происходят колебания климата атмосферы в умеренных широтах ЕТР с колебаниями температуры поверхности в Индийском океане (рис. 4.9. цифра 3), в районе пересечения Западно - Австралийским течением Австрало-Антарктического хребта (г=-0.4). На рис. 4.9 приэкаториальная часть восточной половины Тихого океана занята двумя очагами с отрицательной корреляцией, выделены цифрой 6 (в месте прохождения Северного экваториального течения над разломом Клиппертон и Кларион) и 7 (район пересечения Южного экваториального течения островов Полинезии) со значениями до г= - 0.4.
Выделение района в Атлантике, ответственного за колебания температуры воздуха в заданном районе Европы. Оценка вклада в уравнение регрессии
В разделе 5.3 были рассмотрены связи температуры воздуха в различных районах Европы с ТПО заданного района океана. Но одним районом в океане влияние на климат Европы не ограничивается, поэтому для полноты картины необходимо рассмотреть, с другой стороны, связи колебаний климата заданного района Европы с ТПО в различных узлах сетки в океане.
Было проведено исследование, которое заключалось в поиске районов в океане, ответственных за изменения ТВ в заданном районе Европы.
Для примера рассмотрено четыре района: северо-западный (станция ABERDEEN/DYCE в Великобритании), юго-восточный (станция в Румынии), юго-западный (Пиренейский полуостров, станция LISBOA/GEOF) и северовосточный (станция Мурманск). Предварительно из рядов данных исключался линейный тренд за 1935-2009гг.
Вклад колебаний ТПО каждого отдельного узла географической сетки 2x2 градуса в температуру воздуха на заданной станции оценивался как доля дисперсии, описанная уравнением регрессии. На рис. 5.9 показана оценка вклада ТПО в изменения температуры воздуха в Великобритании (Северозападная Европа).
Наибольший вклад ТПО в колебания температуры воздуха на станции ABERDEEN/DYCE в Великобритании, как и прежде, обнаружен в области главной оси Гольфстрима от Бермудских островов до острова Шпицберген. Самый большой вклад ТПО дает акватория вблизи Великобритании и в Норвежском море (до 35% и более), а в районе Бермудских островов над Североамериканской котловиной составляет 30-35%, в районе Португальского течения - 20-25%. Вклад ТПО в море Баффина и над Гренландской котловиной достигает 30 %. В тропических широтах между Африкой и Южной Америкой (пассатные течения) ТПО, дает небольшой вклад в колебания температуры воздуха в Великобритании (10-15%).
На рис.5.9 отчетливо видно, что колебания климата Великобритании в значительной мере (25-35%) зависят от колебаний ТПО в области Гольфстрима, включая его продолжение - Северо-Атлантическое течение.
Аналогичные оценки, выполненные по данным с не исключенным трендом, показали, что трендовая составляющая изменения климата повышает на 5-10% вклад влияния ТПО на температуру воздуха в Великобритании.
Более восточный район рассмотрен далее. Оценивался вклад ТПО в колебания температуры воздуха в юго-восточной Европе на станции SULINA, индекс 15360 (Румыния). На рис. 5.10 показана карта оценки вклада ТПО в Атлантике в колебания температуры воздуха в Юго-восточной Европе.
Рис. 5.10 показывает, что к колебаниям климата Юго-восточной Европы причастны другие районы Атлантики. Имеется два очага в Атлантике с наибольшими значениями вклада ТПО в температуру воздуха. Первый локализуется на севере Атлантики в Норвежском и Гренландском морях севернее полярного круга, вклад 15-35%, с максимальным вкладом вблизи острова Медвежий (35%), с севера граница очага примерно соответствует границе морских льдов. Второй район заметного влияния ТПО на температуру воздуха Юго-восточной Европы - это обширный район в зоне от Бермудских до Азорских островов и далее до побережья Европы, преимущественно в зоне 30-45 северных широт. Максимальный вклад ТПО этого протяженного района океана в температуру воздуха в Румынии составляет 30-35% над относительно неглубокими частями Саргассова моря на восточной и западной его перифериях. Глубина в данных местах не превышает тысячи метров, а в восточной части и менее. Влияние ТПО по мере приближения к Европе ослабевает. Дальние связи сильнее ближних. О причинах такой особенности было сказано в разделе 4.5.
Далее (рис. 5.11) показана карта оценки вклада ТПО в колебания температуры воздуха на Пиренейском полуострове (Юго-западный район), на примере станции LISBOA/GEOF, индекс 08535.
В колебания температуры воздуха в Испании наибольший вклад 30-35% вносит непосредственно близкая к Пиренейскому полуострову акватория Атлантики и Средиземного моря (Бискайский залив, район Португальского течения, западная часть Средиземного моря) и протяженная область Атлантики в районе Канарского течения вдоль Северной Африки (20-35%) и Северного пассата (10-20%).
Пиренейский полуостров находится значительно южнее ранее рассмотренных районов Европы и, соответственно, более южные районы Атлантики вносят более заметный свой вклад в колебания климата Испании.
Совершенно другой природы связи (дальние связи) обнаруживаются между колебаниями климата Испании и температуры поверхности Карского моря и поверхности океана в районе Баффиновой Земли (20-35%).
С юга Европы переходим на север - Северо-западный район ЕТР. На карте рис. 5.12 показаны оценки вклада колебаний ТПО в Атлантике в колебания температуры воздуха на станции Мурманск.
В колебания климата Северо-западного района Европы наибольший вклад (35%) вносят колебания поверхностной температуры в Северном и Балтийском морях и дальние связи в районе между Бермудскими и Азорскими островами (вклад 25-35%). Ближайшее Баренцево море оказывает меньшее влияние (вклад 15-30%), чем Балтийское море. Объяснение этому факту и дальним связям может быть только на основе особенностей циркуляции атмосферы.
Сопоставляя зависимость колебаний климата в разных частях Европы с колебаниями ТПО Атлантики, оказалось, что для всей Европы наиболее существенными являются связи с ТПО в районах основных океанических течений: Гольфстрим, Северо-Атлантическое, Португальское, Канарское и др. течения. Между колебаниями климата отдельных районов Европы устанавливаются как ближние, так и дальние статистические связи, имеющие разную природу.
Возвращаясь к вопросу о соотношении изменения и колебаний климата, заметим для сравнения, что трендовая составляющая изменения ТВ дает вклад в общую изменчивость только 5-10%. Остальная часть изменчивости приходится на колебания разной природы.
В результате исследования удалось показатьт-что примерно одна треть общей изменчивости ТВ в Европе связана с воздействием колебаний ТПО в активных районах, которые, в свою очередь, на 30-45% определяются колебаниями скорости вращения Земли вокруг оси.
Дальние статистические связи между климатом Европы ТПО в удаленных частях Атлантики и Мирового океана формируются под влиянием глобальных механизмов общей циркуляции атмосферы и под воздействием общего глобального фактора - изменений скорости вращения Земли.
