Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Взаимосвязь общей циркуляции атмосферы с колебаниями скорости вращения Земли 10
1.1 Физическо-математическое обоснование 10
1.2 Астрономические основы исследуемых процессов 13
1.2.1 Орбитальные параметры вращения Земли 14
1.2.2 Наблюдения над колебаниями скорости вращения Земли 17
1.3 История изучения проблемы 21
Глава 2. Центры действия атмосферы; их роль в общей и региональной циркуляции атмосферы 31
2.1 ЦДА Северного полушария 36
2.2 ЦДА Южного полушария 39
2.3 Эль-Ниньо - Южное колебание (ENSO) 41
Глава 3. Многолетние изменения экстремумов давления в центрах действия атмосферы 48
3.1 Исходные данные и календари 48
3.2 Первичная статистическая обработка данных 52
3.3 Индекс интенсивности как статистический показатель состояния ЦДА 57
3.4 Анализ изменений интенсивности и локализации ЦДА за 1900-2004 гг 62
3.5 Оценки статистической связи хода интенсивности различных ЦДА 72
Глава 4. Оценки статистической связи многолетнего хода изменения длительности суток (A LOD) и состояния ЦЦА 86
4.1 Оценки статистической связи многолетнего хода индекса интенсивности ЦЦА и изменения длительности суток (ALOD) 86
4.2 Оценки статистической связи локализации экстремумов давления в ЦДА и изменения длительности суток(АЬОБ) 97
Заключение 115
Список использованной литературы 118
- Орбитальные параметры вращения Земли
- ЦДА Южного полушария
- Первичная статистическая обработка данных
- Оценки статистической связи локализации экстремумов давления в ЦДА и изменения длительности суток(АЬОБ)
Введение к работе
Проблема изменений режима общей циркуляции атмосферы (ОЦА) является ключевой в современных исследованиях в гидрометеорологии и климатологии. Накопленные архивы уточненных и структурированных данных гидрометеорологических и геофизических величин, ставшие доступными для исследователей благодаря усилиям ряда международных и национальных служб и организаций, позволили провести детальный и многосторонний анализ многолетних изменений состояния центров действия атмосферы, определяющих режим ОЦА.
Работы, начатые в Массачусетсом институте технологии (Кембридж, США) по инициативе профессора В. Старра [53, 54], выявили и обосновали взаимосвязь между состоянием общей циркуляции атмосферы и флуктуациями скорости вращения Земли. Эти работы были продолжены учениками и последователями Старра: А. Оортом [45, 46], Р. Розеном, Д. Сэлстайном [48, 49, 50] и другими. Комплексный подход к проблеме взаимосвязи орбитальных характеристик вращения Земли (неравномерности скорости вращения, нутаций, чандлеровского движения полюсов) с состоянием атмосферы и гидросферы был предложен российским ученым Н.С. Сидоренковым в ряде его работ [19, 20, 21].
С появлением в 1955 г. атомных часов, введением международной атомной шкалы времени (TAI) и развитием геодезических технологий, а также внедрением глобальной системы навигации и определения положения (GPS), измерения колебаний скорости вращения Земли достигли высокой степени точности. В настоящее время погрешность в измерении длительности суток - Length Of Day или LOD - составляет 10 микросекунд [36]. Образованная под эгидой Международного астрономического союза и Международного союза геодезии и геофизики в 1987 г. Международная служба вращения Земли и системы координат (IERS, Париж, Франция) стала центром сбора, обработки, накопления и систематизации данных, относящихся среди прочего и к вариациям орбитальных характеристик планеты. Данная служба совместно с учеными разных стран проделала большую работу по уточнению и ректификации исторических данных, относящихся к флуктуациям скорости вращения и чандлерову движению полюсов. Это позволило исследователям расширить временные рамки анализа, включая в него периоды, предшествовавшие 1955 году. При этом большинство ученых, занимающихся данной проблемой, сходятся во мнении, что данные по скорости вращения Земли являются достаточно надежными начиная уже с 1860-х годов [37, 41].
Таким образом, существование взаимосвязи состояния атмосферы и орбитальных характеристик вращения планеты (в первую очередь колебаний скорости ее вращения) на данный момент является практически общепризнанным в структуре наук о Земле. Исследования в этой области успешно ведутся вот уже несколько десятилетий. При всем разнообразии подходов в подобных исследованиях обнаруживается общая доминанта.
Проведенные работы в подавляющем большинстве сосредоточены на оценке вклада суммарного движения планетарной атмосферы в колебания скорости вращения Земли. Данные глобальных наблюдений (в слое от 1000 до 100 гПа) используются в численных моделях, позволяющих рассчитывать угловой момент импульса атмосферы в целом [45, 49, 50].
В результате была установлена тесная связь между изменениями углового момента глобальной атмосферной массы и колебаниями скорости вращения Земли (г 0,90). Отсюда вытекает возможность использования данных об изменении скорости вращения планеты (выражаемых через изменение длительности суток A LOD) в качестве индикатора глобальных процессов в атмосфере.
С другой стороны, глобальный подход к проблеме, сосредоточенный на расчете динамики всей массы атмосферы, исключает из общей модели региональные циркуляционные процессы. Известно, однако, что режим и состояние общей циркуляции атмосферы зависят от состояния (интенсивности и локализации) центров действия атмосферы, то есть, квазистационарных барических образований, определяющих ход не только региональных, но и глобальных макропогодных и климатических процессов. Состояния ЦДА в данном случае оказываются вынесенными за рамки существующих моделей ОЦА. Глобальный подход демонстрирует высокую степень надежности при анализе сезонных (и отчасти межгодовых) изменений A LOD в увязке с глобальной атмосферной динамикой, однако многолетние (декадные и вековые) вариации скорости вращения Земли упомянутыми моделями не рассматриваются и не объясняются.
В соответствии с отмеченными выше моментами была определена цель настоящей работы: выявление закономерностей многолетних изменений интенсивности и локализации ЦДА в их взаимосвязи с вариациями скорости вращения Земли. Такая постановка проблемы определила задачи представляемой работы. К ним относятся:
1. расчет среднемесячных значений экстремального давления и локализации экстремумов давления в ЦДА по многолетним (1900-2004 гг.) данным барических полей и статистическая обработка полученных результатов;
2. расчет среднегодовых индексов интенсивности (статистических показателей динамического состояния ЦДА);
3. анализ хода индекса интенсивности и географического положения ЦДА;
4. оценки статистической взаимосвязи хода интенсивности различных ЦДА;
5. выявление и анализ статистических связей многолетнего хода интенсивности ЦДА и хода среднегодовых значений A LOD;
6. выявление связи A LOD и локализации экстремумов давления в ЦДА. Данная работа состоит из четырех глав. В главе 1 рассматривается концепция В. Старра [45, 53], являющаяся ключевой для нашего исследования. В разделе 1.1 приведены граничные условия и основные составляющие уравнения баланса углового момента вращения Земли как единой системы. Раздел 1.2 посвящен астрономическим и геофизическим основам исследуемых нами процессов. В нем рассматриваются основные орбитальные характеристики вращения Земли (колебания скорости вращения, прецессионно-нутационные колебания, чандлеровское движение полюсов), а также принципы и методы наблюдений этих величин. Дана оценка надежности среднегодовых значений A LOD, полученных с момента начала непосредственных измерений (с 1955 г.) и полученных путем ректификации (реанализа) для предшествующих периодов (по данным IERS). В разделе 1.3 вкратце рассмотрены принципы и методы современных исследований взаимосвязи динамики глобальной атмосферы и вариаций скорости вращения Земли.
Глава 2 посвящена ЦДА применительно к их роли в региональной и общей циркуляции атмосферы. Кратко рассмотрены постоянные (несезонные) ЦДА Северного и Южного полушария, а также их роль в соответствующих мировых колебаниях, открытых Г. Уокером [59, 60] — Северо-Атлантическом (NAO), Северо-Тихоокеанском (NPO) и Южном (SO). Отдельно рассмотрен комплекс Эль-Ниньо — Южное колебание (ENS О) в его взаимосвязи с состоянием Южно-Тихоокеанского антициклона.
В главе 3 приводятся результаты статистический обработки многолетних исходных данных барических полей, позволившей определить положения экстремумов исследовавшихся ЦДА, а также проанализировать изменения их состояния за период 1900-2004 гг. В разделе 3.1 дан пример исходных данных и построенных на их основе календарей. Раздел 3.2 посвящен описанию и практическому применению избранного нами статистического подхода: разбиению среднемесячных значений экстремумов давления в ЦДА на пять равновероятностных градаций давления: значительно выше нормы (А), выше нормы (а), нормального (N), ниже нормы (Ь) и значительно ниже нормы (В). В последующем разделе (3.3) вводится понятие индекса интенсивности IINT, рассчитанного по результатам предшествовавшей статистической обработки и представляющего собой количественный статистический показатель среднегодового состояния ЦДА. Раздел 3.4 посвящен общему анализу многолетнего хода индекса интенсивности, изменения географического положения всех рассматриваемых ЦДА и выявлению прослеживающихся тенденций состояния центров действия. Рассмотрены также связи между ходом интенсивности и локализацией экстремумов давления в отдельных ЦДА. Особое внимание уделено Южно-Тихоокеанскому субтропическому антициклону и его влиянию на повторяемость явления Эль-Ниньо — Ла-Нинья.
В заключительном разделе главы даны сводные оценки статистической связи между попарно взятыми ЦДА за исследуемый период (1900-2004). Здесь же приводятся все значимые коэффициенты корреляции (для p-level 0,01) и регрессионные модели, позволяющие в отдельных случаях получить некоторое представление о суммарных тенденциях состояния ЦДА на период до нескольких лет в зависимости от состояния ЦДА-«предиктора».
Глава 4 посвящается анализу статистической связи многолетнего хода A LOD с ходом индекса интенсивности центров действия атмосферы и географической локализацией экстремумов давления в них. В разделе 4.1 рассматривается связь между многолетними рядами A LOD и индекса интенсивности ЦДА. В ряде случаев отмечается высокозначимая корреляция (p-level 0,001) между ходом двух этих величин. Результаты анализа показывают, что обнаруженная и подтвержденная в целом ряде исследований связь между вариациями скорости вращения Земли и динамическим состоянием (динамикой) атмосферы проявляется не только на глобальном, но и на региональном уровне. В случае отдельных ЦДА отмечается значительный сдвиг во времени между ходом A LOD и индекса интенсивности (от 1-2 до 10-12 лет).
В разделе 4.2 рассмотрены результаты статистического анализа взаимосвязи A LOD и географической локализации экстремумов давления в ЦДА. Среди прочего, интерес представляет тот факт, что обнаруженные нами на основе наблюдений данные подтверждают результаты эксперимента, поставленного Б. Хантом [35] на численной модели, продемонстрировавшей изменения динамики глобальной атмосферы, соответствующие периодам ускорения и замедления вращения Земли. Стоит отметить и то, что наиболее тесная и синхронная связь между ходом среднегодовых величин A LOD и индекса интенсивности была получена для Южно-Тихоокеанского антициклона, который не только играет ключевую роль в механизме ENSO, но и, по мнению многих ведущих специалистов, является одним из основных факторов формирования мировой погоды.
Таким образом, на рассмотрение выносятся:
1. результаты статистической обработки расчетов значений экстремумов давления и их локализации в ЦДА на основе многолетних (1900-2004 гг.) данных барических полей;
2. результаты расчета среднегодовых индексов интенсивности;
3. анализ связи индекса интенсивности и географического положения ЦДА;
4. оценки статистической взаимосвязи между ходом интенсивности различных ЦДА;
5. анализ статистических связей многолетнего хода интенсивности ЦДА и хода среднегодовых значений A LOD;
6. анализ связи многолетних изменений A LOD и локализации экстремумов давления в ЦДА.
Орбитальные параметры вращения Земли
Помимо вариаций скорости вращения Земли, взаимосвязь которых с состоянием центров действия атмосферы является темой настоящей работы, периодическим и непериодическим изменениям подвержены и другие орбитальные параметры вращения планеты, к которым относятся прецессия, нутации и движение земных полюсов. Коснемся вкратце каждого из этих процессов.
Точки, в которых ось вращения Земли пересекает земную поверхность (мгновенные полюса Земли) движутся, причем их движение складывается из двух колебаний: свободного или чандлеровского (с периодом около 14 месяцев) и вынужденного. Природа чандлеровского колебания состоит в периодических отклонениях оси вращения Земли от оси ее наибольшего момента инерции (оси фигуры). Вынужденные колебания вызываются воздействием на твердые оболочки Земли периодических (с периодом в 1 год) и квазипериодических сил со стороны атмосферы и гидросферы. На рис. 1.2 (см. ниже) можно видеть типичную траекторию движения мгновенного полюса.
После отфильтрования годовой и чандлеровских составляющих, можно получить координаты средней локализации полюса. На рис. 1.2 эти средние координаты даны за период с 1900 по 2010 гг. (последняя точка -рассчетная). Из графика следует, что за указанный период средний полюс постепенно смещался в направлении Северной Америки по меридиану 70 W со скоростью примерно 10 см в год.
Прецессия и нутации вызваны одной и той же причиной: гравитационным воздействием Солнца и Луны на экваториальные вздутия земной фигуры. Эти гравитационные воздействия стремятся развернуть Землю так, чтобы экваториальные вздутия планеты располагались на прямой, соединяющей центры масс Солнца, Земли и Луны. Под их воздействием Земля прецессирует, т.е. ось ее вращения описывает круг вокруг перпендикуляра к плоскости эклиптики. Периодичность такого движения составляет около 26 000 лет. Нутации оси вращения Земли возникают из-за изменения положений Луны и Солнца относительно Земли. (При минимальных склонениях этих тел гравитационное воздействие на экваториальное вздутие Земли также минимально; максимума оно достигает при наибольшем склонении Солнца и Луны.) Нутации складываются из ряда периодических колебаний, наиболее значимое из которых имеет период 18,6 года.
Непериодические колебания (флуктуациии) скорости вращения Земли были отмечены вскоре после введения атомных часов и шкалы атомного времени (TAI), когда в результате астрономических наблюдений были зафиксированы расхождения в длительности суток по атомным часам и по астрономическим данным. Как уже отмечалось выше (1.2), наблюдения над вариациями скорости вращения Земли стали проводиться с момента введения атомных часов и создания атомной шкалы времени TAL С середины 1950-х гг. до 1980-х гг. они сводились к астрооптическим наблюдениям, целью которых был расчет расхождения между эфемеридным (астрономическим) и атомным временем. С появлением новых технологий астрооптические наблюдения были постепенно заменены рядом новых, значительно более точных методов, большинство из которых применяется и по сей день. К их числу относятся: интерферометрия со сверхдальней базой (VLBI); спутники глобальной системы навигации и определения положения (GPS) и спутники глобальной навигационной сателлитной системы (GLONASS); лазерная локация искусственных спутников Земли с высокой орбитой (SLAR); лазерная локация Луны (LLR). Принцип сверхдальней интерферометрии (VLBI) заключается в том, что сигналы из внегалактического источника принимаются двумя максимально отстоящими друг от друга приемниками на Земле. Скорость вращения Земли (и ряд других параметров) определяются на основе допплеровского эффекта.
Системы GPS и GLONASS в определенной степени являются вспомогательными для определения параметров вращения Земли. Эти глобальные сеть служит для детальной локализации наземных объектов, в т.ч. мгновенного положения полюсов. Лазерная локация Луны (LLR) и лазерная локация искусственных спутников Земли с высокой орбитой (SLAR) используют сходные принципы. Измеряется время, необходимое для того, чтобы лазерный импульс, отправленный с земной обсерватории, достиг расположенных на искусственных спутниках или на Луне отражателей и вернулся на приемник. Расчет смещения приемника (обсерватории) за этот отрезок времени ведется с использованием сложных систем дифференциальных уравнений, учитывающих динамику системы Земля-Луна и релятивистские эффекты.
Для проведения такого рода наблюдений и измерений на регулярной основе потребовались координированные усилия международного научного сообщества. В 1987 г. под эгидой Международного астрономического союза и Международного союза геодезии и геофизики была создана Международная служба вращения Земли (IERS). Оперативным подразделением IERS стал Центр ориентации Земли (IERS ЕОР) в Париже (Франция). На своих веб-страницах и в бюллетенях Центр регулярно публикует информацию обо всех основных параметрах вращения Земли, включая координаты полюсов, траекторию их движения и приращение длительности суток (A LOD). В последние годы эта информация предоставляется на ежедневной основе.
За это время были выявлены амплитуды колебаний A LOD для периодов различного временного масштаба. Было установлено, что типичные внутригодовые (сезонные) колебания A LOD имеют амплитуду порядка 1—1,5 мс, в то время как многолетние значения A LOD (по среднегодовым данным) достигают нескольких миллисекунд. (Ошибка в измерении на данный момент составляет 0,01 мс [36]).
ЦДА Южного полушария
К перманентным океаническим ЦДА Южного полушария относятся Южно-Атлантический максимум (антициклон острова св. Елены), Южно-Индийский максимум (антициклон острова св. Маврикия) и Южно-Тихоокеанский антициклон. Эти антициклонические ЦДА отличаются большей устойчивостью, чем субтропические антициклоны Северного полушария вследствие меньшего чередования океанов и суши, чем это имеет место в Северном полушарии. Стоит отметить и тот факт, что долгое время зона низкого давления (субполярная депрессия), огибающая все Южное полушарие, считалась однородной и не разделяющейся на отдельные циклонические центры. Однако в настоящее время в пределах этой зоны все чаще выделяют три области наиболее низкого давления, приуроченные к каждому из секторов Южного океана: атлантическому, индийскому и тихоокеанскому [22]. Впервые наличие таких областей было показано в работе Д.И. Стехновского [24]. Тем не менее, рассмотрение этих трех циклонических образований выходит за рамки настоящей работы.
Сезонный цикл давления в рассматриваемых ЦДА происходит примерно так же, как это имеет место в Северном полушарии. Аналогично тому, как Азорский и Гавайский максимумы наиболее развиты в период июня-августа, южные антициклоны достигают наибольшей мощности в летний для своего полушария период (ноябрь-январь). Обычно в это время наблюдается интенсивное выпадение осадков над Южной Америкой и территорией Африки к югу от экватора. В восточной части антициклонов Южного полушария в течение всего года дуют сильные южные ветры, сгоняющие океанские воды по направлению к экватору, следствием чего является понижение уровня моря в соответствующих регионах, усиление процессов апвеллинга и относительно низкие температуры поверхности океана. На западных перифериях антициклонов направление ветров противоположное, и ветровые течения направлены от экватора, перенося теплые водные массы по направлению к более высоким широтам. В результате на перифериях каждого из трех ЦДЛ возникает существенный широтный градиент (ассиметрия) температур поверхности океана — более значительный, чем это имеет место для антициклонов Северного полушария. [51]. С наибольшей силой этот процесс происходит в периоды максимальной мощности субтропических ЦДЛ. То, что восточная периферия антициклонов примыкает к побережьям континентов, приводит к тому, что климат этих прибрежных регионов носит характер средиземноморского. Это имеет место в Чили (под влиянием восточной периферии Южно-Тихоокеанского антициклона), на юго-западе Австралии (Южно-Индийский антициклон) и в юго-западной Африке (Южно-Атлантический антициклон) [47].
Явление Эль-Ниньо - Южное колебание (ENSO) представляет собой комплекс квазипериодических колебаний полей давления и температуры в экваториальной и южной субтропической областях Тихого океана, причем экстремумы этих колебаний (Эль-Ниньо и Ла-Нинья) возникают с достаточной степенью регулярности каждые 2-7 лет.
Первые исторические документы, свидетельствующие о наблюдениях феномена Эль-Ниньо, датируются XVI веком. Перуанские рыбаки, ведшие промысел у западного побережья Южной Америки, заметили, что в определенные годы обычная для региона промысла ситуация — достаточно низкая температура поверхности океана и обилие рыбы благодаря апвеллингу — кардинально меняется: ТПО аномально возрастает, а меридиональное течение (Перуанское) меняет направление с южного1 на северное. Вследствие прекращения апвеллинга резко ухудшались условия промысла. Это явление достигало своего пика в декабре, в период празднования Рождества, почему и было названо "Эль-Ниньо", что на испанском языке означает "Младенец (Христос)".
Термин "Южное колебание" (SO) был введен Г. Уокером в 1920-х гг. [60]. Работая с архивами погодных данных, он обратил внимание на связь между давлением на станциях восточной и западной периферий Южной Пацифики (Таити и Дарвин, соответственно). Если давление в восточной части росло, то в западной оно в тот же отрезок времени понижалось — и наоборот. Это и было названо "Южным колебанием". Уокер отметил, что с определенными фазами этого колебания коррелируют такие явления, как засухи в Австралии, Индонезии, Индии и Африке, а также аномально теплые зимы в западной части Канады.
Открытия Уокера, воспринятые научным сообществом с определенным скептицизмом, в конце 1960-х годов были подтверждены и обоснованы Я. Бьеркнесом [30], который рассматривал данный феномен во взаимосвязи колебаний давления и температуры поверхности океана, сделав вывод о том, что данное явление представляет собой результат сложного динамического взаимодействия системы океан-атмосфера. Бьеркнесом был предложен подход к совместному рассмотрению Эль-Ниньо (аномалии ТПО) и Южного колебания (аномалии атмосферного давления) как единого комплекса ENSO. Активное изучение феномена ENSO началось с 1983 г., когда рекордные изменения глобальной атмосферной циркуляции и мировой погоды не оставили сомнений в значимости этого макропроцесса для многих регионов, причем не только в бассейнах Тихого и Индийского океанов.
Как было показано при рассмотрении NAO (см. 2.1), для оценки состояния (фазы) такого рода колебаний разработаны соответствующие индексы, в самом общем виде представляющие собой аномалию разности приземного давления между двумя географическими точками (станциями), по каждой из которых имеется многолетний ряд наблюдений. В качестве индекса Южного колебания (SOI) используются данные атмосферного давления на станциях Таити и Дарвин. Последующие наблюдения продемонстрировали тесную связь колебаний SOI с явлениями Эль-Ниньо — Ла Нинья, что обеспечило данному индексу широкое применение как в практике долгосрочного прогнозирования, так и в изучении проблемы климатических изменений в регионе.
Использование SOI (а равно и других аналогичных индексов) имеет свои определенные преимущества. В первую очередь это относится к простоте расчета и относительной легкости практического применения индекса. Не менее важно и то, что станции, данные с которых используются в расчете индексов, изначально избирались таким образом, чтобы обеспечить наиболее надежную информацию об атмосферном давлении за как можно более продолжительный ряд лет.
Первичная статистическая обработка данных
Ряды сведенных в календари результатов расчетов (см. 3.1) использовались затем для статистической их обработки. Первым шагом был расчет средних по годам величин экстремумов давления и координат этих экстремумов для каждого ЦДА, после чего рассчитывалась ежегодные аномалии этих величин от среднего многолетнего (за весь период 1900-2004 гг.).
Данные по среднемесячным значениям экстремумов давлений далее обрабатывались по методике, предложенной учеными кафедры динамики атмосферы и космического землеведения (ДАКЗ) РГГМУ [11, 12] и позволяющей сопоставлять интенсивность отдельных центров действия атмосферы с вариациями скорости вращения Земли. Многолетний ряд среднемесячных значений экстремумов давления (максимумов для антициклонов и минимумов для циклонов) был разбит на пять равновероятностных градаций с тем, чтобы каждая градация включала равное количество лет. (В случае рассматриваемого нами периода 1900-2004 гг. 105-летний период был разбит на пять 21-летних групп.) Разбиение проводилось отдельно для каждого месяца (январь, февраль и т.д.) всего периода. Иначе говоря, производился расчет статистической качественной оценки динамического состояния ЦДА в один и тот же месяц для различных лет.
В зависимости от того, в какую из пяти градаций попадало то или иное значение давления в отдельно взятый месяц, ему присваивалась качественная оценка интенсивности: значительно выше нормы (А), выше нормы (а), нормальная (N), ниже нормы (Ь) и значительно ниже нормы (В). Эти расчеты стали основой построения многолетних календарей для отдельно взятых ЦДА, где значения максимального (минимального) давления были заменены соответствующими градациями.
В результате были рассчитаны, и сформатированы многолетние календари качественных статистических оценок отклонений экстремумов давления в ИЩА от многолетних норм. Вї таком; виде: календари» использовались для сопоставления групп лет с относительно «быстрым» и относительно1 «медленным» вращением Земли (в: многолетнем: ряду среднегодовых значениш изменения» длительности суток A LOD)! и числа месяцевза тот же: период: с: ослабленным; (ЬВ) и усиленным (аА) состоянием каждого ЦДА. Это сопоставление позволило? сделать, ряд предварительных заключений, относящихся! к статистическою взаимосвязи; состояния: ЦДАх и многолетних трендов в;изменениях скоростиівращения Земли [И].
Сравнение.повторяемостиградаций месячных значенишмаксимального давленияв.центрах антициклоновСеверногополушария«ВЬ:Аа:в:группах лет с «быстрым» вращением (A EODr 0 5) и «медленным» (Ai E0D 2,0) вращением планеты показало существование противоположных тенденций [8 в ККВі 2006]. Эти тенденции оказались сходными в Азорском, Гавайском и Сибирском зимнем антициклонах. При «быстром» — относительно эталонной длительности суток - вращении Земли (A LOD 0) во всех антициклонических ЦДА наблюдалось существенное преобладание месяцев с пониженными значениями Pmax (ВЬ Аа). Это соотношение до определенного уровня сохранялось при A LOD 0, но у близких к нулю значений A LOD зависимость становилась менее четкой.
Уже в этом первом приближении различие в интенсивности субтропических антициклонов в годы «быстрого» и «медленного» вращения Земли показало, что подобный подход может быть перспективным в прогностическом отношении, поскольку выявленная зависимость имеет отношение к пассатным переносам, динамически контролирующим термику водных масс в главном нагревателе климатической системы. Тем самым предоставлялась возможность в самом общем виде объяснить потепление вод тропической зоны всех трех океанов в XX веке космогеофизическими, т.е. природными, а не антропогенными факторами. Основной вклад в рост глобальной температуры воздуха в XX веке внесло повышение температуры водных масс в тропической зоне, обусловленное ослаблением пассатов. Определенное значение имело и усиление западного переноса в умеренной зоне (теплые зимы в Европе и северной Азии). Эти климатические феномены и причины, их порождавшие (многолетние изменения динамического состояния соответствующих ЦДА), судя по предварительным статистическим расчетам, в определенной степени объяснялись моделью В.Старра, увязывавшей глобальную динамику атмосферы с колебаниями скорости вращения Земли.
Однако подобный подход - разбиение многолетнего ряда значений скорости вращения Земли на периоды относительно «большой» и относительно «малой» скоростей вращения планеты — имел и свои недостатки. Самым существенным из них было то, что такие периоды зачастую включали в себя отрезки времени, в течение которых знак тренда изменения скорости вращения Земли менял свое направление с роста на спад (или же наоборот). Представлялось интересным и плодотворным рассмотреть многолетний ряд A LOD в сопоставлении с рядами других величин, позволяющих количественно представить динамическое состояние ЦДА. Такой подход позволил бы провести расчет коэффициентов корреляции и корреляционной функции, что дало бы возможность при рассмотрении взаимосвязи многолетней динамики ЦДА и вариаций скорости вращения Земли оперировать количественными статистическими величинами. 3.3. Индекс интенсивности как статистический показатель состояния ЦДА
Для решения сформулированной выше задачи нами был предложен метод расчета среднегодовых индексов интенсивности ЦДА, ряды которых затем сопоставлялись как между собой, так и с рядами аномалий экстремумов ЦДА по широте и долготе, а также с рядом многолетнего среднегодового хода A LOD [3, 6, 7].
Схема расчета индексов интенсивности 1вдт предельно проста. В качестве исходного материала использовались среднемесячные качественные оценки интенсивности, полученные по методике, описанной в гл. 3.2 [11, 12]. (Значения этих оценок в градациях B-b-N-a-A для Азорского антициклона за период 1975-2004 гг. приведены в табл. 3.3.)
Оценки статистической связи локализации экстремумов давления в ЦДА и изменения длительности суток(АЬОБ)
Как и в предыдущем разделе, статистические расчеты были проведены для каждого ЦДА. Корреляционная функция рассчитывалась как для несглаженных рядов аномалий широтьъ и долготы (среднегодовых значений аномалии), так и сглаженных значений этих величин с использованием 11-летнего скользящего среднего. В большинстве случаев для сопоставления использовались среднегодовые (несглаженные) значения A LOD. Результаты расчетов были сведены в соответствующие таблицы.
Многолетний ряд1 A LOD осреднялся (11-летнее скользящее среднее) только для последующего сопоставления с осредненными рядами широтной аномалии Южно-Тихоокеанского антициклона и средней широтной аномалии всех трех ЦДА Южного полушария. (Результаты этого сопоставления в таблицы не входили.)
Статистическая значимость коэффициентов корреляции (так же, как и в 3.5-4.1) определялась исходя из уровня значимости (p-level), равного 0,01. Значения коэффициентов корреляции, оказавшиеся ниже минимальных для данного уровня, отмечались как несущественные (N), то есть, как случаи, в которых корреляционная зависимость не обнаружена.
Полученные коэффициенты корреляции приводятся в табл. 4.2 — 4.3 как для среднегодовых значений аномалии долготы (табл. 4.2) и широты (табл. 4.3), так и для сглаженных рядов этих величин (методом 11-летнего скользящего среднего). Для каждого из рядов рассчитывались Ro (коэффициент корреляции при отсутствии лага, т.е. при т = 0) и Rmax (максимальный коэффициент корреляции, полученный при расчете корреляционной функции). В последнем случае в колонке рядом с Rmax указывается лаг (т), для которого получен приводимый коэффициент корреляции.
Положительные значения лага (т 0) соответствуют ситуациям, когда ход A LOD опережает ход интенсивности ЦДА. Отрицательные значения лага (т 0) указывают на отставание первой переменной относительно второй.
Полужирным шрифтом в таблицах выделены коэффициенты корреляции, статистически значимые для p-level 0,001 (уровень, определяемый в статистике как высоко значимая корреляция). Обращает на себя внимание тот факт, что аномалия долготного положения экстремумов ЦДЛ коррелирует с ходом Д LOD не столь часто, как это имело место в сопоставлении рядов Д LOD и индекса интенсивности Іімт- Далее, при рассмотрении вопроса о широтном перемещении ЦДА и вариациях скорости вращения Земли, мы увидим, что корреляция между этими двумя параметрами будет и более частой, и более значимой. На то есть определенные физические причины. Смещение ЦДА по долготе в принципе не влияет на процессы усиления-ослабления зонального переноса. При этом не происходит и меридионального смещения воздушных масс (субтропических антициклонов), что также могло бы сказаться на скорости вращения твердой Земли (что и выражается в Д LOD). Однако некоторые результаты проведенных статистических расчетов могут представить определенный интерес с точки зрения практики.
Тот факт, что ход A LOD опережает ход долготной аномалии Алеутской депресии, позволяет надеяться на использование найденной статистической зависимости в сверхдолгосрочном (климатическом) прогнозировании. При условии, что существующая зависимость не изменит свой характер радикальным образом, можно дать осторожную качественную , оценку широтного (по долготе) перемещения центра Алеутской депресии на период до 2015-2018 гг. Со всеми сделанными оговорками, можно предполагать, что, находясь в. течение ряда ближайших лет вблизи среднего многолетнего положения, по долготе, к концу десятилетия; центр депрессии может начать более существенно смещаться на запад. Если подобное предположение могло бы быть подкреплено прогностическими моделями, использующими иные предикторы, то обнаруженная нами; зависимость заслуживала бы более подробного и внимательного изучения:
Выше было отмечено,, что смещение1 ЦДА по долготе в большинстве случаев не должно влиять на скорость вращения Земли (отсутствие процессов усиления-ослабления зонального переноса и .меридионального смещения воздушных, масс). Однако в некоторых случаях воздействие на скорость вращения Земли может иметь место и при долготном смещении ЦДА. Это относится к ситуациям, когда центр циклона или антициклона приближается к меридионально ориентированным горным цепям или удаляется от них, в результате чего происходит усиление или ослабление т.н. «горного вращающего момента» (см. 1.3). Именно это имеет место в случае Алеутской депрессии (область низкого давления к западу от Скалистых гор) и Южно-Тихоокеанского антициклона (область высокого давления к западу от Кордильеров). В определенной степени данный тезис подтверждается довольно высокими значениями коэффициентов корреляции между ходом А LOD и ходом долготных аномалий двух этих ЦДА. Однако при этом остаются открытыми два вопроса: существенные коэффициенты корреляции для ряда других ЫДА и значительный лаг (15-18 лет), при котором ряды рассматриваемых величин коррелируют наиболее тесно.
Обращает на себя внимание тот факт, что ход широтной аномалии Алеутского ЦДА (11-летнее скользящее среднее) коррелирует с ходом А LOD теснее, чем ряды аномалий остальных ЦДА за весь исследуемый период. В табл. 4.2 мы видели, что для Алеутской депрессии был получен максимальный коэффициент корреляции- и при сопоставлении A LOD с ходом долготной аномалии ЦДА.
Использование обнаруженного опережения для прогноза (пусть даже весьма приблизительного и качественного по характеру) поведения Д LOD представляется недостаточно обоснованным. Даже отвлекаясь от вопроса о физической природе обнаруженной статистической связи (вопрос этот остается открытым), нельзя не признать, что имеющееся незначительное -двухлетнее - опережение (последние 5 лет ряда широтной аномалии ЦДА отрезаются при 11-летнем осреднении) не компенсируется, как это было в случае сопоставления индексов интенсивности Южно-Атлантического и Южно-Тихоокеанского антициклонов (см. 3.5), высоким значением коэффициента детерминации (R2 = 0,86). В данном случае коэффициент детерминации оказался равным 0,52, что при двухлетнем опережении и неизбежных межгодовых вариациях тренда обеих переменных может оказаться явно недостаточным.
Здесь в ходе обеих переменных четко просматриваются многолетние тренды подъемов и спадов: резкое падение величины Д LOD с 1910-х и до конца 1920-х гг. и соответствующее ему (но происходившее на несколько лет раньше) движение центра Южно-Тихоокеанского антициклона к экватору (отрицательная аномалия широты). За этим периодом последовал достаточно мощный рост Д LOD (замедление скорости вращения Земли) и - теперь уже с запозданием - постоянное движение центра антициклона в сторону умеренных широт. В целом эта картина очень напоминает график хода индекса интенсивности Іпмт Южно-Тихоокеанского ЦДА и A LOD (рис. 4.5), с теми же сменами характера зависимости (до начала-середины 1930-х годов ход широтной аномалии предваряет ход A LOD на 8 лет, после чего отстает от него на 12 лет). Сходство двух графиков (рис. 4.5 и 4.9) вполне понятно, если вспомнить, что обнаруженная нами зависимость между ходами 1 т и широтной аномалии Южно-Тихоокеанского ЦДА при 11-летнем осреднении оказалась близкой к линейной (R = 0,95).
