Введение к работе
Актуальность темы. Среди источников короткопериодной климатической изменчивости одно из важных мест занимает процесс Эль-Ниньо [Neelin et al, 1998; IPCC, 2007; Бышев, Лебедев, 2000; Кошляков и др., 1998]. Природа этого явления многими исследователями связывается исключительно с тихоокеанской климатической системой [Dijkstra, 2006; Sokolikhina et al., 2006; Семенов и др., 2008]. В то же время существуют свидетельства того, что во время Эль-Ниньо в Индийском океане также наблюдаются характерные аномалии гидрофизических характеристик [Вязилова, 2008; Бышев и др. 2008].
Существенная трудность идентификации проявления Эль-Ниньо в тропической области Индийского океана обусловлена тем, что возбуждаемое им возмущение атмосферной циркуляции происходит на фоне мощного регулярного муссонного сигнала, обладающего годовой цикличностью. Вследствие суперпозиции вынуждающих сил вклад сигнала Эль-Ниньо в суммарную энергию циркуляции атмосферы, как относительно более слабый по сравнению с муссонным, весьма сложно обнаружить. Его выделение стало возможным благодаря применению нового подхода, потребовавшего создания специальных алгоритмов обработки данных наблюдений.
Особый интерес представляет выявление физической взаимосвязи Индийского муссона и Эль-Ниньо [Ashok et al., 2004]. Известно, что до середины 70-х годов прошлого столетия в годы Эль-Ниньо над Индостаном наблюдались перебои летнего муссона, сопровождавшиеся аномальными засухами и, как следствие, катастрофическими неурожаями зерновых [Wang, An, 2001]. В последующий период ситуация изменилась: в соответствующее время катастрофических засух над Индостаном уже не наблюдалось, что позволило некоторым исследователям [Torrence, Webster, 1999; Hendor et al., 1999; Slingo et al., 1999] усомниться в наличии связи между двумя указанными событиями. До настоящего времени этот принципиальный вопрос остаётся открытым.
Одной из наименее изученных сторон проблемы изменчивости современной климатической системы является характер влияния термодинамических условий Индоокеанского региона на планетарную структуру общей циркуляции атмосферы и перераспределение глобальных потоков тепла [Understanding the role of the Indian..., 2006]. Актуальность этого вопроса обусловлена, с одной стороны, необходимостью более полной оценки влияния Индийского океана на формирование глобального климата, а, с другой - относительно слабой изученностью динамики его региональной климатической подсистемы.
Научная новизна. Получены новые научные знания об Индийском муссоне, роли Индийского океана в глобальной климатической системе и изменчивости его гидрофизического режима в связи с событиями Эль-Ниньо.
Количественно оценена реакция гидрометеорологических полей Индийского океана на события Эль-Ниньо. Установлено, что в Индоокеанском регионе аномалии гидрометеорологических полей развиваются квазисинхронно с соответствующими, характерными для Эль-Ниньо, аномалиями Тихоокеанского региона.
Определена причина различного характера взаимосвязи Индийского муссона и Эль-Ниньо до и после середины 70-х годов XX столетия в регионе полуострова Индостан и прилегающих к нему районах.
Впервые рассчитаны и построены глобальные поля дисперсии возмущений приповерхностной температуры (температуры поверхности океана и приземного воздуха над континентами) и атмосферного давления на уровне моря для отдельных частотных диапазонов, а также оценена скорость изменений этих характеристик в периоды событий Эль-Ниньо.
На основе анализа функций спектральной плотности возмущений приповерхностной температуры и атмосферного давления на уровне моря уточнена частота возникновения событий Эль-Ниньо в системе Индопацифики.
Анализ скорости и ускорения деформации глобальных полей приповерхностной температуры и атмосферного давления на уровне моря при Эль-Ниньо позволил определить регионы (в частности, Северная Америка и Европа), где заметно сказывается его влияние.
Установлено, что в районе Сомалийского течения Индийский муссон генерирует циркуляционные структуры в океане и атмосфере, абсолютные характеристики которых в летний и зимний сезоны в первом приближении равновелики, но имеют антициклоническую завихренность в первом случае и циклоническую во втором.
На основе анализа инструментальных наблюдений произведена количественная оценка фоновой циркуляции в системе Сомалийского течения, которая подобно западным пограничным течениям Гольфстрим и Куросио имеет антициклоническую завихренность.
Объект исследования. Предмет исследования в диссертации - оценка роли Индийского океана в глобальной климатической системе, а также изменчивости и отклика его гидрофизического режима на события Эль-Ниньо.
Рассматривая процессы, связанные с Эль-Ниньо и его антиподом Ла-Ниньа, мы придерживались общепризнанного определения этих событий. Эль-Ниньо и Ла-Ниньа воспринимаются как длительные крупномасштабные аномалии ТПО, величиной превышающей 0,5 С в центре и на востоке экваториально-тропической части Тихого океана. При продолжительности существования такой положительной (отрицательной) аномалии до пяти месяцев, она рассматривается как признак возможного появления Эль-Ниньо (Ла-Ниньа). Если аномалия сохраняется на протяжении пяти месяцев или дольше, то она классифицируется как эпизод Эль-Ниньо (Ла-Ниньа) [NOAA's Climate Prediction Center]. Последнее происходит квазипериодично с нерегулярными промежутками в 3-7 лет и, обычно, продолжается один - два года.
При изучении Индийского океана мы уделяли основное внимание его северной и центральной частям, поскольку именно эти регионы в наибольшей степени подвержены влиянию Индийского муссона, а также из-за ограничений в данных измерений.
Методы исследования. Многообразие климатообразующих процессов, как правило, вынуждает ограничиваться наблюдением лишь за их результирующим проявлением в исследуемой системе. Проблема состоит в выборе наиболее репрезентативных элементов климатической изменчивости для более глубокого и детального их исследования.
Естественным подходом при исследовании изменчивости климатической системы и отдельных её звеньев является разложение наблюдаемых процессов на их квазистационарную и нестационарную составляющие.
При изучении нестационарных процессов часто применяются спектральный подход, метод фильтрации, дисперсионный анализ, статистическая оценка. В работе использован каждый из названных приемов, что потребовало создания пакета специальных программ для обработки временных полей и их фильтрации. Существующие методы, позволяющие оптимизировать подобные вычисления, зачастую не адаптированы к данной сфере исследования. Для создания нового пакета программ нами выбран язык программирования С, который является системным языком низкого уровня, то есть он ближе к Ассемблеру, чем высокоуровневые языки. Это позволило полнее контролировать вычисления, хотя несколько увеличило сложность программирования.
Для исследования реакции гидрофизического режима Индийского океана на события Эль-Ниньо, изучения взаимосвязи Эль-Ниньо и муссона, а также причины её изменений, произошедших несколько десятилетий тому назад, обработан большой объем информации за 1900-2008 гг. и выполнен ряд специальных вычислений. Автоматизация соответствующих расчетов и применение современного программного обеспечения способствовали
решению этих задач и получению количественных оценок соответствующих изменений атмосферного давления на уровне моря и приповерхностной температуры.
Цели и задачи диссертации. Целью диссертации является определение реакции гидрофизического режима Индийского океана на события Эль-Ниньо и оценка роли этого фактора в изменчивости глобальной климатической системы. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:
Исследовать реакцию гидрофизических полей Индийского океана на события Эль-Ниньо.
Выделить фоновую, летнюю и зимнюю моды циркуляции вод в системе Сомалийского течения, как яркого примера внутригодовой муссонной изменчивости.
Изучить взаимосвязь Индийского муссона и Эль-Ниньо.
Оценить роль Индийского океана в изменчивости современной климатической системы.
Решение поставленных задач потребовало методологических разработок, для учёта отдельных факторов, влияющих на происходящие в природе явления, применения различных методов математической обработки данных, их статистического анализа и создания пакета специальных программ для количественных оценок основных характеристик гидрометеорологических полей.
Достоверность научных положений. Достоверность полученных в работе результатов обеспечена значительным объемом и высоким качеством использованной современной информации. При анализе поля течений Индийского океана, например, исследовались наиболее полные ряды инструментальных наблюдений международного проекта WOCE. При выделении характерных режимов циркуляции атмосферы использовались ансамбли среднемесячных полей атмосферного давления на уровне моря и приповерхностной температуры, подготовленные и размещённые в
Интернете американским Центром прогноза климата и английским Центром Met Office Hadley. Эти данные широко используются многими учеными во всём мире, в том числе и Международной комиссией по оценке изменчивости климата (IPCC). При рассмотрении отдельных среднемесячных значений гидрофизических характеристик в качестве случайных величин в работе для ряда статистических выводов даны оценки доверительных пределов. Работа опирается на анализ и обобщение более чем векового массива глобальных эмпирических данных.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Получены количественные оценки реакции гидрометеорологических
полей Индийского океана на события Эль-Ниньо. Обнаружено, что
вызванные Эль-Ниньо аномалии приповерхностной температуры и
атмосферного давления на уровне моря развиваются квазисинхронно в
приэкваториальной области всей Индопацифики. Это даёт основания
полагать, что в контексте явления Эль-Ниньо общая климатическая
подсистема Индопацифики может рассматриваться как единый природный
объект.
Установлено, что различия в характере влияния Эль-Ниньо на летний Индийский муссон до и после середины 70-х годов прошлого столетия связаны с глобальной перестройкой поля атмосферного давления.
Обосновано, что существенная интенсификация циркуляции вод в Сомалийском регионе в летнюю фазу муссона есть результат суперпозиции фоновой и муссонной составляющих, обладающих одинаковой антициклонической завихренностью.
4. Показано, что Индоокеанская региональная климатическая
подсистема в определенной степени ответственна за наблюдавшееся в
последней четверти XX столетия потепление центральных районов Евразии.
Практическая ценность результатов. Полученные количественные оценки изменчивости гидрофизического режима Индоокеанского региона имеют важное практическое значение. Рассчитанные фоновая, летняя и
зимняя моды циркуляции вод в системе Сомалийского течения могут использоваться при проверке моделей динамики течений Индийского океана. Количественные оценки возникающих при Эль-Ниньо аномалий гидрометеорологических характеристик можно применять при распространении теории этого явления на регион Индийского океана, а также для прогноза осадков и рыбопромысловой обстановки в его пределах. Диагностические оценки гидрометеорологических полей, выполненные в работе, полезно использовать для проверки качества современных гидротермодинамических моделей. С помощью предложенных в работе алгоритмов анализа можно решать различные практические задачи обработки соответствующих эмпирических данных.
Область применения результатов. Фундаментальная и прикладная океанология. Климатология. Гидрометеорология.
Личный вклад автора. Все научные результаты, представленные в работе, получены с личным участием автора. Автору принадлежит ведущая роль в выполнении расчётов и равная роль в постановке основных научных задач, а также в интерпретации и анализе результатов расчётов.
Список публикаций с участием диссертанта. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в четырёх научных статьях в рецензируемых журналах: Доклады Российской Академии Наук (3) и Метеорология и гидрология (1). Список публикаций представлен в приложении 1.
Апробация и внедрение результатов. Работа в целом или отдельные её результаты обсуждались на научных конференциях, семинарах, ученых советах: Ученый совет Института океанологии РАН (2009); Русское Географическое Общество (Московский центр, Отделение метеорологии и климатологии) (2009); Объединенный семинар в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И.Ильичева Дальневосточного отделения РАН (2008, 2009); Итоговая конференция по результатам реализации Программы фундаментальных исследований Президиума РАН
"Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология", Москва, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (2008); Second EGU Alexander von Humbolt International conference on "The Role of Geophysics in Natural Disaster Prevention", Lima/Peru (2007).
Работа прошла экспертную оценку и поддержана грантами РФФИ 06-05-63646, 06-05-64634, 06-05-65210, 07-05-00024, 08-05-00120, а также Федеральной Целевой Программой «Мировой океан» (Государственный контракт 01.420.1.20001).
Для количественной оценки основных климатообразующих факторов и анализа соответствующих данных создан пакет программ. Он внедрен и используется для практической работы в Лаборатории крупномасштабной изменчивости гидрофизических полей Института океанологии имени П.П.Ширшова РАН.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из 5 глав, 17 разделов/параграфов и 16 подразделов. Общий объем диссертации составляет 218 страниц, включая 80 рисунков/иллюстраций и 11 таблиц. В работе имеются два приложения, содержащие дополнительные рисунки и листинг основных программ, разработанных для компьютерного расчета исследуемых параметров. Список использованной литературы состоит из 187 наименований.
