Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность диссертации определяется ключевой ролью сезонного хода в изменчивости глобального климата, а также хорошо выраженными проявлениями сезонности в разномасштабных изменениях климата. Климатическая система характеризуется значительной изменчивостью в широком спектре пространственных и временных масштабов. Сезонный ход является наиболее мощным сигналом в спектре изменчивости климатической системы Земли. Наиболее сильные магнитуды сезонных изменений различных климатических параметров (температуры воздуха, приземного давления, осадков и др.) наблюдаются в средних широтах. В качестве иллюстрации относительной роли сезонного хода в общей изменчивости климата на рис. 1 представлен спектр временного ряда температуры воздуха в Северо-Атлантическом секторе по Kutzbach and Bryson [1974] из работы Монина и Шишкова [2000], наглядно демонстрирующий важную роль сезонного хода в общей изменчивости климата.
Сезонный ход оказывает значительное влияние на изменчивость климата на различных пространственно-временных масштабах. Большинство наиболее известных климатических феноменов имеют хорошо выраженную сезонную зависимость. Например, в средних широтах наблюдается сезонное (от зимы к лету) ослабление интенсивности синоптических процессов, а также сезонное смещение основных траекторий циклонов. Другим примером является сезонная динамика центров действия атмосферы, проявляющаяся в сезонности структуры Северо-Атлантического колебания (САК, [Hurrell, 1995; Folland et al, 2009]). Наиболее ярким примером проявления сезонности в тропической зоне является Индийский муссон, характеризующийся сезонным изменением теплового контраста между сушей и океаном, ведущим к кардинальной перестройке режима атмосферной циркуляции в регионе.
В сравнении с материками, где сезонный ход температуры воздуха (и других параметров) является преобладающим, в океанах и морях роль сезонного хода в общей изменчивости климатических параметров существенно различается в разных бассейнах и для разных параметров. Особая роль океана в климатической системе заключается в том, что, обладая высокой теплоёмкостью, океан является относительно «медленным» компонентом климатической системы, характеризующимся значительно меньшими амплитудами сезонного хода по сравнению с атмосферой. Относительно медленное накопление энергии в теплый сезон и ее медленная передача в атмосферу в зимний существенно уменьшают сезонные тепловые контрасты в характеристиках океана, в том числе в сезонном ходе температуры поверхности океана (ТПО), осуществляющей непосредственное взаимодействие с приводной атмосферой. Кроме того, океан, перенося (с главными океанскими течениями) значительные запасы тепла из тропиков в высокие широты, уменьшает тепловой контраст между высокими и низкими широтами, что тоже приводит к трансформации характеристик сезонного хода. Сложная структура сезонного хода поверхностных характеристик океана, несмотря на долгую историю исследований [Романов, 1970; Mizuno and White, 1983; Лаппо и др., 1986; Levitus, 1987; Giese and Carton, 1994] изучена недостаточно, в частности, для
Рис. 1. Спектр температуры воздуха над Северной Атлантикой по Kutzbach and Bryson [1974] из работы Монина и Шишкова [2000].
анализа проявлений сезонности климатической изменчивости. Поэтому исследование роли сезонного хода в изменениях климата над океанами представляется весьма актуальным. Построение детальной количественной картины пространственного распределения основных характеристик (прежде всего амплитуд и фаз) сезонного хода над океанами и их количественная оценка на основе современных данных крайне необходимы для понимания причин современных климатических изменений и достоверного прогнозирования колебаний климата в будущем.
Работа нацелена на выявление и анализ механизмов, формирующих сезонные особенности в изменениях климата, что является критически важным для успешного прогноза климатических аномалий на сезонных и более длительных временных масштабах.
Основная цель диссертации состоит в выявлении и количественном описании пространственной структуры характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров (ТПО, температуры воздуха и приземного атмосферного давления) над океанами Северного полушария, исследовании проявлений сезонности в межгодовых изменениях климата различных регионов и выявлении механизмов, формирующих сезонные особенности в изменчивости климата. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
провести количественное оценивание амплитудно-фазовых характеристик главных гармоник сезонного хода ТПО, температуры воздуха и приземного давления над океанами Северного полушария, а также выполнить оценку (на некоторых примерах) долгопериодной изменчивости амплитудно-фазовых характеристик сезонного хода ТПО и температуры воздуха;
получить для различных сезонов достоверные количественные оценки главных мод изменчивости ключевых климатических параметров (осадков, температуры воздуха, испарения в Средиземном море) в Европейско-Средиземноморском регионе и исследовать их связи с режимами региональной атмосферной циркуляции;
исследовать проявления сезонности в долгопериодной изменчивости ключевых компонентов гидрологического цикла (влагосодержания атмосферы, осадков) в тропиках, получить оценки линейных трендов и главных мод межгодовой изменчивости этих компонентов в различные сезоны;
дать количественные оценки межгодовой изменчивости осадков в системе летнего Азиатского муссона и её связей с вариациями ТПО в тропической зоне Индийского и Тихого океанов.
Предметом защиты является решение фундаментальной научной проблемы – количественная оценка характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров у поверхности океанов Северного полушария, описание их пространственной структуры, установление механизмов крупномасштабной климатической изменчивости, связанных с проявлениями сезонности в современных изменениях климата.
Научную новизну работы составляют основные положения, выносимые на защиту:
выявлена и описана на количественном уровне пространственная структура амплитудно-фазовых характеристик сезонного хода ключевых климатических параметров (ТПО, температуры воздуха и приземного атмосферного давления) над океанами Северного полушария. Установлены механизмы динамики атмосферы и океана (такие как вынос воздушных масс с материков на океаны в средних широтах, западные пограничные течения в океанах) определяющие (наряду с локальными процессами) пространственную структуру сезонного хода исследованных параметров над океанами Северного полушария;
получены количественные оценки проявлений сезонности в изменчивости ТПО и испарения с поверхности в Средиземном море, а также температуры воздуха и осадков в Европейско-Средиземноморском регионе и выявлены механизмы их формирования в разные сезоны. Впервые установлена сезонно-зависимая нестационарность связей климата Европейско-Средиземноморского региона с главным региональным климатическим сигналом – САК. Также впервые обнаружено, что главным механизмом, формирующим межгодовую изменчивость испарения с поверхности Средиземного моря в зимнее время, является Восточно-Атлантическое колебание;
получены количественные оценки роли динамических и термодинамических факторов в формировании сезонных особенностей межгодовой изменчивости компонентов гидрологического цикла (влагосодержания атмосферы и осадков) в тропической зоне. Установлено, что пространственное распределение влагосодержания определяется термодинамическими факторами. Напротив, ведущую роль в формировании межгодовой изменчивости влагосодержания атмосферы играет атмосферная динамика;
на основе полученных оценок характеристик изменчивости осадков в районах Индийского муссона и муссона Юго-Восточной Азии (МЮВА), показано, что межгодовая изменчивость осадков различна в двух муссонных подсистемах и связана с принципиально разной структурой аномалий ТПО в Индийском и Тихом океанах. Установлено, что (в отличие от Индийского муссона) изменчивость осадков в районе МЮВА не связана с аномалиями ТПО, формируемыми явлением Эль-Ниньо.
Достоверность представленных результатов определяется физической обоснованностью постановки задач, использованием наиболее современных и хорошо апробированных массивов данных и применением развитых методов статистического анализа. Для проверки полученных результатов использовались данные из разных источников. Например, анализ изменчивости осадков над Европой проводился как по спутниковым данным, так и по данным наземных (станционных) наблюдений. Интерпретация результатов анализа проводится путем сопоставления с результатами других авторов, что дает основания для оценки их состоятельности. Большая часть результатов опубликована в ведущих международных журналах и прошла жесткий процесс рецензирования.
Практическая значимость работы состоит в возможности использования её результатов для усовершенствования методов мониторинга и прогноза долговременной изменчивости климата. Результаты работы уже используются в диагностических исследованиях климата и его изменений, а также в моделировании и прогнозе таких изменений (примеры использования могут быть найдены в работах [Bograd et al., 2002; Trenberth et al., 2005; Pauling et al., 2006; Lopez-Moreno et al., 2008]).
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или в соавторстве с российскими и зарубежными коллегами. В работах с соавторами: часть результатов по исследованию амплитудно-фазовых характеристик сезонного хода получена совместно с И.М. Яшаяевым; результаты по анализу изменчивости элементов гидрологического цикла в тропиках получены совместно с зарубежными коллегами R.P. Allan и P.-S. Chu; исследование главных мод изменчивости температуры воздуха в Европейском регионе проводилось совместно с С.К. Гулевым; анализ изменчивости муссонных осадков был выполнен совместно с М.П. Александровой; исследование изменчивости климата Средиземного моря было проведено совместно с А.В. Архипкиным и A.A. Hannachi.
Апробация работы. Результаты и материалы диссертации неоднократно докладывались на национальных и международных конференциях и симпозиумах. Среди них: шестая международная конференция по статистической климатологии (Голвэй, Ирландия, 1995), ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Норкёппинг, Швеция, 1996), Генеральная ассамблея Международного Союза Геодезии и Геофизики (Бирмингем, Великобритания, 1999), конференция Американского Метеорологического Общества (Альбукерке, Нью-Мексико, США, 2001), ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Ницца, Франция, 2004), конференция Чэпмена Американского Геофизического Союза (Кона, Гавайи, США, 2008), ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Тулуза, Франция, 2009), ежегодная конференция Европейского Метеорологического Общества (Цюрих, Швейцария, 2010), Генеральная ассамблея Международного Союза Геодезии и Геофизики (Мельбурн, Австралия, 2011), конференция по изменчивости климата (Денвер, Колорадо, США, 2011), Генеральная ассамблея Европейского Геофизического Союза (Вена, Австрия, 2010, 2012), конференция по изменчивости климата Средиземного моря (Мадрид, Испания, 2012) конференция Американского Геофизического Союза (Сан-Франциско, Калифорния, США, 2012). Отдельные результаты работы докладывались на семинарах Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Института Арктики и Антарктики Росгидромета, на географическом факультете МГУ, в университете Рединга (University of Reading, Reading, UK), университете штата Гавайи (University of Hawaii, Honolulu, USA), университете Лодзи (University of Lodz, Lodz, Poland), Стокгольмском университете (Stockholm University, Stockholm, Sweden), Национальном институте геофизики и вулканологии (INGV, Bologna, Italy).
Публикации. Научные результаты диссертации опубликованы в 24 статьях в российских и зарубежных рецензируемых журналах, входящих в списки цитируемых баз данных Scopus, Web of Science, список научных журналов ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы – 211 страниц, включая 54 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 218 наименований.
