УДК 551.513.22; 551.465.6; 551.588.16

МЕРИДИОНАЛЬНЫЕ ТИПЫ АТМОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ АТЛАНТИКИ

Никифорова Мария Павловна1, Мирненко Марина Сергеевна2
1Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, старший преподаватель
2Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, магистр 3 года обучения

Аннотация
Установлено, что телеконнекции межгодовых изменений суммарных продолжительностей периодов преобладания в Северном полушарии Земли элементарных циркуляционных механизмов, которые относятся к группам Меридиональная Южная и Меридиональная Северная, оцененных за год или любой месяц, а также совпадающих, или опережающих их по времени вариаций средних поверхностных температур многих районов Атлантического океана, являются статистически значимыми.

Ключевые слова: Атлантика, корреляция, поверхностная температура океана, телеконнекция, элементарный циркуляционный механизм


MERIDIONAL ATMOSPHERIC CIRCULATION TYPES IN NORTHERN HEMISPHERE AND ATLANTICS SEA SURFACE TEMPERATURES

Nikiforova Marija Pavlovna1, Mirnenko Marina Sergeevna2
1Crimean Federal University Vernadsky, Crimean Federal University Vernadsky, Senior lecturer
2Crimean Federal University Vernadsky, Crimean Federal University Vernadsky, 3rd year study Master

Abstract
Statistically significant teleconnections of interannual changes of summary dominance periods in Northern hemisphere of elementary circulation mechanisms, corresponding to Meridional South and North groups, with mean sea surface temperatures of Atlantic ocean are shown. Such relations can be seen for the processes averaged by the year or any month.

Рубрика: 11.00.00 ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Никифорова М.П., Мирненко М.С. Меридиональные типы атмосферной циркуляции в Северном полушарии и поверхностные температуры Атлантики // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/12/75612 (дата обращения: 02.06.2017).

Введение

Общая циркуляция атмосферы является одним из основных климатообразующих факторов, а изменения ее характеристик способны существенно влиять на климат и условия жизни населения многих регионов. Поэтому выявление особенностей влияния на эти изменения различных процессов в физико-географической оболочке нашей планеты представляет собой актуальную проблему физической географии, а также климатологии.

Температура и влажность воздуха, переносимого атмосферной циркуляцией, во многом определяют поток обратного теплового излучения атмосферы, и влияет на ее тепловой баланс. Поэтому наиболее существенные изменения регионального климата способны вызывать вариации характеристик ее меридиональных составляющих [1]. Наиболее мощным процессом, способным влиять на любые, в том числе и меридиональные составляющие атмосферной циркуляции, является взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью. При этом в атмосферу поступает тепловая радиация, водяной пар и другие вещества, влияющие на ее теплофизические характеристики, что способно вызывать изменения поля атмосферного давления, а также существующих в нем барических градиентов, которые и приводят воздух в движение [2]. 71% всей земной поверхности покрывают воды Мирового океана. Именно на его поверхности в основном и образуются потоки тепла и водяного пара, поступающие в атмосферу, которые зависят от поверхностных температур соответствующих акваторий. Следовательно, к главным факторам пространственно-временной изменчивости потоков всего тепла и всей влаги, поступающих в земную атмосферу, могут относиться вариации поверхностных температур (ТПО) различных его акваторий [3]. Многие густонаселенные и экономически развитые регионы нашей планеты находятся в ее Северном полушарии и в зоне влияния Атлантического океана. Тем не менее, расположение его акваторий, наиболее существенно влияющих на изменения характеристик меридиональных составляющих атмосферной циркуляции в Северном полушарии, ныне изучено недостаточно. Поэтому выявление его особенностей представляет значительный теоретический и практический интерес.

К числу наиболее информативных характеристик меридиональных составляющих атмосферной циркуляции относятся суммарные продолжительности периодов преобладания тех или иных ее типов [4].

Наибольшее распространение среди представлений о структурах атмосферной циркуляции Северного полушария получили типизации Г.Я. Вангейма [11], Б.Л. Дзердиевского [12] и А.А. Гирса [13]. Ими предложены методики, позволяющие среди всего многообразия ее структур – т. н. элементарных циркуляционных механизмов (ЭЦМ), выделять четыре их группы: Зональную (З), Нарушенную Зональную (НЗ), Меридиональную Южную (МЮ) и Меридиональную Северную (МС). Теми же авторами предложено характеризовать влиятельность процессов, относящихся к той или иной группе, суммарной продолжительностью преобладания соответствующих ЭЦМ за месяц или год. В периоды преобладания ЭЦМ, относящихся к группе МЮ, воздух из низких широт Северного полушария, проникает в его высокие широты, что приводит в них к потеплению. При господстве ЭЦМ, относящихся к группе МС, в низкие широты того же полушария чаще поступает воздух из его высоких широт, вызывая похолодание.

В соответствии с методикой Б.Л. Дзердиевского [12] в настоящее время изучены изменения подобных характеристик для ЭЦМ всех рассматриваемых групп в Северном полушарии Земли за период с 1899 г. [14]. Установлено, что ЭЦМ, принадлежащие к группе МЮ, в данном полушарии господствовали после 1957 г. При этом в XXI в. значения суммарной продолжительности за год преобладания соответствующих ЭЦМ уменьшаются, в то время как для ЭЦМ группы МС она увеличивается. Ныне продолжительности периодов доминирования ЭЦМ МЮ и МС практически сравнялись. Вследствие этого изучение рассматриваемой проблемы в отношении этих структур атмосферной циркуляции представляет наибольший интерес.

Изложенное позволяет выдвинуть следующую гипотезу: телеконнекции межгодовых изменений суммарных продолжительностей периодов доминирования в Северном полушарии Земли ЭЦМ, относящихся к группам МЮ и МС (следствие), а также опережающих их по времени вариаций средних поверхностных температур некоторых акваторий Атлантики (причина), являются значимыми. Подтверждение адекватности данной гипотезы позволило бы учитывать результаты мониторинга вариаций средних поверхностных температур таких акваторий при моделировании и прогнозировании изменений структур атмосферной циркуляции Северного полушария, а также его климата.

Таким образом, объектом исследования в данной работе являлись закономерности межгодовых изменений периодов преобладания ЭЦМ, относящихся к группам МЮ и МС. Как предмет исследования в ней определены их телеконнекции с опережающими их по времени вариациями ТПО различных акваторий Атлантики. Цель данной работы – проверка адекватности выдвинутой гипотезы и выявление условий, при которых статистические связи между рассматриваемыми процессами являются значимыми. Для достижения указанной цели решена задача анализа значимости телеконнекций межгодовых изменений среднегодовых и среднемесячных значений ТПО во всех районах Атлантики, где в период после 1973 г. проводился их систематический мониторинг, с вариациями суммарных продолжительностей периодов преобладания в Северном полушарии ЭЦМ МЮ и МС.

Методика исследований и фактический материал

При решении поставленной задачи вывод о значимости телеконнекции изучаемых процессов делался в случаях, когда значение коэффициента парной корреляции сопоставляемых фрагментов рассматриваемых временных рядов по модулю превышало уровень 95% порога достоверной корреляции по критерию Стьюдента. При этом предполагалось, что изменения ТПО могут являться причиной, а изменения суммарной продолжительности рассматриваемых ЭЦМ – следствием, которое может запаздывать на 0 – 9 мес. При этих вычислениях использованы фрагменты изучаемых временных рядов, включающие по 39 членов, для которых рассчитаны и скомпенсированы их тренды. Анализ автокорреляционных функций полученных при этом рядов показал, что соответствующее им значение числа степеней свободы соответствует 36. Поэтому вывод о значимости телеконнекции каких либо двух изучаемых процессов делался, если значение коэффициента их парной корреляции по модулю превышало уровень 0,32.

Для интегральной оценки значимости телеконнекции межгодовых изменений годовых или месячных повторяемостей ЭЦМ МЮ и МС с соответствующими вариациями ТПО Атлантики определено общее количество квадратов акватории этого океана размерами 5°х5°, для которых изучаемые взаимосвязи признаны значимыми. Также отдельно подсчитаны количества аналогичных квадратов, для которых корреляция рассматриваемых процессов являлась значимой положительной и значимой отрицательной.

Информация об изменениях периодов преобладания ЭЦМ МЮ и МС, рассчитанных для каждого месяца и года, начиная с 1899 г., содержится в [15]. Данные об изменениях в тот же период ТПО акваторий Атлантики, ограниченных квадратами координатной сетки 5°х5°, представлены в [16]. Для большинства таких акваторий соответствующие временные ряды для периода после 1973 г. не содержат пропусков. В работе рассматривались следующие океанические регионы:

Р1 – акватории Атлантики и Норвежского моря, расположенные к северу от параллели 65°N;

Р2 – акватории Атлантики, находящиеся между параллелями 65°N и 40°N (в основном относящиеся к Северному умеренному климатическому поясу);

Р3 – акватории Атлантики, лежащие между параллелями 40°N и 10°N (которые принадлежат преимущественно Северным Субтропическому и Тропическому климатическим поясам);

Р4 – приэкваториальные акватории, заключенные между параллелями 10°N и 10°S (соответствующие главным образом Субэкваториальному (Северному и Южному), а также Экваториальному климатическим поясам);

Р5 – акватории Атлантики, содержащиеся между параллелями 10°S и 40°S (включающие районы в основном таких климатических поясов, как Южный Тропический и Южный Субтропический);

Р6 – акватории Южной Атлантики, расположенные к югу от параллели 40°S (Субантарктика и Антарктика).

Расположения акваторий Атлантики, для которых телеконнекции вариаций среднегодовых (среднемесячных) значений их ТПО с рассматриваемыми процессами являются значимыми, отображались на контурных картах этого океана изолиниями значений коэффициента парной корреляции, соответствующих уровням +0,32 и -0,32. При их построении использован метод триангуляции Делоне [17].

Данные об изменениях температур Северной Атлантики, а также основные результаты настоящей работы были получены автором в рамках реализации программы сети академической мобильности “ГИС-Ландшафт – Технологии и методики формирования геопорталов современных ландшафтов регионов” на базе Атлантического отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Калининград).

Результаты исследования и их обсуждение

С использованием описанной методики изучены телеконнекции межгодовых изменений суммарной продолжительности за год периодов преобладания в Северном полушарии ЭЦМ, относящихся к группам МЮ и МС, а также среднегодовых ТПО всех районов Атлантики, где после 1973 г. их мониторинг проводился систематически. Установлено, что для многих районов Атлантики они являются значимыми. Полученные результаты представлены на рис. 1А и 1Б.

Из рис. 1А и 1Б следует, что в Атлантическом океане районы, для которых телеконнекции среднегодовых ТПО и годовой повторяемости ЭЦМ МС и МЮ являются значимыми, расположены преимущественно в Северном полушарии. Находятся они преимущественно в зоне Атлантики, через которую проходят Северо-Пассатное течение, Северная ветвь Южно-Пассатного течения и Гвианское течение, а также в области Северо-Атлантического течения. Это соответствует представлениям об особенностях взаимодействия Атлантики с земной атмосферой, приводящего к изменению глобального поля атмосферного давления.

Распределение по рассматриваемым регионам Атлантики ее районов, для которых установлено, что телеконнекции изменений их среднегодовых ТПО и изучаемых годовых характеристик атмосферной циркуляции являются значимыми с достоверностью 0,95, показано в табл. 1.

Рис. 1А. Районы Атлантики, изменчивость среднегодовых ТПО которых значимо связана с годовой повторяемостью ЭЦМ МС (1973 – 2014 гг.)
Рис. 1Б. Районы Атлантики, изменчивость среднегодовых ТПО которых значимо связана с годовой повторяемостью ЭЦМ МЮ (1973 – 2014 гг.) 

Таблица 1. Распределение по зонам Атлантики ее районов, в которых телеконнекции межгодовых изменений среднегодовых ТПО, а также вариаций годовых повторяемостей ЭЦМ, относящихся к группам МС и МЮ, являются значимыми

Зона

МС

МЮ

 

Корреляция

+

Корреляция

-

Корреляция

+

Корреляция

-

Весь океан 37 5 8 59
А 1 2 2 1
Б 11 0 0 16
В 16 0 1 30
Г 8 1 2 8
Д 0 0 1 0
Е 1 2 2 4

Из таблицы 1 следует, что рассматриваемые районы преимущественно расположены в зонах между параллелями 65°N и 10°S.

Поскольку для многих из этих районов значения коэффициентов корреляции изменений их среднегодовых ТПО и вариаций повторяемости ЭЦМ, относящихся к изучаемым группам, превышают по модулю уровень 99% порога по критерию Стьтюдента, адекватность выдвинутой гипотезы в отношении телеконнекций между изменениями этих характеристик изучаемых процессов подтверждена с достоверностью не ниже 0,99.

Аналогичные исследования выполнены также для месячных характеристик тех же процессов, которые соответствуют всем месяцам и временным сдвигам 0-11 месяцев. Эти исследования показали, что в Атлантике существуют многочисленные районы, для которых телеконнекции межгодовых изменений среднемесячных значений их ТПО с вариациями суммарных продолжительностей периодов преобладания в том или ином месяце ЭЦМ рассматриваемых групп значимы.

Установлено, что количество и расположение таких районов для каждой группы ЭЦМ существенно зависит от месяца, знака корреляции и временного сдвига между изучаемыми процессами. В качестве примера в таблице 2 для каждого месяца и каждой рассматриваемой группы ЭЦМ представлены соответствующие той или иной группе ЭЦМ максимальные количества рассматриваемых квадратов всей акватории Атлантики, имеющих размеры 5ох5о(Λmax) а также соответствующих временных сдвигов (Δ).

Таблица 2. Максимальные значения количеств квадратов всей акватории Атлантики, для которых телеконнекции межгодовых изменений среднемесячных значений их ТПО с вариациями суммарных продолжительностей периодов преобладания в том или ином месяце ЭЦМ рассматриваемых групп значимы, а также соответствующие временные сдвиги

Месяц

МС

МЮ

Δ (мес.)

Λmax

Δ (мес.)

Λmax

январь 2 38 2 39
февраль 2 34 1 39
март 6 50 0 58
апрель 5 42 2 55
май 4 40 4 51
июнь 0 44 0 62
июль 3 30 1 27
август 3 46 0 37
сентябрь 6 35 0 38
октябрь 0 46 0 33
ноябрь 4 38 4 51
декабрь 2 30 3 34

Из таблицы 2 следует, что временные сдвиги, при которых влияние межгодовых изменений среднемесячных ТПО районов Атлантики на вариации суммарных продолжительностей периодов преобладания в том или ином месяце ЭЦМ рассматриваемых групп является наиболее сильным, не превышают 6 месяцев. При этом для ЭЦМ, относящихся к группе МС, количество рассматриваемых районов максимально в марте (50), а для ЭЦМ , относящихся к группе МЮ, – в июне (62).

Установлено, что в Атлантическом океане действительно существуют районы, в которых межгодовые изменения среднемесячных значений их ТПО значимо связаны с вариациями суммарных продолжительностей периодов преобладания в Северном полушарии Земли рассматриваемых групп ЭЦМ, которые запаздывают по отношению к ним как минимум на 1-11 месяцев. При этом по мере увеличения сдвига (запаздывания) свыше оптимального значения, соответствующего номеру месяца, суммарные площади подобных районов, в большинстве случаев, уменьшаются, как и значения соответствующих им коэффициентов корреляции.

Анализ полученных результатов показал, что в ряде случаев имеет место соответствие между расположениями районов Атлантики, в которых на вариации повторяемости ЭЦМ той или иной группы, относящиеся к некоторому месяцу, значимо влияют межгодовые изменения их ТПО, опережающие их на разное время Δ.

Выявленные особенности убедительно подтверждают адекватность выдвинутой гипотезы и свидетельствуют о целесообразности учета результатов мониторинга ТПО выявленных районов Атлантики при моделировании изменений повторяемости в Северном полушарии ЭЦМ, относящихся к группам МС и МЮ, а также их прогнозировании с упреждениями, достигающими как минимум 11 месяцев.

Выводы

Таким образом, установлено, что в Атлантическом океане существуют многочисленные районы, для которых телеконнекции межгодовых изменений среднегодовых и среднемесячных значений их ТПО в любые месяцы, а также вариаций оцененных за соответствующие периоды времени повторяемостей ЭЦМ, относящихся к группам МС и МЮ, являются статистически значимыми. Последнее позволяет утверждать, что с достоверностью не ниже 0.99 выдвинутая гипотеза адекватна.

Расположения областей, локализующих подобные районы, зависят от рассматриваемой группы ЭЦМ, знака корреляции между изучаемыми процессами. При этом они, как правило, соответствуют положениям акваторий, через которые проносят свои воды крупнейшие поверхностные течения Атлантики, что позволяет допускать причинный характер выявленных телеконнекций.

Характеристики телеконнекций между изменениями среднемесячных ТПО и вариациями повторяемости ЭЦМ изучаемых групп в том или ином месяце зависят также от номера месяца и временного сдвига начал соответствующих временных рядов. При этом, по мере увеличения указанного сдвига, количества районов, для которых телеконнекции являются значимыми, в начале увеличиваются, а далее, уменьшаются. Тем не менее, подобные районы существуют при любых сдвигах, достигающих 11 месяцев, что свидетельствует о целесообразности учета выявленных закономерностей при решении ряда актуальных задач прогнозирования.


Библиографический список
  1. Мультановский, Б. П. Основные положения синоптического метода долгосрочных прогнозов погоды [Текст] / Б. П. Мультановский. – М.: Издательство ЦУЕГМС, 1933. – 140 c.
  2. Willett, H. C. Patterns of world weather changes [Text] / H. C. Willett // Transactions, American Geophysical Union. – 1948. – Vol. 29, Issue 6. – P. 803–805. doi: 10.1029/tr029i006p00803
  3. Willett, H. C. Descriptive meteorology. [Text] / H. C Willett // New York: Academic press, 1944. – 310 p.
  4. Rossby, C. G. The circulation of the upper troposphere and lower stratosphere [Text] / C. G. Rossby, H. C. Willett // Science. – 1948. – Vol. 108, Issue 2815. – P. 643–652. doi: 10.1126/science.108.2815.643
  5. Word, F. Meteorological periodicities [Text] / F. Word, R. Shapiro // Journal of Meteorology. – 1961. – Vol. 18, Issue 5. – P.635–656. doi: 10.1175/1520-0469(1961)018<0635:MP>2.0.CO;2
  6. Кононова, Н. К. Особенности циркуляции атмосферы Северного полушария в конце ХХ – начале ХХI века и их отражение в климате [Текст] / Н. К. Кононова // Сложные системы. – 2014. – № 2 (11). – C. 11–36.
  7. Вангейм, Г. Я. О колебаниях атмосферной циркуляции над Северным полушарием [Текст] / Г. Я. Вангейм // Известия АН СССР. Сер. Географ. и Геофиз. – 1946. – № 5. – С. 405–416.
  8. Дзердиевский, Б. Л. Типизация циркуляционных механизмов в северном полушарии и характеристика синоптических сезонов [Текст] / Б. Л. Дзердиевский, В. М. Курганская, З. М Витивицкая // Тр. Н.-и. учреждений Гл. упр. Гидрометеорол. Службы при Совете Министров СССР. Сер.2 Синоптическая метеорология. – 1946. – Вып. 21. – C. 80.
  9. Гирс, А. А. Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов [Текст] / А. А. Гирс // Л. Гидрометеоиздат, 1974. – 488 c.
  10. Кононова, Н. К. Циркуляция атмосферы в Европейском секторе северного полушария в XXI веке и колебания температуры в Крыму [Текст] / Н. К. Кононова // Геополитика и экогеодинамика регионов. – 2014. – Т. 10, № 1. – С. 633–640.
  11. База данных об изменениях в 1899–2011гг. суммарных продолжительностей периодов, в течение которых ЭЦМ различных групп преобладали в северном полушарии [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.Atmospheric-circulation.ru
  12. Скворцов, А. В. Метод триангуляции Делоне и его применение [Текст] / А. В. Скворцов. – Томск: Изд-во Томского государственного университета, 2002. – 128 c.
  13. Stewart R.H. Introduction to physical oceanography. Texas A&M University. Dep.of oceanogrpahy, 2008. 353 p
  14. Океанология, т.1. Гидрофизика океана / Под ред. Каменковича В.М., Монина А.С. М.: Наука, 1978. 456 с.
  15. Жадин Е.А. Влияние межгодовых вариаций температуры поверхности океана на циркуляцию стратосферы и озоновый слой [Текст]: дис. … д-ра физ.-мат. наук: 25.00.29. Долгопрудный, 2004. 208 c.


Все статьи автора «Никифорова Мария Павловна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: