Диссертация (1145308), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Индекс NAO определяется как разность нормализованных значений186Рис.4.1. Количество метеорологических станций N (в %) с положительной и отрицательнойкорреляциеймеждуприземнойтемпературойичисламиВольфа(отложенывдольположительного и отрицательного направления оси абсцисс, соответственно). Черной линиейпоказаны сглаженные значения чисел Вольфа. Белым обозначены значения северо-южнойасимметрии А. По данным работы [Georgieva et al., 2007].давления между Исландским минимумом в высоких широтах и Азорским максимумом всубтропических широтах. Данный индекс характеризует интенсивность западных ветров вумеренных широтах Северной Атлантики, которая оказывает существенное влияние натемпературу и выпадение осадков в Европе [Hurrel, 1995]. При положительных значениях NAO,когда указанные центры действия атмосферы усиливаются (давление над Исландией нижесреднего, а давление над Азорскими остовами выше среднего), в Атлантике наблюдаются болееинтенсивные западные ветра.
При отрицательных значениях NAO, когда центры действияатмосферы ослабевают (давление над Исландией выше среднего, над Азорскими островами –ниже среднего), зональная циркуляция (западные ветра) ослабевают и усиливаетсямеридиональная циркуляция. Согласно данным Георгиевой и соавторов, индекс NAOотрицательно коррелировал с долгопериодными изменениями солнечной активности в XX веке,положительно в XIX веке, снова отрицательно в XVIII и снова положительно в XVII веках, т.е.связи между NAO и солнечной активностью меняются в зависимости от векового цикласолнечной активности.Изменения знака корреляции между NAO и геомагнитными индексами исследовались вработах [Thejll et al., 2003; Lukianova and Alekseev, 2004; Georgieva et al., 2012].
Согласноданным [Thejll et al., 2003], высокие коэффициенты корреляции между NAO и геомагнитнымиaa -индексами наблюдаются только в зимний период (рис.4.2). При этом с конца XIX века до1871950-х годов NAO коррелировал с aa -индексами отрицательно, около 1950 года знаккорреляции изменился на противоположный, и в 1970-х годах положительная корреляция NAOи aa -индексов достигла статистической значимости.
Авторы предположили, что в 1970-хпроизошло изменение состояния атмосферы, которое сделало ее более чувствительной ксолнечным воздействиям. Результаты, полученные Лукьяновой и Алексеевым [Lukianova andAlekseev, 2004], подтвердили изменение знака корреляции между NAO и aa -индексами около1950 года.Рис.4.2. Временной ход коэффициентов корреляции между средними за сезон значениями NAOи геомагнитными aa -индексами для скользящих 31-летних интервалов.
Точечная криваяпоказывает уровень статистической значимости 0.99 согласно оценкам по методу Монте-Карло.По данным работы [Thejll et al., 2003].Согласно данным, приведенным Георгиевой и соавторами [Georgieva et al., 2012], периодыразного знака корреляции NAO и солнечной/геомагнитной активности могут быть связаны сизменением вклада в долговременные изменения геомагнитной активности тороидального иполоидального магнитных полей Солнца.
Пятнообразовательную деятельность Солнца обычнообъясняют работой динамо-механизма, трансформирующего солнечное полоидальное поле(превалирующее в минимуме солнечных пятен) в тороидальное (в максимуме солнечных пятен)и обратно [Parker, 1955]. С развитием тороидального поля связаны такие проявления солнечнойактивности, как образование солнечных пятен, солнечные вспышки, вариации полной (TSI) испектральнойсолнечнойрадиации,выбросыкорональноговещества,приводящиекспорадическим возмущениям солнечного ветра. С полоидальным полем связано образованиекорональных дыр, создающих рекуррентные возмущения солнечного ветра.
Как показываютавторы работы [Georgieva et al., 2012], полоидальное поле Солнца способствует увеличению188индекса NAM (Northern Annular Mode характеризует, согласно [Tompson and Wallace, 1998;Baldwin and Dunkerton, 2001], интенсивность циркумполярного вихря и влияет на развитиеNAO), тогда как тороидальное – уменьшению этого индекса. Там же показано, что по 19-йсолнечный цикл (с максимумом в 1957 году) основной вклад в геомагнитную активностьдавали солнечные агенты, обусловленные тороидальным полем, тогда как, начиная с 20-гоцикла, основную роль в развитии геомагнитной активности играют агенты, обусловленныеполоидальным полем.
По мнению авторов, переключение знака корреляции между NAO исолнечной/геомагнитной активностью с отрицательного на положительный, произошедшее впериод с ~1950 по ~1970 год, произошло вследствие изменения вклада в геомагнитнуюактивность проявлений солнечной активности, связанных с тороидальным и полоидальнымполем Солнца.Таким образом, причины временнóй изменчивости эффектов солнечной активности ввариациях климатических и метеорологических параметров остаются невыясненными. В связис этим в данной главе исследуется пространственно-временная структура долговременныхэффектов солнечной активности (СА) и галактических космических лучей (ГКЛ) в вариацияхдавлениятропосферы,атакжерассматриваютсявозможныепричиныхарактерныхособенностей этой структуры. Результаты исследования опубликованы в работах [Веретененкои Огурцов, 2012, 2013; Veretenenko and Ogurtsov, 2009, 2012a; 2012б; 2012в; Veretenenko andOgurtsov, 2013, 2014].4.2.
Пространственно-временная структура изменений давления в тропосфере в связи свариациями солнечной активности и потоков галактических космических лучей4.2.1. Пространственное распределение эффектов ГКЛ в вариациях атмосферногодавления в северном и южном полушарии по данным реанализа NCEP/NCARКак было показано в главах 2 и 3, вариации солнечных и галактических космическихлучей могут оказывать существенное влияние на развитие динамических процессов ватмосфере на коротких временных шкалах. Однако в 11-летнем солнечном цикле наряду свариациями КЛ имеют место вариации и других факторов солнечной активности, которыемогут влиять на атмосферные процессы. К ним относят потоки интегральной солнечнойрадиации (TSI) и ультрафиолетовой радиации, возмущения солнечного ветра, способствующиеразвитию геомагнитной активности и высыпаниям энергичных частиц в высокоширотнойатмосфере, и т.д.
Воздействие указанных факторов может частично компенсировать или,наоборот, усиливать эффекты ГКЛ. Тем не менее, разделение влияния различных факторовсолнечной активности методом частной корреляции [Веретененко и Пудовкин, 1993; Pudovkinand Veretenenko, 1996, Veretenenko and Pudovkin, 1999, 2000] показало, что вариации потоков189ГКЛостаютсяоднимизнаиболееэффективныхагентовсолнечнойактивности,обеспечивающих передачу возмущений межпланетной среды, создаваемых солнечнойактивностью в нижние слои атмосферы.
В частности, коэффициенты частной корреляциимежду интенсивностью зонального потока в умеренных широтах и потоками ГКЛ, а такжемежду поступлением суммарной радиации и потоками ГКЛ, полученные в вышеуказанныхработах, могут достигать абсолютных значений ~0.8 (более подробно о разделении эффектовсолнечно-геофизических явлений методом частной корреляции рассказывается в разделе 5.3.2).Важная роль ГКЛ в механизме солнечно-атмосферных связей отмечалась в ряде работ [Ney,1959; Сазонов, 1966; Tinsley and Deen, 1991; Пудовкин и Распопов, 1992; Pudovkin andVeretenenko, 1996; March and Svensmark, 2000а, 200б; Usoskin and Kovaltsov, 2008; Tinsley,2008]. В связи с этим в настоящей главе рассматриваются долговременные корреляционныесвязи между тропосферным давлением и вариациями потоков ГКЛ, которые представляютсобой не единственный, но один из наиболее важных агентов солнечной активности в нижнейатмосфере.В качестве характеристики давления тропосферы в данном исследовании использовалисьсреднегодовые значения геопотенциальных высот изобарического уровня 700 гПа (GPH700),рассчитанные по данным реанализа NCEP/NCAR за 1948-2006 гг.
[Kalnay et al., 1996]. Архивреанализа NCEP/NCAR представляют собой комплексный архив данных, созданныйНациональным Центром Прогноза Окружающей Среды США (NCEP) совместно сНациональным Центром Атмосферных Исследований (NCAR) для исследования атмосферныхпроцессов в глобальном и региональном масштабе. Архив включает поля всех основныхметеорологических параметров, полученных из различных источников (метеорологические,радиозондовые, самолетные, спутниковые и т.д.), которые преобразуются (ассимилируются) всеточный набор данных с шагом 2.5°x2.5° при помощи моделей общей циркуляции атмосферы.Для характеристики интенсивности потока ГКЛ использовались среднегодовые значенияскорости счета NM нейтронного монитора в Клаймаксе (географические координаты 39°N,106°W, жесткость геомагнитного обрезания Rс = 2.99 ГВ) Международного Центра Данных посолнечно-земнойфизике(ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/COSMIC_RAYS/)запериод 1953-2005 гг.
Для оценки интенсивности ГКЛ до 1953 года использовалисьвосстановленные данные работы [McCraken and Beer, 2007].Результаты проведенного исследования показали, что изменения давления, связанные свариациями интенсивности потока ГКЛ, наблюдаются по всему земному шару, при этом иххарактер обнаруживает отчетливо выраженную пространственно-временную изменчивость. Нарисунках 4.3а,б представлены карты коэффициентов корреляции R(GPH700, NM) междудавлением в тропосфере и скоростью счета нейтронного монитора в Клаймаксе для периодов1901953-1981 и 1982-2000 гг. Временные периоды выбраны таким образом, чтобы наиболеенаглядно показать региональный характер атмосферного отклика на вариации ГКЛ, а такжеизменение характера отклика в зависимости от исследуемого периода (физический смыслданного разделения периодов будет пояснен позднее).
Распределение коэффициентовкорреляции сопоставлено с климатическим (средним многолетним) положением главныхатмосферных фронтов согласно данным [Хромов и Петросянц, 1994]. Уровни статистическойзначимости коэффициентов корреляции оценивались методом рандомизации фаз [Ebisuzaki,1997]. Для оценки проводилось статистическое моделирование распределения случайныхкоэффициентов корреляции, включающее генерацию значительного количества пар (N=1000)суррогатных временных рядов при помощи перемешивания (рандомизации) фаз Фурьепреобразований исходных временных рядов (Приложение 2).Результаты расчетов, приведенные на рис.4.3а для периода 1982-2000 гг., обнаруживаютнесколько четко выраженных областей положительной и отрицательной корреляции междудавлениемвтропосфереиинтенсивностьюГКЛ,тесносвязанныхс положениемклиматологических фронтов:1)Высокоширотная область положительной корреляции в северном полушарии, гдекоэффициенты корреляции R(GPH700, NM) составляют ∼0.6−0.7 на уровне значимостиP=0.97−0.98.
Границы области совпадают с климатическим положением арктических фронтов,разделяющих холодные арктические воздушные массы, где формируются приземныеантициклоны, от более теплого воздуха умеренных широт. Положительные значенияR(GPH700, NM) свидетельствуют об интенсификации арктических антициклонов при ростеинтенсивности ГКЛ в рассматриваемый временной период.2)Области отрицательной корреляции в умеренных широтах северного полушария,преимущественно у берегов материков и над океанами (R(GPH700, NM) ∼ −0.5…−0.6, P =0.95−0.97). Эти области совпадают с климатическим положением полярных фронтов,отделяющих воздушные массы умеренных широт от тропического воздуха. С полярнымифронтами связано интенсивное формирование и развитие внетропических циклонов, поэтомунаблюдаемая отрицательная корреляция R(GPH700, NM) свидетельствует об усилениициклогенеза при росте потоков ГКЛ в данный период.3)Низкоширотная область слабой положительной корреляции (R(GPH700, NM) ∼ 0.3−0.4,P ≤ 0.90, за исключением тихоокеанского региона) в районе экваториальной ложбины.Экваториальная ложбина представляет собой область пониженного давления, где наблюдаетсясходимость пассатных течений и формирование тропических циклонов.191Рис.4.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
