Диссертация (1145308), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Минимумы коэффициентов корреляции наблюдаются вконце XIX века, в 1930−1940-х и в ~1990-х годах. Таким образом, изменения коэффициентовкорреляции для высоких широт предполагают наличие периодичности ~50-60 лет.Рассмотримвременнойходкоэффициентовкорреляциимеждусреднегодовымизначениями приземного давления SLP, осредненного со взвешиванием по площади повысокоширотному поясу 60−85°N, и числами Вольфа R( SLP, Rz ) для скользящих 17-летнихинтервалов. Как видно из рис.4.12а, в области полярных и субполярных широт коэффициентыкорреляции испытывают четко выраженные колебания с максимумами в 1910-х и 1960-1970-хгодах.
При этом в 1890-1900-х, начале 1920-х, 1940-1950-х, а также начале 1980-х гг.наблюдается изменение знака коэффициентов корреляции. В зависимости от временного206периода коэффициенты корреляции могут достигать величин ±0.6 (уровень значимости P=0.98согласно оценкам по методу Монете-Карло). Наиболее высокие (по абсолютной величине) истатистически значимые коэффициенты корреляции межу давлением и числами Вольфанаблюдались в 1990-х годах (R(SLP, Rz ) ~ −0.7 при значимости P=0.99).High latitudes24(a)Spectral power densityCorrelation coefficient0.80.40-0.4-0.81880 1900 1920 1940 1960 1980 2000(b)20∼63 yrs161284000.10.20.3Frequency, yr-1Years(c)646445,345,33232Period, yrs-3,500-3,063-2,625-2,188-1,750-1,313-0,8750-0,437500,43750,87501,3131,7502,1882,6253,0633,50022,622,6161611,311,3885,75,719001920194019601980YearsРис.4.12. а) Временной ход коэффициентов корреляции R(SLP, Rz ) между среднегодовымизначениями приземного давления SLP, осредненного по области широт 60-85°N, и числамиВольфа для скользящих 17-летних интервалов; б) Фурье-спектры коэффициентов корреляцииR(SLP, Rz ); c) вейвлет-спектр (базис MHAT) коэффициентов корреляции R(SLP, Rz ).Приведенные данные свидетельствуют о наличии ~60-летней периодичности в характеревоздействия вариаций СА/ГКЛ на циркуляцию нижней атмосферы, что подтверждаетсярезультатамиспектральногоанализа.Действительно,спектрыФурьекоэффициентовкорреляции между давлением в области широт 60-85°N и числами Вольфа обнаруживают207доминирующую гармонику с периодом ~63 лет (рис.4.12б).
Статистическая значимостьуказанной гармоники рассчитывалась относительно спектра “красного” (AR(1)) шума припомощи χ2-статистики [Torrence and Compo, 1998] (Приложение 3). Cогласно проведеннымоценкам, cтатистическая значимость гармоники с периодом ~63 лет в спектре коэффициентовкорреляции превышает 0.95.Следует отметить, что Фурье-анализ дает только грубую оценку периода вариаций, так какисходный ряд данных MSLP довольно короткий.
Для подтверждения результатов Фурьеанализа независимым методом был построен вейвлет-спектр коэффициентов корреляции сиспользованием базиса MHAT (Mexican hat) [Torrence and Compo, 1998]. Полученный вейвлетспектр показан на рис.4.12с. Вейвлет-спектр отчетливо показывает две крупные детали смасштабом порядка 60 лет, что хорошо согласуется с Фурье-спектром.В среднеширотной области 30-45°N, являющейся областью внетропического циклогенеза,также хорошо видны долговременные колебания коэффициентов корреляции R(SLP, Rz ) междуприземным давлением и числом солнечных пятен (рис.4.13а). Тем не менее, временной ходкоэффициентов корреляции и Фурье-спектр обнаруживают вековую вариацию с периодом ~130лет (синяя линия на рис.4.13а и 4.13б).
Удаление линейного тренда из коэффициентовкорреляции позволяет выявить Фурье-спектр, содержащий 2 пика: доминирующий пик спериодом ~63 лет и более слабый пик с периодом ~21 год (красная линия на рис.4.13а и 4.13б).Результаты вейвлет-анализа на основе базиса MHAT, представленные на рис.4.13с, показываютдве крупные детали с масштабом ~60-70 лет и несколько более мелких с масштабом ~20 лет,что также хорошо согласуется с результатами Фурье-анализа.Таким образом, результаты проведенного исследования на основе данных архива MSLP ичисел Вольфа подтвердили наличие долговременных изменений эффектов СА/ГКЛ вциркуляции тропосферы высоких и умеренных широт. Солнечно-тропосферные связи могутусиливаться, ослабевать и даже менять знак в зависимости от рассматриваемого временногопериода.
Отличительной чертой корреляционных связей между приземным давлением вумеренных и высоких широтах и числами Вольфа является доминирующая ~60-летняяпериодичность. Обнаружены изменения знака корреляции между приземным давлением в 18901900-х, начале 1920-х, 1940-1950-х, а также начале 1980-х гг. В умеренных широтах спектрыкоэффициентов корреляции между давлением и числами Вольфа обнаруживают, кроме того,~20-летнюю гармонику, близкую к периоду магнитного цикла Хейла на Солнце.
Даннаягармоника наблюдается также в ряде климатических параметров [Оль, 1969; Mitchel et al., 1979;Schuurmans, 1975; Пудовкин и Любчич, 1989; Peristykh and Damon, 1998; Raspopov et al., 2004;Веретененко и др., 2007а, 2009; Veretenenko et al., 2010, и др.].208Middle latitudes0.820Spectral power densityCorrelation coefficient(a)0.40-0.4Raw dataDetrended data127 yrs16(b)Raw dataDetrended data∼63 yrs12-0.88~21 yrs4001880 1900 1920 1940 1960 1980 2000Years0.10.20.3Frequency, yr-1(c)646445,345,33232Period, yrs-3,500-3,063-2,625-2,188-1,750-1,313-0,8750-0,437500,43750,87501,3131,7502,1882,6253,0633,50022,622,6161611,311,3885,75,719001920194019601980YearsРис.4.13.
а) Временной ход коэффициентов корреляции R(SLP, Rz ) между среднегодовымизначениями приземного давления SLP, осредненого по области умеренных широт 30-45°N, ичислами Вольфа для скользящих 17-летних интервалов; б) фурье-спектры коэффициентовкорреляции R(SLP, Rz ); c) вейвлет-спектр (базис MHAT) коэффициентов корреляции R(SLP,Rz ).Следуетотметитьважность~60-летнейпериодичностиввариацияхсолнечно-тропосферных связей. Наличие четко выраженной периодичности свидетельствует о том, чтообнаруженныеизмененияамплитудыизнакакорреляциймеждуатмосфернымихарактеристиками и вариациями СА/ГКЛ неслучайны и обусловлены некоторым физическиммеханизмом, который будет обсуждаться в следующих разделах.2094.3. Пространственно-временная структура долговременных эффектов СА/ГКЛ ввариациях давления тропосферы и ее связь с эволюцией крупномасштабной атмосфернойциркуляции4.3.1.
Эффекты СА/ГКЛ в областях формирования основных элементов макроциркуляцииатмосферыДанные, приведенные в разделе 4.2, показывают, что возмущение циркуляции приизменениях потока ГКЛ в 11-летнем цикле, охватывает всю тропосферу от высоких до низкихширот. Значимые корреляции между давлением тропосферы и потоками ГКЛ наблюдаются повсему земному шару, обнаруживая при этом широтно-региональную зависимость. Этосвидетельствует о том, что вариации ГКЛ сопровождаются возмущением общей циркуляцииатмосферы, которое по-разному проявляется в различных регионах в зависимости отособенностей атмосферных процессов, характерных для данного региона. Полученныерезультатыхорошосогласуютсяспринципами,сформулированнымиВангенгеймом[Вангенгейм, 1952] и Гирсом [Гирс, 1974].
Согласно принципам Вангенгейма-Гирса, атмосферавыступает как единое целое, все части которой взаимодействуют друг с другом, поэтомупроцессы, наблюдаемые в отдельных регионах следует рассматривать как проявлениеобщециркуляционного фона в конкретных физико-географических условиях того или другогорегиона [Гирс, 1974]. Чтобы понять причины наблюдаемых особенностей пространственновременной структуры эффектов СА/ГКЛ в тропосферном давлении, обратимся к основнымэлементам крупномасштабной атмосферной циркуляции.Основными элементами макроциркуляции атмосферы в высоких и умеренных широтахсеверного полушария являются циркумполярный вихрь, планетарная высотная фронтальнаязона, а также фронтальные циклоны и антициклоны.
Циркумполярный, или полярный, вихрь(ЦПВ) представляет собой циклоническую циркуляцию c центром в районе полюсов, котораяохватывает среднюю и верхнюю тропосферу и стратосферу. Формирование ЦПВ обусловленопоступлением в Арктику теплого воздуха по западной части высотных гребней, которыйпопадает в условия отрицательного радиационного баланса и охлаждающего влияния ледянойподстилающей поверхности [Гирс, 1974] Перечисленные условия способствуют охлаждению иоседанию воздуха, что приводитросту давления у поверхности Земли (формированиюприземного арктического антициклона). Одновременно с ростом приземного давленияпроисходит опускание изобарических поверхностей и формирование области пониженногодавления на высотах 500 гПа и выше – центра вихря [Гирс, 1974].
Центр ЦПВ обычнорасположен над Канадой, но иногда появляется второй центр над восточной Сибирью.Другим важным элементом макроциркуляции атмосферы являются планетарные высотныефронтальные зоны – системы высотных фронтальных зон (областей высоких контрастов210температуры в тропосфере), опоясывающих все полушарие или бόльшую его часть. Вофронтальных зонах сконцентрирована значительная часть энергии атмосферной циркуляции.
Сфронтальными зонами связаны струйные течения – сильные воздушные потоки в верхнейтропосфере и стратосфере. В нижней части фронтальных зон формируются атмосферныефронты – узкие переходные области между холодными и теплыми воздушными массами,характеризуемые большими горизонтальными градиентами температуры. Таким образом,сезонное положение высотных фронтальных зон показывает районы преобладающегоформирования отдельных тропосферных фронтов. Главные климатологическиефронты вовнетропических широтах совпадают с высотными фронтальными зонами соответствующихсезонов [Погосян, 1972].С высотными фронтальными зонами и соответствующими тропосферными фронтамитесно связана циклоническая деятельность в умеренных широтах, т.е. формирование, эволюцияи перемещение циклонов и антициклонов в атмосфере.
Как известно, подавляющая частьциклонов умеренных широт формируется на главных атмосферных фронтах: полярныхфронтах, разделяющих воздух умеренных широт от более теплого тропического воздуха, иарктических фронтах, разделяющих холодный арктический воздух и воздух умеренных широт(напр., [Хромов и Петросянц, 1994]). Это обусловлено наличием высоких температурныхконтрастов во фронтальных зонах, что создает условия для интенсивной адвекции холода,способствующей развитию циклона. Адвекция холода порождает новый или усиливает ужесуществующий циклонический вихрь и является энергетической основой для его развития[Воробьев, 1991].
Таким образом, роль циклонической деятельности в циркуляции атмосферысостоит в ликвидации избыточных контрастов температуры, так как в результате этойдеятельности происходит обмен воздушными массами между высокими и низкими широтами иуменьшениемеридиональныхградиентовтемпературы.Такимобразом,развитиевнетропических циклонов способствует уменьшению избыточных контрастов температуры(потенциальной энергии), сконцентрированных во фронтальных зонах.Рассмотрим вариации среднего регионального давления в области наиболее частогоформированияциркумполярноговихря,включающуюарктическуючастьКанадыиГренландию (60−85°N, 220−350°E), и полярной фронтальной зоны (ПФЗ) у восточных береговСеверной Америки (25−40°N, 280−300°E).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
