Диссертация (1145308), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Наземное проявление NAM называется АрктическойОсцилляцией (АО). При отрицательной фазе АО в высоких широтах наблюдаютсяположительные аномалии приземного давления, а в умеренных – отрицательные (рис.4.25A).Западные ветра в поясе умеренных широт ослабевают (в Северной Атлантике – отрицательнаяфаза NAO). Циркумполярный вихрь ослабевает, полярное струйное течение замедляется иобразует меандры. Положительная фаза АО характеризуется отрицательными аномалиямиприземного давления в высоких широтах и положительными – в субтропических и умеренныхширотах, что сопровождается усилением западных ветров в умеренных широтах (всевероатлантическом регионе – положительные значения индекса NAO) и смещениемтраекторий циклонов к северу (рис.4.25B из работы [Baldwin and Dunkerton, 2001]). При этом встратосфере имеет место ослабление субтропического струйного течения и усиление полярногоструйного течения, т.е.
циркумполярный вихрь усиливается и становится холодным.Рис.4.25. Структура аномалий приземного давления при слабом (справа) и сильном (слева)циркумполярном вихре в северном полушарии (по данным работы [Baldwin and Dunkerton,2001].Для оценки Арктической Осцилляции применяются разные методы. Согласно [Tompsonand Wallace, 1998; Baldwin and Dunkerton, 2001] индекс NAM (AO) определяется первойэмпирическойортогональнойфункциейвразложениисреднемесячныханомалийгеопотенциальных высот изобарических уровней (приземного давления). Ли и Ванг [Li andWang, 2003] рассмотрели разность нормализованных среднемесячных зональных значенийприземного давления между широтами 35º и 65ºN230ZI = P35 N − P65 N(4.1)и показали, что данный индекс хорошо коррелирует с индексом АО, определенным Томпсономи Уоллесом [Tompson and Wallace, 1998].
Поскольку значения индекса Ли и Вангарассчитываются начиная с конца XIX-го века (http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/65569), рассмотримэтот индекс как возможный показатель интенсивности вихря.Временные вариации индекса NAM (АО) согласно данным [Li and Wang, 2003]представлены на рис.4.26а. Можно видеть, что этот индекс обнаруживает отчетливую ~80летнюю вариацию. Положительные значения индекса имели место в периоды ~1890-1930 и~1980-2010 гг., а отрицательные – в конце XIX-го века и в ~1930-1980 гг. Указаннаяпериодичность подтверждается результатами спектрального анализа (рис.4.26б). Сравнениевременного хода индекса NAM (АО) с долговременными колебаниями солнечной активности(вариациями амплитуды 11-летних солнечных циклов) указывают на возможную связь междуисследуемым индексом и вековым циклом Глайссберга.
Действительно, согласно данным на20a)NAM(AO)NAM (AO)10-1-2b)16NAM (AO)∼82 yrs128401800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020200160Sunspot numbersSprectral power density200.10.20.3Frequency, yr-1c)120804001800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020YearsРис.4.26. a) Среднегодовые значения индекса NAM (AO) по данным [Li and Wang, 2003];б) спектр Фурье среднегодовых значений индекса NAM(AO); c) среднегодовые значения чиселВольфа Rz .
Серые линии на (а, c) показывают линейные тренды; красная сплошная линия (а) исиняя штриховая линия (c) показывают аппроксимацию значений NAM/AO и чисел Вольфа вмаксимумах 11-летних циклов полиномами 6-й степени.231рис.4.26а и 4.26с, положительная фаза NAM (АО) наблюдалась в период минимума циклаГлайссберга (~1890-1930 гг.), а также на спаде данного цикла (~1980-2010 гг.). Отрицательнаяфаза NAM(АО) совпала с периодом повышенной солнечной активности (~1940-1980 гг.).Тем не менее, как было показано выше, временная структура эффектов СА/ГКЛ вциркуляции тропосферы обнаруживает более короткую периодичность (~60 лет), чем индексыNAM/АО по данным Ли и Ванга (~80 лет). Указанная разница в периодах может означать, чтоданный индекс NAM/АО в бóльшей степени зависит от процессов в субтропических иумеренных широтах (см. формулу 4.1), которые могут характеризоваться ~80-летнейпериодичностью, тогда как для процессов на более высоких широтах характерен ~60-летнийцикл [Minobe, 1997; Гудкович и др., 2009 и т.д.].
Таким образом, для оценки интенсивностициркумполярноговихрявпрошлом,по-видимому,следуетиспользоватьдругиехарактеристики.Поскольку для сильного вихря характерны отрицательные аномалии давления в высокихширотах, а для слабого – положительные, рассмотрим в качестве косвеннго показателяинтенсивности вихря аномалии приземного давления SLP в Арктическом регионе. На рис.4.27апредставлены отклонения от полиномиального тренда 3-го порядка среднегодовых значенийSLP, осредненных со взвешиванием по площади в широтном поясе 75-85ºN по данным архиваMSLP (ftp://ftp.cru.uea.ac.uk).
Там же представлены аномалии среднегодовых значенийприземной температуры в области широт 70-85ºN согласно данным работы [Фролов и др.,2007а].Как видно из рис.4.27а, в Арктическом регионе наблюдаются четко выраженныедолговременные колебания метеорологических характеристик с периодом, близким к 60-тигодам, при этом температура и давление меняются в противофазе. Представленные на рис.4.27аданные позволяют выделить несколько эпох с характерными вариациями температуры идавления, переходы между которыми имели место около 1900 года, в начале 1920-х гг., в 1950-хгг. и в начале 1980-х гг.
Эпоха отрицательных аномалий приземного давления в Арктике,сопровождаемая повышением температуры, наблюдается с начала 1980-х гг. и совпадает спериодом сильного вихря, определенному по усилению градиентов давления междуумеренными и высокими широтами в средней тропосфере и понижению температуры ввысокоширотной стратосфере на основе данных реанализа NCEP/NCAR (рис.4.23). Эпохаположительных аномалий давления, сопровождаемая понижением приземной температуры,наблюдалась в период ~1950-1980 гг. и совпала с эпохой слабого вихря по данным реанализа,характеризуемой уменьшением градиентов давления в средней тропосфере и увеличениемстратосфернойтемпературы(рис.4.23).Такимобразом,периодысильноговихряхарактеризуются повышением приземной температуры в Арктике (что согласуется с данными23253a)∆SLP, hPa110-1Temperature,°C23-1-3∆SLP (75-85°N)-2∆T (70-85°N)Correlation coefficient-50.8-3b)0.40-0.4-0.8R(SLP, Rz)R(GPH700,NM)1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020YearsРис.4.27.
a) Аномалии приземного давления ∆SLP (тонкая синяя линия) и приземнойтемпературы ∆Т (тонкая красная линия) в Арктическом регионе. Толстыми линиями показаны15-летние скользящие средние; б) временной ход коэффициентов корреляции по скользящим15-летним интервалам между среднегодовыми значениями давления в высокоширотнойобласти 60-85ºN и характеристиками СА/ГКЛ: R(SLP, Rz ) (сплошная красная линия) иR(GPH700,NM) (штриховая синяя линия).
Вертикальные штриховые линии показываютпереходы между эпохами Арктической Осцилляции.Фролова и соавторов [Фролов и др., 2007а]) и понижением приземного давления. Возможнойпричиной указанных вариаций метеорологических характеристик является смещение к северутраекторий циклонов, обнаруженное при условиях сильного вихря [Baldwin and Dunkerton,2001], которое способствует более интенсивному приходу циклонов в высокие широты.Периоды слабого вихря, наоборот, характеризуются повышением приземного давления ипонижением температуры. Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что временныепериоды ~1870-1900 гг.
и ~1920-1950 гг. были эпохами сильного вихря, аналогичнонаблюдаемой с начала 1980 года. Период ~1900-1920 гг., по всей видимости, была эпохойслабого вихря, аналогично эпохе ~1950-1980 гг. Сравнивая колебания приземных температур и233давления в Арктике и временные вариации эффектов СА/ГКЛ (рис.4.27б), можно видеть, чтообращения знака коэффициентов корреляции между давлением и характеристиками СА/ГКЛдействительно совпадают с переходами между различными фазами Арктической Осцилляции,соответствующими различным состояниям циркумполярного вихря.Как показывают данные на рис.4.27, изменения метеорологических характеристик вАрктике и соответствующее чередование фаз Арктической Осцилляции характеризуются ~60летней периодичностью, что подтверждается результатами спектрального анализа. На рис.4.28представлены спектры Фурье аномалий приземного давления и температуры, а также частотыповторяемости формы С меридиональной циркуляции по классификации Вангенгейма-Гирса.Как видно из рис.4.28, спектры всех указанных характеристик обнаруживают доминирующуюгармонику с периодом, близким к 60-ти годам, статистически значимую на уровне 0.95−0.99,который оценивался относительно спектра красного (AR(1)) шума (Приложение 3).
Посколькудля формы С меридиональной циркуляции характерно формирование гребня над восточнойчастью Северной Атлантики, огибая который циклоны более интенсивно смещаются в высокиешироты и способствуют понижению давления и повышению температуры в Арктике, наличие60-летней периодичности повторяемости формы С хорошо согласуется с соответствующимипериодичностями в вариациях температуры и давления. Аналогичная гармоника с периодом~60 лет наблюдается в коэффициентах корреляции между приземным давлением в высоких иумеренных широтах и числами Вольфа (рис.4.12-4.14, 4.28d).Таким образом, приведенные выше данные показывают, что колебания аномалийприземных температуры и давления в высоких широтах (Арктическая Осцилляция) могутслужить достаточно хорошим косвенным показателем интенсивности циркумполярного вихря впрошлом.Вариацииинтенсивностивихря,оцененныесогласноуказаннымданным,обнаруживают четко выраженную ~60-летнюю периодичность.
Изменения состояния вихряиграют определяющую роль для эффектов солнечной активности в тропосферной циркуляции.Действительно, временной ход коэффициентов корреляции между тропосферным давлением вовнетропических широтах и числами Вольфа обнаруживают аналогичную ~60-летнююпериодичность, при этом обращения знака коэффициентов корреляции совпадают с переходамициркумполярного вихря из одного состояния в другое. Полученные результаты подтверждаютвывод, сделанный в предыдущем разделе, что реакция атмосферной циркуляции на явлениясолнечной активности и вариации ГКЛ зависит от состояния циркумполярного вихря, чтоможет быть одной из причин временной изменчивости солнечно-климатических связей.Посколькувзависимостиотинтенсивностисостоянияхвихряменяетсяхарактервзаимодействия тропосферы и стратосферы посредством планетарных волн (напр., [Perlwitz andGraf, 2001]), влияние состояния вихря на характер эффектов СА/ГКЛ в циркуляции нижней234атмосферы свидетельствует, по всей видимости, о существенном вкладе динамическогомеханизма [Авдюшин и Данилов, 2000].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
