проявление описанных процессов в стоках рек

ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
УДК 551.501:513.7
СЕВЕРО-AТЛАНТИЧЕСКОЕ
И ЮЖНОЕ КОЛЕБАНИЯ,
А.Б. Полонский, ИЗМЕНЧИВОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
Е.Н.Воскресенская, ОКЕАНА В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ
Д.В.Башарин И ЕВРОПЕЙСКИЙ КЛИМАТ
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь
Проаналізовано мінливість у системі океан-атмосфера з характерним тимчасовим масштабом до 10 років і їхні Європейські прояви на основі інструментальних даних, головним
чином за останні 100 років. Отримано, що міжрічна-десятилітня мінливість клімату Європейського регіону визначається процесами в системі океан-атмосфера. При цьому основний
часовий масштаб цієї мінливості визначається характеристиками процесів, що протікають
у діяльному шарі океану. Північно-Атлантичне коливання (ПАК) обумовлює до 75% мінливості приземної температури в Північній Європі в зимовий період і близько 35% мінливості
стоків великих Європейських рік. ПАК на десятилітньому масштабі підтримується позитивним зворотним зв'язком у Північноатлантичній системі океан-атмосфера. Події Ель Ніньо
– Південне Коливання (ЕНПК) відповідальні за 15-25% міжрічної мінливості температури
в Європейському регіоні в області періодів 2-3 тижня блокингового типу і (разом із ПАК)
визначають катастрофічні паводкові умови в басейнах Європейських рік.
Проанализирована изменчивость в системе океан-атмосфера с характерным временным
масштабом до 10 лет и их Европейские проявления на основе инструментальных данных,
главным образом за последние 100 лет. Получено, что межгодовая-десятилетняя изменчивость климата Европейского региона определяется процессами в системе океан-атмосфера.
При этом основной временной масштаб этой изменчивости определяется характеристиками
процессов, протекающих в деятельном слое океана. Северо-Атлантическое колебание
(САК) обуславливает до 75% изменчивости приземной температуры в Северной Европе в
зимний период и около 35% изменчивости стоков крупных Европейских рек. САК на десятилетнем масштабе поддерживается положительной обратной связью в Североатлантической системе океан-атмосфера. События Эль Ниньо – Южное Колебание (ЭНЮК) ответственны за 15-25% межгодовой изменчивости температуры в Европейском регионе в области периодов 2-3 недели блокингового типа и (вместе с САК) определяют катастрофические
паводковые условия в бассейнах Европейских рек.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что на формирование климатической изменчивости Европы и всего Северного
полушария существенное влияние оказывает
САК [1-3]. Поэтому одним из наиболее важных
вопросов современных международных климатических программ исследований является
изучение изменчивости САК и механизма ее
влияния на климат Северного полушария и
Евразии. В то же время в последнее время достаточно активно дискутируется вопрос, оказывает ли влияние ЭН на межгодовую изменчивость Европейского региона, и если влияет,
то каким образом? Из результатов некоторых
работ следует, что зимой-весной ЭН оказывает

©
значительное воздействие на АтлантикоЕвропейский климат [4-8]. Поскольку САК и
ЮК являются основными глобальными климатическими сигналами межгодового масштаба,
вероятно, взаимодействие этих двух осцилляций ответственно за основную долю изменчивости климата Северного полушария [1,9,10]. В
данной работе будет проанализирована межгодовая-десятилетняя изменчивость температуры
воздуха и осадков, а также весенних стоков
некоторых европейских рек и условия наступления катастрофических паводков в связи с
САК/ЮК и флуктуациями характеристик деятельного слоя океана в Северной Атлантике.
Полонский А.Б., Воскресенская Е.Н., Башарин Д.В., 2003
59
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
ОПИСАНИЕ ДАННЫХ
В работе использовались следующие данные:
 среднемесячные данные индексов ЮК и
САК за 1891-1994 гг.;
 среднемесячные данные наблюдений по
температуре воздуха и осадкам в Причерноморском регионе в XX веке;
 среднемесячные объемы стоков Дуная,
Днепра, Днестра, Южного Буга за 1921-1993
гг., Рейна за 1936-1994 гг., Гароны за 19211994 гг., Луары за 1891-1994 гг.;
 среднесуточные данные реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов
погоды по температуре воздуха и осадкам за
1979-1993 гг. в узлах регулярной сетки 2.5º x
2.5º;
 среднемесячные данные реанализа Американского центра NCEP по температуре воз-
духа за 1950-2001 гг. в узлах регулярной сетки
c разрешением примерно 1.8º x 1.8º;
 среднегодовые данные о температуре
поверхности океана (ТПО) и теплосодержании
слоя 0-200м (Q200) в узлах регулярной сетки
2.5ºx2.5º между экватором и 50° с.ш. Северной
Атлантики с 1950 г. Методика обработки данных и их последующего анализа подробно описаны в [11].
Анализ гидрометеорологических условий,
сопровождавших наводнения основных рек,
впадающих в Черное море, проводился в терминах
среднеквадратичных
отклонений
(с.к.о.). Стоки рек считались экстремальными,
если они достигали или превышали 2.5 с.к.о.
среднемесячной величины стока. Обработка и
фильтрация полосовым фильтром 5-20 лет
многолетних рядов наблюдений выполнялась
для каждого месяца в отдельности.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
ОБЩАЯ СХЕМА ВОЗДЕЙСТВИЯ САК И
ЭНЮК НА ЕВРОПЕЙСКИЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МЕЖГОДОВОГО ДЕКАДНОГО
МАСШТАБА.
Погодные
/климатические аномалии, вызываемые глобальными процессами типа САК и ЭНЮК,
наблюдаются по всему Земному шару. В Атлантико-Европейском регионе они проявляются в большей степени в зимне-весенний период, а в стоках Европейских рек – весеннелетний, поскольку условия для весенне-летних
паводков формируются зимними метеоусловиями [1].
Главным фактором, определяющим аномальные условия над Европой, является САК.
При этом САК активизируется главным образом за счет усиления Исландского минимума.
Соответственно усиливается зональная циркуляция над западной и северной частью Европы,
а центры действия атмосферы в Атлантике
смещаются в северном направлении. В результате, траектории циклонов проходят через север Европы. Одновременно активизируются
Средиземноморские циклоны.
Следующим фактором, отвечающим за
аномальные условия в зимне-весенний период
над Европейским регионом, являются ЮК. С
помощью процессов атмосферной циркуляции
осуществляется передача сигнала ЮК из Тихого океана в Атлантику, что в свою очередь оказывает влияние на климатические изменения
Атлантико-Европейского региона. В период
развития теплого события ЭНЮК в Тихом океане (в конце зимы, весной и летом) зональная
циркуляция над Атлантико-Европейским сектором ослабевает, а при достижении ЭНЮК
зрелой фазы в конце осени-начале зимы следующего года – усиливается. В результате над
большей частью Европы отмечается отрицательная корреляционная связь индекса ЮК с
флуктуациями среднесуточных и среднемесячных величин температуры и осадков. Приведенные в качестве примера на рисунках 1 и 2
корреляционные связи между индексами САК
и синоптическими вариациями температуры
воздуха и композитные аномалии приземного
давления в годы ЭНЮК подтверждают эту
схему. Причем коэффициенты корреляции
между индексом САК и среднемесячной температурой воздуха в северной части Европы
превышает в зимний период 0.85 (рис. не приведен). Это означает, что до 75% дисперсии
среднемесячной температуры и до 40-50% дисперсии синоптических флюктуаций температуры в Европейском регионе обусловлено САК.
Вклад ЭНЮК существенно меньше. Он не
превышает 15-25%.
Отметим, что оба описываемых сигнала
(САК и ЭНЮК) возникают вследствие взаимодействия океана с атмосферой. Причем именно
океан определяет типичный временной масштаб этих колебаний. Рисунок 3 демонстрирует этот факт применительно к САК.
60
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
с.ш.
65
0.35
60
0.20
55
0.05
50
-0.10
45
-0.25
40
-0.40
35
-0.55
30
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
в.д.
-0.70
Рисунок 1. Поле корреляций NAO индексов и доли дисперсии приземной
температуры, приходящейся на интервал [2,5-8] суток,
за январь-февраль месяцы 1979-1993 гг.
с.ш.
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-160-140-120-100 -80 -60 -40 -20 0
20 40 60 80 100 120 140 160
 в.д.
Рисунок 2. Аномалии средних за январь-февраль величин геопотенциала 1000 мб поверхности
в годы ЭН относительно средних величин за 15 лет (дам)
61
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
Он указывает на наличие значимой корреляции между температурой поверхности воды в
Атлантике и индексом САК на межгодовом и
декадном масштабах. Причем области значимых корреляций для межгодового и декадного
масштабов отмечаются в различных частях
Северной Атлантики. На межгодовом масштабе принципиально важны изменения ТПО
в Тропиках и Субтропиках (веротнее всего
адвективного происхождения), приводящие к
значимому атмосферному отклику. На это указывают максимальные коэффициенты корреляции аномалий ТПО и индекса САК в области Северного Пассатного течения и системе
Гольфстрим-Северо-атлантическое
течение
(см. рисунок 3а) и максимальные значения
соответствующей
кросс-корреляционной
функции при запаздывании индекса САК на
1 месяц по отношению к изменениям ТПО в
западной части субтропического круговорота
(рис. не приводится). Подчеркнем, что в Се-
верной Атлантике существует три основных
структурных зоны, отражающих реакцию
верхнего слоя океана на САК. Главным проявлением САК в термических характеристиках
верхнего слоя океана являются потепление
Субтропического круговорота и похолодание
Тропической Атлантики и Субполярного круговорота, достигающее максимума через 1-2
года после интенсификации САК. Вместе с
тем имеет место и обратная реакция САК на
океанские аномалии. Причем она запаздывает
на 4-5 лет относительно аномалий, сформировавшихся в восточных частях Северного тропического и Субтропического антициклонического круговоротов. Именно столько времени
требуется, чтобы океанический сигнал в деятельном слое достиг области Азорского максимума. Если считать, что аномалии перемещаются вдоль стрежней основных океанических течений, то средняя скорость их составляет порядка нескольких км/сут (см/сек).
A
Significant
60.00
0.70
0.55
50.00
0.40
Significant
40.00
0.25
Significant
30.00
0.10
Significant
-0.05
-0.20
20.00
-0.35
-0.50
10.00
-70.00
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
0.00
B
Significant
60.00
0.70
0.50
50.00
0.30
0.10
40.00
Significant
-0.10
Significant
30.00
-0.30
-0.50
20.00
-0.70
-0.90
10.00
-70.00
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
0.00
Рисунок 3. Пространственное распределение коэффициента корреляции между
ежемесячной ТПО и индексом САК. Ряды подвергнуты полосовой фильтрации,
сохраняющей колебания с периодами от 2 до 7 лет (а), от 7 до 15 лет (б)
62
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
Полученные результаты относятся и к ТПО и к
теплозапасу. Однако для ТПО уровень корреляции с индексом САК в целом выше. Вместе
с тем аномалии теплозапаса всего деятельного
слоя, отражающие в частности аномальность
меридиональных переносов тепла в океане,
потенциально важны для поддержания САК
[14]. Говоря о роли океана в поддержании ЮК,
следует подчеркнуть, что результаты многочисленных работ (см. работу [14] и библиографию в ней) показывают, что ЭНЮК – это
связанная мода в экваториальной системе океан-атмосфера.
ПРОЯВЛЕНИЕ
ОПИСАННЫХ
ПРОЦЕССОВ В СТОКАХ РЕК. Описанные тенденции проявляются и в изменчивости стоков
рек. В качестве примера приведем Рисунок 4a,
демонстрирующий значимую корреляцию
среднемесячных стоков Дуная
и индекса
САК, находящегося под влиянием изменчивости ТПО Северной Атлантики. Максимальные
значения коэффициентов корреляции отмечаются в северо-западной части Тропической
Атлантики, в области Гольфстрима и СевероАтлантического течения (-0.6 и -0.5 соответственно). Следует отметить, что модуль
коэффициента корреляции повышается при
запаздывании по времени аномалии стока Дуная от нуля до одного года (в районах Гольфстрима и Североатлантического течения) и от
нуля до двух лет (в северо-западной части
Тропической Атлантики). Далее при увеличеN
нии лага коэффициент корреляции растет и
меняет знак. Другими словами, после аномального охлаждения Северной Атлантике и
особенно ее северо-западной части, в течение
одного-двух лет стоки черноморских рек возрастают (рисунок 4б). Этот, значимый на 99
уровне, результат подтверждает решающую
роль изменчивости системы океан-атмосфера
в межгодовых-десятилетних флуктуациях стоков рек. Совместное действие САК и ЮК формирует гидрометеоусловия для катастрофическихпаводков на территории Европы. Их
влияние на стоки Европейских рек с разными
лагами видно из таблицы. Максимальные корреляции наблюдаются ранней весной (февраль-апрель), поздней весной (май-июнь), а
также летом, в июле-августе (в таблице не
приведено). Например, корреляция меду индексом СAК и стоком Рейна ранней весной
составляет -0.64, в то время как между индексом ЮК с таким стоком достигает -0.69. Таким образом, более 80% общей дисперсии стока Рейна ранней весной может быть объяснено совместным влиянием САК и ЮК. Следует
заметить, что атмосферные поля обычно опережают речные стоки примерно на 2-3 месяца.
Это обнадеживающий результат с точки зрения возможности заблаговременного прогнозирования величин среднемесячных стоков.
A
B
60
1.0
lead-lag correlation between monthly anomalies
of the Danube discharge and SST anomalies
in the Gulf Stream realm (45N, 60W)
correlation
50
40
30
0.0
20
10
-1.0
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
E
-100
0
100
delay, month
а
б
Рисунок 4. Пространственное распределение корреляции среднемесячного стока Дуная и аномалии
ТПО в Северной Атлантики без сдвига (а) и корреляция среднемесячных аномалий стока Дуная и
ТПО в районе Гольфтсрима (45ºс.ш., 60ºз.д.) при разных сдвигах (б). Знак “-“означает лидирование
аномалии ТПО. Области значимых на 99% уровне корреляций выделены точками.
Аномалии вычислялись как отклонение от текущего сезонного хода
63
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
Таблица. Maксимальные коэффициенты корреляции стоков Европейских рек (ранней весной и
поздней весной/летом) с САК и ЮК при разных запаздываниях речных стоков. Жирным шрифтом
помечены значимые на 95 % уровне величины
Река
Днепр
Днестр
Южный Буг
Дунай
Рейн
Гарона
Луарa
Ранняя весна
САК
Коэф.
коррел.
-0.71
-0.6
-0.66
-0.74
-0.64
-0.72
-0.72
Лаг
(мес.)
2
3
3
3
2
2
2
Поздняя
весна/лето
САК
Коэф.
Лаг
коррел.
(мес.)
-0.62
1
-0.63
1
-0.57
1
-0.51
1
-0.5
1
-0.77
1
- 0.52
1
Анализ экстремальных наводнений показал, что они могут наблюдаться ранней весной, когда усиление САК в зимний период
сопровождаются повышенными весенними
температурой воздуха и осадками, что обусловлено соответствующими фазами САК и
ЮК. При таких условиях быстрое таяние
больших объемов снега приводит к сильным
наводнениям. Наводнения поздней весны бывают катастрофическими при предваряющем
их пониженном САК, сопровождаемом холодной зимой и затяжной весной, резким потеплением во время поздней весны и интенсивными майскими дождями. При этих условиях
быстрое таяние накопившейся снежной массы
в мае-июне, дополненное аномально большими весенними осадками, формируют стоки
рек, превышающие 3 с.к.о. Следует заметить,
что наиболее мощные весенние паводки ос-
Ранняя весна
ЮК
Коэф.
коррел.
-0.66
-0.71
-0.58
-0.6
-0.69
-0.58
-0.56
Лаг
(мес.)
0
1
1
0
0
1
0
Поздняя
весна/лето
ЮК
Коэф.
Лаг
коррел.
(мес.)
-0.42
2
-0.61
3
-0.43
3
-0.48
3
-0.59
3
-0.65
3
-0.62
2
новных Черноморских рек совпадают со значительными аномалиями ЮК. Результаты
[1,6] показывают, что это может быть следствием повышенных осадков, связанных с явлениями ЭН. В то же время наши результаты
указывают также на другую причину этого.
Как было показано [1,5], явления ЭН вызывают внутрисезонные флуктуации температуры
воздуха над площадями водосбора основных
Черноморских рек. Их типичная величина – от
одного до нескольких градусов и они могут
вызывать относительно резкое потепления и
соответственно быстрое снеготаяние. К счастью, совпадение устойчивых отрицательных
зимних аномалий САК и последующие экстремумы ЭН достаточно редки. Обычно оно
встречается не чаще одного-двух раз в 50 лет и
совпадает с максимумами междесятилетней
изменчивости в системе океан-атмосфера.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы продемонстрировали характерные проявления изменчивости
системы океанатмосфера в колебаниях климата Европы.
САК обусловливает до 75% изменчивости
приземной температуры в Северной Европе в
зимний период и около 35% изменчивости
стоков крупных Европейских рек. САК на десятилетнем масштабе поддерживается положительной обратной связью в Североатлантической системе океан-атмосфера.
События ЭНЮК ответственны за 15-25%
межгодовой изменчивости флуктуаций темпе-
ратуры в Европейском регионе в области периодов 2-3 недели блокингового типа и (вместе с САК) определяют катастрофические паводковые условия в бассейнах Европейских
рек.
Межгодовая-десятилетняя
изменчивость
климата Европейского региона определяется
процессами в системе океан-атмосфера. При
этом основной временной масштаб этой изменчивости определяется характеристиками
процессов, протекающих в деятельном слое
океана.
Перечень ссылок
64
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
1. Hurell J.W., Loon H. Decadal variations in climate associated with the North Atlantic oscillation //
Climate Change. - 1997. - V. 36. - Р. 301-326.
2. Rogrs J.C. North Atlantic storm track variability and its association to the North Atlantic oscillation
and climate variability of northern Europe // Journal of Climate. - 1997. - V. 10. - Р. 1635-1647.
3. Polonsky A.B., Voskresenskaya E.N., Basharin D.V. Low-frequency Variability of the Coupled
Ocean-Atmosphere System: Global and Regional Aspects. Proceedings of International Conference on
Climate Change and Variability: Past, Present and Future. (Tokyo, Japan, 13-17 Sept, 1999). - Tokyo,
2000. - Р. 231-236.
4. Ropelewski S., Halpern M. Global and regional scale precipitation patterns associated with the El
Nino/Southern Oscillation. Mon. Wea. Rev. - 1987. - V. 115. - Р. 1606-1626.
5. Воскресенская Е. Н., Полонский А. Б. Северо-Атлантические колебания и явления Эль-Ниньо
// Морской гидрофизический журнал. - 1992. - N4. - С. 23-30.
6. Oldenborgh G. J., Burgers G. and Tank A.K. On the El-Nino teleconnection to spring precipitation in
Europe // International Journal of Climatology. - 2000. - V. 20. - Р. 565-574.
7. Lau N-C., Nath M.J. Impact of ENSO on SST Variability in the North Pacific and North Atlantic:
Seasonal Dependence and Role of Extratropical Sea-Air Coupling. J. of Climate. - 2001. - V.14. - Nu. 13. P. 2846-2866.
8. Mariotty A., Zeng N. and Lau K.M. Euro-Mediterranean rainfall variability and ENSO. CLIVAR Exchange. - 2002. - V.7. - No.1. - P. 3-5.
9. Roger, J.C. The Association between the North Atlantic Oscillation and the Southern Oscillation in
the Northern Hemisphere. Mon. Wea. Rev. - 1984. - V.112. - P. 1999-2015.
10. Pozo-Varquez D., Esteban-Parra M.J., Rodrigo F.S., Castro-Diez Y. The association between ENSO
and winter atmospheric circulation and temperature in the North Atlantic Region. J. of Climate. - 2001. V.14. - Nu.16. - P. 3408-3420.
11. Полонский А.Б., Семилетова Е.Г., Джиганшин Г.Ф. О роли океана в поддержании
Североатлантического колебания // Морской гидрофизический журнал. - 2002. - N 5. - С. 38-47.
12. Bjerknes J. A large-scale disturbance of the atmospheric circulation presumably originating from
the equatorial Pacific // В сб."Динамика крупномасштабных атмосферных процессов”. -М.: Наука,
1969. - 257-260 с.
13. Башарин Д.В., Воскресенская Е.Н., Михайлова Н.В., Полонский А.Б., 2001: Глобальные и региональные проявления Эль-Ниньо в полях приземного давления и температуры в зимний период //
В Сб. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: МГИ НАНУ, 2001. - С. 48-60.
14. Полонский А.Б. 2001: Роль океана в современных изменениях климата // Морской гидрофизический журнал. - 2001. - N6. - С. 32-58.
A.B. Polonskiy, NORTH-ATLANTIC AND SOUTHERN
Ye.N. Voskresenskaya, FLUCTUATIONS, VARIABILITY OF
D.V. Basharin TEMPERATURE OF OCEAN IN NORTHERN
ATLANTIC AND EUROPEAN CLIMATE
Marine Hydro-Physics Institute of NAS of Ukraine, Sevastopol
Variability in the coupled ocean-atmosphere system with a typical temporal scale up to 10
years and its European manifestations has been analysed using instrumental data mainly for the
last 100 years. It is shown, that interannual-to-decadal scale climate variability over the European
region is due to the processes in the ocean-atmosphere system. A principal temporal scale of this
variability is due to processes in the active ocean layer. North Atlantic Oscillation (NAO) accounts
for up to 75% of air temperature variability over the Northern Europe in winter and about 35%
of variations of the large European rivers’ run off. Decadal scale NAO variability is maintained by
positive feedback in the North Atlantic ocean-atmosphere system. El Nino – Soother Oscillation
(ENSO) events account for 15-25% of interannual temperature blocking variability in the
European region in the range of periods from 2 to 3 weeks and they (together with NAO) are
responsible for the catastrophic flood conditions in the European rivers’ catchment.
65
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2003, Випуск 6
Поступила в редколлегию 20 октября 2003 г.
Рекомендовано членом редколлегии д-ром техн. наук С.З. Полищуком
66