Мордвинов В. И - Колебания циркуляции атмосферы северного
реклама
Долговременные вариации изменчивости циркуляции атмосферы по типизации Дзердзеевского и архива NCEP/NCAR Reanalysis. Мордвинов В. И. Институт солнечно-земной физики СО РАН [email protected] • • • Низкочастотная изменчивость в диапазоне от 10 суток до 1-2 месяцев представляет собой наименее изученную и наименее понятную компоненту атмосферных колебаний. Методы исследований этой изменчивости разнообразны и, к сожалению, плохо сопоставимы между собой даже по основным, базовым принципам. Наиболее часто используемый метод анализа с помощью разложения на естественные ортогональные функции (ЕОФ) основан на представлении метеорологических полей в виде суперпозиции ортогональных в пространстве базовых функций. Мало соответствующим действительности является как предположение ортогональности компонент разложения, так и условие некоррелированности амплитуд этих компонент. Трудно соотнести с реальными условиями в атмосфере и метод нормальных мод – метод анализа собственных колебаний линеаризованной относительно некоторого «среднего потока» системы уравнений гидротермодинамики. Кроме сомнительной гипотезы существования «среднего потока» метод нормальных мод с методологической точки зрения избыточен – неясно, какие нормальные моды сопоставлять с реальными колебаниями – наиболее неустойчивые, наименее неустойчивые или стационарные. • • • • В отличие от методов анализа, основанных на абстрактных предположениях относительно пространственной структуры и характера изменчивости атмосферных полей, типизации циркуляционных процессов обобщают данные реальных наблюдений, а принципы, на основании которых они строятся, следуют из богатейшего опыта анализа реальных синоптических процессов. Опыт синоптического анализа показал, в частности, что атмосферные процессы, происходящие в отдельных регионах не являются независимыми, а представляют собой части «целостного макропроцесса высшего, по отношению к синоптическим, ранга и в пространстве и во времени». Это предположение, положенное в основу типизации Дзердзеевского, полностью противоречит условиям метода ЕОФ. Кроме точной информации о пространственной структуре циркуляционных процессов в различных регионах земного шара типизация Дзердзеевского предоставляет уникальную информацию об особенностях долговременных изменений общей циркуляции атмосферы. Получить аналогичную информацию с помощью математических методов обработки данных наблюдений не всегда удается. • Задачи исследования: • 1) Используя типизацию Дзердзеевского, оценить долговременные изменения устойчивости общей циркуляции атмосферы Северного полушария в зимний период. • 2) Рассчитать характеристики устойчивости циркуляции атмосферы Северного полушария в зимний период по данным архива NCEP/NCAR Reanalysis и сопоставить с характеристиками, полученными с помощью типизации Дзердзеевского. Метод анализа • Характеристики устойчивости циркуляции – • Типизация Дзердзеевского: • а) для Северного полушария – полное количество смен ЭЦМ за три месяца – январь, декабрь, февраль, • б) количество смен форм циркуляции зимой для шести регионов – Атлантика, Европа, Сибирь, Дальний Восток, Тихий океан, Северная Америка • Архив NCEP/NCAR Reanalysis: • a) средняя для Северного полушария дисперсия метеорологических величин (давление, температура) в зимний период на разных уровнях атмосферы • б) средняя величина автокорреляционной функции при фиксированных сдвигах во времени. Изменение со временем количества смен ЭЦМ Северного полушария (толстая синяя линия) и региональных форм циркуляции (тонкие линии) в зимний период по типизации Дзердзеевского • 1. На приведенных графиках хорошо видны четыре интервала времени с различными тенденциями изменения устойчивости циркуляции атмосферы: • 1900-1940гг.- уменьшение количества смен форм циркуляции (рост устойчивости циркуляции атмосферы), • 1940-1970гг. – возрастание неустойчивости циркуляции атмосферы • 1970-1985гг. – уменьшение количества смен форм циркуляции при одновременном увеличении амплитуды межгодовых и квазидекадных вариаций • 1985-2015гг. – рост неустойчивости циркуляции атмосферы, амплитуда межгодовых и квазидекадных вариаций высокая. • 2. Близость графиков изменений суммарного количества смен ЭЦМ для всего Северного полушария и для отдельных регионов подтверждает основной тезис Дзердзеевского – региональные атмосферные процессы не являются независимыми, а представляют собой части «целостного макропроцесса высшего, ранга и в пространстве и во времени». • Для сопоставлений с изменениями характеристик устойчивости циркуляции атмосферы по типизации Дзердзеевского использовались расчеты дисперсии и коэффициентов автокорреляции для среднесуточных распределений приземной температуры; давления, приведенного к уровню моря; высоты изобарической поверхности 500 гПа, распределений температуры и меридиональной скорости на уровне 500 гПа по данным архива NCEP/NCAR Reanalysis. • Основным достоинством архива NCEP/NCAR Reanalysis является более продолжительный период обработки данных (с 1948 года), что особенно важно для анализа продолжительных вариаций ОЦА и сопоставления с типизацией Дзердзеевского. • Обработки полей различных величин дали приблизительно одинаковые результаты, для иллюстрации этих результатов приведены расчеты для полей приземной температуры и давления, приведенного к уровню моря. Автокорреляционные функции вариаций приземной температуры за различные годы в зимние месяцы Северного полушария в диапазонах больше и меньше 7 суток Долговременные изменения устойчивости атмосферы по типизации Дзердзеевского, дисперсии (верхний график) и автокорреляции вариаций приземной температуры (нижний график) зимой Северного полушария по данным NCEP/NCAR Reanalysis Распределения коэффициентов корреляции количества смен ЭЦМ в зимний период с изменениями коэффициентов автокорреляции вариаций приземной температуры в узлах сетки Долговременные изменения устойчивости атмосферы по Дзердзеевскому, дисперсии и автокорреляции вариаций давления, приведенного к уровню моря, зимой Северного полушария по данным NCEP/NCAR Reanalysis Распределения коэффициентов корреляции количества смен ЭЦМ в зимний период с изменениями дисперсии вариаций давления, приведенного к уровню моря Результаты • По данным NCEP/NCAR Reanalysis рассчитаны долговременные изменения дисперсии и коэффициентов автокорреляции вариаций приземной температуры, давления, приведенного к уровню моря, температуры, меридиональной компоненты скорости ветра и высоты поверхности H500 в зимние периоды 1950-2011гг. • Все расчеты дали приблизительно одинаковые результаты – ни изменения со временем дисперсии колебаний метеорологических величин, ни изменения коэффициентов автокорреляции вариаций величин в низкочастотной части спектра зимой Северного полушария не соответствуют долговременным изменениям характеристик устойчивости циркуляции атмосферы по типизации Дзердзеевского. • Так как изменения форм циркуляции затрагивают в первую очередь изменения крупномасштабной составляющей метеорологических полей, мы предприняли попытку предварительной пространственной фильтрации полей. Для фильтрации было использовано разложение метеорологических полей по сферическим гармоникам. Отфильтрованные поля представляли собой сумму сферических гармоник до шестой степени включительно. Для отфильтрованных полей рассчитывались, как и раньше, дисперсия и коэффициенты автокорреляции низкочастотных вариаций метеорологических величин в узлах сетки в зимний период. Полученные значения дисперсии и автокорреляции усреднялись для Северного полушария и сопоставлялись с изменениями количества смен форм циркуляции. На следующем слайде для примера сопоставлены графики изменения количества смен форм циркуляции по Дзердзеевскому и дисперсии вариаций приземной температуры. Изменения со временем количества смен ЭЦМ в зимний период (верхний график) и дисперсии вариаций приземной температуры в Северном полушарии (нижний график) по сглаженным распределениям приземной температуры • Результаты расчетов, выполненных по сглаженным полям метеорологических величин (приземная температура, давление, приведенное к уровню моря) архива NCEP/NCAR Reanalysis не подтвердили предположение о лучшем соответствии долговременных вариаций изменчивости крупномасштабных составляющих метеорологических полей и характеристик устойчивости циркуляции по типизации Дзердзеевского. • Проведенные расчеты показали, что типизация Дзердзеевского представляет собой особый, уникальный инструмент анализа не только синоптических процессов, но и долговременных изменений общей циркуляции атмосферы. Расчеты простых статистических характеристик изменчивости метеорологических полей по данным климатических архивов реанализа пока не позволяют воспроизвести характеристики изменчивости, полученные с помощью типизации Дзердзеевского. Благодарю за внимание!
