Многолетние изменения состояния центров действия атмосферы и вариации скорости вращения Земли

Проблема изменений режима общей циркуляции атмосферы (ОЦА) является ключевой в современных исследованиях в гидрометеорологии и климатологии. Накопленные архивы уточненных и структурированных данных гидрометеорологических и геофизических величин, ставшие доступными для исследователей благодаря усилиям ряда международных и национальных служб и организаций, позволили провести детальный и многосторонний анализ многолетних изменений состояния центров действия атмосферы, определяющих режим ОЦА.

Работы, начатые в Массачусетсом институте технологии (Кембридж, США) по инициативе профессора В. Старра [53, 54], выявили и обосновали взаимосвязь между состоянием общей циркуляции атмосферы и флуктуациями скорости вращения Земли. Эти работы были продолжены учениками и последователями Старра: А. Оортом [45, 46], Р. Розеном, Д. Сэлстайном [48, 49, 50] и другими. Комплексный подход к проблеме взаимосвязи орбитальных характеристик вращения Земли (неравномерности скорости вращения, нутаций, чандлеровского движения полюсов) с состоянием атмосферы и гидросферы был предложен российским ученым Н. С. Сидоренковым в ряде его работ [19, 20, 21].

С появлением в 1955 г. атомных часов, введением международной атомной шкалы времени (TAI) и развитием геодезических технологий, а также внедрением глобальной системы навигации и определения положения (GPS), измерения колебаний скорости вращения Земли достигли высокой степени точности. В настоящее время погрешность в измерении длительности суток — Length Of Day или LOD — составляет 10 микросекунд [36]. Образованная под эгидой Международного астрономического союза и Международного союза геодезии и геофизики в 1987 г. Международная служба вращения Земли и системы координат (IERS, Париж, Франция) стала центром сбора, обработки, накопления и систематизации данных, относящихся среди прочего и к вариациям орбитальных характеристик планеты. Данная служба совместно с учеными разных стран проделала большую работу по уточнению и ректификации исторических данных, относящихся к флуктуациям скорости вращения и чандлерову движению полюсов. Это позволило исследователям расширить временные рамки анализа, включая в него периоды, предшествовавшие 1955 году. При этом большинство ученых, занимающихся данной проблемой, сходятся во мнении, что данные по скорости вращения Земли являются достаточно надежными начиная уже с 1860-х годов [37, 41].

Таким образом, существование взаимосвязи состояния атмосферы и орбитальных характеристик вращения планеты (в первую очередь колебаний скорости ее вращения) на данный момент является практически общепризнанным в структуре наук о Земле. Исследования в этой области успешно ведутся вот уже несколько десятилетий. При всем разнообразии подходов в подобных исследованиях обнаруживается общая доминанта.

Проведенные работы в подавляющем большинстве сосредоточены на оценке вклада суммарного движения планетарной атмосферы в колебания скорости вращения Земли. Данные глобальных наблюдений (в слое от 1000 до 100 гПа) используются в численных моделях, позволяющих рассчитывать угловой момент импульса атмосферы в целом [45, 49, 50].

В результате была установлена тесная связь между изменениями углового момента глобальной атмосферной массы и колебаниями скорости вращения Земли (г > 0,90). Отсюда вытекает возможность использования данных об изменении скорости вращения планеты (выражаемых через изменение длительности суток A LOD) в качестве индикатора глобальных процессов в атмосфере.

С другой стороны, глобальный подход к проблеме, сосредоточенный на расчете динамики всей массы атмосферы, исключает из общей модели региональные циркуляционные процессы. Известно, однако, что режим и состояние общей циркуляции атмосферы зависят от состояния интенсивности и локализации) центров действия атмосферы, то есть, квазистационарных барических образований, определяющих ход не только региональных, но и глобальных макропогодных и климатических процессов. Состояния ЦДА в данном случае оказываются вынесенными за рамки существующих моделей ОЦА. Глобальный подход демонстрирует высокую степень надежности при анализе сезонных (и отчасти межгодовых) изменений A LOD в увязке с глобальной атмосферной динамикой, однако многолетние (декадные и вековые) вариации скорости вращения Земли упомянутыми моделями не рассматриваются и не объясняются.

В соответствии с отмеченными выше моментами была определена цель настоящей работы: выявление закономерностей многолетних изменений интенсивности и локализации ЦДА в их взаимосвязи с вариациями скорости вращения Земли. Такая постановка проблемы определила задачи представляемой работы. К ним относятся:

1. расчет среднемесячных значений экстремального давления и локализации экстремумов давления в ЦДА по многолетним (1900;2004 гг.) данным барических полей и статистическая обработка полученных результатов;

2. расчет среднегодовых индексов интенсивности (статистических показателей динамического состояния ЦДА);

3. анализ хода индекса интенсивности и географического положения ЦДА;

4. оценки статистической взаимосвязи хода интенсивности различных ЦДА;

5. выявление и анализ статистических связей многолетнего хода интенсивности ЦДА и хода среднегодовых значений A LOD;

6. выявление связи A LOD и локализации экстремумов давления в ЦДА.

Данная работа состоит из четырех глав. В главе 1 рассматривается концепция В. Старра [45, 53], являющаяся ключевой для нашего исследования. В разделе 1.1 приведены граничные условия и основные составляющие уравнения баланса углового момента вращения Земли как единой системы. Раздел 1.2 посвящен астрономическим и геофизическим основам исследуемых нами процессов. В нем рассматриваются основные орбитальные характеристики вращения Земли (колебания скорости вращения, прецессионно-нутационные колебания, чандлеровское движение полюсов), а также принципы и методы наблюдений этих величин. Дана оценка надежности среднегодовых значений A LOD, полученных с момента начала непосредственных измерений (с 1955 г.) и полученных путем ректификации (реанализа) для предшествующих периодов (по данным IERS). В разделе 1.3 вкратце рассмотрены принципы и методы современных исследований взаимосвязи динамики глобальной атмосферы и вариаций скорости вращения Земли.

Глава 2 посвящена ЦЦА применительно к их роли в региональной и общей циркуляции атмосферы. Кратко рассмотрены постоянные (несезонные) ЦЦА Северного и Южного полушария, а также их роль в соответствующих мировых колебаниях, открытых Г. Уокером [59, 60] — Северо-Атлантическом (NAO), Северо-Тихоокеанском (NPO) и Южном (SO). Отдельно рассмотрен комплекс Эль-Ниньо — Южное колебание (ENS О) в его взаимосвязи с состоянием Южно-Тихоокеанского антициклона.

В главе 3 приводятся результаты статистический обработки многолетних исходных данных барических полей, позволившей определить положения экстремумов исследовавшихся ЦЦА, а также проанализировать изменения их состояния за период 1900;2004 гг. В разделе 3.1 дан пример исходных данных и построенных на их основе календарей. Раздел 3.2 посвящен описанию и практическому применению избранного нами статистического подхода: разбиению среднемесячных значений экстремумов давления в ЦЦА на пять равновероятностных градаций давления: значительно выше нормы (А), выше нормы (а), нормального (N), ниже нормы (Ь) и значительно ниже нормы (В). В последующем разделе (3.3) вводится понятие индекса интенсивности IiNT, рассчитанного по результатам предшествовавшей статистической обработки и представляющего собой количественный статистический показатель среднегодового состояния ЦДА. Раздел 3.4 посвящен общему анализу многолетнего хода индекса интенсивности, изменения географического положения всех рассматриваемых ЦДА и выявлению прослеживающихся тенденций состояния центров действия. Рассмотрены также связи между ходом интенсивности и локализацией экстремумов давления в отдельных ЦДА. I.

Особое внимание уделено Южно-Тихоокеанскому субтропическому антициклону и его влиянию на повторяемость явления Эль-Ниньо — Ла-Нинья.

В заключительном разделе главы даны сводные оценки статистической связи между попарно взятыми ЦДА за исследуемый период (1900;2004). Здесь же приводятся все значимые коэффициенты корреляции (для p-level < 0,01) и регрессионные модели, позволяющие в отдельных случаях получить некоторое представление о суммарных тенденциях состояния ЦДА на период до нескольких лет в зависимости от состояния ЦДА-«предиктора».

Глава 4 посвящается анализу статистической связи многолетнего хода A LOD с ходом индекса интенсивности центров действия атмосферы и географической локализацией экстремумов давления в них. В разделе 4.1 рассматривается связь между многолетними рядами A LOD и индекса интенсивности ЦДА. В ряде случаев отмечается высокозначимая корреляция (p-level < 0,001) между ходом двух этих величин. Результаты анализа показывают, что обнаруженная и подтвержденная в целом ряде исследований связь между вариациями скорости вращения Земли и динамическим состоянием (динамикой) атмосферы проявляется не только на глобальном, но и на региональном уровне. В случае отдельных ЦДА отмечается значительный сдвиг во времени между ходом A LOD и индекса интенсивности (от 1−2 до 10−12 лет).

В разделе 4.2 рассмотрены результаты статистического анализа взаимосвязи A LOD и географической локализации экстремумов давления в ЦДА. Среди прочего, интерес представляет тот факт, что обнаруженные нами на основе наблюдений данные подтверждают результаты эксперимента, поставленного Б. Хантом [35] на численной модели, продемонстрировавшей изменения динамики глобальной атмосферы, соответствующие периодам ускорения и замедления вращения Земли. Стоит отметить и то, что наиболее тесная и синхронная связь между ходом среднегодовых величин A LOD и индекса интенсивности была получена для Южно-Тихоокеанского антициклона, который не только играет ключевую роль в механизме ENSO, но и, по мнению многих ведущих специалистов, является одним из основных факторов формирования мировой погоды.

Таким образом, на рассмотрение выносятся:

1. результаты статистической обработки расчетов значений экстремумов давления и их локализации в ЦДА на основе многолетних (1900;2004 гг.) данных барических полей;

2. результаты расчета среднегодовых индексов интенсивности;

3. анализ связи индекса интенсивности и географического положения ЦДА;

4. оценки статистической взаимосвязи между ходом интенсивности различных ЦДА;

5. анализ статистических связей многолетнего хода интенсивности ЦДА и хода среднегодовых значений A LOD;

6. анализ связи многолетних изменений A LOD и локализации экстремумов давления в ЦДА.

13.Результаты исследования позволили подтвердить применимость модели В. Старра не только к общей циркуляции атмосферы, но и к анализу состояния отдельно взятых ЦДА.

14.Тесная корреляция состояния центров действия как с с ходом A LOD, так и между отдельно взятыми ЦДА в сочетании с временными лагами указывает на возможность использования полученных результатов в практике сверхдолгосрочного и климатического прогнозирования в масштабах от глобального и макрорегионального до локального.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты проделанной работы и следующие из них выводы можно сформулировать следующим образом.

1. По данным глобальных барических полей за период 1900;2004 гг. в ходе их статистической обработки были получены значения экстремумов давления и их локализации в семи перманентных океанических ЦДА обоих полушарий. Результаты расчетов были сведены в соответствующие календари.

2. Для характеристики состояния ПДА был предложен индекс интенсивности 1мт5 являющийся количественным показателем статистической аномалии динамического состояния центров действия атмосферы.

3. Индекс интенсивности 1 мг был рассчитан для всех ЦДА за весь исследуемый период. Результаты расчетов также были сведены в соответствующие календари.

4. Были проведено исследование статистической связи между индексом интенсивности 1мт и географической локализацией экстремумов давления в ЦДА. Расчеты позволили выявить значимую (p-level < 0,01), а в ряде случаев и высокозначимую (p-level < 0,001) статистическую связь между многолетним ходом индекса интенсивности 1мт и широтной аномалией экстремумов давления в ЦДА.

5. Расчеты выявили многолетние тренды роста и падения 1мт и широтной аномалии, что с особой отчетливостью проявилось дляЦДА Южного полушария. Обнаружилось, что абсолютный пик индекса интенсивности 1мт Южно-Тихоокеанского антициклона в начале 1980;х гг. совпал как с пиком широтной аномалии, так и с наиболее мощным Эль-Ниньо за весь период наблюдений.

6. Были рассчитаны корреляционные функции для индексов интенсивности Iint попарно взятых ЦДА. Значимая и высокозначимая связь была выявлена для большинства исследовавшихся пар. В ряде случаев максимальные коэффициенты корреляции были получены для значительного лага, что позволило построить прогностические регрессионные модели для отдельных пар ЦДА.

7. Было проведено исследование статистических связей между многолетними тенденциями динамического состояния океанических ЦДА обоих полушарий (выраженного индексом интенсивности Iint) и вариациями скорости вращения Земли (выраженными через A. LOD). Результаты расчетов, корреляционных функций были сведены в соответствующие таблицы.

8. Высокозначимая корреляция для лага от 0 до 15 лет была, выявлена в случае большинства ЦДА, а для сглаженных значений Iint (для A LOD во всех случаях использовались среднегодовые величины) такая, корреляция была обнаружена для всех без исключения ЦДА.

9. Обнаруженная тесная корреляционная связь между ходом A LOD и состоянием Исландского ЦДА. позволила сделать предварительный вывод о прогрессирующем углублении Исландской депресии на период ближайших нескольких лет.

Ю.Исследовалась статистическая связь между географической локализацией экстремумов давления ЦДА и ходом A LOD. Высокозначимые коэффициенты корреляции были получены для аномалий по долготе всех ЦДА за исключением Исландского. Высокий коэффициент корреляции в. сочетании' с большим временным лагом в случае Алеутской депресии делает возможным использование найденной зависимости в практике сверхдолгосрочного прогнозирования.

11 .Высокозначимая корреляция между широтной аномалией экстремумов ЦДА и A LOD была получена для всех центров действия. Тесная связь аномалии по широте Южно-Тихоокеанского антициклона и A LOD в сочетании с существенным временным лагом позволяет сделать предположение, что центр антициклона продолжит уже начавшееся движение к экватору, результатом чего может стать постепенное усиление пассатного переноса, меньшая повторяемость и мощность явлений Эль-Ниньо.

12.В итоге всего комплекса исследований была выявлена значимая и высокозначимая статистическая связь динамического состояния центров действия атмосферы (их интенсивности и локализации) как между собой, так и с вариациями скорости вращения Земли. Тем самым снова подтверждается ключевая роль ЦДА в динамике общей циркуляции атмосферы.