Все научные статьи
Вершовский М.Г. Центры действия атмосферы Атлантического океана и вариации скорости вращения Земли
Научная статья
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2651аа Вершовский М.Г. (michael ver@modomail.com) Российский Государственный Гидрометеорологический Университет
Отправным моментом данной работы стала концепция В. Старра (Starr, 1948), сущность которой заключается в следующем. Рассматривая Землю как целостную закрытую систему, в соответствии с законом сохранения импульса можно утверждать, что глобальный баланс углового момента вращения Земли должен оставаться величиной постоянной. При этом принимается, что вращательный момент внешних сил, т.е. Луны и Солнца, во-первых, носит четко периодический характер и, во-вторых, в масштабах месяцев, лет и декад оказывается несущественным, а следовательно, может быть исключен из общего уравнения баланса. (Стоит отметить, что непериодические и недостаточно изученные влияния суммарной массы планет Солнечной системы также выносятся за рамки данной модели.)
При оговоренных таким образом граничных условиях следует полагать, что при наличии изменений в одном из компонентов глобального момента импульса должны происходить компенсаторные изменения в других компонентах с тем, чтобы обеспечивалось сохранение суммарного углового момента импульса:
dM/dt = 0а (1)
где М = Матмосферы + Мокеана + Мльда + Мкоры + Ммантии + Мадр (Ooit, 1989)
Многолетние исследования данной проблемы, проводившихся учеными разных стран, позволяют с достаточной степенью уверенности считать, что основной вклад в обеспечение баланса глобального углового момента в упомянутых выше временных масштабах вносит атмосфера. В первую очередь это объясняется подвижностью воздушных масс, значительно превосходящей подвижность остальных оболочек и структур планеты. Скорости движения вещества в этих структурах и оболочках колеблются в пределах от нескольких см/год для мантии до нескольких см/с для океанских масс. В то же время скорости ветра достигают десятков м/с в приземном слое и сотен м/с в струйных течениях.
Оценки потенциального энергетического вклада различных оболочек планеты также подтверждают сделанный выше вывод. Расчеты показывают, что мощности, необходимые
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2652аа В последние несколько десятилетий колебания скорости вращения Земли принято выражать через A LOD, т.е. через разность между непосредственно измеренной длительностью суток (ДС или LOD - Length Of Day) и стандартной длительностью суток, равной 86 400 эталонных секунд (IERS Annual Report, 2004). При этом увеличивающиеся значения A LOD указывают на увеличение длительности суток относительно эталона и, соответственно, на замедление вращения Земли.
Типичные внутригодовые (сезонные) колебания A LOD имеют амплитуду порядка 1-1,5 мс; многолетние значения A LOD (по среднегодовым данным) за период с 1873 по 2005 гг. варьируются от -2,1 до +3,9 мс. (Многолетний ход A LOD представлен на рис. 1.)
Выше отмечалось, что исследования в области поиска связи между атмосферными процессами и вариациями скорости вращения Земли успешно ведутся вот уже несколько десятилетий. При всем разнообразии подходов в подобных исследованиях обнаруживается и общая доминанта, что позволяет охарактеризовать их в целом.
Проведенные работы в большинстве своем сосредоточены на оценке вклада суммарного движения планетарной атмосферы в колебания скорости вращения Земли. Данные глобальных наблюдений (в слое от 1000 гПа до 1 гПа) используются в численных моделях, позволяющих рассчитывать угловой момент импульса атмосферы в целом (Salstein, Rosen, 1986, и др.). Подобный подход имеет свои несомненные преимущества, но, как нам представляется, и определенные недостатки.
К первым следует отнести тот факт, что в результате была надежно доказана тесная связь между изменениями углового момента глобальной атмосферной массы и колебаниями скорости вращения Земли (г > 0,90).
Однако глобальный подход к проблеме исключает из общей модели региональные циркуляционные процессы. Он демонстрирует высокую степень надежности при анализе сезонных (и отчасти межгодовых) изменений глобальной атмосферной динамики в увязке с A LOD, но многолетние вариации скорости вращения Земли упомянутыми выше моделями не рассматриваются.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2653аа Нами был предложен метод расчета среднегодовых индексов интенсивности ЦДА, значения которых затем сопоставлялись с многолетним среднегодовым ходом A LOD (Вершовский, 2006-1). Данный метод позволил провести количественную статистическую оценку возможных связей интенсивности основных ЦДА Северного и Южного полушарий с колебаниями A LOD.
Схема расчета индексов интенсивности ЦДА (Itnt) предельно проста. В качестве исходного материала использовались среднемесячные качественные оценки интенсивности, полученные по методике, описанной выше (Кондратович и др., 2001, 2006).
Таблица 1. Среднемесячные оценки интенсивности Азорского антициклона за 1900-1901 гг.
Год |
Месяцы |
|||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
1900 |
N |
В |
N |
N |
а |
А |
В |
а |
а |
N |
А |
а |
1901 |
В |
В |
b |
N |
В |
а |
N |
b |
N |
А |
N |
b |
Качественные среднемесячные оценки были заменены количественными баллами интенсивности по следующей схеме: В = -2, b = -1, N = 0, а = 1, А = 2. Полученные среднемесячные баллы суммировались за год, давая в результате среднегодовой индекс интенсивности Itnt (табл. 2).
Таблица 2. Среднемесячные баллы интенсивности и суммарный годовой индекс Itnt
Азорского антициклона за 1900-1901 гг.
Год |
Месяцы |
1шт |
|||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||
1900 |
0 |
-2 |
0 |
0 |
1 |
2 |
-2 |
1 |
1 |
0 |
2 |
1 |
4 |
1901 |
-2 |
-2 |
-1 |
0 |
-2 |
1 |
0 |
-1 |
0 |
2 |
0 |
-1 |
-6 |
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2654аа Рассматривалась и возможность использования вместо среднемесячных баллов интенсивности непосредственно экстремальных значений давления в те же месяцы с последующим вычислением среднегодового экстремального давления в исследуемом ЦДА. Однако предложенный нами метод использования индексов интенсивности представляется предпочтительным. Безусловно, заменяя экстремальные месячные значения давления безразмерными единицами, изменяющимися в пределах от -2 до +2, мы в определенной степени сглаживаем внутригодовой ход экстремумов давления, теряя тем самым часть информации. Тем не менее, применяемая методика имеет свои преимущества.
Во-первых, рекордно низкие значения максимального давления в отдельно взятые 2-3 месяца могут дать в результате довольно умеренное значение среднегодового максимума даже в тех случаях, когда в остальные месяцы года значения максимумов превосходили норму. (Очевидно, что вполне вероятны и ситуации лобратного знака, ведущие к аналогичному искажению общей картины.) В применяемой нами методике такого рода искажения сведены к минимуму.
Во-вторых, используя предложенный индекс интенсивности Iint, оказывается возможным а) использовать одну и ту же методику анализа и критерии сопоставления с ходом A LOD как антициклонических, так и циклонических А, а также б) сопоставлять многолетний ход интенсивности антициклонов и циклонов между собой.
Полученные описанным выше способом значения Iint Азорского ЦДА на период с 1873 по 2004 г. (132 года) были сопоставлены со значениями A LOD за тот же отрезок времени.
Таблица 3. Значения корреляционной функции Iint относительно колебаний A LOD за
1873-2004 гг. с шагом 1 год.
I |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
г |
0,50 |
0,54 |
0,55 |
0,55 |
0,53 |
0,52 |
0,50 |
0,50 |
0,49 |
Из приведенной таблицы следует, что при значениях Xаа от нуля до нескольких лет
наблюдается статистически значимая корреляционная связь между ходом двух исследуемых переменных.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2655
Значительно более тесная корреляционная связь была обнаружена при сопоставлении сглаженного (9-летнего скользящего среднего) хода Itnt с A LOD. Коэффициент корреляции
при значенияха Xа ота 5а доа 7а составила 0,82.а Наа графикеа (рис.аа 1) значенияа 9-летнего осредненного Itnt даны со сдвигом в 5 лет (X = 5).
fy |
К |
|||||||||||
\ |
, |
JU |
/ |
|||||||||
// |
V |
W\ |
г |
т> |
*т> |
у |
tf |
" |
||||
у |
\ |
/ J |
V/ |
V |
К. |
|||||||
V |
Чг |
|||||||||||
/ |
-- |
|||||||||||
/ |
10 4
3
"о"
О 1
_i
<
ж10
-15
1873а 1883а 1893а 1903а 1913а 1923а 1933а 1943а 1953а 1963а 1973 1983 1993 2003
Рис. 1. Многолетний (1873-2004 гг.) ход A LOD (1) и Itnt Азорского антициклона (2) со сдвигом в 5 лет. Коэффициент корреляции Г = 0,82.
Между ходом A LOD и интенсивностью Исландской депрессии (глубиной циклона) также была выявлена корреляционная зависимость. Однако здесь следует отметить два существенных момента.
Во-первых, коэффициент корреляции между несглаженными среднегодовыми значениями Itnt Исландского антициклона и ходом A LOD оказался недостаточно значимым для временного ряда с 1900 по 2004 гг. (от -0,22 до -0,25) вследствие высокой степени хаотичности межгодовых значений интенсивности. При сопоставлении сглаженного (осреднявшегося за промежутки от 5 до 13 лет) хода Itnt с A LOD значимая статистическая связьа былаа выявлена.аа Коэффициента корреляцииа дляаа 11-летнегоа скользящегоа среднего
составил -0,75 (при X = 0).
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2656аа
Корреляционная функция индекса интенсивности летне-осеннего периода колебалась
в пределах от -0,40 до -0,35 (X от нуля до 5 лет) для использованного ряда в 105 лет.
Еще более тесная корреляционная связь была обнаружена при сопоставлении сглаженного хода летне-осеннего Iint с A LOD. Коэффициент корреляции для 11-летнего
осреднения при значениях X от 0 до 3 составил 0,89 - 0,92 (ряд 95 членов). На графике (рис.
2) значения 11-летне го осредне иного летне-осеннего Iint для большей наглядности в сочетаемости с кривой хода A LOD инвертированы (т.е. значения Iint даны с убыванием по оси ординат).
О
S2
_|
<
-1
ft |
|||||||||
Л |
1 |
\ Г4 |
\а |
йГ |
|||||
?\ |
vfif |
У |
W |
||||||
y\ |
1 |
1\Г |
V |
||||||
~" |
-1
1900аа 1910аа 1920аа 1930аа 1940аа 1950аа 1960аа 1970аа 1980аа 1990аа 2000
Рис. 2. Многолетний (1900-2004 гг.) ход A LOD (1) и летне-осеннего Iint Исландской депрессии (2) со сдвигом в 1 год (X = 1). Коэффициент корреляции Г = -0,91.
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2657аа Как следует из приведенных данных и иллюстрирующих их графиков, ход интенсивности обоих Северо-Атлантических ЦДА демонстрирует тесную связь с характером хода A LOD. Так например, многолетняя тенденция Азорского антициклона к усилению (при, соответственно, преобладающе положительном индексе NAO) отмечается в связи с ростом значений A LOD, т.е. замедлением скорости вращения Земли. Интенсивность (глубина) Исландской депрессии в такие периоды, напротив, демонстрирует четкое ослабление. Периоды экстремальных значений A LOD, таким образом, являются индикаторами преобладающе экстремальных значений NAO соответствующего знака.
При анализе Южно-Атлантического антициклона значимой корреляционной связи интенсивности с ходом A LOD выявить не удалось. Коэффициент корреляции (без сглаживания ряда Itnt) за период 1900-2004 гг. составил всего 0,21. Тем не менее, следует заметить, что слабая линейная корреляция либо же ее отсутствие сами по себе не могут служить основанием для утверждения об отсутствии связи между двумя переменными. (Справедливости ради отметим, что и обратное утверждение было бы некорректным.)
Заслуживающим внимания представляется тот факт, что, как антициклон Южной Атлантики, так и Азорский ЦДА, при усилении интенсивности (высоких значениях Itnt, или, что то по сути то же самое, значениях Рмах выше среднего) смещаются по направлению от экватора в сторону умеренных широт. Ранее такое предположение было высказано профессором Кондратовичем и автором настоящей работы. Дальнейшие расчеты и их анализ подтвердили эту гипотезу. Для Южно-Атлантического ЦДА разность по широте между состояниями наибольшей и наименьшей интенсивности составила более 5 широты. Для
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2658аа и A LOD при использованном ряде в 105 лет (1900-2004) для 1 = 0 составил 0,50 без
сглаживания и осреднения (Вершовский, 2006-2). Это вполне согласуется с концепцией В. Старра, поскольку при смещении субтропических антициклонов в более высокие широты должно наблюдаться определенное ослабление пассатов в тропической зоне с одновременным усилением западного переноса в умеренных широтах.
В связи с анализом интенсивности Южно-Атлантического антициклона хотелось бы отметить еще один интересный момент. При сопоставлении многолетнего хода индекса интенсивности (Itnt) Южно-Атлантического и Индийского антициклонов обнаружилась плотная и синхронная связь между этими двумя переменными. Коэффициент корреляции за
период 1900-2004 гг. составил 0,74 при X = 0 (сглаживание или осреднение не проводились).
Иначе говоря, процессы интенсификации или ослабления Южно-Атлантического и Индийского ПДА в их среднегодовом выражении происходят с отчетливой синхронностью, демонстрируя к тому же весьма близкие амплитуды индекса интенсивности Itnt-
Вопрос о взаимодействии глобальной атмосферной циркуляции и вариаций скорости вращения Земли перестал быть полем гипотетических догадок и стал подтвержденной и хорошо обоснованной частью суммы знаний, которой располагают науки о Земле. Однако, как уже отмечалось выше, подавляющее большинство ученых, занимающихся этой проблемой, исследуют данную взаимосвязь для атмосферы в целом, используя при этом различного рода численные методы. Проделанные на кафедре ДАКЗ РГГМУ работы, изучающие взаимосвязь изменений скорости вращения Земли с состоянием региональных центров погоды позволили, во-первых, выявить значимую статистическую связь интенсивности большинства ПДА с флуктуациями скорости вращения планеты (причем, что очень существенно, с флуктуациями многолетними, а не межгодовыми или сезонными), и, во-вторых, использовать A LOD как определенный индикатор (и, возможно, предиктор) региональных и глобальных гидрометеорологических процессов.
Существует, однако, и еще один сегмент проблемы, относительно которого единства мнений пока не достигнуто. Речь идет о том, что является первичным в данном процессе: изменения скорости вращения Земли или же движение глобальных воздушных масс? Ученики и последователи В. Старра (и не только они) достаточно уверенно утверждают, что атмосферные процессы являются движителем рассматриваемого процесса. Это, однако, логически противоречит справедливому утверждению школы Старра, что при изменениях скорости вращения Земли в атмосфере происходят компенсаторные процессы, направленые
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2659аа В макрометеорологии хорошо известен тот факт, что в формировании глобальной циркуляции ведущая роль принадлежит региональным центрам действия атмосферы. В данном случае этот факт находит дополнительное подтверждение как в достаточно тесной связи интенсивности ЦДА с вариациями A LOD, так и в том, что именно многолетние изменения этих двух переменных находятся в определенном соответствии.
Возможность прогнозирования - пусть даже качественного, в плане знака ускорения вращения Земли - значений A LOD позволила бы сделать кардинальный шаг в долгосрочном и климатическом прогнозировании. Искушение использовать в этом плане те ЦДА, где
изменения интенсивности предваряют изменения A LOD (X < 0), достаточно велико. Стоит,
однако, помнить при этом, что существующая в природе многолетняя и отчетливо выраженная статистическая связь всегда может неожиданно прерваться или же кардинально изменить свой характер.
Литература
1. Вершовский М.Г. Азорский антициклон и колебания скорости вращения Земли. // В сб.: Вопросы промысловой океанологии, вып.З. - М.: Издательство ВНИРО. - 2006. (В печати.)
Электронный научный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 2660аа Все научные статьи