Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Логинов Сергей Владимирович
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КЛИМАТА АЗИАТСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ
Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
Томск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, Ипполитов Иван Иванович
Официальные оппоненты: Пхалагов Юрий Александрович, доктор физикоматематических наук, Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Суторихин Игорь Анатольевич, доктор физикоматематических наук, профессор, Институт водных и экологических проблем СО РАН
Ведущая организация: ФГУБН Институт физики атмосферы им. А.М.
Обухова РАН
Защита состоится 28 сентября 2012 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им.
В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
Автореферат разослан
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук В.В. Веретенников
Общая характеристика работы
Актуальность работы.
Проблема глобального потепления является центральной проблемой современной климатологии. Оценки, выполненные Межправительственной группой экспертов по проблеме изменений климата (МГЭИК, 2007) показали, что в ХХ столетии произошло среднеглобальное потепление климата, составившее 0,6 0.2 С, соответствующих доверительному уровню 95 %, а для периода 1906-2005 гг. потепление составило уже 0,74 0,18С. Данные наблюдений обнаружили сильную пространственно-временную изменчивость климата. Потепление климата в ХХ веке происходило главным образом в течение двух периодов времени: 1919-1945 гг. и с 1976 по настоящее время.
Пространственная структура потепления в ХХ веке характеризуется существенной неоднородностью, особенно во внетропических широтах. В качестве основной причины наблюдаемого глобального потепления МГЭИК рассматривает возрастание антропогенной нагрузки на климатическую систему и, в частности, выбросы в атмосферу парниковых газов и сульфатных аэрозолей. Однако довольно значительная группа исследователей связывает происходящие изменения с естественными колебаниями климата. Для устранения возникших противоречий в понимании причин наблюдаемого потепления в 2003 г. был разработан план исследований для Программы наук об изменении климата (ССSP, 2003). В программе подчеркивается необходимость изучения региональных изменений климата и их изменчивости, характеризуемой моментами распределения более высокого порядка.
Необходимость исследования региональных изменений климата также связана с различными социально-экологическими последствиями развивающегося глобального потепления. Азиатская территория России (АТР) представляет собой обширный регион планеты, в котором реализуются разнообразные физико-географические условия и который вносит существенный вклад в формирование климата Северного полушария.
Целью работы являлось: исследование пространственно-временной изменчивости среднемесячных и среднегодовых полей температуры, давления и осадков на азиатской территории России во второй половине ХХ и начале XXI столетий и оценивание влияния на эту изменчивость крупномасштабной атмосферной циркуляции и радиационного баланса на верхней границе атмосферы.
Основные задачи исследования, которые решались для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:
1. Исследовать поля средних величин и линейных трендов температуры, давления, осадков на АТР по данным гидрометеорологических наблюдений за период 1975 - 2005 гг.
2. Для станций, расположенных на территории бывшего СССР исследовать закономерности проявления в рядах температуры и давления скрытых квазипериодических колебаний, выявить общность масштабов колебаний и их возможную обусловленность колебаниями солнечной активности, а так же процессами, происходящими в Северной Атлантике и экваториальной части Тихого океана.
3. Разработать методику прогностической оценки изменчивости приземной температуры, основанную на использовании вейвлет-преобразования исходного ряда.
4. Исследовать изменчивость субтропического струйного течения (ССТ) в Северном полушарии, включающую линейные тренды, квазипериодические колебания, связи этих характеристик с различными геофизическими индексами по данным реанализа NCEP/NCAR за период 1948-2005 гг.
5. Исследовать изменчивость элементов радиационного баланса на ВГА над АТР по данным реанализов NCEP-DOE AMIP-II и JRA-25 за период 19792008 гг.
6. Разработать регрессионные модели, связывающие изменчивость приземной температуры с изменчивостью глобальной циркуляции в Северном полушарии и изменчивостью радиационного баланса на ВГА над АТР.
Материалы и методы исследования.
В работе использованы данные наблюдений 454 метеорологических станций, расположенных на АТР и сопредельных территориях, а также реанализов NCEP/NCAR, NCEP-DOE AMIP-II и JRA-25. При решении поставленных задач использовались методы: корреляционного и спектрального анализов, теории статистических выводов, регрессионного анализа, анализа главных компонент, кластерного анализа, анализа временных рядов с помощью вейвлет-преобразований. Значимость полученных оценок проверялась путем расчета стандартных критериев. Большая часть расчетов проведена с использованием авторских программ, написанных для работы в среде MATLAB.
Основные положения, выносимые на защиту 1. По данным гидрометеорологических наблюдений в течение 1975Ц20гг. установлено, что в целом для азиатской территории России увеличение приземной температуры воздуха составило 0,340,20C/10 лет, при этом потепление проявлялось во все сезоны года, атмосферное давление падало 0,220,16 гПа/10 лет, а количество осадков уменьшалось -5,0318,44 мм/лет. В то же время изменения имели выраженную макромасштабную пространственную неоднородность.
2. Анализ квазипериодических колебаний в рядах температуры сети станций на территории бывшего СССР показал, что наиболее общими для всех станций периодами колебаний являются 5, 7, 11, 15 и 22 года, хотя единого для всех станций периода колебаний не обнаружено. Установлена статистически значимая связь колебаний в диапазонах периодов 3Ц8 и 10Ц15 лет в температурных рядах Западной Сибири с изменчивостью аналогичных масштабов индекса Северо-Атлантического колебания.
3. По данным реанализа установлено, что во второй половине ХХ столетия скорость ветра на оси субтропического струйного течения в северном полушарии в холодный период года увеличивалась на 1мс-1/10 лет, причем без значимых изменений широты и высоты самой оси. При этом корреляционная связь скорости течения с североатлантическим колебанием является значимой только в октябреЦдекабре, а с южным колебанием - в январеЦ апреле, и повышается, если рассматривать не исходные ряды, а их вейвлетспектры.
4. По данным реанализа установлено, что в течение последнего 20-летия на верхней границе атмосферы (ВГА) происходило увеличение интенсивности отраженной коротковолновой солнечной радиации и, соответственно, уменьшение радиационного баланса, которое составило -1,7 Втм-2/10 лет. Эта тенденция находится в соответствии с изменением облачного покрова и приходящей к подстилающей поверхности коротковолновой солнечной радиации.
Научная новизна работы:
1. В работе впервые для крупного климатообразующего региона Северного полушария определены не только средние характеристики метеорологических полей и масштабы их пространственно-временной изменчивости, но и с единых позиций проанализированы скрытые квазипериодические колебания во временных рядах климатических характеристик и установлены статистические связи этих колебаний с колебаниями в основных планетарных геофизических индексах.
2. Предложен новый подход к прогнозированию изменчивости климатических характеристик, основанный на свойствах вейвлет-преобразования исходного ряда наблюдений.
3. Выявлены закономерности пространственно-временной изменчивости субтропического струйного течения во второй половине ХХ столетия.
Практической ценностью выполненной работы является то, что полученные в работе результаты являются необходимой составной частью данных, предназначенных для тестирования региональных численных моделей климата и для разработки обоснованных методик организации сети регионального мониторинга климата.
Результаты работы использованы Институтом криосферы Земли СО РАН при выполнении программы РАН Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы. Проект 16.4. Природные и антропогенные факторы динамики криогенных геосистем.
Обоснованность и достоверность полученных в работе результатов обусловлена большим объемом анализируемых данных, корректным комплексным использованием современных методов и средств математического аппарата, сравнением полученных результатов с выводами других авторов, удовлетворительным согласованием модельных данных с фактическими.
ичный вклад автора. Автор принимал участие на всех этапах работы:
в формулировке задачи, выборе методов решения, проведении расчетов и интерпретации результатов. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 2002 г.), российской конференции Сибирское совещание по климатоэкологическому мониторингу (4-е Томск, 2001, 5-е Томск, 2003, 6-е Томск, 2005, 7-е Томск, 2007, 8-е Томск, 2009, 9-е Томск, 2011), Международном симпозиуме Оптика атмосферы и океана (VIII Томск, 2001), Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003), Рабочей группе Аэрозоли Сибири (Х Томск, 2003, ХIV Томск, 2007, ХV Томск 2008), Международном симпозиуме Контроль и реабилитация окружающей среды (IV Томск, 2004, VI Томск, 2008, VII Томск, 2010), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды (ENVIROMIS-2004, ENVIROMIS-2006, ENVIROMIS2008, ENVIROMIS-2010, Томcк), International Conference and Young Scientists School on Computational Information Technologies for Environmental Sciences (CITES-2007, Томск, 2007, CITES-2011, Томск, 2011), EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2010), ESA-iLEAPS-EGU Joint Conference on Earth Observation for Land-Atmosphere Interaction Science in Frascati (Rome, Italy, 2010), WCRP OSC Climate Research in Service to Society in Denver (CO, USA, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 87 научных работ, в том числе 15 в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка литературы. Работа изложена на 152 странице машинописного текста, содержит 35 рисунков, 18 таблиц, список литературы включает 161 наименования, из них 57 на английском языке.
Содержание работы.
Во введении обсуждается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования. Дается общая характеристика работы, отмечается вклад автора, указываются основные методы исследований, положения, выносимые на защиту, апробация работы.
Первая глава носит обзорный характер.
Характеристики глобальных изменений климата в ХХ столетии и особенности изменений на территории России обсуждаются в разделе 1.1. Показывается пространственная неоднородность потепления второй половины ХХ столетия. Отмечается, что наблюдавшиеся во второй половине ХХ столетия региональные структуры потепления были связаны с различными фазами атмосферно-океанических колебаний, такими как Северо-Атлантическое колебание (NAO) и Южное колебание (SOI). Проявление влияния таких колебаний носит отчетливо выраженный региональный характер, поэтому, региональные тенденции температуры могут заметно отклоняться от глобальных средних значений.
Отмечается существенная пространственная неоднородность изменений климата на территории России. По литературным данным интенсивность потепления за 100-летний период (1901Ц2000гг) в среднем для территории России составила 0,09 оС/10лет. Во второй половине ХХ века (1951Ц2000 гг.) общая тенденция изменения средней годовой температуры на территории России также характеризуется положительными трендами, с наиболее интенсивными трендами в Предбайкалье-Забайкалье (0,35оС/10лет), а так же в Приамурье-Приморье и в Средней Сибири. Для России в целом потепление было более заметным зимой и весной (0,47 оС/10лет и 0,29 оС/10лет соответственно). Для второй половины ХХ века отмечается тенденция к уменьшению годовых и сезонных сумм осадков в целом для России и для её восточных регионов. Наиболее заметно уменьшение осадков в северо-восточном регионе страны. На европейской территории отмечена слабая тенденция к росту осадков.
В разделе 1.2 рассматриваются колебания в рядах метеорологических величин и их возможная обусловленность солнечным воздействием. Рассматриваются гравитационное возмущение элементов земной орбиты, изменчивость солнечной активности. Приводятся оценки связей возмущений с изменениями температуры и давления. Отмечаются характерные периоды колебательных процессов.
В разделе 1.3. рассматриваются колебания в рядах метеорологических величин, обусловленные крупномасштабной циркуляцией атмосферы и океана. В качестве основных рассматриваются Эль-Ниньо - Южное Колебание (ENSO) и Северо-Атлантическое колебание (NAO), оказывающих постоянное влияние на региональные колебания температуры и количества атмосферных осадков. Приводятся оценки их связей и отмечаются региональные особенности проявления. Также приводятся характерные периоды колебательных процессов.
Во второй главе приводятся характеристики исходных данных, применяемых в исследовательской работе, изложена методика анализа и результаты исследования колебательной структуры некоторых геофизических индексов.
В разделе 2.1. описываются наборы данных, использованные в работе, а также даются их краткие характеристики.
В разделе 2.2. приводятся краткие сведения о вейвлет-анализе временных рядов и результаты его применения к некоторым геофизическим индексам, характеризующих атмосферную циркуляцию, солнечную активность, геомагнитную изменчивость и нестабильность вращения Земли. В расчетах использовался вейвлет Морле. Полученные спектры сравнивались с Фурьеспектрами. В число анализируемых индексов, характеризующих солнечную и геомагнитную активность, помимо W, Ар и F10.7 вошли корональный индекс солнечной активности (FelV), поток напряженности магнитного поля солнца (Magnetic), яркости кальциевых флоккул (Calcium) и критические частоты слоя ионосферы F2 (f0F2, данные ионосферной станции г. Томск). Выявленные характерные масштабы приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Масштабы периодичностей в геофизических индексах и индексах солнечной активности Масштаб W Calcium FelV Magnetic SRF Ap f0Fлет 5 3Ц11 7Ц14 7Ц14 6Ц14 7Ц14 7Ц13 7Ц22 20Ц28 18Ц29 14Ц30 19Ц28 15Ц20 20Ц30 22Ц40 23Ц50 40Ц60 40Ц100 85Ц1Так как, в ряде работ обращается внимание на связь длиннопериодных изменений характеристик климата с изменениями в угловой скорости вращения Земли , то был выполнен анализ вейвлет-спектра , который показал, что длиннопериодная изменчивость угловой скорости вращения Земли представляется колебанием с масштабом ~22 года. Периодичность с масштабом около 6Ц7 лет выражена слабо и проявляется нерегулярно.
Анализ вейвлет-спектров индекса NAO выявил колебания масштабов 30Ц 40, 14, 8Ц9 и 3 лет. Колебания масштаба 30Ц40 лет наиболее отчетливо проявляются во второй половине 20-го столетия. Интенсивность колебаний масштаба 14 лет максимальна в начале и в конце 20-го столетия. Колебания с масштабом 8Ц9 лет проявляются между 1880-м и 1920-м годами, особенно интенсивными они становятся в конце прошлого века. Масштаб в 3 года возникает на временной оси спорадически. В работе проводится сравнение с результатами ряда работ, исследовавших спектральный состав индекса NAO, и, отмечается, что отсутствие в этих работах колебаний с масштабами в 14 и 3040 лет объясняется наложенным ограничением на порядок авторегрессионной модели. Увеличение количества параметров с 4 до 8 приводит к появлению в указанных диапазонах спектральной плотности соответствующих колебаний.
В вейвлет-спектрах индекса SOI просматриваются крупномасштабные колебания масштаба 40Ц50, 14 и 6Ц8 лет. Колебания масштаба 14 лет ярко выражено в конце ХХ столетия. Масштабы 6Ц8 лет проявляются спорадически на всей временной оси, особенно интенсивными эти колебания являются в начале 20-го столетия. Отмечается, что подобный характер структуры колебаний индекса SOI обнаружен так же в ряде работ.
Полученные в настоящем разделе вейвлет-спектры солнечных индексов, индексов NAO и SOI используются в следующих разделах при анализе долгопериодных вариаций метеорологических величин.
В главе 3 проведены результаты исследования структуры и динамики метеорологических полей на азиатской территории России (АТР) во второй половине ХХ столетия.
В разделе 3.1. приводятся оценки изменения температуры на АТР в период интенсивного глобального потепления 1975Ц2005гг. Для вычисления полей температуры использовались ежесуточные данные наблюдений на 454 станциях расположенных к востоку от Урала и в северных районах Казахстана, Монголии, Китая (центр распределения данных NOAA, ftp://ftp.cdc.noaa.gov) за 1975Ц2005 гг. При расчетах среднемесячных величин предполагалось, что количество пропусков в данных (за месяц) не должно превышать 5, а в рядах среднемесячных величин не более 2 лет на 30-летнем интервале. В дальнейшем для каждой станции проводилась оценка линейного тренда и сравнение его с величинами, полученными на соседних станциях.
Для получения оценок величин, осредненных по АТР, применялась интерполяционная схема обыкновенного крайгинга на сетку 1х1 с последующим расчетом выборочной плотности вероятности рx(х), выборочной функции распределения Fх(х). Для учета неравенства площадей узлов сетки проводилась коррекция функций. По Fх(х) находилась медиана, используемая в дальнейшем как оценка осредненной по территории величины. При расчете Fх(х) и рx(х) и вытекающих из них численных оценок учитывались узлы сетки, расположенные на территории АТР.
Ttr Распределение по территории (рис. 1) является неравномерным. Более быстрыми, чем средний, темпами потепление происходит в районе Средне-Сибирского плоскогорья и на п-ве Чукотка.
Рисунок 1 - Распределение трендов среднегодовой температуры на АТР (С/10лет).
Рассмотрение внутригодовой динамики распределения трендов температуры для исследуемой территории показало, что выделяются Западная и Восточная Сибирь и Чукотка. В Западной Сибири процессы потепления определенным образом чередуются с процессами похолодания. Из табл. 2 следует, что за исключением декабря, в целом по территории во все календарные месяцы доминирует процесс потепления.
Таблица 2 - Сезонный ход осредненной по АТР температуры T и ее линейного тренда Ttr Месяц , (С),С/10лет tr,С/10лет Ttr T, (С) Январь -27,9 7,7 0,27 0,Февраль -24,8 7,1 0,51 0,Март -15,9 6,8 0,65 0,Апрель -5,2 6,3 0,23 0,Май 4,4 4,9 0,55 0,Июнь 13,0 3,5 0,37 0,Июль 16,3 2,8 0,47 0,Август 13,0 2,7 0,26 0,Сентябрь 5,4 2,8 0,19 0,Октябрь -5,5 5,0 0,56 0,Ноябрь -18,5 7,5 0,29 0,Декабрь -26,3 7,9 -0,03 0,Год -6,4 4,9 0,34 0,Оценки трендов оказываются значимыми (при =0,1) для марта, мая, июня, июля, августа и октября. Чукотка интенсивно охлаждается в январе, однако в остальные месяцы в этом регионе происходит потепление, в основном, высокими темпами.
В разделе 3.2. приводятся оценки изменения давления на АТР в период интенсивного глобального потепления 1975Ц2005 гг. Карта трендов среднегодового давления (рис. 2) показывает чередование по территории очагов с положительными и отрицательными трендами среднегодового давления. Делается предположение, что преобладающее уменьшение давления вдоль побережья Арктических морей не связано с динамикой центров действия атмосферы, объясняется уменьшением давления в центральной Арктике, выявленным в 80-х и 90-х годах прошлого столетия.
Анализ внутригодовой динамики распределения трендов давления для исследуемой территории показал, что с января по октябрь тенденция к снижению давления присуща большей части АТР (табл. 3).
Области повышения давления носят очаговый характер. Так, в январе, происходит повышение давления на Чукотке и в Приморье. Оно сопровождает процесс интенсивного похолодания на этой территории в том же месяце.
Рисунок 2 - Распределение трендов среднегодового давления (гПа/10лет) на АТР Таблица 3 - Сезонный ход усредненного по АТР давления и его линейного P тренда Ptr Месяц , (гПа), гПа/10лет tr, гПа/10лет Ptr P, (гПа) Январь 1024,5 6,6 -0,19 0,Февраль 1023,1 5,4 -0,97 0,Март 1020,1 3,7 -0,75 0,Апрель 1015,0 2,5 -0,40 0,Май 1011,5 2,2 -0,06 0,Июнь 1008,3 1,5 -0,49 0,Июль 1007,4 1,7 0,08 0,Август 1009,4 1,0 0,03 0,Сентябрь 1012,9 2,1 -0,56 0,Октябрь 1015,6 4,0 -0,64 0,Ноябрь 1019,6 5,2 0,26 0,Декабрь 1022,5 6,8 1,06 0,Год 1015,8 2,9 -0,22 0,В разделе 3.3. описываются изменения общего количества осадков на АТР в период интенсивного глобального потепления 1975Ц2005 гг. Отмечается, что закономерности формирования поля осадков определяются действием различных факторов. Кроме того, трудности в анализе режима осадков заключаются в том, что это климатическая характеристика является чрезвычайно изменчивой в пространстве и во времени. Приводится оценка среднего по территории годового количества осадков (составившая 541 мм/год, из них 402 мм/год приходятся на теплый сезон), позволившая выделить несколько областей с повышенным количеством осадков: Западная Сибирь, Приморье, Сахалин и Камчатка.
Повышенное содержание осадков в Западной Сибири объясняется следствием западного переноса влаги из Северной Атлантики, хотя и ослабленного Уральскими горами. Что касается Приморья, Сахалина и Камчатки, то повышенное количество осадков здесь связывается с процессами циклонической активности на севере Тихого океана.
Как вытекает из рис. 3 и табл. 4 в целом для АТР в период 1975-2005гг.
преобладала тенденция к снижению количества осадков как годовых, так и осадков теплого и холодного периодов.
Рисунок 3 - Распределение трендов количества осадков по территории АТР, мм/10лет за год Таблица 4 - Сезонный ход осредненного по АТР количества осадков R и его линейного тренда Rtr Время года R Rtr, мм/год , мм/год, мм/год /10лет tr, мм/год /10лет Январь 21,5 12,5 -0,23 2,Февраль 19,9 11,1 -0,13 1,Март 22,4 9,9 -0,61 1,Апрель 30,2 12,2 -0,39 2,Май 42,4 15,2 -0,07 3,Июнь 63,7 19,9 -1,99 5,Июль 76,5 26,4 -2,67 6,Август 77,7 27,5 0,00 6,Сентябрь 58,7 18,9 -1,08 5,Октябрь 42,2 17,4 0,15 3,Ноябрь 33,7 14,5 -0,05 2,Декабрь 26,6 13,3 -1,30 2,Год 541,5 123,1 -5,03 18,Теплый сезон 402,1 104,9 -2,16 15,Холодный сезон 125,3 50,3 -1,87 5,Согласно рис. 3 тенденции к росту количества осадков проявляются, в основном, в теплый период и сосредоточены в Средней Сибири. Из табл. следует, что на территории АТР наблюдается незначимая (при =0.1) тенденция к снижению осадков.
В главе 4 излагается методика применения вейвлет-спектров для анализа рядов климатообразующих величин и выявления дальних связей в региональной климатической системе и приведены результаты анализа.
В разделе 4.1. анализируются связи между периодичностями в рядах наблюдений температуры приземного воздуха для отдельных станций:
Омска, Томска, Красноярска, Иркутск, Благовещенска и ПетропавловскКамчатский, расположенных на АТР в широтной зоне 50-56 с.ш. Анализ корреляций между шкально-усредненными вейвлет-спектрами одного масштаба, относящихся к различным станциям наблюдений, не выявил колебания, доминирующего в региональной климатической системе ни в рядах температуры, ни в рядах давления. Наиболее тесная (k ~ 0,4) статистически значимая (при =0.1) связь выявлена для колебания в рядах температуры масштаба 5 лет.
В разделе 4.2. приводятся результаты анализа периодичностей приземных температур, давления, осадков на территории СНГ и Балтии и их возможная связь с колебаниями планетарных индексов (чисел Вольфа, NAO, SOI). Основным исходным материалом для исследований являлись ряды инструментальных наблюдений среднегодовой температуры приземного воздуха на 2станциях, расположенных на территории СНГ и Балтии и ряды наблюдений атмосферного давления, приведенные к уровню моря на 178 станциях, расположенных на той же территории.
По данным вейвлет-спектров были определены общие масштабы квазипериодических колебаний во временных рядах наблюдений: 5, 7, 11, 15, 22, и 30 лет. Последующие построения шкально-усредненных спектров позволили рассчитать по ним коэффициенты корреляций между колебаниями одинакового масштаба в рядах метеорологических величин и геофизических индексов.
Корреляционный анализа связей между периодичностями в рядах температуры и индексом SOI показал, что для масштабов 11, 15, 22 и 30 лет имеет место отрицательная корреляция, причем ее величина растет с увеличением масштаба колебания, а также от столетия в целом к его второй половине.
Связь между периодичностями температуры и NAO невелика, наибольшее значение равно 0,31 и приходится на масштаб в 15 лет, для Сибири это значение увеличивается до 0,37.
Корреляция периодичностей в рядах давления и индексов SOI и NAO (рис.4) для территории СНГ и Балтии (слева), а также Сибири (справа) имеют в основном отрицательный характер. Значения коэффициентов в центрах распределений в целом малы (0,3), а среднеквадратичные отклонения велики.
Исключения составляют 15-летняя квазипериодичность индекса NAO и 30летняя квазипериодичность индекса SOI для Сибири с коэффициентом корреляции соответственно -0,8 и -0,4.
Рисунок 4 - Средние значения (1) и среднеквадратические отклонения (2) коэффициентов корреляции в рядах периодичностей давления и индекса SOI (а) и NAO (б).
Для рассмотрения динамики связей были построен спектр коэффициентов когерентности KXY(a,b), а для оценки локальных задержек (лагов) - фазовый спектр FXY(a,b), где a - масштаб вейвлета, b - сдвиг вейвлета, X и Y - анализируемые временные ряды (рис.5).
а) б) Рисунок 5 - Результаты взаимного анализа временных рядов температур территории Сибири и индекса NAO (а - вейвлет-спектр коэффициента когерентности, б - фазовый вейвлет-спектр).
Для удобства анализа значения фазового спектра выражены через временную шкалу. Правый наклон штриховки соответствует отрицательным, а левый наклон - положительным значениям знака фазы. При построении матриц проводилось усреднение по тем элементов, чьи величины значимыми при =0.1. Периодичности масштабов в 5 и 7 лет имеют значения KXY(a,b) =0,4-0,5, связь носит спорадический характер, фазовый сдвиг отсутствует.
Фазовый сдвиг в 1-3 года присутствует во взаимодействии 15-летних периодичностей, проявляющихся в течении всего ХХ столетия, а положительный знак фазы говорит о том, что изменения NAO предшествуют изменениям температурного поля.
Были выполнены оценки связей колебаний осадков с колебаниями атмосферной циркуляции и солнечной активности для территории Сибири, ограниченной 50 и 75 с.ш. и 60 и 120 в.д. Для получения оценок использовались суточные данные наблюдений за осадками на 325 станциях, расположенных на этой территории за климатически значимый интервал 1969-20гг.. Из анализа значимых (=0.1) оценок связей периодичностей характеризуемых масштабами в 5, 7, 11, 15 лет (табл. 5) следует, что циркуляция атмосферы, вызванная Южным колебанием, значимого влияния на колебания поля осадков Сибири не оказывает.
Таблица 5 - Корреляции периодичностей в рядах NAO, Wolf, SOI и количества осадков на территории Сибири.
Периодичности Тип Параметр периода 5 7 11 NAO -0,290,32 -0,060,38 0,020,Теплый Wolf -0,170,27 -0,240,25 0,310,41 0,050,SOI 0,120,27 0,020,23 -0,330,36 -0,130,NAO -0,310,23 -0,020,41 -0,030,Холодный Wolf -0,230,23 -0,250,22 0,490,28 0,210,SOI -0,030,26 -0,120,19 -0,220,28 0,010,Холодный период характеризуется значимыми связями между 7-летними периодичностями NAO и осадками, а также между 7 и 11-летними периодичностями чисел Вольфа и осадками.
Заключается, что рассмотренные периодичности представляются локальными характеристиками региональной климатической системы. Предполагается, что рассмотренные колебания являются внутренними колебаниями системы океан-атмосфера.
В разделе 4.3 рассмотрено использование метода вейвлетпреобразования для получения прогнозных оценок изменения температуры приземного воздуха (ТПВ). Вводится предположение, что временной ряд можно разделить на три составляющие: долговременный тренд, набор гармонических составляющих и аномалии, характер которых близок к случайному процессу. Предполагая, что характер аномалий остается неизменным, прогнозирование величин осуществляется экстраполяцией долговременного тренда и продолжением соответствующих гармоник. Коэффициенты вейвлетпреобразования a(b) используются для выделения квазипериодических колебаний. Экстраполяция вперед проводится по коэффициентам вейвлетпреобразования выделенных масштабов с учетом их динамики на временной оси, а колебательная составляющая ряда восстанавливается обратным вейвлет-преобразованием. Производится сравнение с прогнозом, полученным методом гармонического разложения.
Непосредственно процедура экстраполяции a(b) состоит в оценке как временного положения очередного максимума/минимума (в виде среднего периода данного ряда), так и его численного значения (с помощью линейного полинома). Полученное значение периода использовалось на прогнозируемый временной промежуток для продления самой функции a(b). Для расчета параметров линейного полинома использовались значения локальных экстремумов в конце временного периода исходного ряда. Заполнение значений вейвлет-коэффициентов в промежутке между максимумом и минимумом осуществляется кубическим сплайном. Оценка доверительных интервалов осуществлялась по эмпирической функции распределения погрешностей интерполирования.
На рис. 6 приведено сравнение двух процедур экстраполяции на временной интервал 1985Ц2007 гг. данных ТПВ. Интервал 1880 по 1984 гг. брался как базовый.
Рисунок 6 - Сравнение процедур экстраполяции.
Ряд 10-ти летнего скользящего среднего ТПВ г. Сыктывкара обозначен сплошной линией, пунктиром - экстраполированные значения, полученные с помощью метода вейвлет-преобразования, точками - результат применения гармонического разложения. Из рис. 6 видно, что для метода гармонического разложения стандартное отклонение ошибки на период теста составило 0,С, а для методики с использованием вейвлет-преобразования стандартное отклонение ошибки составило 0,07 0С.
Глава 5 посвящена исследованию полей метеорологических величин и циркуляции в отдельных регионах Северного полушария по данным реанализа NCEP/NCAR, JRA25.
В разделе 5.1. приводятся результаты исследования изменчивости составляющих радиационного баланса на ВГА над азиатской территорией России в период 1979-2008гг. На уровне верхней границы атмосферы анализировались изменчивости уходящей длинноволновой радиации (УДР), уходящего с верхней границы атмосферы коротковолнового излучения Q и радиационного баланса B. Также изучалось изменчивости полной облачности TC. В качестве исходных данных использовались данные JRA-25 и NCEP/DOE AMIP-II. Оценки величин трендов, коэффициентов корреляций и проверки нулевой гипотезы проводились по методике, описанной в главе 3.
Отмечается, что изменчивость потоков УДР как для среднегодовых, так и для среднемесячных значений не превышала 3% от средних величин, причем их величина максимальна в холодный период года.
Радиационный баланс на верхней границе атмосферы определялся как:
B= Q0 - Q - L где Q0 - приходящая на ВГА коротковолновая радиация, Q - уходящая с ВГА коротковолновая радиация, L - уходящая с ВГА длинноволновая радиация. Межгодовая изменчивость B приведена на рис.7.
Рисунок 7 - Межгодовая изменчивость радиационного баланса B над АТР по данным JRA-25.
Из рис. 7 следует, что с начала 90-х годов ХХ столетия наблюдается рост отраженной системой Земля-атмосфера коротковолновой радиации. Этот рост находится в соответствии с динамикой облачного покрова (рис. 8а) и уходящей с верхней границы атмосферы коротковолновой радиации (рис. 8б).
а) б) Рисунок 8 - Изменчивость полной облачности TC над АТР по данным JRA25 и NCEP DOE (а) и, Q по данным JRA-25 (б) С учетом того, что Q0 и L меняются незначительно в рассматриваемый период времени, динамику изменения радиационного баланса на рис. 7 определяет уходящий поток коротковолнового излучения Q. Среднегодовые значения радиационного баланса на верхней границе атмосферы являются отрицательными, что соответствует отрицательным значениям усредненных по территории среднегодовых температур воздуха. Нисходящий тренд радиационного баланса ярко выражен в период после начала 90-х годов ХХ столетия. Он соответствует абсолютному уменьшению радиационного баланса ~Вт/м2.
Исследование элементов радиационного баланса над АТР показало, что значительное влияние на их изменчивость, в частности, на уходящую с верхней границы атмосферы коротковолновое излучение Q, радиационный баланс B оказывает изменчивость облачного покрова. Среднегодовые значения радиационного баланса на верхней границе атмосферы являются отрицательными, также отрицательными являются значения усредненных по территории среднегодовых температур воздуха. Опираясь на отрицательный тренд радиационного баланса, хотя абсолютное уменьшение радиационного баланса невелико (~1,7 Вт/м2/10 лет), проявившийся в период после начала 90-х годов ХХ столетия, можно предположить, что наметилась тенденция охлаждения региональной климатической системы, способная замедлить рост температуры приповерхностного воздуха.
В разделе 5.2. приводятся результаты исследования изменчивость субтропического струйного течения (ССТ) в тропосфере Северного полушария во второй половине ХХ века. ССТ рассматривалось как ведущий поток западно-восточной циркуляции. Исследования выполнены с помощью данных реанализа NCEP/NCAR за 1948-2006гг. Исследованы связи скорости на оси струйного течения (СТ) с Северо-Атлантическим (NAO) и Южным (SOI) колебаниями, колебаниями солнечной активности, характеризуемыми числами Вольфа (W), и с изменениями угловой скорости вращения Земли ().
Проводилось усреднение зональной компоненты скорости ветра на гоu ризонтальной оси СТ на уровне 200 гПа как по кругу широты, так и по отрезкам широты, отвечающим Европейскому (0-60 в.д.), Сибирскому (60-120 в.д.), Дальневосточному (120-180 в.д.), Тихоокеанскому (120-180 з.д.), Американскому (60-120 з.д.) и Атлантическому (0-60 з.д.) секторам. Далее вычислялась корреляция полученных таким образом рядов скорости ветра u и временных рядов индексов NAO, SOI, W и для отдельных месяцев и года в целом.
Рисунок 9 - Зональная составляющая скорости ветра (м/с) (а-январь, б- июль) и ее тренд (м/с за 10 лет) за 1948 - 2005 гг. (в-январь, г- июль) На рис. 9 представлены распределения в меридиональной плоскости усредненной по времени и по кругам широты зональной компоненты скорости ветра на уровнях атмосферы от 1000 до 10 гПа. Распределение трендов u скорости ветра свидетельствует об общей тенденции усиления западного переноса, наиболее выраженной в холодный период. Скорость ветра на оси ССТ увеличивается на 1 м/с за 10 лет в январе и на 0,4 м/с за 10 лет в июле.
Результаты корреляционного анализа для усредненной по кругу широты зональной компоненты скорости ветра на оси СТ представлены в табл. u для отдельных месяцев и года в целом. Выделены значения коэффициентов корреляции статистически значимые при (=0.1). Из табл. 6 видно, что значимая положительная связь усредненной зональной компоненты ветра на оси СТ с индексами NAO существует в сентябре-ноябре. В Европейском секторе эта связь имеет место в октябре-январе. Южное колебание значимо связано с u в период с января по апрель, причем в Тихоокеанском секторе теснота связи повышается до 0.62.
Таблица 6 - Коэффициенты корреляции между на оси СТ и рядами u геофизических индексов Месяц NAO SOI W Январь 0,11 0,30 0,25 -0,Февраль -0,10 0,49 0,03 -0,Март -0,10 0,41 0,15 -0,Апрель -0,08 0,38 -0,01 -0,Май -0,05 -0,03 -0,09 0,Июнь -0,15 0,04 0,2 -0,Июль 0,12 0,17 -0,03 -0,Август 0,11 0,08 -0,1 -0,Сентябрь 0,42 -0,26 0,07 -0,Октябрь 0,42 -0,16 -0,15 0,Ноябрь 0,30 0,12 0,05 0,Декабрь 0,05 0,00 -0,23 -0,Год -0,09 0,17 -0,08 -0,В работе показывается, что в Европейском секторе в холодный сезон положительная фаза NAO связана с возрастанием скорости ветра на оси ССТ. В отрицательной фазе NAO скорость ветра на оси ССТ снижается, при этом происходит заполнение Исландского минимума и ослабление Азорского максимума, траектории циклонов приобретают зональный характер, зимы в Северной Европе становятся суровее. В Тихоокеанском секторе в холодный период года скорость ветра на оси СТ возрастает в положительной фазе индекса SOI и уменьшается в отрицательной фазе.
Связь скорости ССТ с показала значимую антикорреляцию в течение июняЦавгуста, когда положение струи смещено в более высокие широты. При увеличении давление уменьшается в умеренных и полярных областях и возрастает в областях субтропического максимума, что приводит к дополнительному межширотному барическому градиенту. При замедлении скорости вращения Земли наблюдается противоположная картина.
Связи внутренних колебаний скорости струи с колебаниями в рядах индексов NAO и SOI носят более сложный характер. Для NAO эти связи имеют более тесный характер (r>0,4) для колебаний масштабов 7, 15, 22 лет, для SOI - для колебаний 5, 7, и 15 лет.
В разделе 5.3 приводятся результаты анализа связи между изменчивостями метеорологических величин с характеристиками радиационного баланса на верхней границе атмосферы и субтропического струйного течения, рассчитанных для азиатской территории России. Как следует из результатов анализа, применение регрессионной модели, состоящей из элементов составляющих скоростей ССТ, радиационного баланса на ВГА и общей облачности, позволяет описывать в холодный период года от 67 до 87% дисперсии приземной температуры, от 18 до 60% дисперсии давления и от 18 до 58 % изменчивости осадков.
Заключение 1. Усредненная по территории АТР среднегодовая температура приземного воздуха возрастала в период 1975Ц2005 гг. со скоростью 0,34 С/10 лет при среднеквадратичном отклонении 0,20 С/10 лет. Высокие значимые тренды потепления установлены для февраля, марта, мая, июля и октября, т.е. для месяцев, относящихся ко всем сезонам года.
2. Усредненное по территории АТР среднегодовое давление приземного воздуха падало в течение 1975Ц2005 гг. со скоростью -0,22 гПа/10лет при среднеквадратичном отклонении 0,17 гПа/10лет. Наибольшие отрицательные тренды давления установлены для февраля (Рtr = -0,97 гПа/10лет, tr = 0,гПа/10 лет, марта (Рtr = -0,75 гПа/10лет, tr = 0,60 гПа/10 лет,), причем в эти месяцы давление снижается практически на всей территории АТР.
3. Эволюция поля осадков на территории АТР в период 1975Ц2005 гг. характеризуется тенденцией к снижению как за год в целом (Rtr = -5,03 мм/10лет, tr = 18,44 мм/10 лет), так и в отдельные календарные месяцы. Значимых трендов изменения осадков не установлено.
4. Наиболее общими масштабами квазипериодических колебаний в рядах наблюдений на территории Сибири приземных температуры и давления являются масштабы 5, 7, 11, 15, 22 и 30 лет. Анализ корреляций между шкально-усредненными вейвлет-спектрами одного масштаба, относящихся к различным станциям наблюдений, не выявил колебания, доминирующего в региональной климатической системе ни в рядах температуры, ни в рядах давления. Наиболее тесная (k ~ 0,4) статистически значимая связь выявлена для колебания в рядах температуры масштаба 5 лет.
5. На основании анализа рассчитанных вейвлет-спектров для рядов наблюдений приземных температур в Западной Сибири и индекса СевероАтлантического колебания установлена статистически значимая корреляция для периодичностей 3Ц8 лет и 10Ц15 лет.
6. Разработана методика оценки прогноза межгодовых колебаний в рядах метеорологических величин. В методике осуществляется интерполяция вперед коэффициентов вейвлет-преобразования для выделенных периодичностей с последующим обратным преобразованием для получения прогнозируемой части ряда.
7. По данным проекта реанализа NCER/NCAR за 1948Ц2005 гг. исследована пространственно-временная изменчивость скорости ССТ, как ведущего потока западно-восточной циркуляции в тропосфере Северного полушария. Показано, что скорость ССТ в холодный период года увеличивается на 1 м/с за лет. Значимых тенденций в изменении широты и высоты положений оси ССТ не установлено. Рассмотрены корреляции временного ряда скорости течения с рядами индексов Северо-Атлантического и Южного колебаний, чисел Вольфа, угловой скорости вращения Земли. Влияние Северо-Атлантического колебания на скорость ССТ является значимыми в октябре-декабре, Южного колебания - январе-апреле. Для летних месяцев наблюдается антикорреляция скорости течения с угловой скоростью вращения Земли.
8. Исследованы изменчивости пространственно-временных распределений температуры и элементов радиационного баланса на ВГА над АТР, ограниченной 45Ц800с.ш. и 60Ц1800в.д., по данным реанализов NCER-DOE AMIP-II и JRA-25 за период современного глобального потепления 1979Ц2008 гг. Показано, что среднегодовые значения радиационного баланса на ВГА являются отрицательными, что соответствует отрицательным значениям усредненных по территории среднегодовых температур воздуха. Замечено, что с начала 90х годов ХХ столетия наблюдается рост отраженной Земля-атмосфера коротковолновой радиации. Этот рост находится в соответствии с динамикой облачного покрова и приходящей к подстилающей поверхности коротковолновой солнечной радиации. Нисходящий тренд радиационного баланса ярко выражен в период после начала 90-х годов ХХ столетия.
Основные публикации по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Логинов С.В. Применение вейвлет-преобразования для анализа межгодовых колебаний приземной температуры воздуха в Томске и солнечной активности / И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // Оптика атмосферы и океана. - 2001. - Т. 14. - № 4. - С. 280-285. - 0,6 / 0,2 п.л.
2. Логинов С.В. Вейвлет-анализ скрытых периодичностей в некоторых индексах солнечной активности / И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // Известия Вузов.Физика. - 2002. - №. 11. - С. 49-55. Ц0,5 / 0,17 п.л.
3. Логинов С.В. Вейвлет-преобразования при анализе природноклиматических изменений / И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // Оптика атмосферы и океана. Ц2002. ЦТ.15. - № 1. - С. 21-28. - 0,6 / 0,2 п.л.
4. Логинов С.В. Связь периодичностей в рядах приземных температур и индексов атмосферной циркуляции / И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В.
огинов // География и природные ресурсы. Специальный выпуск. - 2004. - С. 267-271. - 0,4 / 0,13 п.л.
5. Логинов С.В. Прогнозирование климатических характеристик с помощью метода вейвлет-преобразования / С.Ю. Золотов, И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // Оптика атмосферы и океана. - 2005. - Т.18. - № 4. - С. 349-351. - 0,3 / 0,08 п.л.
6. Логинов С.В. Закономерности современных природноклиматических изменений в Сибири: периодичность приземных температур, давления и некоторых геофизических индексов / И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // География и природные ресурсы. - 2005. - № 1. - С. 1320. - 0,6 / 0,2 п.л.
7. Логинов С.В. Изменение климата на азиатской территории России во второй половине ХХ столетия: сравнение данных наблюдений и реанализа / Е.А. Дюкарев, И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // Оптика атмосферы и океана. Ц2006. - Т. 19. - № 11. - С. 934-940. - 0,4 / 0,1 п.л.
8. Логинов С.В. Пространственные и временные масштабы наблюдаемого потепления в Сибири / И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // ДАН - 2007. - Т. 412. - № 6. - С. 1-5. - 0,3 / 0,1 п.л.
9. Логинов С.В. Изменчивость субтропического струйного течения в тропосфере Северного полушария во второй половине ХХ в / Е.А. Дюкарев, И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов // Оптика атмосферы и океана.
Ц 2008. - Т. 21. - № 10. - С. 869-875. - 0,7./ 0,18 п.л.
10. Логинов С.В. Прогнозные оценки изменения температуры приземного воздуха с использованием метода вейвлет-преобразования / С.Ю. Золотов, И.И. Ипполитов, С.В. Логинов // Оптика атмосферы и океана. - 2009. - Т.22. - № 05. - С. 471-475. - 0,6 / 0,2 п.л.
11. Логинов С.В. Влияние атмосферной циркуляции на температурный режим Сибири / В.П. Горбатенко, И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов, Н.В. Поднебесных, Е.В. Харюткина // Оптика атмосферы и океана. - 2011. - Т. 24. - № 01 - С.15-21. - 0,7 / 0,12 п.л.
12. Логинов С.В. Изменчивость составляющих теплового баланса поверхности азиатской территории России в период современного глобального потепления / И.И. Ипполитов, М.В. Кабанов, С.В. Логинов, К.И. Соколов, Е.В. Харюткина // Оптика атмосферы и океана. - 2011. - Т. 24. - № 1. - С.2229. - 0,6 / 0,12 п.л.
13. Логинов С.В. Сравнение данных реанализа NCEP/NCAR профилей температуры почвы с данными реальных измерений сети станций на территории Западной Сибири. / С.Ю. Золотов, И.И. Ипполитов, С.В. Логинов, И.О.
учицкая, Н.И. Белая // Криосфера Земли. - 2011. - Т. XV. - №2. - С. 14-20. - 0,6 / 0,12 п.л.
14. Логинов С.В. Изменчивость температурного режима на азиатской территории России в период глобального потепления / И.И. Ипполитов, М.В.
Кабанов, С.В. Логинов, Н.В. Поднебесных, Е.В. Харюткина // Оптика атмосферы и океана. - 2012. - Т. 25. - № 02. - С.122-131. - 1,1 / 0,22 п.л.
15. Loginov S.V. The variability of radiative balance elements and air temperature over the Asian region of Russia / E.V. Kharyutkina, I.I. Ippolitov and S.V.
Loginov // Biogeosciences. - 2012. - v.9. - № 02. - P. 1113-1123, doi:10.5194/bg9-1113-2012, 2012. - 1 /0,33 п.л.