География и геология. 2.
Галич
Елизавета Анатольевна, Школьный Евгений Павлович, д.т.н.,проф.
Одесский
государственный экологический университет
ОСОБЕННОСТИ
КРУПНОМАСШТАБНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАПАДНОМ СЕКТОРЕ ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЯ
Циркуляционные процессы над
акваторией Южного океана, и особенно в высоких широтах Южного полушария ещё
мало изучены, однако они играют большую роль в формировании и развитии
крупномасштабных компонентов общей циркуляции атмосферы, а, следовательно, и
климатической системы в целом. Особенно мало работ, относящихся к особенностям
статистической структуры полей геопотенциала, которые
и определяют поля воздушных течений. В работе [1] подробно изучены особенности
статистической структуры полей геопотенциала
поверхностей АТ-925, АТ-850, АТ-500 и АТ-200. Поскольку, как известно,
циркуляционные процессы наиболее ярко проявляются на уровне АТ-850, основное
внимание было уделено именно этой изобарической поверхности.
В качестве
исходной информации были использованы данные ре-анализа ERA – 40, заданные
в узлах регулярной сетки точек 2,5º на 2,5º, в секторе ограниченном
по широте от Южного полюса до 20º ю.ш. и
меридианами 120º з.д. и 30º в.д., за период с
X = (
)
, (1) где n – количество узлов регулярной
сетки точек, в которых заданы значения
геопотенциальных высот изобарических поверхностей; m – количество полей в каждом месяце (m = 44).
После расчета средних полей, было произведено
центрирование матриц исходных данных ΔХ
и расчет матриц ковариаций (
).
На основе матриц ковариаций был проведен компонентный
анализ [2], который позволяет выявить важные особенности структуры и динамики
крупномасштабных атмосферных процессов. Основное уравнение полной проблемы
собственных значений имеет вид
, (2)
где 
- собственное значение;
- соответствующий ему собственный вектор.
Как известно, собственные значения являются дисперсиями 
ортогональных компонент исследуемых полей, полученных путём
их ортогонального преобразования в базисе собственных векторов
, (3) поскольку
матрицы W являются
ортогональными. Рассмотрение дисперсий ортогональных компонент рассматриваемых
метеорологических полей показывает, что сумма первых трёх из них на всех
рассматриваемых уровнях исчерпывает
более 70% суммарной дисперсии полей геопотенциала.
Поскольку
дисперсии 
и 
вносят наибольший
вклад в суммарную дисперсию полей (более 70%), то соответствующие им
ортогональные компоненты 
, 
и 
характеризуют основные
особенности наиболее крупномасштабных циркуляционных процессов. Особенности
статистической структуры полей геопотенциала
характеризуют первые три собственных вектора 
, 
и 
. Поля первого собственного вектора во все месяцы
представляют собой пучность с центром над Антарктидой с изолиниями
параллельными кругам широт. Подробный анализ этих полей содержится в работе [1].
Первая ортогональная компонента , относится к наиболее крупномасштабной составляющей общей
циркуляции атмосферы – западно-восточному переносу. Значительный интерес
представляет вторая главная компонента . Соответствующие ей поля вторых собственных векторов во все месяцы года
имеют вид биполярной осцилляции, характеризующей связь между циркуляционными
процессами атмосферы над южными акваториями Тихого и Атлантического океанами,
которые разделяются проливом Дрейка. На рис.1 показаны центры этих осцилляций
(центры «тяжести») в разные месяцы, которые располагаются над южными
акваториями океанов на широте 60º ю.ш.
Компонента полей геопотенциала АТ-850 отражает развитие вихревой структуры в
системе общей циркуляции атмосферы западного сектора южного полушария. Поэтому
следует рассматривать указанную биполярную моду в качестве одной из главных
осцилляций для атмосферы южного полушария. Она получила название Южно-Тихоокеанско-Атлантическое зональное колебание (ЮТОАЗК).
Рисунок 1 - Положение центров
биполярной структуры в полях второго
собственного вектора
в разные месяцы года на уровне
АТ-850.
Исследования показывают [3,4], что глобальные осцилляции,
такие как, Эль-Ниньо Южное колебание (ЭНЮК),
Северно-Атлантическое колебание (САК) и Северо-Тихоокеанско-Американское
колебание (СТОАК) играют роль
показателей интенсивности циркуляционных процессов в атмосфере, что, в свою
очередь, характеризует особенности синоптических процессов, а, следовательно, и
климатических характеристик отдельных регионов и глобального климата в целом.
Представляет интерес, имеет ли место взаимосвязь между
указанными выше осцилляциями, с одной стороны, и осцилляцией ЮТОАЗК, с другой.
Этот вопрос выяснялся путём взаимного спектрального анализа. Рассчитывались
когерентности 
, а также фазовые спектры 
, где 
- частоты.
Когерентности подвергались сглаживанию (период сглаживания n=36 месяцев). В табл.1 представлены результаты исследования.
Таблица 1 – Характеристики
взаимных спектров.
|
Вид взаимосвязи |
|
Период (Т), месяцы |
Сдвиг по фазе |
|
ЮТОАЗК– ЭНЮК |
0,68 |
12,1 |
-11,7 |
|
0,60 |
4,5 |
1,8 |
|
|
0,60 |
3,6 |
-3,4 |
|
|
0,61 |
3,0 |
0,6 |
|
|
0,71 |
1,2 |
-0,8 |
|
|
ЮТОАЗК– САК |
0,67 |
5,5 |
1,3 |
|
0,65 |
3,2 |
-2,0 |
|
|
0,73 |
2,4 |
-2,0 |
|
|
ЮТОАЗК– СТОАК |
0,73 |
7,3 |
-5,7 |
|
0,67 |
3,7 |
0,6 |
|
|
0,63 |
1,3 |
-1,3 |
|
|
0,71 |
1,1 |
0,5 |
, месяцы Видно, что проявляется тесная
корреляционная зависимость между ЮТОАЗК и ЭНЮК на периодах один год и один
месяц. Сдвиг по времени годичной периодичности равен одному году с
запаздыванием ЮТОАЗК, а коротко-периодичных колебаний от 3-х до полумесяца. Отчетливо проявляются
корреляционные связи между ЮТОАЗК и САК на частотах, которые соответствуют квазиполугодовому периоду, а также периодам в 3,2 и 2,4
месяца, колебание происходит сначала в Северной Атлантике, а затем в
рассматриваемом секторе Южного океана. Особенности статистической связи между
ЮТОАЗК и СТОАК в том, что всплески когерентности имеют место на частотах,
которые соответствуют периодам 7.3,
3.7, 1.3 и 1.1
месяцев. Значение фазового сдвига свидетельствует о том, что процесс
осуществляется сначала в регионе севера Тихого океана и Американского
континента, а затем наблюдается отклик этого колебания на рассматриваемые
акватории Южного океана.
Полученные по многолетним данным статистические
взаимосвязи между факторами, характеризующими циркуляционные процессы в
Северном и Южном полушариях, представляют большой интерес. Они отражают тот
факт, что общая циркуляция атмосферы, как внутренний климатообразующий фактор,
определяется крупномасштабными атмосферными процессами, формирующимися в обоих
полушариях, и оказывают влияние друг на друга. Возникает предположение, что эти
взаимосвязи осуществляются через ЭНЮК. В ряде работ [3,5] показано, что с ЭНЮК связаны
изменения температуры поверхностных вод в северной части Тихого океана.
Следствием этого в результате тепло- и влагообмена
океана с атмосферой происходит периодическое усиление бароклинности
атмосферы, усиление циклогенеза в Северной Атлантике и над Североамериканским континентом.
Характеристикой интенсивности цикло- и антициклогенеза
является параметр СТОАК. С другой стороны, атмосферные процессы над указанными
регионами связанны с процессами цикло- и антициклогенеза
над акваторией Северной Атлантики, параметром интенсивности которых является
САК.
В
связи с вышеизложенным, представляет интерес произвести исследование
статистической связи между параметрами
ЭНЮК, СТОАК и САК, а именно тесноту корреляционной связи между колебаниями их
параметров на разных частотах (периодах), а также их сдвиги по фазе. Были рассчитаны
взаимные когерентные спектры между ЭНЮК, САК и СТОАК.
В табл.2 представлены сводные данные об их взаимодействии.
Таблица 2 –
Характеристики взаимных спектров между
ЭНЮК, САК и СТОАК.
|
Вид взаимосвязи |
|
Период (Т), месяцы |
Сдвиг по фазе |
|
ЭНЮК – СТОАК |
0,65 |
0,8 |
4,3 |
|
0,65 |
0,4 |
-3,0 |
|
|
0,65 |
0,2 |
0,7 |
|
|
САК – СТОАК |
0,63 |
0,6 |
-3,7 |
|
0,67 |
0,2 |
-0,6 |
|
|
0,68 |
0,1 |
-0,5 |
|
|
ЭНЮК – САК |
0,66 |
0,6 |
2,8 |
|
0,71 |
0,1 |
0,5 |
, месяцы
Таким образом, подтверждается концепция Бьеркнеса (1969) в соответствии с которой ЭНЮК
является самоподдерживающимся колебанием, в котором аномалии температуры
поверхности океана (ТПО) в экваториальной зоне Тихого океана влияют на интенсивность
пассатных ветров. Последние управляют океаническими течениями, которые формируют
аномалии ТПО. Они являются причиной формирования
крупномасштабных осцилляций. Обратные связи между циркуляционными процессами
Западного сектора Южного океана и осцилляциями в тропической зоне и северном
полушарии осуществляются посредством обмена энергией колебаний меньшего
масштаба – квазиполугодичной периодичности.
Список
литературы
1. Оцінка стану кліматичної
системи Західної Антарктики у світлі мінливості циркуляційної тропосфери і
низької стратосфери термічних та динамічних
характеристик Південного океану,
а також динаміки зледеніння. Звіт про науково - дослідну роботу №71, 2004.-с. 10-97.
2.
Школьний Є.П., Лоєва
І.Д., Гончарова Л.Д. Обробка та аналіз
гідрометеорологічної інформації: підручник.-К.: Міносвіти України,1999. – с.
600.
3. Полонский
А.Б., Воскресенская Е.Н., Джиганшин Г.Ф., Баширин Д.В. Североатлантическое и Южное колебания,
изменчивость характеристик деятельного слоя океана в Северной Атлантике и
Европейский климат // В сб. 70 лет Одесскому экологическому университету. –
Одесса, 2002. – с.127-134.
4. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей
вращения Земли.-М.:Наука. Физматлит,
2002.-с. 247-384.
5. Кузин
В.И., Моисеев В.М. Моделирование реакции океана на атмосферные воздействия в период Эль-Ниньо // Труды международной конференции, посвященной
75-летию академика Г.И. Марчука и 20-летию Института вычислительной математики.
Том II. – Москва, 19-22 июня