Климатические индексы южного полушария и их связь с тропосферной циркуляцией

УДК 551.582.55:551.52/.57

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИНДЕКСЫ ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЯ И ИХ СВЯЗЬ С ТРОПОСФЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

Реферат. Проведено аналіз кліматичних індексів Південної півкулі. Досліджено можливості використання Південної кільцевої моди (ПКМ) для відновлення особливостей тропосферної циркуляції. Відзначено, що ПКМ описує тільки найбільш загальні аспекти тропосферної циркуляції на півкулі, а для описання регіональної циркуляції необхідно розраховувати місцеві індекси. Знайдено, зокрема, що ситуації зі стійким антициклоном в Південній полярній області (ППО), що зумовлюють аномальні похолодання, можуть бути недооцінені або пропущені при аналізові ПКМ. Мінливість характеристик піврічної хвилі атмосферного тиску по багаторічним даним станцій Антарктичного півострова пов’язується з переходом до стійкого потепління з 1960-х рр. Вплив явища Ель-Ніньо-Південне Коливання на регіональну тропосферну циркуляцію і погодні умови району Антарктичного півострова найкращим чином проявляється в роки із різними фазами Ель-Ніньо, коли формуються області різнознакових аномалій тиску в ППО.

Some impacts of El-Nino phenomenon on regional tropospheric circulation and weather conditions at Antarctic Peninsula region are discussed. Influence of ENSO on weather conditions at Antarctic Peninsula tends to be maximized in years with different ENSO episodes, when pools of alternative anomalies of barometric pressure are formed in extratropical regions of the South Hemisphere. Winter air temperature anomalies at Antarctic Peninsula are caused by more frequent anticyclogenesis in years after cold ENSO episode, with intensive blocking in mid - and polar-latitudes. It was concluded that stabilization of warming at the Antarctic Peninsula during the recent years occurred at the background of prolongated time of individual ENSO events.

Другим общеизвестным показателем состояния планетарной климатической системы является индекс Южного Колебания, отражающего степень и фазу развития явления Эль-Ниньо в экваториальной области Тихого океана Его влияние на климат и формирование аномалий погоды в разных районах планеты общепризнано, но степень обусловленности им климата полярных районов еще далеко не полностью исследована.

Наиболее часто применяемым климатическим индексом во внетропических широтах Южного полушария является южная кольцевая мода (ЮКМ, английская аббревиатура SAM), рассчитываемая как нормированная разность средних значений атмосферного давления между 40 и 65° ю.ш. и представляющая таким образом собой аналог индекса полушарной зональной циркуляции внетропических широт. По-другому называясь антарктическим колебанием, ЮКМ отражает также степень развития зональных и меридиональных процессов в прибрежной области Антарктики, которые ответственны за степень похолоданий и потеплений. В литературе последних лет отмечается, что рост приземных температур на станциях в районе Антарктического полуострова происходит синфазно с многолетним ростом величины ЮКМ (Marshall, King, 1998), что также связывается с усилением зонального переноса в атмосфере и океане (Kidson, 1994; Hughes et al., 2003).

Целью работы было охарактеризовать возможности использования климатических индексов Южного полушария для интерпретации современных изменений климата и оценки региональных особенностей циркуляции в нижней тропосфере, в первую очередь в связи с потеплением в районе Антарктического полуострова. Использовались данные стандартных метеорологических измерений станций Антарктического полуострова (базовой была ст. Вернадский), данные атмосферного давления в узлах регулярной сетки ВНИИГМИ-МЦД (г. Обнинск, Россия), 1972-1991 гг., частично дополненные по 2000 г. данными реанализа NCEP-NCAR, США. Кроме того, данные ВНИИГМИ-МЦД при необходимости дополнялись данными приземного анализа (ААНИИ, С.-Петербург), а также данными станции Вернадский, поскольку ее широта близка к южной границе расчета ЮКМ. Индекс Южного колебания рассчитан по данным Центра прогнозов климата (США, http: www.cpc.noaa.gov).

Из рис. 1 видно, что многолетние колебания двух индексов во многом аналогичны (коэффициент корреляции 87%), с переходом к положительным значениям с конца 1970-х гг., т.е. давление на 40º ю.ш. становится в среднем по всем долготам выше, чем на 65º ю.ш. Немаловажно, что в течение последнего десятилетия значительные тренды отсутствуют, в отличие от данных (Marshall, 2003), где ЮКМ растет и в 1990-х гг. В целом, временной ход средних температур воздуха зимних месяцев по данным ст. Вернадский, соответствует колебаниям ЮКМ – в годы с теплыми зимами ее величина растет, а в годы с холодными зимами снижается. Однако зимы с аномальными похолоданиями на Антарктическом полуострове не отображены в изменениях ЮКМ и ИРЦ (например, 1987 г.).

Р
ис. 1. Многолетний ход Южной кольцевой моды (сплошная кривая с линией тренда) и регионального индекса зональной циркуляции (пунктир), верхний график, и температуры зимних месяцев (июнь-сентябрь), нижний график, ст. Вернадский, 1972- 2000 гг.
Р
ис. 2. Временной ход ненормированных ЮКМ (ряд 1) и регионального индекса зональной циркуляции (ряд 2), с 01.07 по 05.10.1987 г.
Из рис. 2 следует, что в течение аномально холодной зимы 1987 г., региональный градиент, будучи в целом меньше полушарной ЮКМ по величине, испытывает большие колебания, с понижением в отдельные дни ниже 0 (то есть, давление в Южной полярной области (ЮПО) становится в среднем выше, чем в умеренных широтах). Отдельный пик более 50 гПа (83-ый день на рис. 2, или 23.09) связан с прохождением циклона, на время прервавшего антициклогенез в юго-восточной части Тихого океана.

Для оценки циркуляционного фона аномальной зимы 1987 г. был проанализирован естественный синоптический период 24.09 - 02.10. 1987 г. Он был представлен малоподвижным антициклоном с центром к северу от Земли Грейама (рис. 3), причем антициклогенез характеризовался блокированием перемещения циклонов в умеренных широтах Тихого и Атлантического океанов. Значения ИРЦ были ниже ЮКМ и меньше 0 в отдельные дни (дни 85-94 на рис. 2). В течение рассматриваемого периода установилась холодная погода в районе Антарктического полуострова со средней температура воздуха -22.5ºС, минимумом -39.6º С (26.09.1987 г.) и максимумом -6.3ºС (29.09.1987 г).

Кроме того, из рис. 3 следует, что центр исследуемого антициклона лежит у 50-55º ю.ш., и таким образом пик давления оказывается сглаженным или вообще пропущенным при расчете ЮКМ между 40 и 65º ю.ш. Южная кольцевая мода реально отражает циркуляцию только в случае наличия барических центров в районе 40 и 65º ю.ш., как например, в западной части Тихого океана (антициклон у Новой Зеландии и циклон в море Росса, рис. 3).

В ситуациях преобладающего циклогенеза в ЮПО, без признаков блокирования в прибрежной зоне Антарктики (здесь не показаны в целях экономии места), разность величин давления между 40 и 65º ю.ш. увеличивается, что отражается в росте как величины ЮКМ, так и регионального индекса. Поскольку циклоны в ЮПО обычно перемещаются вдоль 60-65˚ ю.ш., то характер циклонической циркуляции лучше восстанавливаются по значениям индекса ЮКМ.

Рис. 3. Поле давления, осредненное в течение периода 24 – 30.09. 1987 г. Изобары нанесены схематически, в циклонах (Н) через 10 гПа, в антициклонах (В) через 5 гПа.

Рис. 4. Средние месячные значения атмосферного давления на ст. Вернадский. 1957-1975 гг. (cплошная кривая), 2 - 1985-2000 гг. (пунктир).

Существование определенной зависимости между явлением Эль-Ниньо и циркуляционными условиями в ЮПО наилучшим образом подтверждается в годы с его разными фазами, когда формируются альтернативные аномалии в поле давления во внетропических широтах (Turner, 2004; Marshall, King, 1998; Xie et al., 2001). Так, циркуляционные процессы аномально холодной зимы 1987 г. в районе Антарктического полуострова являются типичными для теплой фазы ЭНЮК, с ослаблением тропических центров действия атмосферы и усилением антициклогенеза в умеренных и приантарктических широтах. Во время Ла-Нинья, (холодной фазы) наоборот, климатические циклоны в ЮПО усиливаются, формируются положительные аномалии температуры воздуха, растет количество осадков, как, например, в теплом 1998 г.

Рис. 5. Временной ход среднего квадратического отклонения (δ) индекса Южного колебания 1983-2003 гг.

Таким образом, на данном этапе исследований трудно утверждать об однонаправленном влиянии Южного Колебания на погоду исследуемого района и тем более составлять какие-то прогностические признаки.

Очевидно, в этом плане большую информативность имеют междесятилетние изменения амплитуды зимнего пика полугодовой волны давления, которая изменяется синфазно с многолетним ростом температуры воздуха. Существование ПКД было обнаружено еще в первые годы регулярных измерений в ЮПО во время МГГ 1957-59 гг. (Атлас Антарктики, 1969). Тогда же было высказано предположение, что на ход давления оказывает определенное влияние положение кромки льда, которая в течение года перемещается с севера на юг и обратно более чем на 1000 км. Подробнее о динамике морских льдов см. в другую статью автора в этом номере УАЖ (Грищенко и др., 2005).

В современных работах по детализации взаимосвязей в системе океан-лед-атмосфера был сделан вывод (van den Broeke, 2000), что в периоды минимумов в годовом ходе давления, особенно в марте-апреле, происходит перестройка тропосферной циркуляции на зимний режим. Согласно нашим исследованиям, в третьей декаде марта практически каждого года выделено наличие существование сезонного оптимума погодных условий в районе Земли Грейама и станции Вернадский, что может быть использовано при планировании навигации. Его наступление связано с сезонным продвижением гребня субтропического антициклона к Антарктическому полуострову; средняя продолжительность оптимума 4.5 дня, с максимумом 9 дней в 1999 г., и 4 дня в 2002 г. Более детальные сведения о ходе осенней перестройки циркуляции могут быть использованы в целях долгосрочного прогноза на предстоящий сезон.

Очевидно, при рассмотрении региональных циркуляционных процессов, кроме зонального индекса, необходимо рассчитывать и меридиональный индекс циркуляции, как это делается в классических работах по синоптической метеорологии (Багров, 1978). Можно исходить из таких особенностей регионального поля давления, как наличие барического гребня или седловины, разделяющих циркуляцию между двумя климатическими циклонами в морях Беллинсгаузена и Уэдделла (Атлас Антарктики, 1969). Значит, с одной стороны, в районе Антарктического полуострова зональные градиенты давления должны быть меньше, чем в других областях, например, в секторе моря Росса, где преобладает циклоничность, а с другой стороны, можно рассчитывать меридиональный индекс вдоль долгот, между которыми вытянут полуостров, например, в секторе 50 - 70º ю.ш.

Что касается индекса Южного колебания, то поскольку характер циркуляции в экваториальной зоне Тихого океана отличен от той, что преобладает в умеренных широтах, то и информативность индекса другая. В первую очередь, этот индекс учитывает различную степень развития субтропических максимумов, площадь которых значительно больше, чем антициклонов внетропических и полярных широт Южного полушария, а площадь циклонов здесь, наоборот, меньше. То есть, в тропической области, с одной стороны, существует меньшая вероятность ошибиться в оценке характера циркуляции, а с другой стороны, информативность индекса Южного колебания для оценки климатических особенностей района Антарктического полуострова невелика. Однако крупномасштабные аномалии в полях давления в ЮПО формируются под значительным влиянием Эль-Ниньо.

Суммируя сведения о протекании различных процессов в региональной климатической системе, можно отметить, что изменение циркуляции нижней атмосферы в 1970-80-хх гг., отражаемое ростом индекса ЮКМ, привело не только к росту температуры в нижних слоях тропосферы в районе Антарктического полуострова, но и к усилению озоновой дыры вплоть до середины 1990-х. Текущее состояние характеризуется практически одновременным прекращением тенденции к потеплению в ЮПО и стабилизацией озоновой дыры, в том числе и по данным ст. Вернадский.

2. Потепление в районе Антарктического полуострова сопровождается изменением характеристик полугодовой волны атмосферного давления, а именно сглаживанием ее амплитуды в зимние месяцы. Это является отражением определенных изменений в тропосферной циркуляции, а именно ослабления интенсивности антициклогенеза в зимние месяцы на фоне общего понижения давления в ЮПО в последние десятилетия. Годовой ход давления в этом районе связывается также с многолетней изменчивостью ледовитости моря.

3. Выявлены определенные закономерности обусловленности погоды на Антарктическом полуострове явлением Эль-Ниньо-Южное Колебание. Вслед за оформлением различных фаз явления форируются разнознаковые аномалии в поле атмосферного давления в умеренных и полярных широтах Юго-восточного сектора Тихого океана. В большинстве случаев, усиление антициклогенеза следует за теплой фазой Эль-Ниньо, а интенсификация циклоничности – за холодной фазой (Ла-Нинья). Последнее десятилетие отличается снижением межгодовых колебаний температуры воздуха на станциях Антарктического полуострова, на фоне увеличения продолжительности одной фазы явления. Для использования выявленных зависимостей в прогностической практике, необходимы дальнейшие исследования.

Литература

Атлас Антарктики, т.2. Л., Гидрометеоиздат, 1969. - 600 с.

Багров Н.А. Об использовании типов циркуляции E, W, C для долгосрочных прогнозов // Труды Гидрометцентра СССР. - 1978. - 195. - С. 39-45.

Грищенко В.Ф., Тимофеев В.Е., Клок С. Реакции компонентов гляциосферы на изменения климата в районе Антарктического полуострова // Укр. антарк. журн. – 2005. - № 3. – С.