УДК 551.501:513.7
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь
Северо-Aтлантическое и Южное колебания, изменчивость температуры океана в Северной Атлантике и европейский климат
А.Б. Полонский,
Е.Н.Воскресенская,
Д.В.Башарин
Анотація
изменчивость океан паводковый температура
Проаналізовано мінливість у системі океан-атмосфера з характерним тимчасовим масштабом до 10 років і їхні Європейські прояви на основі інструментальних даних, головним чином за останні 100 років. Отримано, що міжрічна-десятилітня мінливість клімату Європейського регіону визначається процесами в системі океан-атмосфера. При цьому основний часовий масштаб цієї мінливості визначається характеристиками процесів, що протікають у діяльному шарі океану. Північно-Атлантичне коливання (ПАК) обумовлює до 75% мінливості приземної температури в Північній Європі в зимовий період і близько 35% мінливості стоків великих Європейських рік. ПАК на десятилітньому масштабі підтримується позитивним зворотним зв'язком у Північноатлантичній системі океан-атмосфера. Події Ель Ніньо - Південне Коливання (ЕНПК) відповідальні за 15-25% міжрічної мінливості температури в Європейському регіоні в області періодів 2-3 тижня блокингового типу і (разом із ПАК) визначають катастрофічні паводкові умови в басейнах Європейських рік.
Аннотация
Проанализирована изменчивость в системе океан-атмосфера с характерным временным масштабом до 10 лет и их Европейские проявления на основе инструментальных данных, главным образом за последние 100 лет. Получено, что межгодовая-десятилетняя изменчивость климата Европейского региона определяется процессами в системе океан-атмосфера. При этом основной временной масштаб этой изменчивости определяется характеристиками процессов, протекающих в деятельном слое океана. Северо-Атлантическое колебание (САК) обуславливает до 75% изменчивости приземной температуры в Северной Европе в зимний период и около 35% изменчивости стоков крупных Европейских рек. САК на десятилетнем масштабе поддерживается положительной обратной связью в Североатлантической системе океан-атмосфера. События Эль Ниньо - Южное Колебание (ЭНЮК) ответственны за 15-25% межгодовой изменчивости температуры в Европейском регионе в области периодов 2-3 недели блокингового типа и (вместе с САК) определяют катастрофические паводковые условия в бассейнах Европейских рек.
Annotation
Variability in the coupled ocean-atmosphere system with a typical temporal scale up to 10 years and its European manifestations has been analysed using instrumental data mainly for the last 100 years. It is shown, that interannual-to-decadal scale climate variability over the European region is due to the processes in the ocean-atmosphere system. A principal temporal scale of this variability is due to processes in the active ocean layer. North Atlantic Oscillation (NAO) accounts for up to 75% of air temperature variability over the Northern Europe in winter and about 35% of variations of the large European rivers' run off. Decadal scale NAO variability is maintained by positive feedback in the North Atlantic ocean-atmosphere system. El Nino - Soother Oscillation (ENSO) events account for 15-25% of interannual temperature blocking variability in the European region in the range of periods from 2 to 3 weeks and they (together with NAO) are responsible for the catastrophic flood conditions in the European rivers' catchment.
Известно, что на формирование климатической изменчивости Европы и всего Северного полушария существенное влияние оказывает САК [1-3]. Поэтому одним из наиболее важных вопросов современных международных климатических программ исследований является изучение изменчивости САК и механизма ее влияния на климат Северного полушария и Евразии. В то же время в последнее время достаточно активно дискутируется вопрос, оказывает ли влияние ЭН на межгодовую изменчивость Европейского региона, и если влияет, то каким образом? Из результатов некоторых работ следует, что зимой-весной ЭН оказывает значительное воздействие на Атлантико-Европейский климат [4-8]. Поскольку САК и ЮК являются основными глобальными климатическими сигналами межгодового масштаба, вероятно, взаимодействие этих двух осцилляций ответственно за основную долю изменчивости климата Северного полушария [1,9,10]. В данной работе будет проанализирована межгодовая-десятилетняя изменчивость температуры воздуха и осадков, а также весенних стоков некоторых европейских рек и условия наступления катастрофических паводков в связи с САК/ЮК и флуктуациями характеристик деятельного слоя океана в Северной Атлантике.
Описание данных
В работе использовались следующие данные:
среднемесячные данные индексов ЮК и САК за 1891-1994 гг.;
среднемесячные данные наблюдений по температуре воздуха и осадкам в Причерноморском регионе в XX веке;
среднемесячные объемы стоков Дуная, Днепра, Днестра, Южного Буга за 1921-1993 гг., Рейна за 1936-1994 гг., Гароны за 1921-1994 гг., Луары за 1891-1994 гг.;
среднесуточные данные реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды по температуре воздуха и осадкам за 1979-1993 гг. в узлах регулярной сетки 2.5є x 2.5є;
среднемесячные данные реанализа Американского центра NCEP по температуре воздуха за 1950-2001 гг. в узлах регулярной сетки c разрешением примерно 1.8є x 1.8є;
среднегодовые данные о температуре поверхности океана (ТПО) и теплосодержании слоя 0-200м (Q200) в узлах регулярной сетки 2.5єx2.5є между экватором и 50° с.ш. Северной Атлантики с 1950 г. Методика обработки данных и их последующего анализа подробно описаны в [11].
Анализ гидрометеорологических условий, сопровождавших наводнения основных рек, впадающих в Черное море, проводился в терминах среднеквадратичных отклонений (с.к.о.). Стоки рек считались экстремальными, если они достигали или превышали 2.5 с.к.о. среднемесячной величины стока. Обработка и фильтрация полосовым фильтром 5-20 лет многолетних рядов наблюдений выполнялась для каждого месяца в отдельности.
Результаты и обсуждение
ОБЩАЯ СХЕМА ВОЗДЕЙСТВИЯ САК И ЭНЮК НА ЕВРОПЕЙСКИЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МЕЖГОДОВОГО ДЕКАДНОГО МАСШТАБА. Погодные /климатические аномалии, вызываемые глобальными процессами типа САК и ЭНЮК, наблюдаются по всему Земному шару. В Атлантико-Европейском регионе они проявляются в большей степени в зимне-весенний период, а в стоках Европейских рек - весенне-летний, поскольку условия для весенне-летних паводков формируются зимними метеоусловиями [1].
Главным фактором, определяющим аномальные условия над Европой, является САК. При этом САК активизируется главным образом за счет усиления Исландского минимума. Соответственно усиливается зональная циркуляция над западной и северной частью Европы, а центры действия атмосферы в Атлантике смещаются в северном направлении. В результате, траектории циклонов проходят через север Европы. Одновременно активизируются Средиземноморские циклоны.
Следующим фактором, отвечающим за аномальные условия в зимне-весенний период над Европейским регионом, являются ЮК. С помощью процессов атмосферной циркуляции осуществляется передача сигнала ЮК из Тихого океана в Атлантику, что в свою очередь оказывает влияние на климатические изменения Атлантико-Европейского региона. В период развития теплого события ЭНЮК в Тихом океане (в конце зимы, весной и летом) зональная циркуляция над Атлантико-Европейским сектором ослабевает, а при достижении ЭНЮК зрелой фазы в конце осени-начале зимы следующего года - усиливается. В результате над большей частью Европы отмечается отрицательная корреляционная связь индекса ЮК с флуктуациями среднесуточных и среднемесячных величин температуры и осадков. Приведенные в качестве примера на рисунках 1 и 2 корреляционные связи между индексами САК и синоптическими вариациями температуры воздуха и композитные аномалии приземного давления в годы ЭНЮК подтверждают эту схему. Причем коэффициенты корреляции между индексом САК и среднемесячной температурой воздуха в северной части Европы превышает в зимний период 0.85 (рис. не приведен). Это означает, что до 75% дисперсии среднемесячной температуры и до 40-50% дисперсии синоптических флюктуаций температуры в Европейском регионе обусловлено САК. Вклад ЭНЮК существенно меньше. Он не превышает 15-25%.
Отметим, что оба описываемых сигнала (САК и ЭНЮК) возникают вследствие взаимодействия океана с атмосферой. Причем именно океан определяет типичный временной масштаб этих колебаний. Рисунок 3 демонстрирует этот факт применительно к САК.
Рисунок 1. Поле корреляций NAO индексов и доли дисперсии приземной температуры, приходящейся на интервал [2,5-8] суток, за январь-февраль месяцы 1979-1993 гг.
Рисунок 2. Аномалии средних за январь-февраль величин геопотенциала 1000 мб поверхности в годы ЭН относительно средних величин за 15 лет (дам)
Он указывает на наличие значимой корреляции между температурой поверхности воды в Атлантике и индексом САК на межгодовом и декадном масштабах. Причем области значимых корреляций для межгодового и декадного масштабов отмечаются в различных частях Северной Атлантики. На межгодовом масштабе принципиально важны изменения ТПО в Тропиках и Субтропиках (веротнее всего адвективного происхождения), приводящие к значимому атмосферному отклику. На это указывают максимальные коэффициенты корреляции аномалий ТПО и индекса САК в области Северного Пассатного течения и системе Гольфстрим-Северо-атлантическое течение (см. рисунок 3а) и максимальные значения соответствующей кросс-корреляционной функции при запаздывании индекса САК на 1 месяц по отношению к изменениям ТПО в западной части субтропического круговорота (рис. не приводится). Подчеркнем, что в Северной Атлантике существует три основных структурных зоны, отражающих реакцию верхнего слоя океана на САК. Главным проявлением САК в термических характеристиках верхнего слоя океана являются потепление Субтропического круговорота и похолодание Тропической Атлантики и Субполярного круговорота, достигающее максимума через 1-2 года после интенсификации САК. Вместе с тем имеет место и обратная реакция САК на океанские аномалии. Причем она запаздывает на 4-5 лет относительно аномалий, сформировавшихся в восточных частях Северного тропического и Субтропического антициклонического круговоротов. Именно столько времени требуется, чтобы океанический сигнал в деятельном слое достиг области Азорского максимума. Если считать, что аномалии перемещаются вдоль стрежней основных океанических течений, то средняя скорость их составляет порядка нескольких км/сут (см/сек).
Рисунок 3. Пространственное распределение коэффициента корреляции между ежемесячной ТПО и индексом САК. Ряды подвергнуты полосовой фильтрации, сохраняющей колебания с периодами от 2 до 7 лет (а), от 7 до 15 лет (б)
Полученные результаты относятся и к ТПО и к теплозапасу. Однако для ТПО уровень корреляции с индексом САК в целом выше. Вместе с тем аномалии теплозапаса всего деятельного слоя, отражающие в частности аномальность меридиональных переносов тепла в океане, потенциально важны для поддержания САК [14]. Говоря о роли океана в поддержании ЮК, следует подчеркнуть, что результаты многочисленных работ (см. работу [14] и библиографию в ней) показывают, что ЭНЮК - это связанная мода в экваториальной системе океан-атмосфера.
ПРОЯВЛЕНИЕ ОПИСАННЫХ ПРОЦЕССОВ В СТОКАХ РЕК. Описанные тенденции проявляются и в изменчивости стоков рек. В качестве примера приведем Рисунок 4a, демонстрирующий значимую корреляцию среднемесячных стоков Дуная и индекса САК, находящегося под влиянием изменчивости ТПО Северной Атлантики. Максимальные значения коэффициентов корреляции отмечаются в северо-западной части Тропической Атлантики, в области Гольфстрима и Северо-Атлантического течения (-0.6 и -0.5 соответственно). Следует отметить, что модуль коэффициента корреляции повышается при запаздывании по времени аномалии стока Дуная от нуля до одного года (в районах Гольфстрима и Североатлантического течения) и от нуля до двух лет (в северо-западной части Тропической Атлантики). Далее при увеличении лага коэффициент корреляции растет и меняет знак. Другими словами, после аномального охлаждения Северной Атлантике и особенно ее северо-западной части, в течение одного-двух лет стоки черноморских рек возрастают (рисунок 4б). Этот, значимый на 99 уровне, результат подтверждает решающую роль изменчивости системы океан-атмосфера в межгодовых-десятилетних флуктуациях стоков рек. Совместное действие САК и ЮК формирует гидрометеоусловия для катастрофическихпаводков на территории Европы. Их влияние на стоки Европейских рек с разными лагами видно из таблицы. Максимальные корреляции наблюдаются ранней весной (февраль-апрель), поздней весной (май-июнь), а также летом, в июле-августе (в таблице не приведено). Например, корреляция меду индексом СAК и стоком Рейна ранней весной составляет -0.64, в то время как между индексом ЮК с таким стоком достигает -0.69. Таким образом, более 80% общей дисперсии стока Рейна ранней весной может быть объяснено совместным влиянием САК и ЮК. Следует заметить, что атмосферные поля обычно опережают речные стоки примерно на 2-3 месяца. Это обнадеживающий результат с точки зрения возможности заблаговременного прогнозирования величин среднемесячных стоков.