Североатлантическое колебание и увлажнение европейской территории России

Североатлантическое колебание (САК) является одной из важнейших характеристик крупномасштабной циркуляции атмосферы в северном полушарии и представляет собой разность давления между Азорским максимумом и Исландским минимумом. Сущность САК заключается в перераспределении атмосферных масс между Арктикой и субтропической Атлантикой, при этом переход из одной фазы САК в другую вызывает большие изменения в поле ветра, переносах тепла и влаги, в интенсивности, количестве и траекториях штормов и т.д. При этом, чем выше индекс САК, тем более интенсивным является геострофический зональный перенос воздушных масс с акватории Северной Атлантики на Европейский континент и тем более ослабленной меридиональная циркуляция.

Довольно подробная сводка современного состояния изученности САК и его взаимосвязей с процессами в океане и атмосфере дается в монографии Е.С. Нестерова [9]. При этом закономерности в развитии САК и его связей с гидрометеорологическими процессами в Северной Атлантике установлены преимущественно на качественном уровне и нуждаются в дополнительной проверке и уточнении. Данная работа посвящена выявлению частотной структуры САК, уточнению некоторых связей САК с характеристиками климата Северной Атлантики и влиянию САК на межгодовую изменчивость увлажнения Европейской территории России.

Существует несколько подходов к расчету индекса САК. Очевидно, наиболее точным является предложенное в работе [11] двухпараметрическое описание САК через модуль градиента давления в Азорском и Исландском центрах действия атмосферы и угол отклонения его от меридиана, которое позволяет более точно определить не только интенсивность, но и направление циркуляции (геострофического ветра). К сожалению, данный индекс рассчитан только до 1984 г. и в настоящее время не поддерживается. Остальные индексы САК являются однопараметрическими. Это разность давления между Азорскими о-вами (Понта-Де-льгада) и Исландией (Акюйрейри или Ре-кьявик), между Лиссабоном (Португалия) и Стиккисхоульмюр (Исландия) [9; 17; 18], а также первые главные компоненты поля атмосферного давления над Северной Атлантикой [12] и высоты геопотенциальной поверхности 500 гПа [15]. В связи с этим рассмотрим соответствие между различными вариантами задания индекса САК. Были взяты 3 индекса: первая главная компонента разложения поля высоты геопотенциальной поверхности 500 гПа над Северной

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 14-05-00837).

Среда обитания

Атлантикой (САКГК) [15], разность давления между Понта-Дельгада и Рекьявиком (САКПР) [18] и Лиссабоном и Стик- кисхоульмюром (САКЛС) [17]. При этом рассматривались как средние годовые, так и зимние (декабрь-февраль) значения индекса САК, ибо, по мнению, многих исследователей именно

Таблица 1

Распределение выборочных коэффициентов корреляции между различными вариантами индекса САк для средних годовых и зимних значений за период 1950–2012 гг.

	САкгк год	САкПР год	САклС год	САкгк зим	САкПР зим
САкгк год	1,00
САкПР год	0,80	1,00
САклС год	0,77	0,95	1,00
САкгк зим	0,41	0,54	0,39	1,00
САкПР зим	0,38	0,43	0,41	0,39	1,00
САклС зим	0,38	0,56	0,41	0,92	0,33

его зимние значения яв-

ляются наиболее репрезентативными.

В табл. 1 приводятся выборочные оценки коэффициентов корреляции для различных вариантов индекса САК. Прежде всего, отметим, что все коэффициенты являются значимыми на уровне 1%. Для годовых значений связь, близкая к линейной, отмечается между САК_ПРгод и САК_ЛСгод. Существенно слабее выражена корреляция между САК_ГКгод и САК_ЛСгод. ( r = 0,77). Для зимних значений высокая связь отме-

Terra Humana ¹ 2’2014

чается только между Между зимними и годовыми значениями САК корреляция колеблется в пределах r = 0,38–0,56.

Так как априори ни один вариант САК предпочтения не заслуживает, то исследователь может манипулировать ими по своему усмотрению и тем самым добиваться нужного результата. Довольно часто в практических расчетах зимние значения САК сравниваются с годовыми значениями гидрометеорологических характеристик (например, с температурой воздуха или осадками). Однако даже получение в этом случае высоких корреляций еще не означает существование зависимости между переменными, ибо коэффициент корреляции – это только тест на тесноту статистической связи между переменными, когда физическая связь между ними имеется, но не может быть установлена аналитически.

В настоящее время наиболее распространенной классификацией колебаний САК считается разбиение его состояния на 2 фазы: положительную, когда значения САК выше нуля, и отрицательную, когда значения САК меньше нуля. В положительной фазе Исландский минимум и Азорский максимум хорошо развиты и смещены к се-

САКПРгод и САКЛСгод.

Рис. 1. Особенности развития гидрометеорологических процессов над Северной Атлантикой для положительной (верхняя панель) и отрицательной (нижняя панель) фаз североатлантического колебания [16].

– · – · – · – основной тренд,

– – – – локальные тренды для промежутков времени, указанных в таблице 3.

Рис. 2. Среднегодовые значения (1) североатлантического колебания (САКЛС) и его 5-летнее скользящее среднее (2) за период 1880–2012 гг.

веру, градиент давления между ними увеличен, зональная циркуляция в атмосфере усилена. В отрицательной фазе, когда оба центра действия ослаблены, происходит ослабление зонального переноса и усиление меридиональных процессов.

На рис. 1 приводится схема развития гидрометеорологических процессов над Северной Атлантикой для положительной и отрицательной фаз САК согласно работе [16]. При положительной фазе САК мы видим, что сравнительно теплый воздух выносится с американского континента на еще более теплую поверхность океана. Далее он в системе мощного зонального переноса достигает европейского континента, вследствие чего там формируются положительные аномалии температуры воздуха. Одновременно с этим над восточной Канадой и Лабрадором отмечаются значительные отрицательные аномалии температуры воды и воздуха и создаются тяжелые ледовые условия в море Лабрадор.

В работах [8; 9 и др.] представлено более подробное обобщение гидрометеорологических процессов в атмосфере и океане, характерных для разных фаз САК. Однако в большинстве случаев связи между фазами САК и фазами развития гидрометеорологических процессов носят качественный характер и не всегда со статистической точки зрения достоверны. Кроме того, обобщение этих связей выполняется для всех случаев САК > 0 и САК < 0.

На наш взгляд, следует исключать нормальное состояние САК, когда индекс принимает значения, близкие к нулю. В результате возникает задача разбиения временного ряда на однородные градации (норма, выше и ниже нормы). В качестве нормы в данной работе были приняты значения САК в диапазоне –0,5σ < САК < 0,5σ, где σ – стандартное отклонение исходного временного ряда. В табл. 2 приводятся выборочные оценки σ для различных вариантов задания САК для годовых и зимних условий. Итак, если значения САК окажутся в пределах ±0,5σ, они должны быть исключены при оценке фаз САК.

Таблица 2 выборочные оценки стандартного отклонения для различных вариантов задания САк для годовых и зимних условий за период 1950–2012 гг.

Индекс САк	годовые значения САк	Зимние (декабрь–март) значения САк
САК(ГК)	0,36	0,67
САК(ПР), гПа	0,54	1,17
САК(ЛС), гПа	0,55	2,18

Среда обитания

Таблица 3

Статистические характеристики фаз усиления (ослабления) индекса САк, сглаженного 5-летним скользящим средним. Данные приведены к середине окна

Характеристика	фаза усиления САк		фаза ослабления САк
	1882–1924 гг.	1969–1992 гг.	1925–1968 гг.	1993–2010 гг.
Величина тренда	0,012	0,022	-0,010	-0,006
Коэффициент детерминации	0,30	0,39	0,38	0,06

На рис. 2 приводится межгодовой ход индекса САКЛС с 1880 по 2012 гг. и его 5-летнее скользящее среднее. Нетрудно видеть, что «вековой» тренд практически отсутствует. Это связано с характерными особенностями изменчивости поля атмосферного давления, которая быстро уменьшается с увеличением масштаба временного осреднения. Она весьма значительна для синоптических процессов, уменьшается для сезонных колебаний и становится малой

[1; 7], который обладает целым рядом преимуществ перед традиционными спектральным и гармоническим анализом. На рис. 3 представлено вейвлет-разложение среднемесячных значений индекса САКЛС за период 1875–2010 гг., из которого следует, что частотная структура САКЛС на масштабах менее 10 лет в основном состоит из случайных колебаний.

Из цикличностей наиболее сильным является квазидвадцатилетнее колебание,

Terra Humana ¹ 2’2014

для климатических колебаний. Именно поэтому маловероятно ожидать, что в ближайшие десятилетия в межгодовом ходе САК появится устойчивый длительный тренд. Однако локальные тренды, характеризующие фазы усиления и ослабления САК существуют.

За рассматриваемый период можно выделить 4 фазы: две – усиление САК и две – его ослабление (табл. 3). Для первых трех из них отмечаются значимые тренды с высоким коэффициентом детерминации. Усиление САК происходило в 1880–1924 и 1969–1992 гг., а ослабление – в 1925– 1968 и 1993–2010 гг. Возможно, начавшаяся в 1993 г. фаза ослабления САК еще не закончилась.

Для выделения и оценивания циклических колебаний в гидрометеорологических рядах целесообразно использовать вейвлет-анализ

Рис. 3. Распределение коэффициентов вейвлет-разложения среднемесячных значений САКЛС за период 1875–2010 гг. на больших (а) и малых (б) масштабах.

амплитуда и период которого заметно изменяются во времени. В начале прошлого столетия его амплитуда была максимальной, а период уменьшался до 14–15 лет. Можно выделить также слабое квазисорокалетнее колебание с примерно одинаковой амплитудой и уменьшением периода к середине XX в. Наконец, явственно прослеживается 1 цикл 80-летнего колебания, которое на рис. 2 отождествляется с фазами усиления и ослабления САК. Однако длина временного ряда САК не позволяет проверить длину следующего долгопериодного колебания.

Принято считать, что при положительной фазе САК происходит усиление ветров в тропосфере в зоне 50–60° с.ш., а при отрицательной – наоборот, ослабление ветров в тропосфере в зоне 50–60° с.ш. и усиление меридионального типа циркуляции [9]. Очевидно, что увеличение индекса САК должно сопровождаться углублением Исландского минимума, усилением процессов циклогенеза, особенно в Норвежском море, вследствие чего более мощные циклоны в системе зонального переноса будут приходить на ЕТР и оставлять здесь свою влагу.

В работе [5] было показано, что осадки на ЕТР имеют высокую положительную корреляцию с зональным вертикально-интегрированным г оризонтальным потоком водяного пара F x . Одновременно с этим было установлено [4], что над акваторией океана величина вертикально-интегрированного горизонтального потока водяного пара может быть представлена в виде простой формулы:

P H

F = U эф J qdp = U эф W

PB где Uэф – горизонтальный вектор эффективной скорости переноса водяного пара, W – интегральное по высоте влагосодер-жание атмосферы, q – удельная влажность воздуха. Эффективная скорость ветра с достаточно высокой точностью аппроксимируется скоростью ветра на уровне 500 гПа:

Uэф= (20.536U500+ 145.06)0.5 – 10.37, где U500 – горизонтальный вектор скорости ветра на уровне 500 гПа. Но поскольку временная изменчивость Uэф значительно выше изменчивости W, то при выполнении статистических расчетов можно ограничиться учетом только скорости ветра.

В связи с этим для характеристики зонального переноса мы выбрали зональный ветер на уровне 500 гПа на меридиональном разрезе 5–6о в.д. от 40о до 75о с.ш. Исходными данными послужили результаты реанализа NCEP/DOE Reanalysis (Reanalysis-2) reanalysis2/. Среднемесячные значения зональной скорости ветра усреднялись для прямоугольников 1о по долготе и 5о по широте. В результате были получены временные ряды зональной составляющей скорости ветра с 1979 по 2013 гг. для 7 центральных точек (42.5о, 47.5о с.ш. и т.д.). Отметим, что среднемесячные значения скорости ветра характеризуют лишь адвективный поток, т.е. за счет средней циркуляции атмосферы и не учитывают его макротурбулентную составляющую, обусловленную перемещением крупномасштабных синоптических вихрей (циклонов и антициклонов). Однако в рассматриваемом регионе движение циклонов направлено преимущественно с запада на восток, причем с усилением зональной циркуляции интенсивность циклонической активности возрастает. Действительно, в соответствии с правилом ведущего потока центры синоптических вихрей перемещаются в направлении устойчивого воздушного течения на уровне 4–6 км над ними [2]. Следовательно, адвективный перенос воздушных масс косвенно учитывает и циклоническую активность.

В табл. 4 представлены коэффициенты корреляции годовых и зимних (декабрь-март) значений индекса САК с соответствующими временными рядами зональной скорости ветра на этом меридиональном разрезе, а также даются оценки скорости ветра для положительной и отрицательной фазы состояния САК. Как видно из табл. 4 индекс САК имеет высокую корреляцию как с зимними, так и с годовыми значениями зональной скорости ветра на уровне 500 гПа в зоне 50–70о с.ш., причем зимой в зоне 50–65о с.ш. она существенно выше. Усреднение скоростей ветра для положительной и отрицательной фаз САК показало, что в первом случае они значительно выше, особенно в зимний период (например, в зоне 55–60о с.ш. более чем в 2 раза). При годовом усреднении различия между скоростями ветра для рассматриваемых фаз САК существенно уменьшаются, но, тем не менее, остаются значимыми по критерию Стьюдента (при α = 0,05) в пределах широтной зоны 55–70о с.ш.

Как известно, под абсолютным увлажнением принято считать разность между количеством выпавших осадков и испарением с подстилающей поверхности, т.е. Р–Е . Помимо этого существует еще целый ряд параметров, характеризующих увлажнение и так или иначе связанных с величиной испаряемости Е ₀, под которой обычно понимается максимально возможное при данных метеорологических условиях испарение, когда влажность почвы не оказы-

Среда обитания

Terra Humana ¹ 2’2014

Таблица 4

Распределение коэффициентов корреляции индекса САкгк с зональной скоростью ветра на меридиональном разрезе 40–75о с.ш. и оценки усредненной скорости ветра для положительной и отрицательной фазы состояния САк за период 1979–2012 гг. для годовых и зимних (декабрь–март) условий*

Широтная зона, с.ш.	Зима (декабрь–март)			год
	R	+ фаза САк (18 случаев) Средняя скорость ветра, м/с	– фаза САк (5 случаев) Средняя скорость ветра, м/с	R	+ фаза САк (13 случаев) Средняя скорость ветра, м/с	– фаза САк (10 случаев) Средняя скорость ветра, м/с
40–45	-0,51	6,67	9,36	-0,41	8,16	8,88
45–50	0,18	8,59	6,63	-0,16	7,93	8,16
50–55	0,69	12,15	5,98	0,31	9,66	8,81
55–60	0,76	12,79	5,53	0,55	9,76	8,28
60–65	0,67	12,13	6,73	0,61	9,39	7,63
65–70	0,43	10,24	7,92	0,51	8,30	7,09
70–75	-0,03	7,82	8,21	0,31	6,99	6,44

* Значимые (при α = 0,05) различия в скорости ветра между положительной и отрицательной фазами САК выделены полужирным шрифтом.

вает лимитирующее воздействие на процесс испарения. В практических расчетах очень часто используется различные безразмерные индексы, например, коэффициент увлажнения Р/Е ₀, обратная ему величина – коэффициент испаряемости Е ₀/ P , коэффициент испарения Е/Р , а также относительное испарение Е ₀– Е и др. Наиболее универсальным параметром является индекс Е ₀/ P, который посредством различных полуэмпирических уравнений связан практически со всеми остальными характеристиками увлажнения [3; 13]. Анализ межгодовой изменчивости коэффициента испаряемости для ЕТР показал, что в первом приближении можно ограничиться учетом лишь величины осадков, изменчивость которых существенно превосходит изменчивость испаряемости [5].

Источником среднемесячных данных по осадкам послужил метеорологический архив ВНИИГМИ-МЦД [14], содержащий информацию о срочных инструментальных наблюдениях почти на 500 метеорологических станциях России в основном с 1950 года, когда сеть станций резко выросла. Временные ряды по осадкам в этом архиве приводятся с 1966 года, когда на метеорологических станциях был закончен переход к осадкомеру Третьякова и с января 1966 г. начала вводиться поправка на смачивание. После 1966 года никаких изменений в методиках измерений и обработки не происходило, поэтому ряды сумм осадков можно считать однородными [10]. Всего в работе использовались данные 112 станций, расположенные на ЕТР севернее 48о с.ш. Наиболее низкая плотность сети отмечается для северо-восточной части ЕТР.

На рис. 4 представлено распределение изокоррелят между зональной скоростью ветра на уровне 500 гПа в широтной зоне 55–60о с.ш. по меридиану 5ов.д. и значениями осадков для зимних (декабрь-март) условий за период 1979–2012 гг. Значимые коэффициенты корреляции соответствуют условию |r| > 0,30. Нетрудно видеть, что вся северная и центральная часть ЕТР охвачена высокой положительной корреляцией, т.е. при усилении САК количество выпавших здесь осадков увеличивается. Максимальный очаг корреляции (r > 0,70) простирается вдоль меридиана 40о в.д. на территории Архангельской и Вологодской областей, а также отмечается в восточной части Ленинградской области. Как и следовало ожидать, южные районы ЕТР малочувствительны к изменениям САК, т.к. формирование осадков здесь в значительной степени определяется средиземноморскими циклонами.

Что касается корреляции зимних осадков непосредственно с индексом САК, то она ожидаемо оказалось несколько хуже. Максимальные значения корреляции не превысили r = 0,55, причем они сосредоточены в зоне 60–62^о с.ш. в центральной части ЕТР.

Кроме того, было выполнено разбиение зимних осадков по фазам САК. При этом число случаев осадков, соответствующих положительной фазе САК, оказалось равным 23, а отрицательной фазе – 11. На рис. 5 дается пространственное распределение критерия Стьюдента ( t ), показывающего степень расхождения между средними значениями зимних осадков двух выборок [6]. Если t > t _кр (при уровне значимости α = 0,05 t _кр = 2,04), то расхождения между средними значениями

Рис. 4. Распределение изокоррелят между зональной скоростью ветра на уровне 500 гПа в широтной зоне 55–60о с.ш. по меридиану 5о в.д. и значениями осадков для зимних условий (декабрь–март) за

период 1979–2012 гг. Значимые коэффициенты корреляции при |r| > 0.30 (жирная линия).

Рис. 5. Пространственное распределение критерия Стьюдента (t), показывающего степень расхождения между средними значениями зимних (декабрь–март) осадков двух выборок, соответствующих положительной и отрицательной фазе развития САК. Критическое значение статистики Стьюдента при уровне значимости α = 0,05 t_кр = 2,0.

Среда обитания

считаются значимыми. Примем для простоты t _кр = 2,0. Как видно из рис. 5, изолиния t = 2,0, исключая северозападный район ЕТР, имеет в основном зональную протяженность и проходит вблизи 59^о с.ш. Севернее ее расхождения между средними значениями зимних осадков значимы, т.е. влияние на них САК можно считать установленным. При t = 2,0 разность осадков между положительной и отрицательной фазой САК составляет 20–22 мм или 20 % от средней величины зимних осадков, а для максимального значения t = 4.03 (Няндома) – 69 мм или 36%.

Выполненные расчеты позволили выявить закономерности межгодовой изменчивости САК. Показано, что при отсутствии основного тренда можно выделить 4 фазы: две – усиление САК и две – его ослабление, для которых отмечаются значимые тренды с высоким коэффициентом детерминации. При этом начавшаяся в 1993 г. фаза ослабления САК еще не закончилась. В частотной структуре САК основными являются квазидвадцатилетнее