Введение 3
Глава 1. Физико-географическая и климатическая характеристика 6
1.1 Физико-географическое положение 6
1.2 Климатическая характеристика района 7
Глава 2. Взаимосвязь атмосферной циркуляции с изменениями климата 15
2.1 Методы типизации атмосферных процессов Северного полушария 15
2.2 Влияние изменения характера атмосферных процессов на метеорологические
величины 16
Глава 3. Материалы и методы исследования 21
3.1 Описание форм атмосферной циркуляции по классификации Гирса-Вангенгейма..21
3.2 Методология выполнения исследования 22
3.3 Материалы 26
Глава 4. Результаты 30
4.1 Сравнительный анализ временной изменчивости характеристик атмосферной
циркуляции в Западном секторе Арктики в периоды потепления и похолодания 30
4.2 Анализ временных изменений частотной структуры климатической изменчивости и
характера атмосферной циркуляции в Западном секторе Арктики 35
4.3 Анализ повторяемости опасных явлений погоды в Западном секторе Арктики 41
Заключение 44
Список литературы 46
Приложение 1 50
Приложение 2 51
Приложение 3 52
Приложение 4 53
Приложение 5 54
Приложение 6 55
Приложение 7 56
«Глобальный климат правомерно определять, как статистический ансамбль со-стояний, проходимых климатической системой за периоды времени в несколько десятилетий. Под климатической системой следует понимать атмосферу, гидросферу, лито-сферу, криосферу и биосферу» (Дроздов, 1989, с. 181).
В последние несколько десятилетий в глобальной климатической системе наблюдаются серьёзные изменения. Последствия увеличения средней планетарной приземной температуры воздуха более чем на 1 оС выражаются в таких природных процессах, как увеличение повторяемости экстремальных погодных условий, повышение уровня моря, деградация вечной мерзлоты, увеличение стока рек, уменьшении площади морского ледяного покрова в Арктике (IPCC, 2019; Box, 2019), а также социальных процессах, например, рост числа различных заболеваний людей и т.д. (IPCC, 2018). В условиях глобальных климатических изменений на планете наиболее заметен процесс потепления климата в полярных регионах и ярче всего проявляется в Арктике. Причины наиболее интенсивного потепления Арктического региона связаны с механизмами обратных связей. Большую роль играет аль- бедный механизм, который обуславливает увеличение поглощения приходящей коротковолновой радиации вследствие снижения отражательной способности подстилающей поверхности - таяние морского и материкового льда. Этот процесс в свою очередь приводит к ещё большему таянию ледяного покрова.
На фоне усиливающихся климатических изменений на всём земном шаре, темпы наблюдаемого и прогнозируемого потепления в Арктике по-прежнему остаются в 2-3 раза выше, чем в среднем по земному шару (IPCC, 2018; AMAP, 2019). В Арктическом регионе отмечается рост среднегодовой приземной температуры воздуха примерно на 2.7 оС за период с 1971 по 2017 гг., причём процесс потепления выражен сильнее в холодное время года (AMAP, 2019).
Исследованию изменчивости приземной температуры воздуха, как характеристики изменения климата, посвящено большое количество работ (Przybylak, 2020; Бокучава, Семенов, 2018; Алексеев, 2015). Однако, наряду с приземной температурой воздуха, важной климатической характеристикой является режим атмосферной циркуляции. Так зональный перенос в атмосфере ослабляет межширотный воздухообмен и способствует формированию отрицательных аномалий температуры воздуха, то есть наблюдается похолодание. Наоборот, усиление меридиональных процессов способствует либо усиленному выносу тёплого воздуха из более низких широт, что может соответствовать процессу потепления, либо усилению выноса холодного воздуха из высоких широт, то есть наблюдается похолодание.
Дипольная структура атмосферной циркуляционной системы Арктики, связанная с большой разницей в давлении между районом Сибири и Северной Америкой, обуславливает высокую вероятность возникновения опасных гидрометеорологических явлений, таких как высокие скорости ветра (штормовые ветры). Опасные погодные явления в Арктическом регионе могут нести угрозу для судоходства, технических сооружений на шельфе и в береговой зоне. В условиях современного потепления отмечается увеличение частоты повторяемости опасных гидрометеорологических явлений в Арктическом регионе (Репина, 2019). Одним из самых изменчивых районов Арктики по погодным условиям является Западный сектор, так как здесь наблюдается большая разница между температурами Атлантических и Арктических воздушных масс, а также в этой области проходят основные траектории перемещения циклонов.
В рядах инструментальных наблюдений за приземной температурой воздуха XX-XXI вв. выделяют три климатических периода: период первого потепления - 1920-1950 гг., период похолодания - 1950-1985 гг. и период современного потепления, начавшийся при-мерно с 1985 гг.
Одной из главных проблем на сегодняшний день является оценка климатических изменений в Арктике, в основе которой лежит анализ межгодовой изменчивости приземной температуры воздуха. Однако, наряду с приземной температурой воздуха, важной характеристикой климата Арктического региона является режим атмосферной циркуляции, который определяет межширотный обмен тёплыми и холодными воздушными массами, а также влагой. Таким образом, представляет интерес исследование взаимосвязи структуры изменчивости призменной температуры воздуха со структурой изменчивости режима атмосферной циркуляции.
Актуальность данной работы заключается в том, что впервые удалось исследовать взаимосвязь временных изменений частотной структуры климатической изменчивости и структуры режима атмосферной циркуляции, а также получить оценку возможных изменений в повторяемости опасных явлений погоды за три последних климатических периода, привлекая наиболее длинный ряд форм атмосферной циркуляции и полные ряды метеорологических наблюдений за приземной температурой воздуха и скоростью ветра за весь период инструментальных наблюдений для Западного арктического сектора.
Объектом данного исследования является Западный сектор Арктики, предметом исследования - временная изменчивость режима атмосферной циркуляции.
Целью работы является исследование временной изменчивости характеристик атмосферной циркуляции в XX-XXI вв. и оценка взаимосвязи особенностей циркуляционного режима с повторяемостью опасных явлений погоды. Для достижения поставленной цели был сформулирован ряд задач:
1. Создание литературного обзора работ, посвященных классификациям атмосферной циркуляции в Арктике и их связи с изменениями климата;
2. Формирование электронного массива данных инструментальных наблюдений за срочными скоростями ветра на метеорологических станциях Западного сектора Арктики;
3. Проведение сравнительного анализа временной изменчивости характеристик циркуляции атмосферы в Западном арктическом секторе в период первого потепления (1920-1950 гг.), периода похолодания (1950-1985 гг.) и периода современного потепления (с 1985 гг. по настоящее время);
4. Проведение сравнительного анализа степени устойчивости погодных условий в исследуемой области в периоды потеплений и период похолодания в XX-XXI вв.;
5. Оценка временных изменений частотной структуры климатической изменчивости и характера атмосферной циркуляции в районе исследования с помощью спектрального и вейвлет-анализа;
6. Оценка повторяемости опасных явлений погоды в Западном секторе Арктики на примере повторяемости высоких скоростей ветра (более 15 м/с) на высоте 10 м.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. В первой главе даётся физико-географическая и климатическая характеристика Западного сектора Арктики, во второй главе приводится обзор методов классификации типов атмосферной циркуляции и обзор работ, посвящённых связи циркуляционного режима атмосферы с изменением климата, в третьей главе дано описание методики выполнения исследования и информация об использованных данных, в четвёртой главе приведены результаты сравнительного анализа временной изменчивости характеристик атмосферной циркуляции, даны оценки изменения частотной структуры изменчивости климата и характера атмосферной циркуляции, а также представлено исследование связи особенностей циркуляционного режима с повторяемостью наступления опасных метеорологических явлений.
В данной работе проведено исследование временной изменчивости режима атмосферной циркуляции в XX-XXI вв., была оценена взаимосвязь изменения структуры ре-жима атмосферной циркуляции со структурой климатической изменчивости, а также исследована связь особенностей циркуляционного режима с повторяемостью опасных явлений погоды в Западном секторе Арктики в холодный (октябрь-март) и тёплый (апрель-сентябрь) сезоны в периоды первого потепления (1920-1950 гг.), похолодания (1950-1985 гг.) и современного потепления (1985-2020 гг.).
При исследовании режима атмосферной циркуляции была использована классификация атмосферных процессов, разработанная Г.Я. Вангенгеймом и А.А Гирсом. Оценка временной изменчивости форм атмосферной циркуляции производилась по архиву ежедневных данных форм циркуляции атмосферы (W - западная, E - восточная и C - меридиональная формы). Исследование повторяемости опасных погодных явлений проводилось на примере оценки повторяемости высоких скоростей ветра (>15 м/с) на высоте 10 м. по данным инструментальных наблюдений на метеорологических станциях в Западном арктическом секторе. Анализ частотной структуры климатической изменчивости был проведён по наиболее длинным рядам данным инструментальных наблюдений за приземной температурой воздуха на арктических метеорологических станциях.
В ходе исследования были получены следующие результаты:
1) Режим атмосферной циркуляции, наблюдаемый в периоды потепления и похолодания, был достаточно различным. В целом, можно отметить преобладание повторяемости восточного типа атмосферной циркуляции (Е) за все рассматриваемые климатические периоды. Причём в период похолодания как в холодный, так и в тёплый сезоны, повторяемость формы Е была наибольшей и наблюдалась на протяжении половины сезона. При сравнении режима атмосферной циркуляции холодного сезона двух периодов потепления, было отмечено преобладание повторяемости типа Е в сочетании с типом W в период 1920-1950 гг. и типа W в сочетании с типом E в период 1985-2020 гг. В летний сезон периода первого потепления преобладала повторяемость сочетания форм E+W, а в современный период преобладает повторяемость формы E;
2) Сравнительный анализ степени устойчивости погодных условий, в целом, показал, что наиболее устойчивые условия погоды наблюдались в период первого потепления, когда отмечалась сравнительно высокая повторяемость периодов продолжительного существования (более 10 дней) форм циркуляции. Следующие периоды похолодания и современного потепления характеризуется увеличением повторяемости случаев частой смены форм циркуляции атмосферы, т.е. отмечается увеличение неустойчивости погодных условий;
3) Исследование повторяемости опасных явлений погоды, на примере высоких скоростей ветра на высоте 10 м., показало, что в холодный сезон года отмечается высокая повторяемость случаев со скоростями ветра >15 м/с, по сравнению с тёплым сезоном. В целом, метеорологические условия практически во всех районах исследуемых метеорологических станциях испытывают тенденцию к снижению повторяемости высоких скоростей ветра от периода потепления 20-50-х гг. прошлого века к современному потеплению;
4) Исследование частотной структуры изменчивости приземной температуры воздуха и повторяемости каждой из форм атмосферной циркуляции (W, E, C) показало наличие низкочастотные колебания с периодом около 40 лет, которые вносят вклад в меж-годовую изменчивость климата. Анализ межгодового изменения оценок дисперсии приземной температуры воздуха по данным инструментальных наблюдений на метеорологических станциях показал наличие периодических колебаний в изменении интенсивности климатической изменчивости с периодом около 40 лет.
В заключении можно отметить, что, в целом, режим атмосферной циркуляции в Арктике характеризуется большой повторяемостью меридиональных процессов восточной формы (Е) как в современный период потепления, так и в предшествующие периоды первого потепления и похолодания. Увеличение степени неустойчивости синоптических процессов, и, как следствие, неустойчивости режима погодных условий, не способствует увеличению повторяемости высоких скоростей ветра в Западном секторе Арктики. В изменении частотной структуры интенсивности изменчивости приземной температуры воздуха, как и частотной структуры режима атмосферной циркуляции - повторяемости форм (W, E, C), прослеживаются низкочастотные колебания с периодом примерно 40 лет. Таким образом, можно сделать вывод о взаимосвязи климатической изменчивости с изменениями в режиме атмосферной циркуляции.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
