СРАВНЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ СИБИРСКОГО АНТИЦИКЛОНА В РАЗНЫЕ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ЭПОХИ
|
Аннотация 2
Введение 5
1 Сибирский антициклон и его особенности 8
1.1 Основные особенности формирования Сибирского антициклона 8
1.2 Структура Сибирского антициклона 9
1.3 Взаимодействие Сибирского антициклона и других динамических атмосферных
образований 11
2 Циркуляционные эпохи и их основные свойства 14
2.1 Циркуляционные эпохи и их характеристика 14
2.2 Циркуляционные эпохи в различных секторах Северного полушария 20
2.3 Влияние циркуляционных эпох на природно-климатические процессы в Северном
полушарии 25
3 Использованные для исследования данные и методика исследования 31
3.1 Реанализ ERA-Interim 32
3.2 Методика исследования 33
3.2.1 Данные 33
3.2.2 Оценка значимости различий 34
3.2.3 Оценка нормальности распределения 35
3.2.4 Использованное программное обеспечение и стандарты 35
4 Результаты исследования 37
4.1 Общая оценка поведения Сибирского антициклона в различные циркуляционные
эпохи 37
4.2 Проверка нормальности распределения данных по давлению над уровнем моря....42
4.3 Оценка значимости различий в поведении Сибирского антициклона в различные
циркуляционные эпохи 43
4.4 Температурный фон января над Сибирским сектором в зональную и
меридиональную эпохи 44
4.4.1 Проверка нормальности распределения данных по температуре воздуха для
января 46
4.4.2 Оценка значимости различий средних значений температуры воздуха в
различные циркуляционные эпохи для января 47
Заключение 49
Список использованной литературы 52
Приложение А Разность давлений между зональной и меридиональной эпохами 56
Приложение Б Поля q-статистики для зональной и меридиональной эпох 59
Приложение В Значение t-статистики 64
Введение 5
1 Сибирский антициклон и его особенности 8
1.1 Основные особенности формирования Сибирского антициклона 8
1.2 Структура Сибирского антициклона 9
1.3 Взаимодействие Сибирского антициклона и других динамических атмосферных
образований 11
2 Циркуляционные эпохи и их основные свойства 14
2.1 Циркуляционные эпохи и их характеристика 14
2.2 Циркуляционные эпохи в различных секторах Северного полушария 20
2.3 Влияние циркуляционных эпох на природно-климатические процессы в Северном
полушарии 25
3 Использованные для исследования данные и методика исследования 31
3.1 Реанализ ERA-Interim 32
3.2 Методика исследования 33
3.2.1 Данные 33
3.2.2 Оценка значимости различий 34
3.2.3 Оценка нормальности распределения 35
3.2.4 Использованное программное обеспечение и стандарты 35
4 Результаты исследования 37
4.1 Общая оценка поведения Сибирского антициклона в различные циркуляционные
эпохи 37
4.2 Проверка нормальности распределения данных по давлению над уровнем моря....42
4.3 Оценка значимости различий в поведении Сибирского антициклона в различные
циркуляционные эпохи 43
4.4 Температурный фон января над Сибирским сектором в зональную и
меридиональную эпохи 44
4.4.1 Проверка нормальности распределения данных по температуре воздуха для
января 46
4.4.2 Оценка значимости различий средних значений температуры воздуха в
различные циркуляционные эпохи для января 47
Заключение 49
Список использованной литературы 52
Приложение А Разность давлений между зональной и меридиональной эпохами 56
Приложение Б Поля q-статистики для зональной и меридиональной эпох 59
Приложение В Значение t-статистики 64
Сибирский антициклон - это область высокого давления, которая располагается над Центральной Азией и Сибирью в течение зимнего сезона. Сибирский антициклон является сезонным проявлением циркуляции атмосферы. От его мощности зависит, насколько низко опустится температура воздуха зимой на территории Сибири, на сколько, соответственно, суровой будет зима, а также, как долго будет продолжаться морозный период [1]. Велика его роль и в формировании всего механизма общей циркуляции атмосферы в Северном полушарии [2].
Это мощное и обширное барическое образование не существует изолировано, а является частью единого механизма общей циркуляции атмосферы, находясь в тесном взаимодействии с другими центрами действия атмосферы Северного полушария (Арктическим антициклоном, Исландским минимумом, Алеутским минимумом, Азорским максимумом) [3]. За счёт своей обширности и мощности Сибирский антициклон во многом определяет погодные условия в зимний сезон над большей частью Азии, а также может оказывать влияние и на погодные условия Европейской части Евразии (рисунок 1). Важность исследования этого мощного антициклона, его поведение в различные периоды усиливается еще и тем, что в условиях меняющегося климата характер поведения антициклона может также меняется, и очень важно понимать характер этих возможных изменений.
Изменения климата и циркуляционных эпох взаимосвязаны. Циркуляционные эпохи могут значительно меняться по характеру своего поведения под действием изменяющегося климата. А также изменение климата может быть обусловлено сменой циркуляционных эпох. Так или иначе, любое изменение влечёт за собой значительные изменения в климатической системе в целом. Так смена циркуляционных эпох влечёт за собой увеличение количества опасных явлений погоды, происходящие всё чаще за последние годы.
В настоящее время уделяется много внимание именно антропогенным факторам, влекущим за собой изменение климата. Однако роль циркуляции атмосферы в формирование климата в Северном полушарии в свою очередь также не менее важна. Значительную роль циркуляции атмосферы выделяет в своих работах Н.К. Кононова, также отмечая изменения циркуляции атмосферы, смены циркуляционных эпох, влекущих за собой возникновения опасных природных процессов в Северном полушарии.
Интерес к циркуляционным факторам климата с новой силой возрос, когда в XXI веке был обнаружен рост повторяемости зимних отрицательных и летних положительных экстремумов осадков и метеорологически обусловленных опасных природных процессов на территории России [4].
Данная работа по исследованию поведения Сибирского антициклона основывается на работе с циркуляционными эпохами Северного полушария, которые были выведены с помощью типизации Б.Л. Дзердзеевского. Из данной типизации были выделены три циркуляционные эпохи, представленные как периоды с наибольшими положительными отклонениями суммарной годовой продолжительности группы циркуляции от среднего многолетнего значения [4]. С 1899 г. над Северным полушарием сменились три циркуляционные эпохи:
1) Меридиональная северная (1899 - 1915 гг.);
2) Зональная (1916 - 1956 гг.);
3) Меридиональная южная (1957 - настоящее время) [5].
Современные особенности общей циркуляции атмосферы приводят к тому, что увеличивается повторяемость, а также интенсивность метеорологических опасных природных процессов [6]. В связи с этим наиболее остро стоит задача исследования атмосферных процессов и факторов, влекущих за собой климатические изменения и серьёзные метеорологические последствия.
Таким образом, цель работы заключается в выявлении различий в поведении Сибирского антициклона в различные циркуляционные эпохи. Для реализации поставленной цели в данной работе необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить циркуляционные эпохи, наступавшие на территории, находящейся под влиянием Сибирского антициклона;
2. Выявить и сравнить для различных климатических эпох расположение центра Сибирского антициклона, его распространённость по территории, а также его интенсивность.
Это мощное и обширное барическое образование не существует изолировано, а является частью единого механизма общей циркуляции атмосферы, находясь в тесном взаимодействии с другими центрами действия атмосферы Северного полушария (Арктическим антициклоном, Исландским минимумом, Алеутским минимумом, Азорским максимумом) [3]. За счёт своей обширности и мощности Сибирский антициклон во многом определяет погодные условия в зимний сезон над большей частью Азии, а также может оказывать влияние и на погодные условия Европейской части Евразии (рисунок 1). Важность исследования этого мощного антициклона, его поведение в различные периоды усиливается еще и тем, что в условиях меняющегося климата характер поведения антициклона может также меняется, и очень важно понимать характер этих возможных изменений.
Изменения климата и циркуляционных эпох взаимосвязаны. Циркуляционные эпохи могут значительно меняться по характеру своего поведения под действием изменяющегося климата. А также изменение климата может быть обусловлено сменой циркуляционных эпох. Так или иначе, любое изменение влечёт за собой значительные изменения в климатической системе в целом. Так смена циркуляционных эпох влечёт за собой увеличение количества опасных явлений погоды, происходящие всё чаще за последние годы.
В настоящее время уделяется много внимание именно антропогенным факторам, влекущим за собой изменение климата. Однако роль циркуляции атмосферы в формирование климата в Северном полушарии в свою очередь также не менее важна. Значительную роль циркуляции атмосферы выделяет в своих работах Н.К. Кононова, также отмечая изменения циркуляции атмосферы, смены циркуляционных эпох, влекущих за собой возникновения опасных природных процессов в Северном полушарии.
Интерес к циркуляционным факторам климата с новой силой возрос, когда в XXI веке был обнаружен рост повторяемости зимних отрицательных и летних положительных экстремумов осадков и метеорологически обусловленных опасных природных процессов на территории России [4].
Данная работа по исследованию поведения Сибирского антициклона основывается на работе с циркуляционными эпохами Северного полушария, которые были выведены с помощью типизации Б.Л. Дзердзеевского. Из данной типизации были выделены три циркуляционные эпохи, представленные как периоды с наибольшими положительными отклонениями суммарной годовой продолжительности группы циркуляции от среднего многолетнего значения [4]. С 1899 г. над Северным полушарием сменились три циркуляционные эпохи:
1) Меридиональная северная (1899 - 1915 гг.);
2) Зональная (1916 - 1956 гг.);
3) Меридиональная южная (1957 - настоящее время) [5].
Современные особенности общей циркуляции атмосферы приводят к тому, что увеличивается повторяемость, а также интенсивность метеорологических опасных природных процессов [6]. В связи с этим наиболее остро стоит задача исследования атмосферных процессов и факторов, влекущих за собой климатические изменения и серьёзные метеорологические последствия.
Таким образом, цель работы заключается в выявлении различий в поведении Сибирского антициклона в различные циркуляционные эпохи. Для реализации поставленной цели в данной работе необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить циркуляционные эпохи, наступавшие на территории, находящейся под влиянием Сибирского антициклона;
2. Выявить и сравнить для различных климатических эпох расположение центра Сибирского антициклона, его распространённость по территории, а также его интенсивность.
В данном исследовании рассматривалось поведение Сибирского антициклона для Сибирского сектора (60 - 120 в.д.), где выделено 5 циркуляционных эпох, сменявшие друг друга с 1899 года. Для исследования, основанном на использовании среднемесячных значения атмосферного давления на уровне моря по данным реанализа ERE-Interim, были взяты две последние господствующие в Сибирском секторе циркуляционные эпохи: зональная (1979-2005) и меридиональная (2006-2014).
Особенностью Сибирского сектора, прежде всего, является то, что здесь наступление циркуляционных эпох различается с наступлением эпох во всех остальных секторах, за исключение Американского сектора. Это связано с физико-географическими особенностями материка Евразии, где располагается данный сектор: огромные размеры материка, способствующие формированию сезонных особенностей радиационного баланса, который, в свою очередь, является одним из факторов формирования Сибирского антициклона. Наступление зональной эпохи сопровождалось увеличением продолжительности ЭЦМ 13з и 13 л. В целом, для Северного полушария данные ЭЦМ относятся к меридиональной деятельности, однако для Сибирского сектора они выступают как широтная группа ЭЦМ. Меридиональная эпоха, наступившая в этом секторе в 2006 году, определяется сочетание ЭЦМ 12а с ЭЦМ 13-х типов [28]. Каждая ЭЦМ в той или иной мере определяла погодные и циркуляционные условия в Сибирском секторе, в том числе и поведение Сибирского антициклона.
Различия в распространении Сибирского антициклона на территории Евразии обуславливается влиянием в зональную эпоху циклонической деятельности в высоких широтах. Так, например, в январе (рисунки 4.5 и 4.6) в меридиональную эпоху, когда развиты арктические вторжения высокого давления, Сибирский антициклон протянулся вплоть до полуострова Ямал и Северной Земли, в то время как в зональную эпоху влияние антициклона прослеживается лишь до северных районов Западной Сибири.
В настоящей работе было показано (рисунки А.2, А.3 и А.4), что давление в районе Сибирского антициклона было наибольшим именно в меридиональную циркуляционную эпоху, и именно в январе различия в давлении между эпохами оказалось значимым. В январе наступает пик активности и наибольшей мощности Сибирского антициклона, чему способствует активное выхолаживание подстилающей поверхности и малый приход солнечной радиации в этом месяце. Давление в центре в январе достигает 1040 гПа. В связи с деятельностью ЭЦМ 12а, где наблюдаются четыре арктических вторжения, в том числе на территорию Азии, Сибирский антициклон в январе в меридиональную эпоху простирается далеко в высокие широты.
В целом, рассматривая пространственное распространение Сибирского антициклона в Сибирском секторе, явные различия наблюдаются в январе, как самом контрастном месяце года. В связи с тем, что в Сибирском секторе меридиональная эпоха началась сравнительно недавно, а также в связи с особенностями формирования данного барического образования, Сибирский антициклон в различные циркуляционные эпохи ведёт себя схожем образом.
Изменение характера циркуляции атмосферы ведёт и к изменению, в целом, погодных условий в районах господства тех или иных циркуляционных форм. Так, в период роста меридиональной южной циркуляции, которая началась в 1957 году и длится для всего Северного полушария по настоящее время, наблюдается увеличение годовой повторяемости ЭЦМ 13-х типов, в частности и ЭЦМ 13з. Как было отмечено выше, ЭЦМ 13з определяет погодные и циркуляционные условия в Сибирском секторе в зональную эпоху. Сибирский антициклон в этот период занимает обширные площади евразийского континента, однако интенсивная циклоническая деятельность, характерная для ЭЦМ 13з, способствует проникновению теплых средиземноморских циклонов в Арктику. Ввиду этого, рассматривая температурный фон, в частности и для Сибирского сектора, периоду зональной эпохи (1979-2005) характерна менее суровая зима. Для примера был выбран январь месяц. На рисунке 4.16 видно, что температура на всей территории Сибирского сектора в зональную эпоху была выше, чем в меридиональную. Наступление меридиональной эпохи в Сибирском секторе приурочено к 2006 году, когда во всей России фиксировались метеорологические экстремумы и стихийные бедствия. В январе в этот год были побиты рекорды аномально низких температур воздуха для многих регионов России, в частности и для Сибирского сектора и города Томска.
В ходе проведённой работы можно сделать следующие вывод:
— имеются различия во времени формирования и разрушения Сибирского антициклона в зональную и меридиональную эпохи: в зональную эпоху, в отличии от меридиональной, Сибирский антициклон уже в ноябре имеет обширную замкнутую изобару высокого давления, а также большей интенсивностью антициклон отличается в марте месяце, в то время как в меридиональную эпоху наблюдается почти полное разрушения области высокого давления;
— распространение Сибирского антициклона в Сибирском секторе наиболее обширное в меридиональную эпоху, когда в отсутствии интенсивной циклонической деятельности в высоких широта сектора отроги антициклона распространяются до Северного ледовитого океана;
— атмосферное давление на уровне моря в меридиональную эпоху больше, чем зональную в декабре, январе и феврале. Наиболее значимая разница давлений между эпохами характерна для января;
— рассматривая распределение температуры воздуха в Сибирском секторе для января можно сказать, что более теплым является январь в зональную циркуляционную эпоху. Наступление же меридиональной эпохи в 2006 году сопровождалась аномально холодной зимой, и по сей день зимние месяцы, особенно январь и февраль, отличаются более низкими температурами, чем были в зональную эпоху. Исходя из разницы температур воздуха в зональную и меридиональную эпохи (рисунок 4.16) видно, что в зональную эпоху январь отличался более высокими температурам во всём Сибирском секторе;
— поведение Сибирского антициклона в различные циркуляционные эпохи, в целом, обусловлено различием площади его распространения, а также обширностью очагов высокого давления.
Таким образом, суровость зимнего периода, условия погоды и температурный режим может определяться не только Сибирским антициклоном, его поведением и распространением по территории, но также и ЭЦМ, которые характеризуют каждую циркуляционную эпоху и также влияют на антициклоническую и циклоническую деятельности, и на погодные условия.
Особенностью Сибирского сектора, прежде всего, является то, что здесь наступление циркуляционных эпох различается с наступлением эпох во всех остальных секторах, за исключение Американского сектора. Это связано с физико-географическими особенностями материка Евразии, где располагается данный сектор: огромные размеры материка, способствующие формированию сезонных особенностей радиационного баланса, который, в свою очередь, является одним из факторов формирования Сибирского антициклона. Наступление зональной эпохи сопровождалось увеличением продолжительности ЭЦМ 13з и 13 л. В целом, для Северного полушария данные ЭЦМ относятся к меридиональной деятельности, однако для Сибирского сектора они выступают как широтная группа ЭЦМ. Меридиональная эпоха, наступившая в этом секторе в 2006 году, определяется сочетание ЭЦМ 12а с ЭЦМ 13-х типов [28]. Каждая ЭЦМ в той или иной мере определяла погодные и циркуляционные условия в Сибирском секторе, в том числе и поведение Сибирского антициклона.
Различия в распространении Сибирского антициклона на территории Евразии обуславливается влиянием в зональную эпоху циклонической деятельности в высоких широтах. Так, например, в январе (рисунки 4.5 и 4.6) в меридиональную эпоху, когда развиты арктические вторжения высокого давления, Сибирский антициклон протянулся вплоть до полуострова Ямал и Северной Земли, в то время как в зональную эпоху влияние антициклона прослеживается лишь до северных районов Западной Сибири.
В настоящей работе было показано (рисунки А.2, А.3 и А.4), что давление в районе Сибирского антициклона было наибольшим именно в меридиональную циркуляционную эпоху, и именно в январе различия в давлении между эпохами оказалось значимым. В январе наступает пик активности и наибольшей мощности Сибирского антициклона, чему способствует активное выхолаживание подстилающей поверхности и малый приход солнечной радиации в этом месяце. Давление в центре в январе достигает 1040 гПа. В связи с деятельностью ЭЦМ 12а, где наблюдаются четыре арктических вторжения, в том числе на территорию Азии, Сибирский антициклон в январе в меридиональную эпоху простирается далеко в высокие широты.
В целом, рассматривая пространственное распространение Сибирского антициклона в Сибирском секторе, явные различия наблюдаются в январе, как самом контрастном месяце года. В связи с тем, что в Сибирском секторе меридиональная эпоха началась сравнительно недавно, а также в связи с особенностями формирования данного барического образования, Сибирский антициклон в различные циркуляционные эпохи ведёт себя схожем образом.
Изменение характера циркуляции атмосферы ведёт и к изменению, в целом, погодных условий в районах господства тех или иных циркуляционных форм. Так, в период роста меридиональной южной циркуляции, которая началась в 1957 году и длится для всего Северного полушария по настоящее время, наблюдается увеличение годовой повторяемости ЭЦМ 13-х типов, в частности и ЭЦМ 13з. Как было отмечено выше, ЭЦМ 13з определяет погодные и циркуляционные условия в Сибирском секторе в зональную эпоху. Сибирский антициклон в этот период занимает обширные площади евразийского континента, однако интенсивная циклоническая деятельность, характерная для ЭЦМ 13з, способствует проникновению теплых средиземноморских циклонов в Арктику. Ввиду этого, рассматривая температурный фон, в частности и для Сибирского сектора, периоду зональной эпохи (1979-2005) характерна менее суровая зима. Для примера был выбран январь месяц. На рисунке 4.16 видно, что температура на всей территории Сибирского сектора в зональную эпоху была выше, чем в меридиональную. Наступление меридиональной эпохи в Сибирском секторе приурочено к 2006 году, когда во всей России фиксировались метеорологические экстремумы и стихийные бедствия. В январе в этот год были побиты рекорды аномально низких температур воздуха для многих регионов России, в частности и для Сибирского сектора и города Томска.
В ходе проведённой работы можно сделать следующие вывод:
— имеются различия во времени формирования и разрушения Сибирского антициклона в зональную и меридиональную эпохи: в зональную эпоху, в отличии от меридиональной, Сибирский антициклон уже в ноябре имеет обширную замкнутую изобару высокого давления, а также большей интенсивностью антициклон отличается в марте месяце, в то время как в меридиональную эпоху наблюдается почти полное разрушения области высокого давления;
— распространение Сибирского антициклона в Сибирском секторе наиболее обширное в меридиональную эпоху, когда в отсутствии интенсивной циклонической деятельности в высоких широта сектора отроги антициклона распространяются до Северного ледовитого океана;
— атмосферное давление на уровне моря в меридиональную эпоху больше, чем зональную в декабре, январе и феврале. Наиболее значимая разница давлений между эпохами характерна для января;
— рассматривая распределение температуры воздуха в Сибирском секторе для января можно сказать, что более теплым является январь в зональную циркуляционную эпоху. Наступление же меридиональной эпохи в 2006 году сопровождалась аномально холодной зимой, и по сей день зимние месяцы, особенно январь и февраль, отличаются более низкими температурами, чем были в зональную эпоху. Исходя из разницы температур воздуха в зональную и меридиональную эпохи (рисунок 4.16) видно, что в зональную эпоху январь отличался более высокими температурам во всём Сибирском секторе;
— поведение Сибирского антициклона в различные циркуляционные эпохи, в целом, обусловлено различием площади его распространения, а также обширностью очагов высокого давления.
Таким образом, суровость зимнего периода, условия погоды и температурный режим может определяться не только Сибирским антициклоном, его поведением и распространением по территории, но также и ЭЦМ, которые характеризуют каждую циркуляционную эпоху и также влияют на антициклоническую и циклоническую деятельности, и на погодные условия.
