Введение к работе
Актуальность темы. Одну из центральных проблем современной гидрометеорологии состЬпляют теоретические и эмпирические исследования изменчивости климата, большой вклад в развитие которых внесли М.И. Будыко, О.А. Дроздов, Л.С. Гандин, Г.В. Груза, Ю. Николаев. В настоящее время принят ряд международных и национальных программ исследований климата, в которых особое внимание уделяется тесной взаимосвязи эмпирического анализа и теоретического моделирования изменчивости. Изучение естественной изменчивости необходимо при оценке возможных антропогенных изменений в климатической системе, которую в значительной степени затрудняет наличие естественных флуктуации (Lorenz, 1979). Особое значение имеет, ввиду ее усиления, исследование изменчивости климата в полярных районах. Погода и климат Северной полярной области (СПО) формируются под сильным влиянием атмосферных переносов тепла и влаги из более низких широт. Смена разнообразных форм атмосферной циркуляции, порождаемая их неустойчивостью, приводит к интенсивным естественным флуктуациям переносов и, как следствие, к естественным колебаниям характеристик погоды и климата. Эти колебания нарастают по мере продвижения из низких широт к высоким, что позволяет говорить о полярном усилении изменчивости климата. Естественные флуктуации, с одной стороны, вносят вклад в формирование изменчивости климата атмосферы, а с другой -маскируют изменения климата, вызываемые внешними по отношению к атмосфере воздействиями, г, том числе антропогенными. В этой связи очевидна необходимость всесторонних исследований естественной изменчивости характеристик климата.
Целью исследования является изучение особенностей климатической изменчивости во внетропических широтах северного полушария. При этом особое внимание уделялось изменчивости в СПО, сравнительному анализу характера изменчивости в СПО и северном полушарии с привлечением новых статистических методов анализа, выявлению взаимосвязи между изменчивостью в СПО и в других областях северного полушария, оценке устойчивости климата и предсказуемости его колебаний.
В работе поставлены и решены следующие задачи: , -реализовать новые методы статистического анализа применительно к задачам диагноза изменчивости климата;
изучить пространственно-временную структуру изменчивости характеристик климата СПО и северного полушария и оценить ее устойчивость во времени;
оценить тенденции изменения характеристик климата в северном полушарии, СПО и центральном Арктическом бассейне;
выделить особенности изменчивости, связанные с нелинейностью и неравновесностью климатической системы.
Научная новизна проведенного исследования заключается в следующем:
наряду с традиционными методами корреляционного и спектрального анализа характеристик климата, в работе использованы методы максимальной энтропии для оценки спектральной плотности, метод ядер и эмпирического перекрестного правдоподобия, а также метод минимального риска для получения оценок функции плотности вероятности, метод сингулярного разложения для сглаживания полей;
впервые использованы метеорологические данные ледовых дрейфующих станций "Северный полюс" за весь период наблюдений, что позволило наиболее корректно оценить тенденции изменений таких важных характеристик климата, как температура воздуха в приледном слое и облачность над Арктическим бассейном;
разработана статистическая модель, позволяющая восстанавливать балл общей облачности за каждый срок по данным о срочной приземной температуре в центральном Арктическом бассейне в зимний период;
в полях приземного давления и температуры воздуха обнаружен ряд устойчивых дальних связей между аномалиями в высоких, умеренных и низких широтах;
- исследованы статистические проявления отрицательной связи
между средней температурой воздуха во внетропических широтах север
ного полушария и характеристиками пространственной неоднородности
поля температуры воздуха;
- с помощью метода перекрестного эмпирического правдоподобия
получены ядерные оценки функции плотности вероятности среднемесяч
ной температуры воздуха и впервые выделены области локальной не
единственности климата в высоких и умеренных широтах северного по
лушария.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В полях приземной температуры воздуха в северном полушарии проявляются устойчивые области повышенной изменчивости, положение которых соответствует максимальным меридиональным градиентам температуры воздуха. Вклад долгопериодных (более 10 лет) составляющих в изменчивость температуры воздуха в умеренных широтах преобладает над океанами, а над континентами наиболее существенен вклад коротюопериодных (менее 10 лет) компонентов. Тенденции в изменении температуры воздуха в отдельных областях северного полушарияразлич-
ны и не являются устойчивыми во времени. В целом в СПО и в северном полушарии в последнее десятилетие наблюдается тенденция к потеплению, особенно ярко выраженная в СПО в летние месяцы.
-
Аномалии приземного давления и температуры воздуха в отдельных районах СПО, умеренных и тропических широт связаны устойчивыми и синхронными дальними связями. Наиболее сильными среди них являются так называемые североатлантические и северотихоокеанские "качели" в поле аномалий давления воздуха и связи между аномалиями над Гренландией, о. Баффиннова Земля и северным побережьем Африки в поле температуры. Отмеченые связи прослеживаются 6 и более месяцев в году и вызваны колебаниями атмосферной циркуляции.
-
Сильная обратная зависимость между аномалиями средней температуры воздуха и характеристиками ее пространственной неоднородности существует во все месяцы, за исключением трех летних, и эта зависимость усиливается при увеличении площади осреднения вплоть до масштабов полушария.
-
Между количеством облачности и приземной температурой воздуха в холодную половину года (октябрь-март) в Арктическом бассейне прослеживается прямая зависимость. Распределения балла общей и нижней облачности подчиняютсяуз распределению. Предложенная в работе статистическая модель позволяет восстанавливать балл облачности по температуре воздуха, сохраняя при этом тип/3 распределения для балла облачности, что невозможно при использовании обычных регрессионных методов.
-
Знак крупной аномалии средней температуры воздухавобластис.ш. и фаза второй гармоники разложения в ряд Фурье распределения аномалий вдоль круга широты в этой зоне в холодную половину года связаны зависимостью, которая позволяет восстанавливать пространственное распределение аномалий по знаку аномалии средней температуры.
-
В отдельных областях северного полушария изменчивость температуры воздуха характеризуется функцией плотности вероятности с двумя и более модами, что свидетельствует о локальной неединственности климата.
-
Предсказуемость межгодовых колебаний среднемесячной температуры воздуха составляет 1-2 года для среднеширотных значений. В отдельных областях предсказуемость повышается до 8-10 лет. Положение этих областей хорошо согласуется с положением зон, где существенен вклад долгопериодных компонентов изменчивости.
Практическое значение полученных результатов связано с выявлением особенностей в изменчивости характеристик климата СПО и ее взаимосвязи с изменчивостью в других областях северного полушария, что может быть использовано для совершенствования методов климатических прогнозов для Арктики. Результаты работы могут быть использованы для параметризации влияния облачности на солнечную радиа-
цию при разработке климатической модели ледяного покрова в Северном Ледовитом океане.
Апробация. Результаты исследования докладывались на семинарах отдела взаимодействия океана и атмосферы; заседаниях секции метеорологии и геофизики Ученого совета ААНИИ; ШВсесоюзной конференции по исследованию роли энергоактивных зон океана в короткопериодных колебаниях климата ( программа "Разрезы"), 28 мая -2 июня 1988 г., Одесса; VI Совещании по применению статистических методов в метеорологии, 14-19 мая 1990 г., Светлогорск; Международной конференции "Динамика океана и атмосферы" , 22-25 ноября 1995 г., Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликованы: 1 монография и 11 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 132 наименования. Общий объем работы составляет 150 страниц, включая 27 рисунков.