Размещено на http://www.allbest.ru/

МОРСЬКИЙ ГIДРОФIЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЕЛИКОМАСШТАБНИХ ПРОЦЕСІВ В СИСТЕМІ ОКЕАН-АТМОСФЕРА ТА ЇХ ВПЛИВИ НА РЕГІОНАЛЬНІ ОСОБЛИВОСТІ КЛІМАТУ УКРАЇНИ

Шокуров Михайло Вікторович

04.00.22 - геофiзика

Севастополь - 2004

Анотація

Шокуров М.В. Дослідження великомасштабних процесів в системі океан-атмосфера та їх вплив на регіональні особливості клімату України. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальнiстю 04.00.22 - геофізика (фізика моря). - Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь, 2004.

У роботі досліджені великомасштабні процеси в системі океан-атмосфера - Північно-Атлантичне коливання, Ель-Ніньо-Південне коливання в Тихому океані, міждесятирічні кліматичні процеси в Атлантиці, що впливають на регіональний клімат України, а також особливості клімату України, що визначаються цими великомасштабними процесами.

У дисертації досліджені взаємозв'язки між різними елементами явища Ель-Нiньо-Південне коливання, зв'язки аномалій температури поверхні з потоками тепла в Атлантичному океані, проаналізована мінливість клімату в Атлантичному океані на міждесятирічних масштабах. Досліджена сезонна нестійкість процесу взаємодії атмосфери та океану за допомогою характеристичних показників Ляпунова, показано, що в Тропічнiй зонi Тихого океану весняна нестійкість пов'язана з розвитком явища Ель-Ніньо.

Досліджена проблема регіоналізації клімату України та Чорного моря з використанням біспектрального аналізу вивчене явище модуляції інтенсивності синоптичних процесів низькочастотними процесами циркуляції атмосфери. Методом канонічного кореляційного аналізу досліджено для території України зв'язок опадів з атмосферною циркуляцією, який зумовлений модуляцією інтенсивності та траєкторій циклонів Північно-Атлантичним коливанням. Проаналізована структура та досліджені механізми формування поля вітру над поверхнею води Чорного моря та його сезонний цикл.

Ключові слова: кліматичні процеси, кластерний аналіз, Ель-Ніньо-Південне коливання, Північно-Атлантичне коливання, локальна нестійкість Ляпунова, біспектральний аналіз, низькочастотні процеси в атмосфері, штучні нейроннi мережі, регіоналiзацiя клімату України.

Аннотация

Шокуров М.В. Исследование крупномасштабных процессов в системе океан-атмосфера и их влияния на региональные особенности климата Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика (физика моря). - Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь, 2004.

В работе исследованы крупномасштабные процессы в системе океан-атмосфера, оказывающие влияние на региональный климат Украины. К таким процессам относятся низкочастотный атмосферный процесс Северо-Атлантическое колебание, Эль-Ниньо-Южное колебание в Тихом океане, десятилетние и междесятилетние процессы изменчивости климата в Атлантическом океане. Исследуются также региональные особенности климата Украины, определяющиеся воздействием этих крупномасштабных процессов. Основная направленность исследования - исследование пространственного распределения и временного поведения различных параметров в системе океан-атмосфера и взаимосвязей между ними, а также выявление физических механизмов этих крупномасштабных процессов.

В диссертации исследованы глобальные климатические процессы на основе анализа массивов данных об атмосфере и океане с использованием специально разработанных новых методов. Описаны методы кластерного анализа в двух модификациях - пространственная и временная классификация, метод эмпирических ортогональных функций и различные его обобщения. Эти методы применяются для анализа взаимосвязи между различными элементами явления Эль-Ниньо-Южное колебание - температурой поверхности океана, атмосферным давлением и скоростью ветра в Тихом океане. С помощью метода кластерного анализа исследованы характерные особенности поведения аномалий температуры поверхности в Мировом океане. Исследованы взаимосвязи между аномалиями температуры поверхности и потоков тепла на поверхности Атлантического океана с использованием методов классификации и взаимного спектрального анализа. Проанализирована изменчивость климата в Атлантическом океане на междесятилетних временных масштабах. С помощью методов кластерного анализа в пространственной и временной области рассмотрены моды климатической изменчивости в Атлантике - субтропическая моды и тропический диполь, а также выделена трансатлантическая моды, связанная с колебаниями интенсивности атлантической ветви межокеанского конвейера.

Исследована сезонная неустойчивость процессов взаимодействия атмосферы и океана. В качестве инструмента исследования используется современный вариант линейного анализа устойчивости - поиск оптимальных возмущений с помощью характеристических показателей Ляпунова. Метод применяется для исследования сезонной неустойчивости аномалий ТПО в тропической и северной областях Тихого океана по экспериментальным данным и интерпретации полученных результатов в связи с динамикой явления Эль-Ниньо. Анализ выполнен для различных регионов Мирового океана, дана физическая интерпретация результатов: для средних широт весенняя неустойчивость аномалий ТПО является следствием развития весной нового перемешанного слоя, имеющего малую тепловую инерцию, и поэтому сильно реагирующего на внешние атмосферные воздействия. Это было показано на примере Средиземного моря с использованием дополнительных данных о температуре воздуха.

С использованием нового для физики атмосферы метода спектрального разложения третьих моментов - биспектрального анализа исследовано взаимодействие между высокочастотными (синоптическими) и низкочастотными процессами глобальной циркуляции атмосферы. Результаты применения метода для анализа поля геопотенциала атмосферной циркуляции позволяют изучить как нелинейное поведение самих синоптических и низкочастотных процессов, так и нелинейное взаимодействие между ними, проявляющееся в модуляции интенсивности синоптических процессов низкочастотными колебаниями.

Изучена проблема регионализации оценок климата Украины и Черного моря. Выполнено статистическое моделирование осадков для территории Украины методом канонического корреляционного анализа. Выделены значимые связи осадков на Украине с атмосферной циркуляцией в Северной Атлантике, обусловленные модуляцией интенсивности и траекторий циклонов Северо-Атлантическим колебанием. Для прогноза температуры поверхности Черного моря по температуре воздуха и скорости ветра используется метод искусственных нейронных сетей. По данным реанализа проанализирована структура поля приводного ветра над Черным морем, и исследованы механизмы ее формирования. Изучены пространственно-временные статистические характеристики поля ветра над Черным морем, и построена модель для синтеза его структуры.

Ключевые слова: климатические процессы, кластерный анализ, Эль-Ниньо - Южное колебание, Северо-Атлантическое колебание, локальная неустойчивость Ляпунова, биспектральный анализ, низкочастотные процессы в атмосфере, искусственные нейронные сети, регионализация климата Украины.

Annotation

Shokurov M.V. Research of large-scale processes in the ocean-atmosphere system and their influences on regional Ukraine climate features. Manuscript.

The Thesis to claim the academic degree of doctor of physical-mathematical sciences on the speciality 04.00.22 geophysics (marine physics). Marine Hydrophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol, 2004.

The large-scale processes in the ocean-atmosphere system are explored - North-Atlantic oscillation, El-Nino-Southern oscillation in Pacific, interdecadal climatic processes in the Atlantic, influencing on regional Ukraine climate, and also Ukraine climate features, determining by these large-scale processes.

The links between the elements of El-Nino-Southern oscillation phenomenon, surface temperature anomalies relations with heat fluxes in the Atlantic ocean, climate variability in the Atlantic ocean on interdecadal scales are explored in the Thesis. The seasonal instability of the atmosphere-ocean interaction process is studied using characteristic Lyapunov exponents. It is shown, that spring instability in the tropical Pacific ocean is related to the growth of El-Nino event.

The phenomenon of the synoptic processes intensity modulation by low-frequency atmospheric circulation processes is studied using bispectral analysis. The method of canonical correlation analysis is used to explore a relation between the precipitation on the Ukraine territory with the atmospheric circulation, conditioned by the intensity and cyclone trajectories modulation by North-Atlantic oscillation. Surface wind field structure in the Black Sea is analysed, its seasonal cycle and generating mechanisms are studied.

Key words: climatic processes, cluster analysis, El-Nino-Southern oscillation, North-Atlantic oscillation, Lyapunov local instability, bispectral analysis, low-frequency atmospheric processes, artificial neural nets, Ukraine climate downscaling.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема зміни клімату Землі внаслідок все зростаючого антропогенного впливу на навколишнє середовище стає останнім часом однією з основних проблем геофізики. Показником цього є формування великої міжнародної кліматичної програми CLIVAR - кліматична мінливість і передбачуваність, реалізація якої почалася в 1998 році і в якій беруть участь наукові організації 63 країн, включаючи Україну. Кінцевою метою цієї програми є прогноз зміни клімату в 21 сторіччі, пов'язаний з антропогенним забрудненням атмосфери Землі. Є намір досягнути цієї мети шляхом спільних скоординованих зусиль, направлених на детальне вивчення природної кліматичної мінливості системи атмосфера-океан-суша, фізичних процесів, відповідальних за виникнення довгоперіодних коливань в кліматичній системі і, саме головне, на чисельне моделювання вірогідних сценаріїв майбутніх змін клімату з використанням чисельних моделей високого рівня. Однак досі залишаються невивченими деякі найважливіші фізичні процеси в системі океан-атмосфера, які повинні адекватно відтворюватися в чисельних реалістичних моделях, такі, наприклад, як відоме явище Ель-Ніньо-Південне коливання (ЕНПК). Крім того, досі чисельні оцінки все ще отримуються в моделях з досить грубим просторовим дозволом (біля 3), тому їх застосування до регіонального масштабу вимагає розробки особливих підходів. Необхідним етапом цієї задачі є діагноз регіонального клімату і змін його основних кількісних показників, так звана регіоналізація клімату.

У дисертації значна частина представлених результатів відноситься до цього напряму кліматичних досліджень. Для України як держави, яка проводить багатоцільові кліматичні та океанографічні дослідження, знання механізмів кліматичної мінливості буде завжди актуальним і вкрай необхідним. Не можна не відмітити тут також одну з характерних і найбільш яскравих особливостей кліматичної мінливості - здатність впливати на різні аспекти господарства і економіки.

З точки зору вивченості проблеми можна відмітити наступне. Передусім за останні 40 років внаслідок інтенсивного дослідження кліматичної системи Світового океану і атмосфери (витрати світової спільноти на ці дослідження поступаються лише витратам на вивчення космосу) накопичений значний експериментальний матеріал. Всі великі міжнародні програми TOGA, WOCE, CLIVAR присвячені цим цілям. Суттєвий внесок в цей напрям дали проекти реаналізу, два американських NCEP/NCAR і NASA і європейський ECMWF. Однак досі не всі особливості кліматичної мінливості вивчені, зрозумілі і описані як емпірично, так і теоретично в достатній мірі. Статистичні методи для виділення основних кліматичних процесів і взаємозв'язків між ними досить добре розвинені. Для більш детального або більш специфічного аналізу постійно розробляються і використовуються з суміжних наукових областей нові методи статистичного, імовірнісного і чисельного динамічного аналізу. Сюди можна віднести метод кластерного аналізу, різні узагальнення багатовимірного лінійного аналізу, нелінійні методи штучних нейронних мереж, методу аналізу нестійкості Ляпунова та інші. Роботи автора дисертації з розробки таких методів аналізу кліматичних даних, а також отримані за їх допомогою результати вивчення проявів і механізмів різних кліматичних процесів і взаємозв'язків між ними знаходяться в руслі сучасних досліджень і становлять їх органічну і невід'ємну частину. Наприклад, представлений в дисертації метод кластерного аналізу раніше рідко використовувався в геофізичній літературі, особливо для дослідження зміни режимів атмосферної циркуляції на синоптичних атмосферних часових масштабах. У дисертації представлене узагальнення цього методу для аналізу локальних процесів і для дослідження міжрічної, міждекадної та інших діапазонів кліматичної мінливості різних параметрів атмосфери і океану.

Значне число досліджень присвячене вивченню низькочастотної мінливості атмосферної циркуляції - одного з основних видів, що формують кліматичну мінливість. Цей розділ динаміки атмосфери в останні 20 років розвивався досить інтенсивно. Отримані в основному внаслідок аналізу експериментальних даних уявлення про фізичний характер і форму низькочастотних процесів привели до побудови різних теоретичних концепцій механізмів низькочастотної мінливості циркуляції атмосфери, до яких відноситься зміна режимів циркуляції тощо. З упевненістю можна сказати, що в зараз дійсні причини і механізми низькочастотної мінливості в реальній атмосфері залишаються, по суті, не відомими.

У зв'язку з цим представлені в дисертації дослідження взаємозв'язку низькочастотних і синоптичних процесів з використанням нового для фізики атмосфери методу біспектрального аналізу дозволяють істотно заповнити пропуски в цій області.

Одним з найважливіших кліматичних процесів, досить добре досліджених як експериментально, так і теоретично, є Ель-Ніньо-Південне коливання (ЕНПК). Особливістю цього явища є синхронізація фази розвитку ЕНПК з річним циклом. Дослідження причини подібної синхронізації, пов'язаної з сезонною нестійкістю розвитку аномалій температури поверхні океану, дозволяє запропонувати пояснення цього складного явища.

Найважливішим сучасним напрямом вивчення клімату є так звана регіоналізація клімату (downscaling). Цей напрям кліматичних досліджень саме останнім часом виділився як окремий. Саме він розвинений в дисертації стосовно території України і Чорного моря і отримані нові результати, пов'язані із залежністю регіональних атмосферних процесів від глобальної циркуляції атмосфери.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів основних наукових досліджень Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України в рамках наступних проектів і науково-дослідних робіт:

Проект НАН України “Дослідження змін клімату в системі океан - атмосфера - літосфера на глобальних і регіональних масштабах”, шифр “Океан - клімат”, № державної реєстрації 0101U001023, виконавець.

Проект Кліматичної програми України “Створення чисельної моделі і використання сучасних методів в дослідженні клімату України в зв'язку з мінливістю системи океан-атмосфера”, №0100U005265, виконавець.

Проект програми Наукові основи нарощування мінерально-сировинної бази України “Розробка дослідної системи прогнозу і контролю вітро-хвильових полів для регіонів газодобичі і нафтодобичі в північно-західній частині Чорного моря”, шифр “Океан - нафта”, №0102U001495, виконавець.

Проект НАН України “Дослідження просторово-часової мінливості гідрофізичних полів і процесів взаємодії в системі океан-атмосфера”, шифр “Океан - атмосфера”, №0196U015534, виконавець.

Проект Національної програми досліджень і використання ресурсів Азово-Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на період до 2000 року “Дослідження океану як енергетичної і динамічної системи глобального рівня з метою прогнозування змін клімату, погоди, навігаційних умов і реалізації морських технологій”, шифр “Середовище”, №0194U035127, виконавець,

Міжнародний проект NATO-Black Sea/TU Waves, виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою представленої дисертації є теоретичні і емпіричні дослідження основних глобальних великомасштабних процесів в атмосфері та океані, що впливають на регіональний клімат України, а саме:

телекомунікації явища ЕНПК і його сезонна нестійкість

низькочастотні (десятирічні) процеси мінливості клімату в Атлантичному океані

низькочастотні процеси атмосферної циркуляції та їх взаємодія з синоптичними процесами

дослідження особливостей регіональних кліматичних процесів.

Для досягнення цієї мети були поставлені та вирішені наступні завдання:

1. Розроблені нові методи аналізу багатовимірних масивів інформації: кластерний аналіз, сінгулярне розкладання просторово-часових полів та їх різні узагальнення.

2. Сформовані, оброблені та проаналізовані глобальні масиви інформації про атмосферу і океан.

3. Досліджений взаємозв'язок динамічних параметрів атмосфери і океану, що формують явище ЕНПК, його глобальні телекомунікації, глобальні характеристики міжрічної мінливості температури поверхні Світового океану за допомогою кластерного аналізу.

4. Вивчений взаємозв'язок змін потоків тепла і аномалій температури поверхні океану в більш широкому діапазоні просторово-часових масштабів від синоптичних до мiждесятирічних.

5. Виділені та вивчені мiждесятирічні моди мінливості параметрів атмосфери і океану в Атлантичному океані

6. Досліджена сезонна нестійкість аномалій ТПО для регіону формування Ель-Ніньо і для усього Світового океану загалом.

7. Вивчені нелінійні ефекти формування високочастотних (синоптичних) і низькочастотних процесів атмосферної циркуляції і взаємодії між ними шляхом застосування методу біспектрального аналізу.

8. Досліджений зв'язок локального опадоутворення для території України з процесами глобальної циркуляції атмосфери.

9. Побудована модель прогнозу температури поверхні Чорного моря з використанням нового перспективного методу нейронних мереж.

10. Досліджені фізичні механізми формування поля вітру над Чорним морем. Розроблений метод статистичного чисельного моделювання поля приводного вітру.

Об'єктом дослідження в даній роботі є глобальна система океан - атмосфера, як система, що визначає природну кліматичну мінливість в широкому діапазоні просторово-часових масштабів, і пов'язані з нею регіональні особливості кліматичної мінливості для регіону України і Чорного моря.

Предметом дослідження дисертації є фізичні механізми, що визначають кліматичну мінливість процесів взаємодії атмосфери і океану, просторово-часові характеристики кліматичної мінливості на масштабах від синоптичних до десятирічних, нелінійні механізми нестійкості явища Ель-Ніньо-Південне коливання і сезонної нестійкості великомасштабних аномалій полів температури в морях і океанах.

Методи дослідження в дисертації можна розділити на три групи. До першої групи відносяться використані в дисертації масиви емпіричних даних, отримані внаслідок багаторічних міжнародних досліджень, такі як COADS (Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set), результати різних проектів реаналізу атмосферної циркуляції, дані метеостанцій, зібрані та систематизовані CRU (Climate Research Unit), дані оперативного аналізу NMC (National Meteorological Center, USA), і багато інших.

До другої групи відносяться нові методи математичного і статистичного аналізу інформації, такі як кластерний аналіз, різні варіанти емпіричних ортогональних функцій, метод дослідження нестійкості Ляпунова, бiспектральний аналіз, канонічний кореляційний аналіз, різні варіанти багатовимірного регресійного аналізу.

До третьої групи методів дослідження можна віднести теоретичні моделі, що використовуються для інтерпретації результатів аналізу. У дисертації для цих цілей використовувалися різні моделі динаміки процесу Ель-Ніньо-Південного коливання і його сезонної нестійкості, моделі низькочастотних десятирічних кліматичних процесів в Атлантиці, теорія атмосферної циркуляції для синоптичних і низькочастотних часових масштабів, теоретичні механізми впливу Північно-Атлантичного коливання на клімат Європейського регіону, моделі механізму мусонної циркуляції над Чорним морем.

Наукова новизна отриманих результатів. Автором дисертації уперше були отримані наступні результати:

Розроблені нові методи автоматичної класифікації просторово-часових масивів даних кластерного аналізу в просторовій і часовій областях. Ці методи застосовані для аналізу кліматичних процесів в глобальній системі океан-атмосфера. Варіанти такого аналізу, які існували раніше зводилися до вивчення режимів синоптичних процесів. У даній роботі метод застосований як для класифікації режимів, так і для класифікації регіонів по наступних параметрах: температурі поверхні океану, тиску, швидкості вітру, температури повітря, потоків тепла на поверхні океану в широкому діапазоні часових масштабів, від синоптичного до міждесятирічного.

Вперше розроблений метод дослідження сезонної нестійкості процесів в системі океан-атмосфера з використанням локальних показників Ляпунова. У даній роботі метод використаний для різних областей Світового океану, включаючи екваторіальну і північну частини Тихого океану, три регіони Атлантичного океану, Середземне море.

Вперше для аналізу взаємодії синоптичних і низькочастотних процесів в циркуляції атмосфери використані метод аналізу нелінійних взаємодій, заснований на спектральному розкладанні третіх моментів, та біспектральний аналіз. Аналогічні дослідження раніше іншими авторами не виконувалися.

Абсолютно новим напрямом кліматичних досліджень є регіоналізація клімату. Подібні методи зараз розробляються і почали активно використовуватися в різних країнах. Методи статистичної регіоналізації клімату стали застосовуватися тільки останнім часом, коли з'явилися надійні дані про глобальну циркуляцію атмосфери внаслідок виконання міжнародних проектів реаналізу. В дисертації уперше зроблено застосування деяких нових методів регіоналiзації клімату для території України і Чорного моря.

Автором дисертації уперше досліджені механізми формування структури поля вітру над Чорним морем, його статистика і запропонована чисельна модель його синтезу на основі дослідження просторово-часової структури поля вітру над акваторією Чорного моря і створення імовірно-статистичної моделі поля вітру (погодного генератора). Це стало можливим лише останнім часом після виконання міжнародних проектів реаналізу атмосферної циркуляції і формування доступних баз даних.

Наукове значення роботи. Наукове значення проведеного дослідження для подальшого розвитку як океанографії взагалі, так і кліматичного напряму зокрема, визначається наступним.

Глобальність процесу Ель-Ніньо-Південне коливання стала розглядатися в літературі тільки останнім часом. Представлені в дисертації дослідження телекомунікацій ЕНПК методом кластерного аналізу були в 1995 р. піонерськими. Весняна нестійкість аномалій ТПО в процесі розвитку явища Ель-Ніньо в цей час визнана, хоч питання про її фізичний механізм залишається відкритим. Відомі чисельні моделі дають різні механізми нестійкості. У дисертації представлені результати, що уперше продемонстрували цю нестійкість ЕНПК на основі спеціального аналізу тільки натурних даних. Зв'язок нестійкості з бар'єром завбачення також був заявлений в статтях автора. Виявлені в інших регіонах Світового океану явища нестійкості аномалій ТПО частково інтерпретовані, в основному ж повинні розглядатися як предмет майбутніх досліджень.

Метод біспектрального аналізу дозволяє виділяти і аналізувати прояви нелінійності процесів, а також взаємодії між процесами різних часових масштабів. У деяких галузях науки, наприклад при дослідженнях вітрових хвиль, цей метод виявився надзвичайно корисним. У дисертації біспектральний аналіз уперше застосований до досліджень процесів атмосферної циркуляції. Результати аналізу підтвердили відомі факти, пов'язані з нелінійністю синоптичних збурень, освітили з нової сторони погано вивчене досі складне явище модуляції інтенсивності синоптичних процесів низькочастотними коливаннями. Крім цього, було виявлено абсолютно нове явище часової асиметрії низькочастотних коливань атмосферної циркуляції, відмінності процесів встановлення і розпаду великомасштабних довгоперіодних аномалій. Взаємодія низьких і високих частот, і навіть сама природа низькочастотних коливань в атмосфері є насущними і досі не вирішеними проблемами динаміки атмосфери. Отримані результати є черговим етапом розв'язання проблеми.

Наукове значення мають також нові результати, отримані при дослідженні взаємодії низькочастотних і синоптичних атмосферних процесів. Крім того, що вони є новими і розширюють знання про нелінійні взаємодії, вони важливі також для розвитку загальної теорії циркуляції атмосфери.

Практичне значення отриманих результатів. Матеріали дисертації поглиблюють знання і уточнюють наявні уявлення. Виявлені взаємозв'язки дозволять дати більш повний і точний прогноз клімату в таких важливих в практичному відношенні галузях народного господарства, як рибопромислова, геологорозвідувальна та нафто- і газопромислова.

Розроблені та представлені в дисертації методи, моделі, а також результати, отримані на їх основі, використовувалися у провідному океанографічному центрі СНД - Морському гідрофізичному інституті НАН України. Теоретичні моделі успішно використовувалися для аналізу та інтерпретації даних. Результати досліджень автора включені в національні та міжнародні звіти по різних проектах, а також опубліковані у провідних періодичних українських, російських і центральних закордонних виданнях, що рецензуються.

Розроблені теоретичні моделі, а також отримані на їх основі результати можуть бути використані кліматичними організаціями України, які проводять натурні дослідження в Світовому океані. Результати роботи будуть використовуватися при реалізації Національної кліматичної програми України, яка зараз розробляється.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем зроблені розробка нових методів статистичного аналізу, виконання розрахунків для всіх процесів кліматичної мінливості, що розглядаються в дисертації, аналіз і узагальнення отриманих теоретичних і експериментальних даних. Автором сформульовані основні наукові положення та висновки, що увійшли в дисертацію.

У спільних роботах на етапах постановки і формулювання задач, аналізу теоретичної і експериментальної інформації, формулювання теоретичних висновків автор брав паритетну участь. Частина наукових результатів, що ввійшли в дисертацію, опублікована в співавторстві з В.В. Єфімовим, О.В.Прусовим, В.С.Барабановим, які на різних етапах роботи брали участь в їх виконанні. Всім колегам автор висловлює глибоку вдячність за співпрацю.

У роботах, опублікованих з співавторами, конкретний внесок здобувача полягав в наступному:

- в роботах [1,2,3,7,8,27] постановка наукових задач, розробка і адаптація методу кластерного аналізу і його модифікацій, безпосередні розрахунки, аналіз і інтерпретація результатів;

- в роботах [4,5,6,18,19] формулювання задачі дослідження сезонної нестійкості, застосування методу аналізу нестійкості Ляпунова для дослідження сезонної нестійкості аномалій ТПО в різних регіонах Світового океану, аналіз і інтерпретація результатів;

- в роботах [9,13] застосування нової ідеї використання методу біспектрального аналізу для дослідження взаємодії синоптичних і низькочастотних процесів атмосферної циркуляції, виконання розрахунків для різних масивів даних, регіонів, сезонів і частотних діапазонів, інтерпретація отриманих результатів і порівняння з відомими результатами, отриманими іншими методами, явне формулювання нових отриманих ефектів;

- в роботах [10,11,12,14,15,16,17,20,21,22,23,24,25,26,28] пошук і постановка важливих невирішених задач регіоналізації клімату регіону України і Чорного моря, використання сучасних методів канонічного кореляційного аналізу, штучних нейронних мереж, статистичних моделей для побудови генератора вітру, детальний аналіз і інтерпретація всіх отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, представлені в дисертації, неодноразово докладалися на семінарах і вчених радах Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України, на семінарах в Інституті фізики атмосфери і Інституті обчислювальної математики Російської академії наук, а також на наступних українських, російських і міжнародних конференціях і робочих групах:

International Scientific conference on the TOGA Programme, 2-7 April 1995, Melbourne, Australia.

5- th Workshop of the NATO TU-Waves/Black Sea Project, 1996.

6- th Workshop of the NATO TU-Waves/Black Sea Project, 1997.

International Conference 'The Eastern Mediterranean as а Laboratory Basin for the Assessment of Contrasting Ecosystems', Kiev, Ukraine, April, 1998.

French-Russian A.M.Liapunov Institute MSU, INRIA, France, 1998.

International MEDCOAST Conference on Wind and Wave Climate of Mediterranean and Black Sea, WIND&WAVE CLIMATE '99, March 30-April 2, 1999, Antalya, Turkey.

Міжнародна конференція, присвячена 75-річчю академіка Г. І.Марчука і 20-річчю Інституту обчислювальної математики, 19-22 червня 2000, Москва, ІОМ РАН.

IGARSS conference, Honolulu, Hawaii, 23-28 July 2000.

Третя всеросійська конференція “Фізичні проблеми екології”, Фізичний факультет Московського державного університету, травень 2001.

2. Основний зміст роботи

У вступі обговорюються актуальність і сучасний стан дослідження кліматичних процесів, формулюються мета і задачі дисертації, показаний зв'язок роботи з науковими програмами і проектами Морського гідрофізичного інституту НАН України, викладені методи дослідження і наукова новизна отриманих результатів, положень і висновків, їх обгрунтованість і достовірність, описані наукове і практичне значення роботи, її апробація, обсяг публікацій і структура роботи.

Перший розділ дисертації присвячений дослідженню великомасштабних глобальних кліматичних процесів в системі океан-атмосфера з використанням методу кластерного аналізу.

У параграфі 1.2 описані методи кластерного аналізу в двох модифікаціях: просторова і часова класифікація, і виконане порівняння кластерного аналізу з іншим більш відомим підходом - методом емпіричних ортогональних функцій.

Для виявлення і виділення просторових і часових структур в полях гiдрометеорологiчних параметрів часто використовується добре відомий метеорологам і океанографам метод головних компонент або емпіричних ортогональних функцій (ЕОФ). Він допускає представлення поля f(r,t) у вигляді

f(r,t)=_ia_i(r)b_i(t),

тобто у вигляді розкладання по ортонормальних наборах емпіричних ортогональних функцій a_i(r) і головних компонент b_i(t) з коефіцієнтами _i, де t - час, r - просторові координати. Коефіцієнти _i і функції a_i(r) і b_i(t) є власними значеннями і векторами коваріаційних матриць f(r,t)f(r,t) і f(r,t)f(r,t), побудованих з початкового поля f(r,t). Метод ЕОФ оптимально описує саме ті просторово-часові структури, які присутні в даному полі.

Альтернативою цьому методу є кластерний аналіз або класифікація. Задача класифікації складається в розбитті безлічі N об'єктів x_iR^M, i=1,…,N на деяке число K класів, що складаються з “схожих” об'єктів, і побудови для кожного класу зразкового об'єкта, центра класу z_kR^M. Центри повинні адекватно представляти свої класи, тобто бути більш схожими на об'єкти з свого класу, ніж на об'єкти з будь-якого іншого класу. Тоді задача класифікації полягає в мінімізації наступного функціонала

L(z₁,…,z_K)= min¦z_kx_i¦²

z_k=

Пошук мінімуму цього функціонала може бути ітераційною процедурою, докладний опис якої наводиться в тексті дисертації. Як об'єкти кластерного аналізу можна вибрати карти аномалій гідрометеорологічних параметрів в різні моменти часу, що відповідає часовій класифікації. Альтернативний варіант - класифікація часових рядів аномалій в різних точках простору, так звана просторова класифікація.

У параграфі 1.3 ці методи застосовуються для аналізу взаємозв'язку між різними елементами явища Ель-Ніньо-Південне коливання - температурою поверхні океану, атмосферним тиском і швидкістю вітру в Тихому океані з використанням даних масиву COADS. Нижче приведені отримані результати та їх інтерпретація.

Просторова класифікація поля тиску на два класи виділяє Південне коливання з противофазними змінами аномалій тиску в західній і східній частинах Тихого океану. Аналогічне розбиття поля ТПО на чотири класи виділяє глобальну тропічну моду ТПО, що займає тропічні області всіх трьох океанів. У Тихому океані ця мода є виявом Ель-Ніньо, і тому її часова поведінка практично співпадає з часовим рядом Південного коливання. Глобальна тропічна мода температури - дуже важливе явище, яке в цей час загальновизнане, хоч фізичні механізми зв'язку температури Атлантичного та Індійського океанів з температурою тропічного Тихого океану достовірно невідомі. Судячи по синхронності аномалій ТПО у всіх трьох океанах і віддаленості тропічної Атлантики та Індійського океану від Тихого, цей зв'язок є глобальним процесом в системі атмосфера-океан.

Просторова класифікація аномалій тиску ТПО і швидкості вітру на послідовно більше число класів дозволяє прослідити деталізацію телекомунікацій в системі океан-атмосфера. Деякі з них до теперішнього часу є вже досить відомими. Це різні елементи Південного коливання, осередку Уолкера в Тихому океані, осередку Гадлея, елементи мод низькочастотної мінливості атмосферної мінливості в середніх широтах Північної півкулі - Північно-Атлантичного коливання і Тихоокеансько-Північноамериканської моди. Для Тихого океану наступні особливості типові для теплої (холодної) фази ЕНПК: 1) ослаблення (посилення) пасатів в центральній частині Тихого океану. 2) інтенсифікація (ослаблення) екваторіальної конвергенції швидкості вітру, що є найбільш важливою ланкою тропічного осередку Гадлея, 3) дипольна мода тиску Південного коливання, яка супроводжується також ослабленням (інтенсифікацією) субтропічного антициклону. 4) дипольна структура аномалій зональної швидкості в середніх широтах Тихого океану, що відображає вплив ЕНПК на Тихоокеансько-Північноамериканську моду, 5) типова структура аномалій ТПО - поширення теплих (холодних) вод вздовж екватора, що супроводиться підковоподібною областю похолодання (потепління) в західній екваторіальній області і в північних і південних субтропіках Тихого океану.

Часова класифікація карт аномалій відтворює режими, в яких перебуває система океан-атмосфера, і переходи між ними. При розбитті полів аномалій ТПО, тиску і вітру в Тихому океані на шість класів виділені режими, відповідні зрілим подіям Ель-Ніньо і Ла-Нінья, їх деяким модифікаціям (відтінкам) і перехідні стадії.

Результати класифікації аномалій тиску, ТПО і вітру показують, що явище ЕНПК не обмежене приекваторіальним регіоном Тихого океану, а є глобальним коливальним процесом, що охоплює великі області Світового океану і атмосфери.

У параграфі 1.4 досліджені взаємозв'язки між аномаліями температури поверхні і потоків тепла на поверхні Атлантичного океану з використанням методів класифікації і взаємного спектрального аналізу в широкому діапазоні масштабів. Розглянуті три різних часових діапазони внутрішньорічний, міжрічний і десятирічний.

Для внутрішньорічної мінливості результати просторової класифікації аномалій ТПО і теплового балансу поверхні дають практично ідентичні результати, що свідчить про їх тісний взаємозв'язок, що перебуває в прямому локальному збудженні аномалій ТПО внутрішньорічними аномаліями теплового балансу, що добре описується відомою моделлю Хассельмана.

Аналогічна класифікація аномалій міжрічного діапазону показує, що класи ТПО і теплового балансу мають помітні відмінності. З зростанням часового масштабу від внутрішньорічного до міжрічного зв'язок балансу з температурою поступово зникає, що пов'язано з порушенням локальності процесів генерації аномалій ТПО аномаліями балансу, вплив адвекції тепла з сусідніх областей океану стає істотним.

Нарешті, для десятирічних часових масштабів кластери температури і теплового балансу абсолютно не пов'язані один з одним. Дано пояснення цьому ефекту, яке полягає в тому, що на цих масштабах аномалії ТПО генеруються всією сукупністю процесів в океані, а внесок аномалії потоку тепла в локальну зміну ТПО стає зневажливо малим в порівнянні з адвекцією аномалій тепла всією системою течій з сусідніх областей океану.

У параграфі 1.5 проаналізована мінливість клімату в Атлантичному океані на міждесятирічних часових масштабах. Був використаний метод кластерного аналізу в двох модифікаціях - просторова і часова класифікація, які застосовувалися до полів тиску температури поверхні океану і швидкості вітру в Атлантичному океані.

Результатом класифікації карт аномалій температури, тиску і вітру на два класи стало виразне виділення двох режимів Атлантичного океану, “теплий” океан в 1946-1966 р.р. і “холодний” океан в 1967-1987 р.р. Характерні риси стану океану в теплий період полягають в наступному (для холодного періоду особливості мають протилежний знак):

- Позитивна аномалія температури покриває майже всю Північну Атлантику з максимальною амплітудою навколо Ісландії і в Лабрадорському морі, великими позитивними значеннями вздовж північного кордону субтропічного кругообігу, в Середземному морі, і в невеликій області біля північного побережжя Південної Америки, де локалізоване кросекваторіальне перенесення тепла в Атлантичному океані, пов'язане з направленою на північ прикордонною течією.

- Позитивній аномалії ТПО в Північній півкулі відповідає негативна аномалія в Південній.

- Поле аномалій швидкості вітру знаходиться в геострофічному балансі з полем аномалій тиску, яке має вигляд диполя, схожого на диполь Північно-Атлантичного коливання. Позитивній аномалії вітру в субтропіках в “теплий” період відповідає позитивна аномалія ТПО, що свідчить про нелокальність зв'язку аномалій ТПО з атмосферним впливом.

Такого роду зв'язок між вітром і ТПО, що виявляється для більш короткоперіодних коливань на масштабах від синоптичних до міжрічних, виникає як наслідок прямого впливу турбулентних потоків явного і прихованого тепла на аномалії ТПО. Для десятирічних масштабів цей механізм не є визначним і аномалії ТПО виникають внаслідок зміни глобальної циркуляції океану.

Класифікація карт на більше число класів дає більш докладне уявлення про перехідні стани трансатлантичної моди. Для часової фільтрації, що використовувалася, число мір свободи невелике (біля семи), тому класифікація на таке ж число класів відповідала всім станам системи за період, що розглядається. Такого роду результати можуть виявитися корисними при докладному аналізі взаємного впливу локальних мод десятирічної мінливості за період, що розглядається з детальним урахуванням всіх механізмів.

Результати просторової класифікації полів тиску на чотири класи і ТПО на шість класів представлені в наступному. Окремий кластер утворюють три далеко рознесених області - область глибокої конвекції в Гренландському морі, Середземне море і область вихороутворення біля Південної Америки. Це дуже цікаве явище. У цей час механізми подібних телекомунікацій мало вивчені і є предметом чисельних експериментів з використанням моделей глобальної атмосферної циркуляції. Наступні два противофазних кластери утворюють в сумі відому моду субтропічного кругообігу. У полі тиску їй також відповідають два противофазних кластери. Нарешті, третя мода описує відомий тропічний диполь, північним центром якого є північна частина кластера з субтропічної моди, а південним центром - вся область південніше термічного екватора. Окремий кластер утворюють Норвезьке і Північне моря. Ще один окремий кластер утворюється в шельфовій області між Гольфстрімом і побережжям Північної Америки. У зрілі фази потепління і похолодання він знаходиться в протифазі з першим.

Отримані результати класифікації дозволили запропонувати наступний якісний послідовний ланцюг фізичних процесів. Добре відомо, що область глибокої конвекції в Північній Атлантиці є важливою ланкою глобальної міжокеанської термохалинної циркуляції, так званого “конвеєра”. Атлантична гілка конвеєра в загальних рисах складається з направленого на північ перенесення маси в поверхневому шарі океану і зустрічному масопереносі на великих глибинах. Поверхневе перенесення здійснюється Ангольською, пасатними, Гвіанською, Гольфстрімом і Північно-Атлантичною течіями. Дипольний характер аномалій ТПО в Атлантиці з різними знаками в Північній і Південній півкулі можна тоді пояснити таким чином. Посилення інтенсивності конвеєра приводить до збільшення перенесення тепла у верхньому шарі від екватора до північного полюса, і, навпаки, до зменшення від південного полюса до екватора. При цьому виникаюча аномалія ТПО по знаку буде позитивною в Північній і негативною в Південній Атлантиці, а по величині прямо пропорційною середньокліматичному меридіональному градієнту ТПО: T=vdT/dy , де Т аномалія ТПО, (v - аномалія меридіональної компоненти швидкості поверхневої течії, - характерний час релаксації аномалії ТПО, dT/dy - меридіональний градієнт ТПО. Слідуючи цьому уявленню, “теплі” і “холодні” періоди ТПО для Північної Атлантики можуть бути безпосередньо пов'язані з підвищеною і зниженою накачкою теплої води з екваторіальної Атлантики.

У другому розділі представлені результати дослідження сезонної нестійкості процесів взаємодії атмосфери і океану - одного з найважливіших механізмів збудження внутрішньосезонних аномалій в океанах. Як інструмент дослідження використовується сучасний варіант лінійного аналізу стійкості - пошук оптимальних збурень за допомогою характеристичних показників Ляпунова. Метод застосовується для дослідження сезонної нестійкості аномалій ТПО в різних регіонах Світового океану і в Середземному морі.

Великомасштабні нерегулярні зміни температури поверхні Світового океану є найважливішим елементом мінливості системи океан-атмосфера. Вони визначають довготривалі аномалії погоди в окремих районах Земної кулі. Хоч процеси, які беруть участь в формуванні температури поверхні океану, добре відомі - це турбулентні потоки явного і прихованого тепла, потоки сонячного і інфрачервоного випромінювання через поверхню океану, турбулентне перемішування у верхньому квазiоднорідному шарі й адвективне перенесення тепла течіями, але мінливість ТПО в реальному океані навіть в сучасних чисельних моделях високого дозволу виявляється дуже складною, багатосторонньою і багатомасштабною і загалом мало вивченою. Існує велика різноманітність типів мінливості, які необхідно виділити і запропонувати для них адекватні фізичні механізми.

Одним з найбільш важливих великомасштабних процесів в системі океан-атмосфера є Ель-Ніньо-Південне коливання. Однак зараз проблема довгострокового прогнозу ЕНПК не вирішена, що багато в чому пов'язано з існуванням так званого “бар'єра завбачення”. Весна виявляється специфічним часовим бар'єром, що зменшує кореляцію між попередніми і подальшими станами системи океан-атмосфера. Причиною існування бар'єра завбачення є сезонна нестiйкiсть динамічної системи ЕНПК. Кожна подія Ель-Ніньо починає своє зростання з практично непомітного збурення в квітні-травні, швидко зростає і досягає максимуму до січня наступного року. Швидке весняне зростання малих збурень ТПО Ель-Ніньо або іншими словами сезонна нестійкість є предметом дослідження даного розділу. У інших регіонах Світового океану сезонна нестійкість не пов'язана з бар'єром завбачення ЕНПК і вимагає окремої інтерпретації. Тому метою даного розділу є дослідження лінійної нестійкості великомасштабних аномалій ТПО в різних регіонах Світового океану та інтерпретація отриманих результатів.

У параграфі 2.2 приведені визначення показників і векторів Ляпунова, що кількісно описують оптимальне зростання збурень. Класичне визначення характеристичних показників нестійкості Ляпунова для детермінованої динамічної системи, що описується звичайним диференціальним рівнянням:

dx/dt=F(x), x=(x₁,…x_n)

Розглядається довільне приватне рішення цього рівняння, траєкторія x₀(t), і визначається поведінка близьких до неї траєкторій х(t). Для цього рівняння відносно малих відхилень ==xx₀ записується:

d/dt=B

де B_ij=F_i /x_j матриця Якобі відображення F(х) на траєкторії x₀(t). Інтегрування лінійного рівняння за часом від t до t+ дає рішення

(t+)=A(t,)(t)

Матриця А(t, ) визначає лінійне відображення стану линеарiзованої системи в момент часу t в стан в момент часу t+, тобто еволюцію системи за цей проміжок часу. Для аналізу нестійкості розглядаються спектри наступних двох матриць AA^T i A^TA, де ^Т означає транспонування,

A^TA_s=²_ss, AA^T_s=²_ss

У процесі еволюції за час від t до t+ мала сфера радіуса з центром в x₀(t) витягується в еліпсоїд з центром в точці x₀(t+) з головними осями _s, направленими вздовж _s. При цьому ортогональні власні вектори _s, звані локальними векторами Ляпунова, еволюціонують в ортогональні вектори _ss . Величини _s, звані коефіцієнтами Ляпунова, є коефіцієнтами стиснення-розтягнення у відповідних напрямах, а величини _s=1/ ln_s називаються локальними, для кінцевого проміжку часу, показниками Ляпунова. Вказана процедура була застосована в дещо модифікованому варіанті до аналізу даних про ТПО в різних регіонах Світового океану. Модифікація полягала в тому, що для оцінювання матриці А використовувалися не аналітичні або чисельні рішення рівнянь, а самі натурні дані.

У параграфі 2.3 наводяться результати обчислення параметрів нестійкості в екваторіальній і північній областях Тихого океану, обговорюється їх зв'язок з сезонною модуляцією нестійкості явища Ель-Ніньо і з існуванням бар'єра завбачення. Для тропічної області максимальна нестійкість спостерігається весною ₁³=1.27, ₁⁴=1.25. Аналіз найбільш нестійкого власного вектора ^t₁ дає сценарій розвитку нестійких аномалій ТПО протягом року. У березні весняна нестійкість аномалій ТПО має вигляд прибережного апвелінгу, що розповсюджується до квітня на екваторіальну область. Розвиток найбільш нестійких місячних збурень в березні-квітні добре корелює з ЕНПК: найбільш теплі та холодні події ЕНПК співпадають з максимальною швидкістю зростання аномалій весною.

Для північної області максимальна нестійкість також має місце весною, але вона не пов'язана з ЕНПК, а визначається формуванням в цей сезон нового тонкого перемішаного шару.

У параграфі 2.4 вивчається сезонна нестійкість великомасштабних аномалій температури поверхні океану в трьох регіонах Атлантичного океану. Нестійкість аномалій ТПО тут не залежить від ЕНПК і пов'язана з іншими фізичними механізмами. У тропіках максимуми дисперсії аномалій ТПО знаходяться в області Канарського апвелінгу і так званого язика холодних вод, об'єднуючого прибережний і екваторіальний апвелінги. У помірних широтах велика дисперсія аномалій зосереджена в області Гольфстріму та у внутрішніх морях - Середземному і Чорному. Перерозподіл дисперсії протягом сезонного циклу для кожного з цих районів має наступні особливості:

- дисперсія в області Канарського апвелінгу починає рости в листопаді, досягає максимуму в квітні-травні, швидко зменшується в липні і мінімальна в подальші чотири місяці.

- дисперсія в області екваторіального апвелінгу мала з січня по квітень, в травні починає сильно рости, досягає максимуму в червні-липні, потім поступово зменшується.

- дисперсія в області ангольского апвелінгу має два максимуми - сильний в травні-червні, який випереджає на місяць максимум екваторіального апвелінгу, і другий більш слабий в листопаді-грудні.

- в помірних широтах загалом дисперсія аномалій мала зимою з грудня по квітень, починає рости в травні, максимальна літом в червні-серпні і поступово затухає восени.

- дисперсія аномалій в області Гольфстріму протягом року практично не міняється, але влітку збільшується дисперсія в області продовження Гольфстріму разом із загальним збільшенням дисперсії в середніх широтах.

- східні внутрішні моря мають ті ж особливості, що і середні широти загалом, але Середземне море крім червневого має ще один максимум в жовтні.

- західна частина субтропічного кругообігу має мінімальну по всій Атлантиці дисперсію аномалій ТПО і практично не міняється протягом року.

- Мексиканська затока має досить сильний сезонний хід дисперсії аномалій з максимумом в лютому-березні і мінімумом в червні-липні, випереджаючи, таким чином, на два-три місяці Канарський апвелінг.

У екваторіальній області дисперсія аномалій ТПО мінімальна в лютому і максимальна в липні. У субтропічній області дисперсія аномалій ТПО мінімальна у вересні і максимальна в березні. У середньоширотній області дисперсія аномалій ТПО міняється трохи від мінімальної в січні до максимальної в червні.

У екваторіальній області коефіцієнти Ляпунова ^t_s в березні - квітні рівні ³₁=1.18, ⁴₁=1.33 і до травня розвивається сильна нестійкість екваторіального апвелінгу ⁵₁=1.59. Пізньою осінню в жовтні-листопаді розвивається нестійкість ангольського апвелінгу ¹⁰₁=1.26, ¹¹₁=1.26.

У субтропічній області великі зимові значення ¹¹₁=1.86, ¹₁=1.49, ²₁=1.40, пов'язані з розвитком Канарського апвелінгу. У травні велике значення ⁵₁=1.62.

У середньоширотній області загалом зростання мод більш слабе, ніж на екваторі та в субтропіках. Коефіцієнти нестійкості значуще перевищують 1 зимою-весною ¹₁=1.20, ²₁=1.24, ⁴₁=1.34, в липні ⁷₁=1.57, і восени ¹⁰₁=1.38, ¹¹₁=1.42.