Особливості циркуляційних процесів в тропосфері західного сектора Південної півкулі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний екологічний університет

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія

Особливості циркуляційних процесів в тропосфері західного сектора Південної півкулі

Галич Єлизавета Анатоліївна

Одеса 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Школьний Євген Павлович, Одеський державний екологічний університет, професор кафедри фізики атмосфери та кліматології.

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, доцент, Хохлов Валерій Миколайович, Одеський державний екологічний університет, професор кафедри теоретичної метеорології та метеорологічних прогнозів,

кандидат географічних наук, доцент, Остапчук Валентина Володимирівна, Ніжинський державний університет, доцент кафедри географії.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Вольвач О.В.

Анотація

південний півкуля геопотенціальний

Галич Є.А. Особливості циркуляційних процесів у тропосфері західного сектора Південної півкулі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.09 - метеорологія, кліматологія, агрометеорологія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2009.

Дослідження особливостей великомасштабних циркуляційних атмосферних процесів в західному секторі Південної півкулі здійснювалось на основі великої сукупності полів геопотенціальних висот ізобаричних поверхонь 925, 850, 500 і 200 гПа, у вузлах регулярної сітки точок 2.5° на 2.5°, в секторі, обмеженому по широті від Південного полюса до 20° півд.ш. і меридіанами від 120° зах.д. до 30° сх.д., за період 1958-2002 рр. На основі матриць коваріацій був проведений компонентний аналіз, який дозволяє виявити важливі особливості структури і динаміки великомасштабних атмосферних процесів. Оскільки дисперсії перших трьох ортогональних компонент вичерпують найбільшу частку від сумарної дисперсії полів (більше 70%), то відповідні їм ортогональні компоненти характеризують основні особливості найбільш великомасштабних циркуляційних процесів. Перша ортогональна компонента відноситься до найбільш великомасштабної складової загальної циркуляції атмосфери - західно-східного переносу. Значний інтерес становить друга головна компонента.

Відповідні їй поля других власних векторів у всі місяці року мають вигляд біполярної осциляції, що характеризує зв'язок між циркуляційними атмосферними процесами над південними акваторіями Тихого і Атлантичного океанів. Вона одержала назву Південно-Тихоокеансько-Атлантичне зональне коливання (ПТОАЗК). Розглянуті статистичні взаємозв'язки між глобальними кліматоутворювальними осциляціями в атмосферних процесах (ЕНПК, ПАК, ПТОАК та ПКК) і їх зв'язки з параметрами, що характеризують циркуляційний режим західного сектора Південної півкулі. Одержані за багаторічними даними статистичні взаємозв'язки між чинниками, що характеризують циркуляційні процеси в Північній і Південній півкулях, становлять великий інтерес. Вони відображають той факт, що загальна циркуляція атмосфери визначається великомасштабними атмосферними процесами, які формуються в обох півкулях і впливають один на одного.

Ключові слова: циркуляція, атмосфера, геопотенціальна висота, поле, осциляція, періодичність, тренд.

Аннотация

Галич Е.А. Особенности циркуляционных процессов в тропосфере западного сектора Южного полушария. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2009.

Исследование особенностей крупномасштабных циркуляционных атмосферных процессов в западном секторе Южного полушария осуществлялось на основе большой совокупности полей геопотенциальных высот изобарических поверхностей 925, 850, 500 и 200 гПа, в узлах регулярной сетки точек 2.5° на 2.5°, в секторе, ограниченном по широте от Южного полюса до 20° ю.ш. и меридианами от 120° з.д. до 30° в.д., за период 1958-2002 гг. Аппаратом исследования послужили методы многомерного статистического анализа. Были определены особенности статистической структуры геопотенциальных высот, которые включают структуру средних полей, полей изменчивости и полей пространственных корреляций. Также путем решения полной проблемы собственных значений для матриц ковариаций были получены собственные значения и соответствующие собственные векторы. Анализ полей вторых собственных векторов дал возможность установить наличие в регионе исследований биполярной зональной осцилляции крупномасштабных атмосферных процессов - Южно - Тихоокеанско - Атлантическое зональное колебание (ЮТОАЗК).

Полученные временные ряды ортогональных компонент, дисперсии которых исчерпывают более 70% суммарной дисперсии, являются главными компонентами. Временные ряды этих главных компонент содержат в себе информацию о динамике наиболее крупномасштабных процессов. Их спектральный анализ показал, что первая главная компонента АТ-850 содержит четырёхлетнюю, квазидвухлетнюю, годовую и сезонные периодичности. Временной ряд второй главной компоненты содержит двухлетнее, годовое, полугодовое и сезонные колебания. В спектре третьей компоненты выявлены трёхлетняя, двухлетняя, годовая, полугодовая и сезонные периодичности.

Анализ амплитудно-частотных характеристик показал, что во временном ряду первой главной компоненты изобарической поверхности АТ-850, содержатся 11-ти, четырёх и двухлетняя, а также годовая и сезонные периодичности. Во временном ряду второй главной компоненты выявлены трёхлетняя, двухлетняя, а также годовая, полугодовая и сезонные периодичности. В амплитудно-частотной характеристике третьей главной компоненты изобарической поверхности АТ-850, проявляется годовое, полугодовое и сезонные колебания. Во временных рядах главных компонент изобарической поверхности АТ-500 также были выявлены скрытые периодичности: в первой главной компоненте содержатся полуторагодовые, квазигодовые, полугодовые и сезонные периодичности. Во временном ряду второй главной компоненты определены четырёхлетнее, двухлетнее, годовое, полугодовое и сезонные колебания.

С целью выявления во временных рядах главных компонент длиннопериодных колебаний и трендов проведено их сглаживание. Сглаженный временной ряд первой главной компоненты поверхности АТ-850 содержит десятилетние, пятилетние и четырёхлетние периодичности. Интересно, что, начиная с 1982 года, происходят значительные перестройки крупномасштабного циркуляционного процесса - западно-восточного переноса - резко увеличивается размах колебаний значений первой компоненты. В сглаженном временном ряду второй главной компоненты изобарической поверхности АТ-850, которая является показателем динамики ЮТОАЗК, содержатся 8-10 - летние периодичности, на которые накладываются 5-6 - летние колебания. Начиная с 1980 года, хорошо выражен тренд уменьшения интенсивности колебаний, что свидетельствует об усилении интенсивности процессов циклогенеза над южными частями Тихого и Атлантического океанов (ЮТОАЗК). Во временном ряду первой главной компоненты полей изобарической поверхности АТ-500 также отчетливо проявляются 8-10 - летние периодичности, на которые накладываются 4-5 - летние. Сглаженный временной ряд второй главной компоненты поверхности АТ-500 содержит колебания с периодами 4-5 лет. В нем хорошо проявляются два линейных тренда, которые характеризуются резким уменьшением значений этой компоненты.

Для периодов, которые относятся к указанным трендам, проведена фильтрация исходных полей геопотенциальных высот путём обратного преобразования главных компонент в базисе собственных векторов. Эти численные эксперименты подтвердили тот факт, что временные ряды первых двух главных компонент действительно несут в себе информацию о наиболее интенсивных и значительных крупномасштабных циркуляционных процессах. Фильтрованные поля геопотенциальных высот свидетельствуют о том, что отрицательным трендам значений второй главной компоненты соответствует значительное усиление циклонической активности в рассматриваемом секторе Южного полушария. Рассмотрены статистические взаимосвязи между глобальными климатообразующими осцилляциями в атмосферных процессах (ЭНЮК, САК, СТОАК и СКК) и их связи с параметрами, которые характеризуют циркуляционный режим западного сектора Южного полушария.

Ключевые слова: циркуляция, атмосфера, геопотенциальная высота, поле, осцилляция, периодичность, тренд.

Annotation

Galich E.A. Features circulation processes in troposphere of the western sector of the Southern hemisphere. - Manuscript.

The thesis to claim the academic degree of candidate of geographical sciences on the speciality 11.00.09 - meteorology, climatology, agrometeorology. - The Odessa State Environmental University, Odessa, 2009.

The thesis is devoted features of statistical structure in the flow patterns for isobaric surface of AT-925, AT-850, AT-500 and AT-200 of hPa. ERA - 40 re-analysis data were used as initial information, presented in the regular grid 2.52.5°, in a sector from the South Pole to 20°S and from 120°W to 30°E for each month of the period 1958 - 2002. On the basis of covariation matrices a component analysis was made, which revealed the important features of structure and dynamics of large-scale atmospheric processes. As dispersions in the first three orthogonal components are responsible for most of the total dispersion in the fields (more than 70%), the corresponding orthogonal components are characteristic of the basic features of the most large-scale circulation processes. The first orthogonal component belongs to the main large-scale component of the General Atmospheric Circulation (GAC) - west-east transfer. The second principal component as the corresponding fields of other proper vectors has the form of bipolar oscillation in all months of a year which describes the correlation between GAC processes above the southern aquatoriae of the Pacific and the Atlantic. It was termed the South-Pacific-Atlantic Zonal Oscillation (SPAZO).

It was further explored as to whether interrelationship between the global oscillations, El-Niсo South Oscillation, North Pacific-American Oscillation and North-Atlantic Oscillation, which act as the indices of intensity of circulation processes in the atmosphere, takes place and in its turn, describes the features of weather processes and, consequently, provides climatic descriptions of separate regions and global climate as a whole, as well as whether there will be an interrelationship between these oscillations and SPAZO. Statistical correlations between the factors that characterize circulation processes in the Northern and Southern hemispheres were obtained by perennial data and are of great interest. They make it factual that general circulation of the atmosphere is determined by the large-scale atmospheric processes which are formed in both hemispheres and influence each other.

Keywords: circulation, atmosphere, geopotencial height, field, oscillations.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Кліматичні зміни, які відбувалися протягом минулого сторіччя, стали свого роду стимулом, який спричинив значне зростання зусиль фахівців у вивченні процесів взаємодії різних ланок кліматичної системи, особливо атмосфери і океану. Не дивлячись на значні успіхи, досягнуті світовою гідрометеорологічною науковою спільнотою, залишається ще багато нез'ясованих питань щодо особливостей структури великомасштабних атмосферних процесів і чинників, які їх визначають. Особливо це відноситься до Південної півкулі, більша частина якої покрита Південним океаном і, в якій розташовується найзначніший за площею і інтенсивністю «холодильник» - Антарктида.

Починаючи з середини минулого сторіччя, дослідження гідрометеорологічного режиму Антарктиди та його впливу на циркуляцію атмосфери проводяться вченими багатьох країн під егідою ВМО. До цих досліджень приєднались і українські вчені, після того, як Україна одержала у володіння антарктичну науково-дослідну станцію “Академік Вернадський”, розташовану в районі Антарктичного півострова.

В порівнянні з Північною півкулею циркуляційні атмосферні процеси в Південній півкулі вивчені вкрай недостатньо. Тому дослідження їх особливостей в значному за територією секторі півкулі, в центрі якого розташовується українська антарктична станція “Академік Вернадський”, є актуальними, особливо, якщо врахувати значні зміни регіонального клімату Антарктичного півострова в другій половині минулого сторіччя.

У Резолюції Міжнародної конференції «Україна в Антарктиці - національні пріоритети та глобальна інтеграція» (Київ, 23-25 травня 2008 р.) вказується, що «…наукові дослідження в Антарктичному регіоні є серед головних пріоритетів світової науки. Продемонстрований на конференції науковий потенціал українських дослідників та запропоновані учасниками з різних країн напрямки міжнародної кооперації дозволяють з оптимізмом дивитися на перспективу участі України в майбутніх антарктичних дослідженнях».

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертаційної роботи одержані при виконанні науково-дослідної роботи «Оцінка стану кліматичної системи Західної Антарктики (району Антарктичного півострова) у світлі мінливості циркуляції тропосфери і низької стратосфери, термічних та динамічних характеристик Південного океану, а також динаміки зледеніння», заданої Міністерством Науки і Освіти України (номер державної реєстрації 0104U000958).

Мета і задачі дослідження. Метою запропонованої до захисту роботи є дослідження особливостей великомасштабних циркуляційних атмосферних процесів в західному секторі Південної півкулі.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити ряд таких задач:

? на основі великої сукупності полів висот ізобаричних поверхонь 925, 850, 500 і 200 гПа визначити особливості їх статистичної структури: структуру середніх полів, полів мінливості геопотенціальних висот і полів просторових кореляцій;

? шляхом вирішення повної проблеми власних значень для матриць коваріацій здійснити розкладання вказаних полів геопотенціальних висот в базисі власних векторів, що дає можливість одержати часові ряди їхніх ортогональних компонент;

? виділити головні компоненти полів геопотенціальних висот і провести детальний статистичний аналіз їхніх часових рядів з метою виявлення періодичностей і трендових компонент;

? дослідити вплив головних компонент на формування великомасштабних процесів, що відображається в структурі полів геопотенціальних висот;

? розглянути статистичні взаємозв'язки між глобальними кліматоутворювальними осциляціями в атмосферних процесах, а також їх зв'язки з параметрами, що характеризують циркуляційний режим західного сектора Південної півкулі.

Об'єкт дослідження. Великомасштабні атмосферні процеси в Південній півкулі в секторі від 120є зах.д. до 30є сх.д. і від Південного полюса до 20є півд.ш., в центрі якого розташовується Антарктичний півострів.

Предмет дослідження. На основі великої сукупності середньомісячних полів висот ізобаричних поверхонь 925, 850, 500 і 200 гПа дослідити особливості їх статистичної структури.

Методи дослідження. Дослідження здійснювалося методами багатовимірного статистичного аналізу (кореляційний і компонентний аналіз) і методами теорії випадкових функцій (спектральний аналіз, методи виявлення прихованих періодичностей, методика згладжування часових рядів).

Наукова новизна одержаних результатів полягає:

? в отриманні характеристики мінливості полів геопотенціальних висот ізобаричних поверхонь АТ-925, АТ-850, АТ-500, АТ-200 і полів кореляцій;

? у визначенні головних компонент зазначених полів. Їх аналіз дав можливість встановити наявність у регіоні досліджень біполярної зональної осциляції великомасштабних атмосферних процесів - Південно - Тихоокеансько - Атлантичне зональне коливання, особливості якого відображає друга головна компонента полів геопотенціальних висот;

? у визначенні періодичних коливань і трендових складових, які містяться у часових рядах головних компонент. Одержані тренди зменшення значень другої головної компоненти характеризують поступове посилення циклонічної діяльності в акваторіях, оточуючих Антарктичний півострів, що спричинило тренд зростання середньомісячної температури повітря в регіоні;

? у дослідженні особливостей взаємозв'язків між глобальними кліматоутворювальними коливаннями. Підтверджуються висновки дослідників щодо визначеного впливу Ель-Ніньо - Південного коливання на розвиток глобальних циркуляційних процесів в атмосфері.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати можуть бути використані:

- при інтерпретації даних метеорологічних і геофізичних досліджень на антарктичних станціях, розташованих в західному секторі Південної півкулі;

- при дослідженні динаміки кліматичних змін;

- при розробці статистичних моделей метеорологічних прогнозів для досліджуваного регіону.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, представлені в дисертації, одержані особисто автором. Загальний напрямок дослідження і план розробки окремих його частин обговорювалися з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися: на двох конференціях молодих вчених в ОДЕКУ; на міжнародній конференції у Томську (Росія) в 2004 році з вимірювання, моделювання та інформаційних систем для вивчення навколишнього середовища «Enviromis-2004»; на міжнародній конференції в Одесі у 2007 році «Навколишнє природне середовище - 2007: Актуальні проблеми екології та гідрометеорології; інтеграція освіти і науки»; на міжнародній конференції у Дніпропетровську в 2008 році «Сучасні наукові досягнення - 2008»; на міжнародній конференції в Києві у 2008 році «Україна в Антарктиці - національні пріоритети та глобальна інтеграція».

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень викладені в одинадцятьох наукових працях, п'ять з них опубліковані у виданнях, що рекомендовані ВАК України, а шість - в тезах відповідних наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 139 найменувань та додатків. Повний обсяг дисертації становить 261 сторінку, зокрема 101 малюнок, 20 таблиць та 2 додатки на 30 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі надаються згідно з діючим положенням ВАК України відомості про актуальність теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими програмами, темами. Формулюється мета та задачі дослідження, наводиться новизна та практичне значення роботи. Надаються відомості про апробацію одержаних результатів, особистий внесок дисертанта та його наукові праці.

Перший розділ роботи має оглядовий характер. Наведені результати сучасного стану досліджень особливостей циркуляційних процесів в тропосфері Південної півкулі. Розглядаються особливості центрів дії атмосфери Південної півкулі. Наводиться аналіз тропосферної циркуляції впродовж окремих аномальних років: роки з аномальними значеннями температури повітря на станціях Антарктичного півострова та аномалій з різними фазами явища Ель-Ніньо - Південного коливання. Розглянуті особливості коливання термобаричних полів у Південній півкулі.

У другому розділі представлені результати досліджень особливостей статистичної структури полів геопотенціальних висот. При дослідженні були використані дані реаналізу середньомісячних значень висот ізобаричних поверхонь 925, 850, 500 і 200 гПа, у вузлах регулярної сітки точок 2.5° на 2.5°, в секторі, обмеженому по широті від Південного полюса до 20° півд.ш. і меридіанами від 120° зах.д. до 30° сх.д., за період 1958-2002 рр. Апаратом дослідження є методи багатовимірного статистичного аналізу. У полів середніх значень висот ізобаричних поверхонь 925, 850, 500 і 200 гПа є загальні риси: у всі місяці року вони мають вигляд майже концентричних ізогіпс. Поля середніх значень виразно виявляють субтропічну смугу високого тиску з двома центрами: Південно - Атлантичним і Південно - Тихоокеанським субтропічними антициклонами. Уздовж 60° півд.ш. розташовується смуга зниженого тиску. В літні, осінні і зимові місяці в цій області формуються кліматологічні центри зниженого тиску: один з них розташовується над акваторією моря Амундсена, другий - над акваторією моря Роса. Весною ці центри об'єднуються в одну область зниженого тиску, а зона великих горизонтальних градієнтів значень геопотенціальних висот розширяється від 70° півд.ш. до 40° півд.ш. Така структура полів геопотенціальних висот свідчить про наявність дуже інтенсивної зональної циркуляції в західному секторі Південної півкулі. Розглянуті поля середніх значень висот ізобаричних поверхонь відображають особливості переважаючих великомасштабних процесів.

Особливості флуктуацій геопотенціальних висот в різних областях досліджуваного регіону обумовлені розвитком атмосферних вихорів. Усереднений характер цих флуктуацій висвітлюють поля середніх квадратичних відхилень. Їхні основні особливості полягають у тому, що у всі місяці року формується зона високої мінливості полів геопотенціальних висот у високих приантарктичних широтах з центром над акваторією моря Амундсена і витягується у вигляді гребеня від цього центру на схід уздовж паралелі 65° півд.ш. В північному напрямі мінливість геопотенціальних висот швидко зменшується. Найбільші значення середніх квадратичних відхилень спостерігаються у зимовий період, а найменші - в літній. Така структура полів середніх квадратичних відхилень обумовлюється особливостями розвитку циклонічної діяльності, а напрям осі гребеня характеризує переважаючий напрям траєкторій переміщення циклонів в різні місяці року.

Важливе значення мають властивості однорідності та ізотропності випадкових полів. Метеорологічні поля, як правило, не мають цих властивостей. Це відноситься і до полів середніх значень та середніх квадратичних відхилень геопотенціальних висот, проте за допомогою простого лінійного перетворення неоднорідні і неізотропні поля геопотенціальних висот вдається звести до модифікованих квазіоднорідних і квазіізотропних. Усереднені кореляційні функції достатньо добре апроксимуються відрізками парабол. У третьому розділі наведені результати компонентного аналізу полів геопотенціальних висот. За допомогою цього алгоритму були визначені власні значення і відповідні їм власні вектори матриць коваріацій. Оскільки сума всіх власних значень дорівнює сумарній дисперсії досліджуваних полів, а власні значення впорядковані, то перші з них вичерпують значний відсоток від сумарної дисперсії полів. Саме цей відсоток і відноситься до найбільш великомасштабних циркуляційних процесів. Властивості цих процесів висвітлюють відповідні ортогональні компоненти полів геопотенціальних висот, які називають головними компонентами. Для всіх досліджуваних полів ізобаричних поверхонь геопотенціальних висот величини перших трьох власних значень вичерпують більше 70% сумарної дисперсії полів. Тому поля відповідних трьох перших власних векторів відображають властивості найбільш великомасштабних циркуляційних процесів.

Поля перших власних векторів мають майже подібну структуру для всіх місяців і всіх розглянутих рівнів. Вони мають вигляд однієї пучности з центром над Антарктичним континентом. Лише весною і влітку формуються області, пов'язані з Південним Атлантичним і Південним Тихоокеанським антициклонами. Ці поля відображають особливості розвитку зональної циркуляції в нижній атмосфері в західному секторі високих широт Південної півкулі.

Складнішою структурою характеризуються поля других власних векторів геопотенціальних висот. Спостерігаються дві області протилежних знаків, одна з яких розташовується на захід від Антарктичного півострова, а друга - на схід від нього. Західний центр знаходиться майже в одному і тому ж місці сектора, тоді як східний переміщується з півночі на південь залежно від сезону. В місяці теплого сезону він займає положення в нижчих широтах, а холодного - навпаки. Широтне положення східного центру коливається між 60є і 50є півд. ш. Отже поля другого власного вектора свідчать про наявність двомодального коливання у великомасштабних циркуляційних процесах в нижній атмосфері між акваторіями Тихого і Атлантичного океанів, які примикають до Антарктичного континенту. До них належать моря Амундсена і Беллінсгаузена, з одного боку, і море Роса, з іншого. Положення центрів областей протилежних знаків у полях другого власного вектора для кожного місяця дали змогу визначити центри „ваги” (полюси) цієї осциляції. Як видно, вони мають координати 60є півд.ш., 100є зах.д., і 60є півд.ш. і 10є зах.д. (рис. 1). Визначена осциляція обумовлена формуванням областей підвищеного тиску над морями Беллінсгаузена та Амундсена і циклонічних утворень над морем Уедделла і навпаки, які, як підтверджують розглянуті поля, носять кліматичний характер. За аналогією з відомими індексами коливань цю осциляцію можна розглядати як Південно - Тихоокеансько - Атлантичне зональне коливання (ПТОАЗК).

Рис. 1. Положення центрів двомодального коливання у полях другого власного вектора в усі місяці року на рівні АТ-850

Четвертий розділ дисертації присвячений аналізу статистичної структури часових рядів головних компонент полів геопотенціальних висот. Графіки часових рядів головних компонент геопотенціальних висот ізобаричних поверхонь свідчать про те, що вони містять не тільки коливання, обумовлені циркуляційними процесами в цьому регіоні, але і шумову компоненту. Позбавитися її можна шляхом операції фільтрації за допомогою ковзного осереднення, ваговий множник при цьому має вигляд, який прийнято називати косинус - фільтром. Вибір інтервалу осереднення є важливою задачею. Існують різні підходи до розв'язання цієї задачі. З нашої точки зору, доцільно як період згладжування вибирати інтервал, який відповідає періодичності, що має велику енергію коливання, з одного боку, і достатньо великий інтервал згладжування - з іншого. Такі періодичності можна встановити шляхом аналізу енергетичних спектрів, розрахованих для головних компонент. В енергетичному спектрі першої головної компоненти геопотенціальної висоти АТ-850 були виявлені періодичні коливання з періодом 4 роки. Достатньо великою енергією характеризуються квазідворічне, річне і сезонні коливання. В спектрі другої головної компоненти найбільшу енергію мають дворічна, річна, піврічна і сезонні періодичності. Спектр третьої головної компоненти містить трирічне, дворічне, річне, піврічне і сезонні коливання.

Уважний розгляд часових рядів головних компонент ізобаричних поверхонь АТ-850 і АТ-500 дає підстави вважати, що кожен з них містить періодичні компоненти. Тому була зроблена спроба відфільтрувати ці періодичності за допомогою перетворення Фур'є. Результати розрахунків дали можливість одержати амплітудно - частотні характеристики для кожного з процесів.

Аналіз амплітудно - частотної характеристики часового ряду першої головної компоненти свідчить про те, що він містить компоненти з періодами 11 років, 2 роки, рік, а також квазіпіврічне і сезонні періодичні коливання. Якщо річна і сезонні періодичності є природними, відображаючи вплив руху Землі по орбіті та пов'язані з особливостями надходження сонячної радіації, то 11-ти і дворічний цикли привертають особливу увагу. Перший з них спостерігається в таких відомих осциляціях як Північно - Атлантичне коливання (ПАК), Ель-Ніньо - Південне коливання (ЕНПК) і Північно - Тихоокеансько - Американське коливання (ПТОАК). Дворічне коливання, як відомо, властиве багатьом фізичним характеристикам стану атмосфери і океану в різних регіонах планети. Часовий ряд другої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-850 містить трирічну, дворічну, річну, піврічну компоненти, а також сезонні коливання. В третій головній компоненті виявляються річна, піврічна і сезонні гармоніки з високою мірою достовірності ().Чим менше номер головної компоненти, тим менший масштаб процесів, які вона характеризує. Це добре видно, якщо порівняти одержані результати амплітудно - частотних характеристик часових рядів перших трьох головних компонент. Аналогічним чином були визначені приховані періодичності в часових рядах головних компонент геопотенціальної висоти ізобаричної поверхні АТ-500. Результати аналізу амплітудно - частотної характеристики часового ряду першої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-500 дали змогу виявити коливання з періодами 1.5 роки, квазірічним, піврічним і сезонним. Часовий ряд другої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-500 містить чотирирічну, дворічну, річну, піврічну і сезонні періодичності.

Порівняння періодичностей, виявлених методами спектрального аналізу і фільтрації за допомогою перетворення Фур'є, свідчить про те, що вони майже співпадають, але якщо застосовувати другий метод, то за основу братимуться амплітуди, а в спектральному аналізі - енергія гармонійних коливань, яка фізично є більш обґрунтованою характеристикою. Аналіз періодичностей, виявлених в часових рядах головних компонент полів геопотенціальних висот ізобаричної поверхні АТ-850, дає підставу проводити операцію згладжування для першої головної компоненти з періодом 4 роки, а для другої і третьої - з періодом 3 роки (36 точок). Операція згладжування - це ковзне осереднення, де ваговим множником є косинус - фільтр.

На рис. 2 наводиться згладжений часовий ряд першої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-850. Аналіз згладженого часового ряду показує, що у випадковому процесі спостерігається квазідесятирічна, а також п'яти і чотирирічна періодичності. Цікаво те, що після 1982 р. добре виявляється тільки квазідесятирічна хвиля з великою амплітудою. Є підстави вважати, що це є наслідок глобального потепління, в результаті якого відбуваються значні перебудови найбільш великомасштабної циркуляційної ланки - західно-східного переносу шляхом більш інтенсивних меридіональних процесів.

Рис. 2. Згладжений часовий ряд першої головної компоненти АТ-850

У згладженому часовому ряді другої головної компоненти (рис. 3) спостерігаються 5-6-річні періодичні коливання. Крім того, по піках амплітуд, які виділяються із загального рівня, виявляються ще і 8-10-річні періодичності. Починаючи з 1980 року, має місце добре виражений тренд у бік зменшення інтенсивності коливань. Як відзначалось вище, саме друга головна компонента характеризує коливальний зв'язок у великомасштабних циркуляційних процесах, які розвиваються над південними частинами Тихого і Атлантичного океанів. Відзначена трендова компонента свідчить про те, що інтенсивність цього процесу посилюється.

Рис. 3 Згладжений часовий ряд другої головної компоненти АТ-850

Аналіз періодичностей, виявлених в часових рядах головних компонент полів геопотенціальних висот ізобаричної поверхні АТ-500, дає підставу проводити операцію згладжування для першої і другої головної компоненти з періодом 4 роки (48 точок). На рис. 4 наводяться результати згладжування першої головної компоненти, яка є характеристикою найбільш великомасштабного процесу, а саме західно-східного переносу. Виразно виявляються 8-10-річні періодичності, на які накладаються 4-5 - річні. У згладженому часовому ряді другої головної компоненти () полів геопотенціальних висот ізобаричної поверхні АТ-500, представленому на рис. 5, переважають коливання з періодом 4 і 5 років. На відміну від часового ряду другої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-850, з цього графіка видно, що добре виявляються два тренди: перший з 1962 по 1974 роки, після чого спостерігається різке збільшення значень другої головної компоненти, а потім знову поступове зменшення з 1976 по 1996 роки. Треба звернути увагу на те, що процедура одержання вихідних даних реаналізу за період з 1958 по 2002 роки якісно змінилась, тому до сплеску другої головної компоненти, що припадає на 1979 рік, треба ставитись з осторогою.

Рис. 4. Згладжений часовий ряд першої головної компоненти АТ-500

Рис. 5 Згладжений часовий ряд другої головної компоненти АТ-500

Щоб зрозуміти можливі причини одержаних двох трендів, були розглянуті часові ряди середньомісячних значень температури за цей період на українській станції “Академік Вернадський”, розташованій в центрі досліджуваного сектора (рис. 6). Видно, що вони добре узгоджені, тобто коли спостерігається тренд зменшення значень другої головної компоненти - на станції спостерігається тренд зростання середньомісячних температур повітря і навпаки, але одержані результати потребують більш детального аналізу.

Рис. 6. Графік середньомісячних значень температури повітря на український антарктичній станції “Академік Вернадський” за період 1958-2002 рр.

Згладжені часові ряди дають можливість більш детально проаналізувати особливості розвитку циркуляційних процесів в досліджуваному регіоні - виявити великомасштабні періодичності і трендові компоненти. Виникає питання, наскільки великим є вплив цих головних компонент, дисперсії яких дають найбільший внесок в мінливість полів геопотенціальних висот, на структуру баричних полів як на рівні поверхні АТ-850, так і в середній тропосфері (АТ-500). Для цього, очевидно, необхідно виділити внесок цих головних компонент в процеси формування полів геопотенціальних висот на відзначених рівнях. Для вирішення цієї задачі були проведені два числові експерименти. Перший з них полягає в тому, щоб встановити, яким чином впливають на структуру полів геопотенціальних висот вказані вище трендові складові процесу зміни другої головної компоненти , встановлені в часових рядах висот ізобаричних поверхонь АТ-850 і АТ-500. Другий числовий експеримент був організований для екстремумів в коливальних процесах головних компонент.

Ці два чисельні експерименти підтвердили той факт, що часові ряди перших двох головних компонент дійсно несуть в собі інформацію про найбільш інтенсивні і значні великомасштабні циркуляційні процеси: коли більший внесок має перша головна компонента, поле ізоліній відхилень геопотенціальних висот має майже зональну конфігурацію, тим самим характеризуючи інтенсивність західно-східного переносу, але якщо за модулем значення другої головної компоненти є більшим, то поле ізоліній утворює концентричні кола відхилень геопотенціальних висот над районом активного формування циклонів уздовж 60є півд.ш.

В цей час у зв'язку з актуальними дослідженнями фахівців метеорологів і океанологів, які виконують великий комплекс робіт з метою визначення чинників, що впливають на циркуляцію атмосфери, а як наслідок, і на глобальний клімат, оскільки загальна циркуляція є внутрішнім кліматоутворювальним фактором, п'ятий розділ роботи присвячено дослідженням особливостей взаємозв'язків між глобальними кліматоутворювальними осциляціями: Ель-Ниньо - Південним коливанням (ЕНПК), Північно - Атлантичним коливанням (ПАК), Північно - Тихоокеансько - Американським коливанням (ПТОАК), а також Північно - Каспійським коливанням (ПКК). Також вирішувалось питання, чи мають вплив вказані вище осциляції на великомасштабні циркуляційні процеси в досліджуваному секторі Південної півкулі.

У цьому розділі, після стислого огляду загальної характеристики вищезгаданих коливань, зроблена спроба встановити можливі статистичні взаємозв'язки між ЕНПК, ПАК, ПТОАК та ПКК. Для дослідження цих взаємозв'язків використовувався метод взаємного спектрального аналізу. Аналіз одержаних результатів указує, що взаємодії між розглянутими кліматоутворювальними осциляціями циркуляційних процесів знаходяться в складному багатоступінчатому взаємозв'язку, причому основним чинником цих взаємозв'язків є ЕНПК. Цей феномен стимулює певну фазу ПАК, з одного боку, і ПТОАК, з іншого. В той же час на розвиток ПАК впливає осциляція ПТОАК. Це обумовлено тим, що циклонічні вихори, які розвиваються в північних і помірних широтах акваторії Тихого океану в результаті переважаючого великомасштабного західно-східного переносу, стимулюють різко виражену бароклінність, і, як наслідок, цикло- і антициклогенез над акваторією Північної Атлантики, що і визначає певне значення індексу ПАК. З іншого боку, ПАК, особливо при негативній фазі розвитку, є джерелом енергії для формування Північно - Каспійської осциляції.

Далі було встановлено, чи здійснюється вплив цих осциляцій на циркуляційні процеси, що відбуваються в досліджуваному західному секторі Південної півкулі. Для з'ясування цього питання були розраховані взаємні спектральні щільності між головними компонентами () полів геопотенціальної висоти АТ-850, які, як було визначено, найбільш яскраво висвітлюють особливості циркуляційних процесів в регіоні Південної півкулі, і параметрами ЕНПК, ПАК, ПТОАК та ПКК. Одержані значення когерентності були піддані процедурі згладжування з метою фільтрації шумової компоненти.

З результатів цього дослідження можна зробити висновок про те, що циркуляційні процеси в західному секторі Південної півкулі мають статистичні зв'язки з глобальними осциляціями ЕНПК, ПАК, ПТОАК та ПКК. Це відноситься як до найбільш великомасштабних циркуляційних процесів - зональної циркуляції, яку представляє перша головна компонента, що має найбільшу частку від сумарної дисперсії полів геопотенціальної висоти АТ-850, так і до циркуляційних процесів меншого масштабу - двомодального зонального коливання циркуляції (ПТОАЗК), яку характеризує друга головна компонента , а також тримодального коливання, яке відображає особливості розвитку циклонічної діяльності в західному секторі й характеризується значеннями третьої головної компоненти.

Висновки

У дисертації розглядаються особливості великомасштабних циркуляційних процесів в атмосфері західного сектора Південної півкулі, обмеженого меридіанами 120є зах.д і 30є сх.д та широтно від Південного полюсу до 20є півд.ш. Шляхом вживання методів багатовимірного статистичного аналізу і теорії випадкових процесів було одержано ряд характеристик, що дозволяє зробити такі висновки:

1. У західному секторі Південної півкулі у структурі середньомісячних полів геопотенціальних висот поверхонь АТ-925 і АТ-850 чітко виділяються субтропічні області підвищеного тиску, а, починаючи з ізобаричної поверхні АТ-500, поля у всі місяці характеризуються системою ізогіпс, практично паралельних колам широт, формуючи циркумполярний циклонічний вихор з центром над Антарктичним континентом.

2. Поля геопотенціальних висот характеризуються значною мінливістю: у всі місяці року добре виражена область максимальних значень середньоквадратичних відхилень над морем Амундсена, яка витягується у вигляді гребеня високих значень мінливості геопотенціальних висот уздовж широти 65є півд.ш. Мінливість геопотенціальних висот ізобаричних поверхонь збільшується в зимовий період.

3. Розглянуті поля геопотенціальних висот не мають властивостей однорідності та ізотропності. Але за допомогою простого лінійного перетворення модифіковані поля є квазіоднорідними і квазіізотропними. Для цих полів визначені усереднені просторово-кореляційні функції, які мають вигляд квадратичних функцій.

4. Компонентний аналіз полів геопотенціальних висот в західному секторі Південної півкулі дає можливість визначити важливі особливості циркуляційних процесів, які розвиваються в атмосфері цієї області. Більше 70% сумарної дисперсії полів геопотенціальних висот вичерпують у всі місяці року і на всіх висотах перші три власні значення. Отже відповідні перші три власні вектори є характеристиками найбільш великомасштабних циркуляційних процесів в досліджуваному секторі Південної півкулі.

5. Перший власний вектор характеризує основні особливості найбільш великомасштабної гілки циркуляційних процесів - зональної циркуляції. Аналіз полів першого власного вектора показує, що найбільш структурованим є західно - східне перенесення повітряних мас.

6. Аналіз полів другого власного вектора показує, що їх структура характеризує наявність у всі місяці року в нижній тропосфері двомодального коливання великомасштабних циркуляційних процесів над південними частинами Тихого і Атлантичного океанів. Полюси цієї осциляції мають координати: 60є півд.ш., 100є зах.д. та 60є півд.ш., 10є зах.д. Таким чином, аналіз полів другого власного вектора дозволив встановити наявність в західному секторі Південної півкулі постійної зональної осциляції, яку можна визначити як Південно - Тихоокеансько - Атлантичне зональне коливання (ПТОАЗК).

7. Перші три ортогональні компоненти ізобаричної поверхні АТ-850, дисперсії яких вичерпують більше 70% сумарної дисперсії, є головними компонентами, які відображають особливості найбільш великомасштабних процесів. Часові ряди цих головних компонент містять в собі інформацію про динаміку відповідних процесів. Їх спектральний аналіз показав, що перша головна компонента містить чотирирічну, квазідворічну, річну, а також періодичності сезонного характеру. Часовий ряд другої головної компоненти має дворічне, річне, піврічне і сезонні коливання. В спектрі третьої компоненти виявлені трирічна, дворічна, річна, піврічна і сезонні періодичності.

8. Аналіз амплітудно - частотних характеристик показав, що в часовому ряді першої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-850, містяться 11-ти, чотирирічна, дворічна, а також річна і сезонні періодичності. В часовому ряді другої головної компоненти виявлені трирічна, дворічна, річна, піврічна і сезонні періодичності. В амплітудно-частотній характеристиці третьої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-850 виявляються річне, піврічне і сезонні коливання. У часових рядах головних компонент ізобаричної поверхні АТ-500 також були виявлені приховані періодичності. В першій головній компоненті містяться коливання з періодами 1.5 року, квазірічним, піврічним і сезонним. В часовому ряді другої головної компоненти визначені чотирирічне, дворічне, річне, піврічне і сезонні коливання.

9. З метою виявлення в часових рядах головних компонент довгоперіодних коливань і трендів проведено їх згладжування. Згладжений часовий ряд першої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-850 містить десятирічну, п'ятирічну і чотирирічну періодичності. Цікаво, що, починаючи з 1982 року, відбуваються значні перебудови великомасштабного циркуляційного процесу - західно-східного переносу - різко збільшується розмах коливань значень першої компоненти.

У згладженому часовому ряді другої головної компоненти поверхні АТ-850, яка є показником динаміки ПТОАЗК, містяться 8-10-річні періодичності, на які накладаються 5-6-річні. Починаючи з 1980 року, має місце добре виражений тренд зменшення інтенсивності коливань, що свідчить про посилення інтенсивності процесів циклогенезу над південними частинами Тихого і Атлантичного океанів (ПТОАЗК). У часовому ряді першої головної компоненти полів ізобаричної поверхні АТ-500 також виразно виявляються 8-10 - річні періодичності, на які накладаються 4-5 - річні. Згладжений часовий ряд другої головної компоненти поверхні АТ-500 містить коливання з періодами 4-5 років. В ньому добре виявляються два лінійні тренди, які характеризуються різким зменшенням значень цієї компоненти. Можна припустити, що тренди зменшення значень других головних компонент на двох розглянутих рівнях, які характеризують посилення циклонічної активності в цьому секторі, є причиною потепління (збільшення середньомісячної температури) в районі української антарктичної станції “Академік Вернадський”. Це припущення добре підтверджується порівнянням трендів другої головної компоненти ізобаричної поверхні АТ-500 з трендами середньомісячних значень температур на станції “Академік Вернадський”.

10. Для періодів, які відносяться до вказаних трендів, проведена процедура фільтрації початкових полів геопотенціальних висот шляхом зворотного перетворення головних компонент в базисі власних векторів. Ці числові експерименти підтвердили той факт, що часові ряди перших двох головних компонент дійсно несуть в собі інформацію про найбільш інтенсивні і значні великомасштабні циркуляційні процеси. Фільтровані поля геопотенціальних висот свідчать про те, що негативним трендам другої головної компоненти відповідає значне посилення циклонічної діяльності.

11. За допомогою взаємного спектрального аналізу зроблена спроба дослідити глобальні статистичні взаємозв'язки між характеристиками відомих кліматоутворювальних осциляцій: ЕНПК, ПАК, ПТОАК та ПКК. Аналіз когерентності і фазових зсувів показує, що розглянуті осциляції циркуляційних процесів знаходяться в складному багатоступінчатому взаємозв'язку, причому основним чинником цих взаємозв'язків є ЕНПК. Цей феномен стимулює певну фазу ПАК, з одного боку, і ПТОАК, з іншого. В той же час на розвиток ПАК впливає осциляція ПТОАК.

12. У ряді досліджень показано, що великомасштабні процеси взаємодії між атмосферою і океаном в Північній і Південній півкулях взаємопов'язані. В роботі зроблена спроба розглянути це питання стосовно західного сектора Південної півкулі. Результати взаємного спектрального аналізу дозволяють зробити висновок про те, що циркуляційні процеси в західному секторі Південної півкулі мають статистичні зв'язки з глобальними осциляціями ЕНПК, ПАК, ПТОАК та ПКК. Це відноситься як до найбільш великомасштабних циркуляційних процесів - зональної циркуляції, яку представляє перша головна компонента, що має найбільшу частку сумарної дисперсії полів геопотенціальних висот ізобаричної поверхні АТ-850, так і до циркуляційних процесів меншого масштабу - двомодального зонального коливання циркуляції (ПТОАЗК), яку характеризує друга головна компонента ізобаричної поверхні АТ-850. У всіх розглянутих ситуаціях виявляються значущими взаємозв'язки річних, піврічних і сезонних періодичностей розглянутих осциляцій.

Список праць за темою дисертації

1. Галич Е.А. Особенности статистической структуры полей геопотенциала в западном секторе высоких широт Южного полушария / Е.А. Галич // Вісник Одеського державного екологічного університету.-2006.-Вип. 2.- С.135-140.

2. Галич Е.А. Особенности крупномасштабных циркуляционных процессов в атмосфере в западном секторе высоких широт Южного полушария / Е.А. Галич, Е.П. Школьный // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2007. - Вип. 4. - С. 127-134.

3. Галич Е.А. Главные компоненты полей геопотенциала в западном секторе Южного полушария / Е.А. Галич, Е.П. Школьный, А.И. Севастьянов //Доповіді Національної академії наук України.- 2008. - Вып. 11, № 2 - С. 117-123.

4. Галич Е.А. Особенности взаимосвязи между основными осцилляционными механизмами общей циркуляции атмосферы / Е.А. Галич, Е.П. Школьный // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса. - 2008. - Вип. 50.- Ч.1. - С. 36-43.

5. Галич Е.А. Главные компоненты полей геопотенциала в атмосфере западного сектора Южного полушария / Е.А. Галич, А.И. Сущенко // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2008. - Вип. 6. - С. 110-116.

6. Калашникова М.В. Исследование и анализ динамики среднегодовых температур воздуха по станциям Антарктики / М.В. Калашникова, Е.А. Галич // Тезисы докладов международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS - 2004.- Томск, 2004.- С. 59-59.

7. Галич Е.А. Особенности циркуляционных процессов в тропосфере высоких широт Южного полушария / Е.А. Галич, Е.П. Школьный // Тези доповідей VI наукової конференції молодих вчених. - Одеса: ТЕС. - 2006.- С. 102-103.

8. Галич Е.А. Особенности крупномасштабных циркуляционных атмосферных процессов в западном секторе Южного полушария / Е.А. Галич, Е.П. Школьный // Тези доповідей VIІ наукової конференції молодих вчених . - Одеса: ТЕС. - 2007. - С. 101-101.

9. Школьный Е.П. Особенности крупномасштабных процессов в атмосфере западного сектора Южного полушария / Е.П. Школьный, Е.А. Галич // Тези доповідей IІ міжнародної науково-технічної конференції. - Одеса: ТЕС. - 2007. - С. 185-185.

10. Галич Е.А. Особенности крупномасштабных циркуляционных процессов в западном секторе Южного полушария / Е.А. Галич, Е.П. Школьный // Тези доповідей ІV міжнародної науково-практичної конференції, Сучасні наукові досягнення - 2008. - Дніпропетровськ, 2008. - Т. 15. - С. 3 - 7.

11. Shkolny E. P. Features of large-scale circulation atmospheric processes in western sector of the Southern hemisphere / E. P. Shkolny, E.A. Galich // International Antarctic Conference IAC2008, Ukraine in Antarctica - National Priorities and Global Integration.- Kyiv, 2008.- P. 70-70.

Размещено на Allbest.ru