Новости ЕСИМО
| Новости ЕСИМО Электронное периодическое издание newsletter вып.24. (октябрь-декабрь) 2005 г. |
Свидетельство о регистрации Эл. N 77-2093 от 17 ноября 1999 г. |
|
Учредители журнала: Редакционный совет |
| Содержание |
| Научные статьи Вязилова Н.А. Эль-Ниньо – Южное колебание: Методика определения. Особенности развития Мероприятия ЕСИМО Новые публикации The North Pole |
Конференции Scientific Data and Knowledge within the Information Society |
ЭЛЬ-НИНЬО – ЮЖНОЕ КОЛЕБАНИЕ:
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯН. А. Вязилова, к.г.н., ВНИИГМИ-МЦД
- Введение
- Индекс Южного Колебания
- Индексы Эль Ниньо и Ла Нинья
- Методика идентификации событий ЭНЮК
- Характер аномалий в океане в годы с ЭНЮК
- Особенности аномалий в тропической тропосфере в годы с ЭНЮК
- О смене фаз ЭНЮК
- ЭНЮК и аномалии в Индийском океане
- Взаимосвязь ЭНЮК с процессами в других районах тропиков
- Об отклике ЭНЮК в Северной Атлантике и на территории России
- Список использованных источников
Введение
Явление Эль-Ниньо – Южное колебание (ЭНЮК) представляет самый большой и наиболее важный сигнал в межгодовой климатической изменчивости, наблюдается регулярно, каждые 2 – 7 лет, последствия ЭНЮК проявляются в виде значимых климатических аномалий в различных районах земного шара.
Термин “Южное колебание” ввел Дж. Уолкер [48] в начале 20-х годов. Под ним понимают колебания масс воздуха субтропической зоны южного полушария между Тихим и Индийским океанами с характерным временем в несколько лет. При росте атмосферного давления в центральной и восточной частях тропической зоны Тихого океана наблюдается падение давления в тропических районах Индийского океана, а также в районах Индонезии и Австралии (положительная фаза колебания). Обратная картина в поле приземного давления наблюдается при развитии отрицательной фазы южного колебания.
Термин “Эль Ниньо (El Nino)” сначала применялся к положительным аномалиям температуры поверхности океана, появляющимся в Тихом океане вдоль восточного побережья Южной Америки в декабре месяце, в конце года. В начале 80-годов Рассмусон и Карпентер на основе приземных морских наблюдений, спутниковых и станционных данных приземного давления и осадков за период с 1950 по 1975 гг. описали изменения ТПО и приземного ветра над тропическим регионом Тихого океана, наблюдающиеся в период развития Эль Ниньо. Рассмусеном и Карпентером [35] была построена обобщенная схема эволюции явления, получившая название канонического Эль-Ниньо. Исследование проведено для шести теплых эпизодов, наблюдавшихся вдоль побережья Перу, выделенных в ряду наблюдений на основе индекса приземного давления – индекса южного колебания (SOI). Ключевой особенностью развития теплых эпизодовв исследуемый период, как подчеркивали Рассмусон и Карпентер, является довольно постояннаяэволюция явления от одного сезона к другому. Согласно данному исследованию теплые эпизоды канонического Эль-Ниньо обычно продолжаются от 12 до 18 месяцев, вслед закоторыми начинается холодный период. Анализ композитных аномалий показал, что широкомасштабное потепление в экваториальном регионе Тихого океана, начинаясь в августе, достигало максимального развития к концу года и сопровождалось формированием аномальной зоны конвергенции и появлением аномальных западных ветров в западной части Тихого океана. Исследование показало, что за несколько месяцев до наступления теплой фазы у берегов Южной Америки к западу от линии смены дат резко усиливаются восточныеветры. Исследование Рассмусона и Карпентера содержало ограниченную информацию о приземном давлении и аномалиях осадков, наблюдавшихся в период теплых эпизодов. Их анализ давления опирался на станционные островные данные в юго-восточной части Тихого океана и на станции Дарвин в Австралии.
В последствии термином Эль Ниньо начали обозначать как интенсивные положительные аномалии ТПО, развивающиеся вдоль побережья Южной Америки, так и широкомасштабные теплые аномалии ТПО в экваториальном регионе Тихого океана к востоку от линии смены дат. Термином Ла Нинья называли как появление отрицательных аномалий ТПО вдоль западного побережья Южной Америки, так и развитие полосы относительно холодных вод от побережья Южной Америки почти до середины Тихого океана — “экваториального холодного языка”.
Концепция совместного рассмотрения южного колебания и Эль Ниньо как одного явления “ЭНЮК” в климатической системе океан- атмосфера впервые была предложена в работах Бьеркнеса [18]. Многочисленные исследования показывают, что аномалии ТПО в экваториальном районе Тихого океана действительно взаимосвязаны с аномалиями в поле приземного давления: положительной фазе Южного колебания соответствуют отрицательные аномалии ТПО (или Эль Ниньо), отрицательной фазе Южного колебания — положительные аномалии ТПО (Ла Нинья). Эль Ниньо и Ла Нинья фактически являются противоположными фазами ЭНЮК: Эль Ниньо считается теплой, а Ла Нинья – холодной фазой ЭНЮК.
Важно отметить, что по происхождению, термины Эль Ниньо и Ла Нинья относятся к аномалиям ТПО, однако, в исследованиях ЭНЮК, то есть климатических аномалий в системе океан-атмосфера, под названием Эль Ниньо и Ла Нинья понимают не просто аномалии температуры поверхности в экваториальном районе Тихого океана, но и соответствующие аномалии циркуляции атмосферы и осадков в данном регионе.
Индекс Южного Колебания
Со времен Уокера предложено несколько индексов в качестве характеристики Южного колебания [12, 38]. Обычно в них учитывается давление на уровне моря одной станции или комбинация нескольких станций, расположенных в западной и восточной частях Тихого океана. Одним из наиболее обоснованных является индекс, основанный на использовании значений атмосферного давления на станциях Таити и Дарвин, так как они расположены вблизи противоположных по знаку центров действия Южного колебания.
В настоящее время наиболее употребительны значения индекса SOI, используемые в практике Центра климатических прогнозов США и публикуемые в Бюллетене по диагнозу климата [17]. Для вычисления индекса SOI сначала на основе временных рядов среднемесячных значений атмосферного давления на уровне моря на станциях Дарвин и Таити вычисляется временной ряд разностей нормализованных аномалий давления на этих станциях:
δgm = [(Pgm – Pm)/ε]Ò – [(Pgm – Pm)/ ε] Ä ,
где Pgm — фактическое давление , Pm — среднее многолетнее значение (норма), ε — стандартное отклонение, вычисленное по всем значениям аномалий за период с 1951 по 1980 гг., g — год, m — месяц. Нормы вычисляются по средним месячным данным за период 1951- 1980 гг. Затем вычисляются значения индекса Южного Колебания :
SOI = δgm / σ,
где σ — стандартное отклонение всех разностей δgm за базовый период 1951-1980 гг.
На сайте Климатического центра США (ftp://ftpprd.ncep.noaa.gov/pub/cpc/wd52dg/data/indices/soi) среднемесячные значения SOI доступны с 1951 года по настоящее время с опозданием на 2-3 месяца. В работах Сидоренкова Н. С. [12, 13] приведен непрерывный и однородный ряд средних месячных значений индекса SOI, вычисленных по описанной выше методике, за период лет с 1935 по 2001 год. Наблюдения на станциях Таити и Дарвин велись и ранее, однако долгое время эти данные были недоступны. В результате усилий ученых различных стран удалось восстановить непрерывные ряды наблюдений по этим станциям с 1866 года [13, 14, 37].
Индексы Эль Ниньо и Ла Нинья
Поскольку Эль-Ниньо и Ла-Нинья — это, прежде всего, явления в поле температуры воды в экваториальной части Тихого океана, важнейшим вопросом исследования ЭНЮК является изучение структуры аномалий ТПО и обоснование критериев выделения событий Эль-Ниньо и Ла — Нинья на основе этих аномалий. Важно отметить, несмотря на то, что между температурой поверхности в экваториальной части Тихого океана и индексом приземного давления (SOI) наблюдается тесная связь, коэффициент корреляции не равен единице, и при определении времени наступления событий ЭНЮК по данным индекса SOI возможны неточности.
При использования данных о температуре поверхности океана (ТПО) для идентификации ЭНЮК важно выбрать репрезентативные районы и отработать методику расчета и использования индексов. До последнего времени наиболее распространенным являлся расчет индексов ТПО для трех экваториальных районов Тихого океана [17]:
Nino1+2 (90º ç.д.- 80º з.д., 10º ю.ш.- 0º ),
Nino 3 (90º ç.д.-150º з.д., 5º ю.ш.- 5º с.ш.),
Nino 4 (160º â.д.-150º ç.д., 5º ю.ш.- 5º с.ш.).
Однако, в ряде исследований было показано, что ключевая область взаимодействия системы океан-атмосфера, связанная с ЭНЮК, находится западнее района Nino 3 и в апреле 1996 г. к существующим индексам ТПО был добавлен новый индекс для экваториального района: Nino 3-4 (5º ñ.ш.-5º ю.ш.; 120º – 170º ç.д.). Этот участок Тихого океана ученые называют “экваториальным холодным языком”, так как полоса относительно холодных вод в период Ла Нинья тянется от побережья Южной Америки почти до середины Тихого океана. Отклонения от средней температуры поверхности океана в этом районе чреваты изменениями режима осадков в тропической и экваториальной зоне, изменениями температуры и осадков по всей планете. В настоящее время среднемесячные аномалии ТПО в экваториальных районах Тихого океана Nino1+2, Nino 3, Nino 4, Nino 3-4 регулярно публикуются на сайте Климатического центра США : ftp://ftpprd.ncep.noaa.gov/pub/cpc/wd52dg/data/indices/sstoi.indices. Аномалии рассчитываются по данным архива COADC относительно базового периода 1971-2000 гг.
Методика идентификации событий ЭНЮК
Важнейшим вопросом изучения ЭНЮК является методика идентификации начала, продолжительности и конца событий. Этот вопрос наиболее актуален в исследованиях, основанных на композиционном методе сопоставления характеристик типовых выборок лет с Эль Ниньо и Ла Нинья. До сих пор для определения хронологии событий ЭНЮК разными авторами используются разные данные, методы и критерии (пороговые значения). Как было отмечено в предыдущих параграфах, для идентификации ЭНЮК используются, в основном, или индекс приземного давления SOI, или индексы температуры поверхности в экваториальном районе Тихого океана. Иногда эти индексы используются совместно.
При определении фазы ЭНЮК по индексу SOI наиболее часто применяется критерий, предложенный Ропелевски и Халпертом [40]. Согласно этому критерию, развитие ЭНЮК фиксируется в случае, если в течение пяти и более месяцев 5-месячные скользящие средние значения индекса SOIпо модулю превышают 0.5 σ (отрицательные значения индексаSOI соответствуют теплому эпизоду ЭНЮК, положительные – холодному).
Сидоренков Н. С. [13] предложил идентифицировать ЭНЮК не только по индексу приземного давления (SOI), но и индексу температуры поверхности океана в районе Nino3. Как было отмечено выше, индекс SOI равен нормализованной разности среднемесячных аномалий атмосферного давления на станциях Таити и Дарвин. Индекс Nino3 равен усредненному отклонению температуры поверхности океана от нормальной для области экваториальной части Тихого океана (150º ç.д.-90º з.д., 5º ю.ш.-5º с.ш.). Базовыми периодами являются: 1951-1980 гг. для атмосферного давления и 1971-2000 гг. для температуры поверхности океана. Согласно предложениям Сидоренкова, Эль-Ниньо – это теплая фаза явления ENSO, которое характеризуется длительными (более 6 месяцев) отрицательными значениями индекса Южного колебания (SOI<–1) и положительными значениями температуры поверхности океана (Nino3>+0.5oC). Ла-Нинья – это холодная фаза явления ENSO, которое характеризуется длительными (более 6 месяцев) положительными значениями индекса Южного колебания (SOI>+1) и отрицательными значениями температуры поверхности океана (Nino 3<–0.5oC).
Хронология событий ЭНЮК, полученная Сидоренковым Н.С., представлена в таблицах 1 и 2 (Эль Ниньо и Ла Нинья). В этой же таблице представлены хронологии событий ЭНЮК за период наблюдений с 1950 года, полученные рядом авторов, как российских, так и зарубежных, по аномалиям температуры поверхности в экваториальном районе Тихого океана. Следует отметить, что и в российских, и зарубежных исследованиях идентификация явлений ЭНЮК в основном проводится по среднемесячным аномалиям температуры поверхности океана в районах Nino 3 и Nino 3-4. В зарубежных исследованиях часто используется хронология Тренберта [43], в которой события Эль Ниньо и Ла Нинья определены на основе индексов аномалий ТПО в районах Nino 3 и Nino 3-4. Значения индексов вычислялись, как скользящие 5-месячные средние аномалии ТПО. Аномалии ТПО рассчитывались Тренбертом по данным NOAA относительно базового периода 1950-1979 гг. Согласно методике Тренберта., событие ЭНЮК (Эль Ниньо и Ла Нинья) считается осуществившимся, если скользящие 5-месячные средние аномалии ТПО в районе Nino 3 превышают 0.5º С, а в районе Nino 3-4 — 0.4º Ñ не менее шести месяцев подряд (положительные в случае Эль Ниньо и отрицательные в случае Ла Нинья). Индексы развития ЭНЮК, вычисленные Тренбертом, можно найти на сайте https://www.cgd.ucar.edu/cas/catalog/climind/Nino_3_3.4_indices.html .
Из российских исследований следует отметить работу Петросянца М.А. и Гущиной Д.Ю. [10], в которой хронология событий Эль Ниньо и Ла – Нинья представлена за период с 1948 по 1997 гг. и получена на основе анализа среднемесячных аномалий ТПО, вычисленных для района Nino 3 по данным реанализа NCEP/NCAR. Согласно методике, предложенной в указанной работе, за начало Эль-Ниньо следует считать месяц, когда аномалии температуры поверхности океана в области Nino 3 достигают значений > = 0.5º С, а за начало Ла Нинья – месяц, когда аномалии ТПО в этой области <=0.5º С, причем величина аномалий (> = 0.5º С и <=0.5º С) сохраняется после указанного месяца не менее трех месяцев подряд. Продолжительностью события Эль Ниньо и Ла Нинья считается число месяцев, в которые аномалии ТПО превосходят указанные пороговые значения. В случаях, когда два периода с аномалиями ТПО, удовлетворяющими указанным пороговым значениям, разделены двумя, максимум тремя, месяцами, для которых аномалии ТПО меньше пороговых значений, вычисляется среднее значение аномалий ТПО за эти два периода, включая и промежуточные месяцы. Если полученное среднее значение аномалии ТПО превышает пороговое значение и удовлетворяет условиям отнесения их к событиям Эль Ниньо или Ла Нинья, то этот случай считать как одно событие (Эль Ниньо или Ла Нинья), со средней аномалией ТПО и общей продолжительностью события. Если же общее среднее значение аномалии ТПО не удовлетворяет пороговому значению, то эти два события следует учитывать как отдельные, самостоятельные случаи (Эль Ниньо или Ла Нинья). В результате анализа за период с 1948 по 1997 гг. авторами было выделено 13 событий Эль Ниньо и 17 событий Ла Нинья.
Методика, разработанная Петросянцем М. А., была использована в работах Вязиловой Н. А. [1, 2, 3, 47], в которых идентификация событий Эль Ниньо и Ла Нинья осуществлялась также на основе среднемесячных аномалий температуры поверхности в экваториальном районе Тихого океана Nino 3 [90º ç.д.-150º з.д., 5º ю.ш.-5º с.ш.]. Однако в этих исследованиях, в отличие от работы Петросянца и Гущиной [ ], для расчета индекса ЭНЮК использовались аномалии ТПО, вычисленные по данным COADS (архив ERSST [37] ) относительно базового периода 1971-2000 гг., и опубликованные на сайте Климатического центра США: ftp://ftp.ncep.noaa.goa/pub/cpc/wd52dg/data/indices/sstoi.indices)
Важно отметить, что 23 февраля 2005 года Национальная администрация США по исследованию атмосферы и океана (NOAA) заявило, что Национальные службы погоды стран Северной Америки (Канады, Мексики и США), испытывающих значительное влияние ЭНЮК, для