Оценки многолетней изменчивости климатических показателей тропопаузы над территорией РФ

Данная работа посвящена анализу некоторых климатических показателей тропопаузы, отражающих её многолетний режим над территорией РФ, на основе массива АЭРОСТАБ, пополнение которого осуществляется в ГУ «ВНИИГМИ-МЦД» на основе поступающих по каналам связи текущих данных.

Тропопауза является важной характеристикой, определяющей различные циркуляционные и термодинамические процессы верхней тропосферы и нижней стратосферы.

Занимаясь исследованиями этого атмосферного переходного слоя, необходимо учитывать многие климатологические вопросы, в том числе распределение тропопаузы над земным шаром, её закономерности и особенности строения в различных географических зонах Земли. Следует отметить, что, анализируя характеристики тропопаузы над территорией РФ, нужно принимать во внимание большую протяжённость её территории, а также наличие обоих географических типов тропопаузы (полярной и тропической).

В настоящее время, учёные, занимающиеся вопросами изменения климата и атмосферных процессов, обращают более пристальное внимание на состояние тропопаузы, поскольку она является хорошим индикатором таких изменений. Большое количество научных работ посвящено исследованию свойств и особенностей тропопаузы, в том числе, выявлению причин, вызывающих изменения её параметров [9,11,13].

Тем не менее, поведение тропопаузы над территорией РФ, её структура, изменчивость, влияние на те или иные явления и процессы требуют более детального изучения, поскольку проводимые в последнее время исследования этого слоя российскими учёными не относятся непосредственно к вопросам климатологии тропопаузы. Работы зарубежных авторов же по большей части посвящены анализу глобальной тропопаузы, а также особенностям тропической тропопаузы.

Несомненным ценнейшим вкладом в понимание природы тропопаузы и в исследование структуры полей ее характеристик является цикл классических трудов З.М. Маховера. Учёный впервые систематизировал основные сведения о тропопаузе, обобщив в своей монографии [2] результаты работ советских и зарубежных исследователей, проводимых до 1983 года. Несмотря на фундаментальность представленных данных о тропопаузе, работы З.М. Маховера продолжали оставаться малоизвестными до недавнего времени, когда впервые на английском языке была опубликована статья об этом выдающемся учёном [4] своего времени. Однако у современных исследователей имеется возможность изучения характеристик тропопаузы и долгопериодных тенденций их изменений на основе значительно более полных источников данных и за более длительный период.

 Более того, в настоящее время появились несколько различных источников получения информации о тропопаузе, иных, чем радиозондовые данные, – массивы реанализа (ERA40, NCEP), спутниковые данные (GPS/MET, CHAMP, SAC-C), результаты численного моделирования. Многочисленные исследования слоя тропопаузы проводятся с использованием этих источников информации [6,7,10] и включают результаты сопоставления характеристик, полученных из различных источников и анализ причин различий. Тем не менее, одним из основных источников эмпирических данных о тропопаузе и изменениях ее характеристик продолжают оставаться радиозондовые данные. Имеющиеся в настоящее время массивы радиозондовых данных (CARDS, IGRA, АЭРОСТАБ) по глобальной сети наблюдений позволяют не только изучить и уточнить структуру климатических характеристик тропопаузы, но и дают возможность определить тенденции ее долгопериодных изменений, в том числе с учетом изменений, произошедших в последние годы.

За последние двадцать лет изменились климатические характеристики тропопаузы и продолжают изменяться, о чём свидетельствуют различные научные исследования. Стоит сказать, что усовершенствовались и методы получения и обработки климатологических данных, существенно расширились возможности анализа данных. Поэтому состояние параметров тропопаузы требует более подробного рассмотрения и постоянного мониторинга с использованием современных технологий, в особенности над территорией России, где качественный анализ климатологии тропопаузы практически не ведётся или ведётся в малом масштабе.

Используемый в работе массив АЭРОСТАБ содержит текущие данные радиозондовых наблюдений, собираемые в ГУ "ВНИИГМИ-МЦД" по глобальной сети станций. В массиве данные представлены на уровне земли, на стандартных изобарических поверхностях, на особых уровнях по температуре и влажности, на особых уровнях по ветру, на уровне тропопаузы. Содержанием архива являются проконтролированные значения давления, высоты геопотенциала, температуры, дефицита точки росы, направления и скорости ветра, облачности. Каждый файл данных содержит поступившие данные за месяц по N станциям и представляет собой последовательность записей переменной длины, которые упорядочены по индексам станций, для каждой станции по дням месяца, для каждого дня месяца по срокам, для каждого срока, который является записью, по уровням. Массив регулярно пополняется порциями месячных данных.

Подготовка исходных данных для анализа

Постанционные ряды наблюдений массива АЭРОСТАБ формировались путем инвертирования исходных данных в файлы и обрабатывались стандартными статистическими методами.

В процессе обработки также осуществлялась проверка соответствия данных на уровне тропопаузы критерию ВМО, согласно которому тропопауза и её характер определяются по значениям и изменению вертикального градиента температуры [2] . Путём совместной обработки с данными на вышележащих уровнях, расчётов температурных градиентов были выполнены соответствующие проверки. Кроме того, выявлялось наличие (отсутствие) множественной тропопаузы.

Исследование проводилось для 92 относительно полных и длиннорядных аэрологических станций различных частей территории РФ за период 1978-2007 гг.

Известно, что при массовой аэроклиматической обработке данных удобно использовать приём разделения тропопаузы на полярную и тропическую по высоте её нижней границы [2]. В данной работе идентификация географического типа тропопаузы проводилась согласно этому критерию, применение которого значительно упрощает получение характеристик тропопаузы, допуская при этом небольшие абсолютные ошибки.

Анализ климатических характеристик тропопаузы

В ходе проделанной работы были выполнены расчёты традиционных, порядковых статистик метеовеличин на уровне нижней границы тропопаузы (НГТ). В частности, для температуры, давления и высоты НГТ были вычислены следующие статистические величины:

§     средние, среднеквадратические отклонения;

§     максимум, минимум, их разность (размах);

§     число корректных наблюдений;

§     асимметрия и эксцесс;

§     медиана;

§     первая и третья квартили, их разность (межквартильный размах);

§     5, 10, 90 и 95-процентные квантили.

По результатам сопоставления полученных статистик с аналогичными статистическими характеристиками атласа Маховера [1] за 1957-1965 гг. можно заметить, что наблюдается некоторый подъём высоты тропопаузы.

Также были выполнены расчёты годовых амплитуд средних многолетних значений температуры, высоты и давления на НГТ. Годовые амплитуды высоты НГТ для рассмотренных станций заключаются в пределах от 1,0 до 3, 8 км, температуры – от 3,1 до 15,4 °C и давления – от 17,8 до 115,3 гПа. Полученные характеристики соответствуют аналогичным результатам, полученным независимо в других источниках, в частности, в [2].

Кроме того, были получены оценки линейных трендов характеристик тропопаузы для каждой из рассмотренных длиннорядных станций территории РФ. Тренды месячных аномалий высоты геопотенциала и температуры на нижней границе тропопаузы для большинства станций являются статистически значимыми положительными (табл. 1, в скобках указаны стандартные ошибки вычисления трендов). В таблице 1 представлены станции, для которых стандартные ошибки вычисления трендов всех трех характеристик не превышают сами значения трендов по абсолютной величине.

Таблица 1

Таблица оценок линейных трендов месячных аномалий температуры, давления и

высоты геопотенциала на нижней границе тропопаузы

 

 

 На рисунке 1, 2 и 3 представлены карты оценок линейных трендов месячных аномалий температуры, высоты и давления НГТ для станций РФ соответственно.

Рис.1 Карта оценок линейных трендов месячных аномалий температуры НГТ для станций территории РФ

Рис.2 Карта оценок линейных трендов месячных аномалий высоты НГТ для станций территории РФ

Рис.3 Карта оценок линейных трендов месячных аномалий давления НГТ для станций территории РФ

Распределение коэффициентов линейных трендов средней высоты, температуры и среднего давления НГТ для зимнего и летнего периодов представлено на рисунке 4.

Рис.4 Коэффициенты линейных трендов средней температуры НГТ (град.С/10 лет)(верхний ряд), средней геопотенциальной высоты (ГПМ/10 лет) (средний ряд) и давления (гПа/10 лет) (нижний ряд) за летний период (слева) и зимний период (справа) соответственно

Также рассмотрены особенности годового хода трендов. При рассмотрении трендов за отдельные месяцы, картина более сложная и неоднозначная, чем для результатов оценки трендов месячных аномалий по хронологически упорядоченным данным.

По результатам проведённых исследований можно сказать, что структура полей полярной тропопаузы над РФ соответствует тем представлениям, которые сформировались в 70-80 годы 20 века. Характер трендов высоты и температуры для НГТ (полярной) соответствует представлениям о потеплении климата.

Также, считается целесообразной подготовка справочника с учетом самых последних данных.

Работа выполнена при частичной поддержке проекта РФФИ 07-05-00264а.

 

Литература:

1. Авиационно-климатический атлас-справочник СССР / Под редакцией З.М. Маховера . – М.: НИИАК, 1969, вып.5.

2. Маховер З.М. Климатология тропопаузы. - Л., Гидрометеоиздат, 1983.

3. Маховер З.М. Некоторые особенности характеристик тропопаузы.- Труды НИИАК, 1967, вып.38, с. 103-130.

4. Añel J. C., Antuña J.A., Sterin A.M., Gimeno L. Professor Zalman Makhover: a relevant contributor to early tropopause studies. Meteorologische Zeitschrift, Vol. 18, № 6, P.573-584.

5. Antuña J.A., Añel J. C., Gimeno L, 2006: Impact ofmissing sounding reports on mandatory levels and tropopause statistics: A case study. – Ann. Geophys. 24, 2445–2449

6. Kishore, P., S.P. Namboothiri, K. Igarashi, J.H. Jiang, C.O. Ao, and L.J. Romans. Climatological characteristics of the tropopause parameters derived from GPS/CHAMP and GPS/SAC-C measurements. // J. Geophys. Res., 2006. V.111.

7. Randel W.J., Wu F., Rios W. R. Thermal variability of the tropical tropopause region derived from GPS/MET observations. // J. Geophys. Res., 2003. P. 7/1-7/12.

8. Ribera P., Peña-Ortiz C., Añel J.C., Gimeno L, De La L. Torre, Gallego D., 2008: Quasi-biennial modulation of the northern hemisphere tropopause height and temperature. – J. Geophys. Res. 113, D00B02.

9. Santer B.D. et al. Contributions of anthropogenic and natural forcing to recent tropopause height changes. // Science, 2003.V.301. № 5632, P. 479-483.

10. Santer B.D. et al. Identification of anthropogenic climate change using a second-generation reanalysis // J. Geophys. Res., 2004. V.109.

11. Santer B.D. et al. Tropopause Height Becomes Another Climate-Change “Fingerprint”. // Science & Technology. Review, March 2004. https://www.llnl.gov/str/March04/Santer.html

12. Seidel, D.J., and W.J. Randel, 2006: Variability and trends in the global tropopause estimated from radiosonde data, J. Geophys. Res., 111, D21101, doi:10.1029/2006JD007363.

13. Sausen, R., Santer B. D. Use of changes in tropopause height to detect human influences on climate. // Meteorolog. Z., 2003. № 12, P. 131-136.