WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Вершовский М.Г. Центры действия атмосферы Атлантического океана и вариации скорости вращения Земли

Научная статья

 

Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2651      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

Центры действия атмосферы Атлантического океана и вариации скорости вращения Земли

Вершовский М.Г. (michael ver@modomail.com) Российский Государственный Гидрометеорологический Университет

Отправным моментом данной работы стала концепция В. Старра (Starr, 1948), сущность которой заключается в следующем. Рассматривая Землю как целостную закрытую систему, в соответствии с законом сохранения импульса можно утверждать, что глобальный баланс углового момента вращения Земли должен оставаться величиной постоянной. При этом принимается, что вращательный момент внешних сил, т.е. Луны и Солнца, во-первых, носит четко периодический характер и, во-вторых, в масштабах месяцев, лет и декад оказывается несущественным, а следовательно, может быть исключен из общего уравнения баланса. (Стоит отметить, что непериодические и недостаточно изученные влияния суммарной массы планет Солнечной системы также выносятся за рамки данной модели.)

При оговоренных таким образом граничных условиях следует полагать, что при наличии изменений в одном из компонентов глобального момента импульса должны происходить компенсаторные изменения в других компонентах с тем, чтобы обеспечивалось сохранение суммарного углового момента импульса:

dM/dt = 0                                            (1)

где М = Матмосферы + Мокеана + Мльда + Мкоры + Ммантии + Мадра   (Ooit, 1989)

Многолетние исследования данной проблемы, проводившихся учеными разных стран, позволяют с достаточной степенью уверенности считать, что основной вклад в обеспечение баланса глобального углового момента в упомянутых выше временных масштабах вносит атмосфера. В первую очередь это объясняется подвижностью воздушных масс, значительно превосходящей подвижность остальных оболочек и структур планеты. Скорости движения вещества в этих структурах и оболочках колеблются в пределах от нескольких см/год для мантии до нескольких см/с для океанских масс. В то же время скорости ветра достигают десятков м/с в приземном слое и сотен м/с в струйных течениях.

Оценки потенциального энергетического вклада различных оболочек планеты также подтверждают сделанный выше вывод. Расчеты показывают, что мощности, необходимые


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2652      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

для того, чтобы вызвать наблюдаемые флуктуации в скорости вращения Земли, должны быть уровня 10 -10 Вт. Средняя мощность движения глобальной атмосферы по существующим оценкам составляет около 2-10 Вт, то есть, находится на требуемом уровне. Мощность океанических течений на порядок ниже - около 10 Вт. Мощности прочих геофизических процессов еще меньше: поток тепла из недр Земли - 10 Вт, геомагнитные бури - 10 Вт, землетрясения - 10 Вт, извержения вулканов - 10 Вт, и так далее по убывающей (Сидоренков, 2002).

В последние несколько десятилетий колебания скорости вращения Земли принято выражать через A LOD, т.е. через разность между непосредственно измеренной длительностью суток (ДС или LOD - Length Of Day) и стандартной длительностью суток, равной 86 400 эталонных секунд (IERS Annual Report, 2004). При этом увеличивающиеся значения A LOD указывают на увеличение длительности суток относительно эталона и, соответственно, на замедление вращения Земли.

Типичные внутригодовые (сезонные) колебания A LOD имеют амплитуду порядка 1-1,5 мс; многолетние значения A LOD (по среднегодовым данным) за период с 1873 по 2005 гг. варьируются от -2,1 до +3,9 мс. (Многолетний ход A LOD представлен на рис. 1.)

Выше отмечалось, что исследования в области поиска связи между атмосферными процессами и вариациями скорости вращения Земли успешно ведутся вот уже несколько десятилетий. При всем разнообразии подходов в подобных исследованиях обнаруживается и общая доминанта, что позволяет охарактеризовать их в целом.

Проведенные работы в большинстве своем сосредоточены на оценке вклада суммарного движения планетарной атмосферы в колебания скорости вращения Земли. Данные глобальных наблюдений (в слое от 1000 гПа до 1 гПа) используются в численных моделях, позволяющих рассчитывать угловой момент импульса атмосферы в целом (Salstein, Rosen, 1986, и др.). Подобный подход имеет свои несомненные преимущества, но, как нам представляется, и определенные недостатки.

К первым следует отнести тот факт, что в результате была надежно доказана тесная связь между изменениями углового момента глобальной атмосферной массы и колебаниями скорости вращения Земли (г > 0,90).

Однако глобальный подход к проблеме исключает из общей модели региональные циркуляционные процессы. Он демонстрирует высокую степень надежности при анализе сезонных (и отчасти межгодовых) изменений глобальной атмосферной динамики в увязке с A LOD, но многолетние вариации скорости вращения Земли упомянутыми выше моделями не рассматриваются.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2653      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

Учеными кафедры динамики атмосферы и космического землеведения (ДАКЗ) РГГМУ (Кондратович и др., 2001, 2006) был предложен принципиально иной метод, позволяющий сопоставлять интенсивность отдельных центров действия атмосферы (ЦДА) с вариациями скорости вращения Земли. Многолетний ряд среднемесячных значений экстремумов давления (максимумов для антициклонов и минимумов для циклонов) был разбит на пять равновероятностных градаций интенсивности с тем, чтобы каждая градация включала равное количество лет. В зависимости от того, в какую из пяти градаций попадал тот или иной месяц, ему присваивалась качественная оценка интенсивности: значительно выше нормы (А), выше нормы (а), нормальная (N), ниже нормы (Ь) и значительно ниже нормы (В). После этого суммарное количество месяцев каждой градации сопоставлялось с экстремальными значениями A LOD.

Нами был предложен метод расчета среднегодовых индексов интенсивности ЦДА, значения которых затем сопоставлялись с многолетним среднегодовым ходом A LOD (Вершовский, 2006-1). Данный метод позволил провести количественную статистическую оценку возможных связей интенсивности основных ЦДА Северного и Южного полушарий с колебаниями A LOD.

Схема расчета индексов интенсивности ЦДА (Itnt) предельно проста. В качестве исходного материала использовались среднемесячные качественные оценки интенсивности, полученные по методике, описанной выше (Кондратович и др., 2001, 2006).

Таблица 1. Среднемесячные оценки интенсивности Азорского антициклона за 1900-1901 гг.

Год

Месяцы

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1900

N

В

N

N

а

А

В

а

а

N

А

а

1901

В

В

b

N

В

а

N

b

N

А

N

b

Качественные среднемесячные оценки были заменены количественными «баллами интенсивности» по следующей схеме: В = -2, b = -1, N = 0, а = 1, А = 2. Полученные среднемесячные баллы суммировались за год, давая в результате среднегодовой индекс интенсивности Itnt (табл. 2).

Таблица 2. Среднемесячные «баллы интенсивности» и суммарный годовой индекс Itnt

Азорского антициклона за 1900-1901 гг.

Год

Месяцы

1шт

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1900

0

-2

0

0

1

2

-2

1

1

0

2

1

4

1901

-2

-2

-1

0

-2

1

0

-1

0

2

0

-1

-6


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2654      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

Очевидно, что полученные таким образом среднегодовые индексы интенсивности Iint теоретически могут колебаться в пределах от -24 до +24.

Рассматривалась и возможность использования вместо среднемесячных «баллов интенсивности» непосредственно экстремальных значений давления в те же месяцы с последующим вычислением среднегодового экстремального давления в исследуемом ЦДА. Однако предложенный нами метод использования индексов интенсивности представляется предпочтительным. Безусловно, заменяя экстремальные месячные значения давления безразмерными единицами, изменяющимися в пределах от -2 до +2, мы в определенной степени сглаживаем внутригодовой ход экстремумов давления, теряя тем самым часть информации. Тем не менее, применяемая методика имеет свои преимущества.

Во-первых, рекордно низкие значения максимального давления в отдельно взятые 2-3 месяца могут дать в результате довольно умеренное значение среднегодового максимума даже в тех случаях, когда в остальные месяцы года значения максимумов превосходили норму. (Очевидно, что вполне вероятны и ситуации «обратного знака», ведущие к аналогичному искажению общей картины.) В применяемой нами методике такого рода искажения сведены к минимуму.

Во-вторых, используя предложенный индекс интенсивности Iint, оказывается возможным а) использовать одну и ту же методику анализа и критерии сопоставления с ходом A LOD как антициклонических, так и циклонических ЦЦА, а также б) сопоставлять многолетний ход интенсивности антициклонов и циклонов между собой.

Полученные описанным выше способом значения Iint Азорского ЦДА на период с 1873 по 2004 г. (132 года) были сопоставлены со значениями A LOD за тот же отрезок времени.

Таблица 3. Значения корреляционной функции Iint относительно колебаний A LOD за

1873-2004 гг. с шагом 1 год.

I

0

1

2

3

4

5

6

7

8

г

0,50

0,54

0,55

0,55

0,53

0,52

0,50

0,50

0,49

Из приведенной таблицы следует, что при значениях X   от нуля до нескольких лет

наблюдается статистически значимая корреляционная связь между ходом двух исследуемых переменных.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2655


http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf


Значительно более тесная корреляционная связь была обнаружена при сопоставлении сглаженного (9-летнего скользящего среднего) хода Itnt с A LOD. Коэффициент корреляции

при значениях  X     от  5  до  7  составил  0,82.  На  графике  (рис.   1) значения  9-летнего осредненного Itnt даны со сдвигом в 5 лет (X = 5).

 

fy

К

Л»

\

,

JU

/Л

//

V

W\

г

т>

*т>

у

tf

Л"

у

\

/ J

V/

V

К.

V

г

/

--

/

10 4

3

"о"

О 1

_i

< 

¦10

-15

1873  1883  1893  1903  1913  1923  1933  1943  1953  1963  1973 1983 1993 2003

Рис. 1. Многолетний (1873-2004 гг.) ход A LOD (1) и Itnt Азорского антициклона (2) со сдвигом в 5 лет. Коэффициент корреляции Г = 0,82.

Между ходом A LOD и интенсивностью Исландской депрессии (глубиной циклона) также была выявлена корреляционная зависимость. Однако здесь следует отметить два существенных момента.

Во-первых, коэффициент корреляции между несглаженными среднегодовыми значениями Itnt Исландского антициклона и ходом A LOD оказался недостаточно значимым для временного ряда с 1900 по 2004 гг. (от -0,22 до -0,25) вследствие высокой степени хаотичности межгодовых значений интенсивности. При сопоставлении сглаженного (осреднявшегося за промежутки от 5 до 13 лет) хода Itnt с A LOD значимая статистическая связь  была  выявлена.   Коэффициент  корреляции  для   11-летнего  скользящего  среднего

составил -0,75 (при X = 0).


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2656      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

Во-вторых, значительно более отчетливая картина статистической связи между интенсивностью Исландской депрессии и ходом A LOD была обнаружена при расчете Iint не по сумме всех 12 месяцев (как при получении годового Iint), а при использовании суммарного индекса отдельных сезонов и групп месяцев. Максимальная корреляционная зависимость была обнаружена при использовании суммарного индекса летних и осенних месяцев (с июня по ноябрь включительно).

Корреляционная функция индекса интенсивности летне-осеннего периода колебалась

в пределах от -0,40 до -0,35 (X от нуля до 5 лет) для использованного ряда в 105 лет.

Еще более тесная корреляционная связь была обнаружена при сопоставлении сглаженного хода летне-осеннего Iint с A LOD. Коэффициент корреляции для 11-летнего

осреднения при значениях X от 0 до 3 составил 0,89 - 0,92 (ряд 95 членов). На графике (рис.

2) значения 11-летне го осредне иного летне-осеннего Iint для большей наглядности в сочетаемости с кривой хода A LOD инвертированы (т.е. значения Iint даны с убыванием по оси ординат).


О

S2

_|

< 

-1


ft

лЛ

1

\ Г4

л

\а

йГ

?\

vfif

У

W

л

y\

1

1\Г

V

~"


-1


1900   1910   1920   1930   1940   1950   1960   1970   1980   1990   2000

Рис. 2. Многолетний (1900-2004 гг.) ход A LOD (1) и летне-осеннего Iint Исландской депрессии (2) со сдвигом в 1 год (X = 1). Коэффициент корреляции Г = -0,91.


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2657      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

В данных, приведенных выше, просматривается интересная взаимосвязь многолетних вариаций скорости вращения Земли и интенсивности двух ЦЦА Северной Атлантики. Как известно, Исландская депрессия и Азорский антициклон являются «плечами» (северным и южным соответственно) Северо-Атлантического колебания (NAO). Феномен NAO, являющийся атлантическим аналогом тихоокеанского ENSO (Эль-Ниньо - Южное колебание), оказывает доминирующее влияние на сезонные, межгодовые и многолетние погодные условия в Европе, на востоке Северной Америки, на Ближнем Востоке и на части континентальной Азии. Индекс NAO в самом общем виде представляет собой аномалию разности приземных давлений между Азорскими островами и Исландией. Положительные значения индекса соответствуют более сильному, чем обычно, Азорскому антициклону и недостаточно глубокой Исландской депрессии. Это приводит к общему усилению западного переноса в умеренных широтах с соответствующим увлажнением и повышением температуры в Северной и Центральной Европе и, соответственно, с более холодными и сухими погодными условиями в Южной Европе и на Ближнем Востоке.

Как следует из приведенных данных и иллюстрирующих их графиков, ход интенсивности обоих Северо-Атлантических ЦДА демонстрирует тесную связь с характером хода A LOD. Так например, многолетняя тенденция Азорского антициклона к усилению (при, соответственно, преобладающе положительном индексе NAO) отмечается в связи с ростом значений A LOD, т.е. замедлением скорости вращения Земли. Интенсивность (глубина) Исландской депрессии в такие периоды, напротив, демонстрирует четкое ослабление. Периоды экстремальных значений A LOD, таким образом, являются индикаторами преобладающе экстремальных значений NAO соответствующего знака.

При анализе Южно-Атлантического антициклона значимой корреляционной связи интенсивности с ходом A LOD выявить не удалось. Коэффициент корреляции (без сглаживания ряда Itnt) за период 1900-2004 гг. составил всего 0,21. Тем не менее, следует заметить, что слабая линейная корреляция либо же ее отсутствие сами по себе не могут служить основанием для утверждения об отсутствии связи между двумя переменными. (Справедливости ради отметим, что и обратное утверждение было бы некорректным.)

Заслуживающим внимания представляется тот факт, что, как антициклон Южной Атлантики, так и Азорский ЦДА, при усилении интенсивности (высоких значениях Itnt, или, что то по сути то же самое, значениях Рмах выше среднего) смещаются по направлению от экватора в сторону умеренных широт. Ранее такое предположение было высказано профессором Кондратовичем и автором настоящей работы. Дальнейшие расчеты и их анализ подтвердили эту гипотезу. Для Южно-Атлантического ЦДА разность по широте между состояниями наибольшей и наименьшей интенсивности составила более 5° широты. Для


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2658      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

Азорского антициклона та же разность оказалась порядка 8° . А коэффициент корреляции между среднегодовой широтной аномалией максимума Южно-Тихоокеанского антициклона

и A LOD при использованном ряде в 105 лет (1900-2004) для 1 = 0 составил 0,50 без

сглаживания и осреднения (Вершовский, 2006-2). Это вполне согласуется с концепцией В. Старра, поскольку при смещении субтропических антициклонов в более высокие широты должно наблюдаться определенное ослабление пассатов в тропической зоне с одновременным усилением западного переноса в умеренных широтах.

В связи с анализом интенсивности Южно-Атлантического антициклона хотелось бы отметить еще один интересный момент. При сопоставлении многолетнего хода индекса интенсивности (Itnt) Южно-Атлантического и Индийского антициклонов обнаружилась плотная и синхронная связь между этими двумя переменными. Коэффициент корреляции за

период 1900-2004 гг. составил 0,74 при X = 0 (сглаживание или осреднение не проводились).

Иначе говоря, процессы интенсификации или ослабления Южно-Атлантического и Индийского ПДА в их среднегодовом выражении происходят с отчетливой синхронностью, демонстрируя к тому же весьма близкие амплитуды индекса интенсивности Itnt-

Вопрос о взаимодействии глобальной атмосферной циркуляции и вариаций скорости вращения Земли перестал быть полем гипотетических догадок и стал подтвержденной и хорошо обоснованной частью суммы знаний, которой располагают науки о Земле. Однако, как уже отмечалось выше, подавляющее большинство ученых, занимающихся этой проблемой, исследуют данную взаимосвязь для атмосферы в целом, используя при этом различного рода численные методы. Проделанные на кафедре ДАКЗ РГГМУ работы, изучающие взаимосвязь изменений скорости вращения Земли с состоянием региональных центров погоды позволили, во-первых, выявить значимую статистическую связь интенсивности большинства ПДА с флуктуациями скорости вращения планеты (причем, что очень существенно, с флуктуациями многолетними, а не межгодовыми или сезонными), и, во-вторых, использовать A LOD как определенный индикатор (и, возможно, предиктор) региональных и глобальных гидрометеорологических процессов.

Существует, однако, и еще один сегмент проблемы, относительно которого единства мнений пока не достигнуто. Речь идет о том, что является первичным в данном процессе: изменения скорости вращения Земли или же движение глобальных воздушных масс? Ученики и последователи В. Старра (и не только они) достаточно уверенно утверждают, что атмосферные процессы являются «движителем» рассматриваемого процесса. Это, однако, логически противоречит справедливому утверждению школы Старра, что при изменениях скорости вращения Земли в атмосфере происходят компенсаторные процессы, направленые


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2659      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

на сохранение момента импульса. Но верно и другое: усиление или ослабление западного переноса (а также ослабление или усиление пассатов), распределение полей давления, вызывающее т.н. «горный вращательный момент» (разность давления по разные стороны меридионально ориентированных горных цепей и возвышенностей) безусловно оказывают воздействие на ускорение или замедление вращения Земли. Более здравым и перспективным нам представляется подход, когда вся система рассматривается как единое целое, в котором происходят определенные автоколебательные процессы. Тогда оказывается, что атмосфера реагирует на вызванные ею в предшествующий период изменения скорости вращения планеты, ускоряя или притормаживая ее и тем самым вызывая новые колебания скорости вращения. Часто наблюдающийся временной сдвиг между «действием» и «реакцией» (в отдельных случаях порядка 5-10-15 лет) может объясняться временем, требующимся на передачу момента импульса от твердых оболочек Земли к ее ядру, пребывающему в полурасплавленном состоянии, и последующим противодействием ускорившегося ядра силам, направленным на замедление вращения планеты (трансфер момента импульса в данном случае происходит в противоположном направлении).

В макрометеорологии хорошо известен тот факт, что в формировании глобальной циркуляции ведущая роль принадлежит региональным центрам действия атмосферы. В данном случае этот факт находит дополнительное подтверждение как в достаточно тесной связи интенсивности ЦДА с вариациями A LOD, так и в том, что именно многолетние изменения этих двух переменных находятся в определенном соответствии.

Возможность прогнозирования - пусть даже качественного, в плане знака ускорения вращения Земли - значений A LOD позволила бы сделать кардинальный шаг в долгосрочном и климатическом прогнозировании. Искушение использовать в этом плане те ЦДА, где

изменения интенсивности предваряют изменения A LOD (X < 0), достаточно велико. Стоит,

однако, помнить при этом, что существующая в природе многолетняя и отчетливо выраженная статистическая связь всегда может неожиданно прерваться или же кардинально изменить свой характер.

Литература

1. Вершовский М.Г. Азорский антициклон и колебания скорости вращения Земли. // В сб.: Вопросы промысловой океанологии, вып.З. - М.: Издательство ВНИРО. - 2006. (В печати.)


Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»     2660      http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2006/275.pdf

    • Вершовскии М.Г. Многолетние вариации скорости вращения земли как индикатор крупномасштабных изменений в атмосфере. // В сб.: Труды Третьей Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности", т.7. - СПб.: Издательство Политехнического университета. - 2006. (В печати.)
    • Кондратович К. В., Куликова Л. А., Вершовскии М.Г. Антициклонические центры действия атмосферы и вариации скорости суточного вращения Земли. // В сб.: Вопросы промысловой океанологии, вып.З. - М.: Издательство ВНИРО. - 2006. (В печати.)
    • Кондратович К. В., Куликова Л. А., Федосеева Н. В. Изменения атмосферных макропроцессов и температуры водной поверхности Атлантики в XX веке. // В сб.: Тимонов В.В. К 100-летию со дня рождения. - СПб.: Изд. РГГМУ. - 2001. - С. 30-37.
    • Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. - СПб.: Гидрометеоиздат. -2002. - С. 7-8.
    • IERS Annual Report 2003. - Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts fur Kartographie und Geodasie. - 2004. - P. 24.
    • Oort A.H. Angular momentum cycle in the atmosphere-ocean-solid earth system. // Bull. Amer. Meteor. Soc. - 1989. -Vol. 70. -No. 10. -P. 1233.
    • Salstein D.A., Rosen R.D. Earth rotation as a proxy for interannual variability in atmospheric circulation, 1860-present. // J. of Clim. and Appl. Meteor. - 1986. - Vol. 25. - P. 1870-1871.
    • Starr, V.P. An essay on the general circulation of the earth's atmosphere. // J. of Meteor. - 1948. -No. 5.-P. 39-43.
     



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.