УДК 551.583

На правах рукописи

Салугашвили Руслан Сергеевич

ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

В ЕВРОПЕ В ПЕРИОД СОВРЕМЕННОГО ГЛОБАЛЬНОГО

ПОТЕПЛЕНИЯ

Специальность 25.00.30 – метеорология,

климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Обнинск - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных»

Научный руководитель: Шерстюков Борис Георгиевич доктор географических наук, старший научный сотрудник; ФГБУ «ВНИИГМИМЦД», зав. лабораторией

Официальные оппоненты: Сидоренков Николай Сергеевич доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник; ФГБУ "Гидрометцентр России"; зав. лабораторией планетарной циркуляции и гелиогеофизических исследований Шанталинский Константин Михайлович кандидат географических наук, доцент кафедры метеорологии, климатологии и экологии атмосферы; Казанский (Приволжский) федеральный университет

Ведущая организация: Институт географии Российской академии наук

Защита состоится 28 февраля в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.081.20 в Казанском (Приволжском) федеральном университете по адресу: 4200008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, корп. 2, ауд.1211.

Автореферат разослан _ февраля 2013г

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им.

Н.И.Лобачевского ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент Ю.Г.Хабутдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Изучение изменений климата Европы имеют длительную историю. Тренды температуры изучались многими за рубежом (Jones P.D., Folland C.K. Karl T.R., Wallace J.M., Zhang J, Parker, D. E.) и в России (Груза Г.В., Ранькова Э.Я., Переведенцев Ю.П., Шанталинский К.М., Шерстюков Б.Г., Анисимов О.А., Бардин М.Ю., Разуваев В.Н., Булыгина О.Н. и др.). Меньше изучались колебания температуры.

Большое внимание уделялось изучению влияния Атлантики на климат Европы, начиная с работ Бьеркнеса Дж. и Митчела Дж. М. В России этими вопросами занимались Лаппо С.С., Монин А.С., Даценко Н.М., Максимов И.В., Мохов И.И., Гулев С.К., Бышев В.И, Нейман В.Г, Добролюбов С.А., Разоренова О.А. и др. Исследование взаимосвязи взаимодействия океана и атмосферы с климатом в Европе, неразрывно связано с изучением атмосферной циркуляции.

В данном направлении работали Семенов В.А., Хон В.Ч., Латиф М., Роекнер Э., Крыжов В. Н., Полонский А.Б, Попова В. В, Шмакин А.Б, Нестеров Е.С, Угрюмов А.И., Wallace J. M., Ворли С. Поиски энергоактивных зон в океане проводились ранее в рамках программы «Разрезы», под руководством Марчука Г.И., но тогда изучались районы наиболее интенсивных сезонных перестроек потоков тепла на границе атмосферы и океана, межгодовые колебания не рассматривались. Результаты работ перечисленных авторов послужили базой для дальнейшего более углубленного изучения проблемы колебаний климата Европы на современных данных.

В настоящей работе сезонные особенности исследовались в меньшей степени, а основное внимание было направлено на изучение межгодовых колебаний среднегодовой температуры воздуха Европы и на изучение возможных причин возникновения этих колебаний. Много места в работе уделено исследованию влияния многолетних колебаний температуры поверхности океана (ТПО) на температуру воздуха (ТВ) различных районов Европы. Анализируется роль атмосферной циркуляции в формировании пространственных различий в колебаниях температуры воздуха в разных регионах Европы.

Актуальность темы Потепление климата в Европе в последнее десятилетие становится все заметнее и все чаще приводит к опасным последствиям для человека.

Наряду с парниковым фактором потепления, региональные факторы изменений климата остаются недостаточно изученными.

Актуальность темы определяется необходимостью более глубоких знаний о естественных региональных колебаниях температуры воздуха и об их причинах в эпоху современного глобального потепления.

Актуальность выбора темы диссертации именно сегодня определяется тем, что развитию исследований по этой теме способствует появление новых обширных массивов данных наблюдений за атмосферой и океаном, которые позволяют более детально изучать старые проблемы на новых данных.

Цель работы: Выявить региональные изменения ТВ в Европе и их причины в период современного глобального потепления.

Для достижения цели решались следующие задачи • Исследовать современные тенденции в изменениях ТВ • Провести районирование территории Европы по колебаниям ТВ • Выявить региональные особенности колебаний ТВ Европы • Установить возможные причины формирования региональных климатических особенностей.

• Оценить вклад океана и неравномерности вращения Земли в изменения ТВ Объектом исследования является температура воздуха (ТВ) в Европе в период современного глобального потепления.

Предмет исследования: региональные особенности, новые тенденции и возможные причины изменений и колебаний ТВ Европы Методы исследования:

статистического анализа и оценки достоверности полученных результатов.

Использованы методы корреляционного анализа, метод анализа трендов, статистической достоверности полученных результатов. Визуализация полученных результатов была выполнена на основе Геоинформационных Систем. Использовались программы: MapInfo и ArcView Gis. В MapInfo интерполяция осуществлялась методом взвешенных обратных расстояний (Inverse Distance Weighting - IDW) Исходные данные для обработки:

гидрометеорологических станциях мира и за температурой поверхности Мирового океана в узлах географической сетки, данные теплосодержания океана, а также данные об изменениях скорости вращения Земли и продолжительности суток. Привлекались данные об индексах циркуляции атмосферы.

Анализ проводится за период интенсивного глобального потепления с по 2010, но привлекались данные и за более длительный период.

Научная новизна результатов:

Выявлены новые особенности в изменении пространственной и сезонной структуры потепления климата северного полушария, которые привели к временному замедлению глобального потепления климата с Предложен авторский индекс влияния Атлантики на колебания ТВ в Установлено, что наилучшие статистические связи колебаний ТВ Европы с ТПО обнаруживаются в тех районах Мирового океана, в которых морские течения встречают препятствия в виде подводных хребтов и цепей островов.

Показано, что многолетние колебания скорости вращения Земли имеют наилучшую статистически достоверную корреляцию с колебаниями ТПО также в тех районах, в которых морские течения пересекают подводные хребты и цепи островов.

Получены количественные оценки вклада колебаний скорости вращения Земли в колебания ТПО и оценки вклада колебаний ТПО в колебания Практическая и теоретическая значимость полученных результатов Полученные результаты уточняют и развивают существующие представления о формировании изменений и колебаний климата Европы, об их связи с процессами в верхнем слое океана и о роли глобального внешнего фактора – скорости вращения Земли – в модуляции возмущений в океане и в атмосфере. Обнаруженные зависимости и количественные оценки вклада глобального внешнего фактора в колебания ТПО в специфических районах, а также оценки вклада возмущений ТПО в этих районах в колебания климата Европы, могут использоваться при разработке новых физико-математических и статистических моделей климата.

Выводы о существенном вкладе естественных составляющих колебаний климата в общий временной ход изменений регионального климата имеют теоретическое значение для понимания региональных процессов в климатической системе.

Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре метеорологии, климатологии и экологии атмосферы КФУ в курсе лекций по теории климата и циркуляции атмосферы.

Защищаемые положения:

Новые особенности в изменении пространственной и сезонной структуры потепления климата северного полушария, которые сопровождаются замедлением глобального потепления климата с начала ХХI века.

Авторский индекс – показатель влияния Атлантики на климат Европы.

Многолетние колебания температуры воздуха Европы на 25-35 % зависят от колебаний ТПО в районах пересечения морских течений с подводными Колебания скорости вращения Земли приводят к появлению синхронных колебаний ТПО Мирового океана преимущественно в районах пересечения морскими течениями подводных хребтов (вклад до 30-45 %) и аналогичных колебаний ТВ в Европе (вклад до 20-30 %) Апробация работы Материалы исследований докладывались на международных, всероссийских, региональных научных конференциях:

• Международная научная конференция «Проблемы адаптации к изменению климата» (Москва, 2011 г.).

• Международная конференция «Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы)» (Воронеж, 2012 г.).

• 16-я Международная конференция молодых ученых «Состав атмосферы.

Атмосферное электричество. Климатические эффекты» (Звенигород, 2012 г.).

• Международная научная конференция по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, 2012 г.).

• Всероссийская конференция молодых специалистов, посвященная 50-летию НПО « Тайфун» (Обнинск, 2010 г).

• Всероссийская конференция молодых ученых, посвященная 55-летию института Прикладной геофизики (Москва, 2011 г).

• Конференция «Использование средств и ресурсов Единой системы информации об обстановке в Мировом океане для информационного обеспечения морской деятельности в Российской Федерации» (Обнинск, г.).

• Научная региональная конференция Калужского государственного педагогического университета им. К.Э Циолковского (Калуга, 2009, 2010, 2011 и 2012 гг.).

По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских и докторских диссертаций.

Личный вклад соискателя Все представленные в диссертации результаты и выводы получены в ходе исследований выполненных лично соискателем. Обработка данных метеорологических наблюдений и статистический анализ выполнены по алгоритмам и программам, разработанным соискателем.

Структура и объем диссертации Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит рисунков, 6 таблиц. Общий объем работы 139 страниц. Список цитируемой литературы насчитывает 103 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, определены объект и предмет исследования. Представлены основные положения, выносимые на защиту, а также перечислены основные методы исследований, использованные в работе.

В первой главе описано современное состояние вопроса об изменениях и колебаниях климата Европы. Обращено внимание на важность естественных факторов, а также на необходимость исследования изменений климата, учитывая соотношение естественных и антропогенных факторов. Дается перечень источников данных для проведения исследований и описаны применяемые методы статистического анализа данных наблюдений. Описаны методы оценки достоверности полученных результатов.

Во второй главе описаны многолетние тренды изменения температуры в Северном полушарии и новые тенденции последнего десятилетия по результатам исследования соискателя. Показано, что за период 1976-1998 годов в Северном полушарии преобладало потепление климата с трендами до 0.5 оС/ лет и выше, за исключением некоторых участков севера Канады, в которых наблюдалось похолодание с трендами до 0.5оС/10 лет.

В последнее десятилетие на севере Канады похолодание усилилось (тренды -1.5°С/10лет) (рис.1) и произошло расширение областей с отрицательными трендами ТВ и ТПО от -0.1 до 0.5°С/10лет в Северной Америке и прилегающих частях Атлантического и Тихого океанов.

В сезонных особенностях трендов температуры воздуха в Европе обнаружены закономерности перемещения очагов наибольшего потепления. В течение года очаг максимального потепления закономерно перемещается на карте Европы по замкнутой траектории в направлении против часовой стрелки. Особенности перемещения очагов объясняются сезонными перестройками атмосферной циркуляции.

В третьей главе описаны исследования межгодовых колебаний климата.

Приводятся результаты проведенного районирования территории первого естественного синоптического района (ЕСР) и прилегающей территории с помощью метода объективной классификации. Выделены районы (рис.3) однотипных колебаний ТВ.

классификации Б.П. Алисова и выполнено сравнение районов авторской классификации по колебаниям климата с положениями гребней в атмосферной циркуляции по классификации Вангенгейма-Гирса.

Обнаружено, что между климатическими районами Европы и Азии, расположенными вблизи двух гребней волны планетарной высотной фронтальной зоны или вблизи двух ложбин, возникают положительные дальние связи колебаний климата. Отрицательные дальние связи наблюдаются между районами, один из которых вблизи гребня, а другой вблизи ложбины планетарной высотной фронтальной зоны. Показано, что согласованные колебания температуры воздуха в разных районах Европы в значительной мере связаны с особенностями и колебаниями атмосферной циркуляции.

В четвертой главе описаны результаты анализа корреляций колебаний температуры по отдельным климатическим районам Европы с колебаниями температуры поверхности Мирового океана. Океан рассматривается как один из основных источников колебаний климата Европы. На основе анализа пространственных особенностей полученных корреляций предложено два новых индекса влияния Атлантики на колебания температуры Европы - индекс умеренных широт I1 и арктический индекс I2. Для каждого района Европы выбрано два района в океане, один из которых имеет высокую положительную, а другой отрицательную корреляцию с колебаниями климата Европы. Индекс вычисляется по формуле:

T+ - температура в районе океана с положительной корреляцией между корреляцией между ТПО и ТВ в Европе.

Для индекса умеренных широт I1 район положительных корреляций (Т ) получен путем объединения шести узлов западнее Азорских островов, а в I2, были взяты пары районов в Северной Атлантике и в акватории Баренцева моря. На рис.4. на карте показаны районы океана, выбранные как характерные для вычисления предложенных индексов. Овалами обведены узлы для индекса умеренных широт, а квадратиками выделены узлы для арктического индекса.

Красным цветом выделены узлы положительной корреляции, а белым отрицательной.

Новые индексы дополняют перечень известных в мире индексов NAO, AO и др.

Оценка корреляций новых индексов с колебаниями температуры воздуха в Европе, показывает, что эти индексы лучше отражают среднегодовые колебания температуры воздуха в Европе в сравнении с большинством существующих среднегодовых индексов (NAO, EA, WP, EP/NP, PNA, EA/WR, SCAND, POL, TNH, PT) теплосодержания верхнего слоя океана и температуры в Европе. Показано, что потепление климата в Европе происходит на фоне увеличения теплосодержания Северной Атлантики. При этом по косвенным данным обнаружено, что изменение теплообмена на границе океан-атмосфера зависит от инерционных свойств и толщины верхнего слоя теплового взаимодействия океана и атмосферы.

Анализ корреляций между колебаниями ТВ Европы и величины индекса инерционности Б.Г. Шерстюкова в узлах географической сетки океана показал, что колебания температуры воздуха в Северо-западном районе Европейской территории России (ЕТР) имеют отрицательную корреляцию с индексом в районе Гольфстрима.

0.50...0.59 -.019...-0. 0.40...0.49 -0.29...-0. 0.30...0.39 -0.39...-0. 0.20...0.299 -0.49...-0. 0.10...1.199 -0.55...-0. 0.50...0.59 -.019...-0. 0.40...0.49 -0.29...-0. 0.30...0.39 -0.39...-0.30 континентами с колебаниями скорости вращения Земли за 0.20...0.299 -0.49...-0. 0.10...1.199 -0.55...-0.50 период 1976 -2005 гг. в узлах географической сетки 0.050...099 =0.5) температуры со скоростью вращения Земли располагаются на карте протяженным очагом по оси Гольфстрима от Бермудских островов (r>=0.6) на западе Атлантики до побережья Западной Европы. В районе Южных пассатов и Бразильского течения в Атлантическом океане, также очень большие значения коэффициентов корреляции (r>=0.6). В Индийском океане, очаг наибольших положительных корреляций (r>=0.3) располагается в области между Муссонным течением (пересекает Мальдивские о-ва) и Южно-пассатным течениями (пересекает Аравийско-Индийский хребет), достигая r>=0.6, в районе Мальдивских островов.

Наибольшие положительные корреляции температуры в Тихом океане со скоростью вращения Земли (r>=0.6), обнаружены в районе пересечения Северным Пассатом Марианских и Каролинских островов. А также в районе Новой Зеландии (r>=0.6), что примерно соответствует прохождению здесь Течения западных ветров. Очаг положительных корреляций распространяется от Новой Зеландии на восток до Восточно-Тихоокеанского поднятия.

Отрицательные значения коэффициентов корреляции в Тихом океане локализуются двумя очагами. Первый очаг - в районе Перуанского холодного течения западнее Восточно-Тихоокеанского поднятия, достигает значений r = -0.5, и второй обширный очаг небольших отрицательных корреляций - в районах разломов Клиппертон и Кларион (в нескольких узлах r= -0.4).

Коэффициенты корреляции являются статистически достоверными с вероятностью не менее 95%. Полученные результаты подтверждены при анализе данных на интервале с 1901 по 2005 гг.

Все значимые корреляции, как положительные, так и отрицательные обнаружены в районах морских течений, причем преимущественно в местах пересечения ими подводных хребтов и цепей островов. То есть в тех местах, в которых возникают препятствия на пути течений и усиливается вертикальное перемешивание океана.

На рис. 8 показан график изменения скорости вращения Земли и ТПО в одном из узлов вблизи Азорских островов (r=0.4, значимость более 95%).

Наличие значимых корреляционных связей между изменениями скорости вращения Земли и ТПО, а также связей колебаний ТПО и ТВ в Европе, дает возможность предположить наличии цепочки связи: скорость вращения ЗемлиТПОТВ в Европе.

Рис. 8. Изменение скорости вращения Земли и ТПО в узле вблизи Азорских островов.

неравномерности вращения Земли (Р%) в колебания ТПО обнаружен вблизи осей океанических течений и в местах их пересечения гряд островов и островов и тянется на карте (рис.9) на северо-восток вдоль Гольфстрима к