УДК 551.326.13
Ледовые условия Северного Каспия в различные
макроциркуляционные эпохи XX и XXI веков
И.О. Думанская
Гидрометеорологический научно-исследовательский центр
Российской Федерации, г. Москва, Россия
dumansk@rambler.ru
Даны количественные оценки изменчивости атмосферного давления в
центрах действия атмосферы и повторяемости форм атмосферной циркуляции за длительные периоды
наблюдений. Описаны общие механизмы влияния центров действия атмосферы и форм
атмосферной циркуляции на ледовые условия Северного Каспия. Показано, что для
многолетней изменчивости повторяемости различных форм атмосферной циркуляции
характерны циклические закономерности. Найдены периоды ряда циклов (гармоник) и
показано их участие в формировании изменчивости ледовых характеристик Северного
Каспия. Выявлены
и описаны существенные отличия в характеристиках температурного и
ледового режима Северного Каспия для одинаковых по индексу макроциркуляционных
эпох, которые наблюдаются в разные века. Показано, что полный цикл прохождения
смены основных форм циркуляции в последовательности W→C→E
совершается примерно за 84 года.
Ключевые слова: ледовые условия Северного Каспия, ледовитость Северного Каспия, суровость
зим в Каспийском море, макроциркуляционные эпохи, центры действия атмосферы,
повторяемость форм атмосферной циркуляции
Ice conditions in the North Caspian Sea
during different macrocirculation epochs
in the XX and XXI centuries
I.O. Dumanskaya
Hydrometeorological
Research Center of Russian Federation, Moscow, Russia
dumansk@rambler.ru
Quantitative
estimates of air pressure variability in the atmospheric centers of action and of
the frequency of atmospheric circulation patterns over long-term observation
periods are presented. The general mechanisms of influence of atmospheric centers
of action and atmospheric circulation patterns on ice conditions in the North Caspian
Sea are described. It is shown that cyclic variations are typical for a
long-term variability of the frequency of various atmospheric circulation
patterns. The periods of cycles (harmonics) and their participation in
formation of variability of ice characteristics of the North Caspian Sea are identified.
Significant differences in the characteristics of the temperature and ice
regime of the North Caspian Sea for macrocirculation epochs with the same index
observed in different centuries are revealed and described. It is shown that it
takes about 84 years to complete the cycle of change in the main circulation patterns
in the W→C→E sequence.
Keywords: ice conditions in the North Caspian Sea, ice coverage
of the North Caspian Sea, severity of winters
in the Caspian Sea, macrocirculation epochs, atmospheric centers of action, frequency
of atmospheric circulation patterns
Введение
Ледовые условия Северного Каспия (так же
как и любого другого моря) зависят от преемственности и цикличности процессов,
происходящих в природе [1, 2], связаны со спецификой макроциркуляционных
атмосферных процессов [9]. Последние, в свою очередь, существенно зависят от
состояния и взаимного влияния центров действия атмосферы (ЦДА) в течение
ледового сезона и в периоды времени, предшествующие ледообразованию. Главной
особенностью Северного Каспия является его мелководность (почти вся акватория
лежит в зоне с глубинами менее 20 м) и слабая адвекция тепла из районов
Среднего Каспия. В этой ситуации именно атмосферные процессы оказывают основное
влияние на его ледовый режим.
На климат
Каспийского моря влияют холодные арктические и влажные атлантические воздушные
массы, сухой воздух из Казахстана, теплые средиземноморские воздушные массы. В
течение года для моря характерно преобладание антициклональных условий погоды.
Циклоны, образующиеся над Северной Атлантикой, смещаются на Балтику и далее – в
район нижнего течения Волги. Продуцирование атлантических циклонов зависит от
степени развития Исландского минимума (ИМ). Траектория движения этих циклонов
располагается севернее Астрахани, таким образом, на формирование погоды на
Северном Каспии оказывают влияние их ложбины. С ними связано усиление
северо-западного ветра, осадки, зимой – метели. Южные циклоны (каспийские и
черноморские) образуются к югу от параллели 45º с. ш. В среднем
с ноября по март через Астрахань проходит 23 циклона.
Зимой условия для выхода циклонов на северную часть моря создаются при
ослабленном влиянии Сибирского максимума (СМ). Один из его гребней с середины
января до конца февраля ориентирован на Каспий и обеспечивает здесь
преобладание ясной холодной погоды. Сибирский максимум аккумулирует холод, Азорский
максимум (АЗМ) поставляет тепло, Исландский
минимум продуцирует циклоны. Все три ЦДА находятся
в состоянии непрерывной трансформации. Их влияние друг на друга проявляется в
обмене воздушными массами, количеством тепла и движения. Наиболее быстрый обмен
происходит между АЗМ и ИМ, находящимися на расстоянии примерно 3500 км
друг от друга [5]. Медленнее,
пропорционально расстоянию между центрами,
осуществляется взаимное влияние СМ и АЗМ, СМ и ИМ. Участвует в обмене
воздушными массами и Алеутский минимум (АЛМ), центр которого расположен
примерно в 4500 км от центра сибирского антициклона.
Летом процессы атмосферной циркуляции над Каспийским морем
определяются воздействием усиливающегося Азорского максимума [6, 7].
Количественная оценка макроциркуляционных атмосферных процес-сов может быть сделана,
например, по классификации, разработанной Г.Я. Вангенгеймом и
А.А. Гирсом. Авторы макроциркуляционного метода долгосрочных
метеорологических прогнозов исходили из того, что в
Северном полушарии западно-восточный перенос (форма циркуляции W) нарушается
меридиональными потоками тепла и количества движения (характерными для форм
циркуляции E и C). Эти
нарушения происходят из-за
неравномерности нагревания суши и моря, циклонической деятель-ности на тропосферных
фронтах, солнечной активности, «комплекса космикогеофизических факторов» [3, 8]. Метод основан на
выявлении однородных атмосферных процессов, а также сопряженных с ними
гидрологических и ледовых процессов, которые в различное время года являются
характерными для отдельных регионов земного шара. Так, например, была установлена связь между изменениями уровня Каспийс-кого моря и
преобладанием той или иной формы атмосферной циркуляции (АЦ) [4].
Целью
исследования, положенного в основу данной статьи, является оценка изменчивости
характеристик ЦДА и повторяемости форм атмосферной циркуляции в зимний период, а также выявление
существующих и прогноз будущих особенностей ледового режима Северного Каспия в различные
макроциркуляционные эпохи в условиях происходящих климатических изменений.
1. Использованные данные
Информационной основой
исследования являются данные электронного архива метеорологической и ледовой
информации, сформированного в ФГБУ «Гидрометцентр России» (ГМЦ России). В
частности, использована метеорологическая информация о среднемесячной
температуре воздуха в Астрахани (длина ряда – 132 года); приземном давлении в
районах ЦДА: Сибирском максимуме (Иркутск), Исландском минимуме (Рейкьявик),
Азорском максимуме (Понта-Делгада), Алеутском минимуме (о. Беринга). Длина
рядов данных о параметрах центров действия атмосферы составляет: 109 лет (с
1909 по 2017 г.) – для Алеутского минимума, 132 года (с 1886 по 2017 г.) –
для других ЦДА.
Также использованы многолетние данные наблюдений на морских
гидрометстанциях Искусственный и Пешной. Длина рядов данных о датах наступления
ледовых фаз (первом появлении льда – ПП и окончательном очищении моря ото льда
– ОО); продолжительности ледовых периодов (ЛП); максимальных за зиму толщин
льда (МТ); максимальной за зиму ледовитости Северного Каспия (МЛ) составляет
65–90 лет.
2. Изменчивость
интенсивности ЦДА и повторяемости различных
форм атмосферной циркуляции в XX – начале XXI века
Климатические
изменения, происходящие в настоящее время,
затрагивают все элементы климатической системы. Поскольку давление воздуха в
районах ЦДА в значительной мере характеризует особенности распределения крупных
атмосферных барических образований, была исследована изменчивость этой
характеристики в холодное время года за периоды, превышающие 100 лет. При этом
было выявлено, что в районах Исландского минимума и Алеутского минимума в течение всего периода наблюдений в зимние месяцы
отмечается нейтральный линейный тренд давления. Прослеживается небольшое
уменьшение зимнего давления в районе Сибирского максимума (на 1 гПа). А
вот в районе Азорского максимума изменчивость
давления имеет значительный и устойчивый положительный тренд. Если в начале XX
века среднее давление в январе-феврале в пункте наблюдения АЗМ составляло
1018 гПа, то к настоящему времени оно увеличилось до 1022 гПа
(т. е. на 4 гПа), при этом среднегодовое давление увеличилось лишь на
2 гПа. В течение периода наблюдений увеличивалась также на 4 гПа
разность значений приземного давления в районах АЗМ и ИМ (за счет АЗМ), а
значит, и интенсивность западно-восточного
переноса.
Тот факт, что в последние
годы над европейской частью России преобладает форма циркуляции W (по классификации
Г.Я. Вангенгейма и А.А. Гирса), подтверждают данные из табл. 1.
В таблице каждому году начиная с
и зимней (б) повторяемости форм атмосферной циркуляции на рис. 1. На графиках показаны линейные тренды и
полиномиальные тренды 4-го порядка.
Анализ годовых и сезонных графиков изменчивости повторяемости форм АЦ
выявил существенные различия
в их линейных трендах для 117-летних периодов наблюдений, а именно:
‒
годовая повторяемость формы E возрастает, формы W – уменьшается, формы C – мало меняется;
‒
зимняя повторяемость формы E
уменьшается, формы W
– мало
меняется, формы C
– возрастает;
‒ летняя
повторяемость формы E
сильно возрастает, формы W
– уменьшается, формы C
– уменьшается.
Возрастание повторяемости процессов формы E в летний период означает, что
поток теплого воздуха от экватора к умеренным широтам увеличивается,
обеспечивая усиление Азорского максимума и поступление дополнительных порций
тепла на Северный Каспий. При этом усиливается прогрев водных масс Каспийского
моря, что влечет за собой более позднее ледообразование и уменьшение
ледовитости моря.
Таблица 1. Преобладающие формы
атмосферной циркуляции (1900–2016 гг.)
Table 1. Prevailing atmospheric circulation forms (1900-2016)
|
Год |
Индекс |
Год |
Индекс |
Год |
Индекс |
Год |
Индекс года |
|
? |
1929 |
W |
1958 |
E+C |
1989 |
E |
|
|
W+E |
1959 |
C |
W2 |
||||
|
1900 |
C |
1930 |
E |
1960 |
E |
1990 |
W |
|
1901 |
С |
1931 |
W |
1961 |
W |
1991 |
C |
|
1902 |
C |
1932 |
W |
1962 |
C |
1992 |
W |
|
W1 |
1933 |
E |
1963 |
C |
1993 |
W |
|
|
1903 |
W |
1934 |
E+W |
1964 |
C |
1994 |
W |
|
1904 |
W |
1935 |
E |
1965 |
C |
1995 |
E |
|
1905 |
W |
1936 |
E |
Е |
1996 |
E+C |
|
|
1906 |
W |
1937 |
E |
1966 |
E |
1997 |
W+C |
|
1907 |
W |
1938 |
W |
1967 |
E |
1998 |
W |
|
1908 |
C |
1939 |
W |
1968 |
E+C |
1999 |
W |
|
1909 |
E+W |
С |
1969 |
E |
2000 |
W |
|
|
1910 |
W |
1940 |
C |
1970 |
E |
2001 |
E |
|
1911 |
W+C |
1941 |
C |
1971 |
E+C |
2002 |
W |
|
1912 |
W+C |
1942 |
C |
1972 |
E |
2003 |
W |
|
1913 |
W |
1943 |
C+W |
1973 |
C |
2004 |
W |
|
1914 |
W |
1944 |
C |
1974 |
E |
2005 |
W |
|
1915 |
W+C |
1945 |
C |
1975 |
E |
2006 |
W |
|
1916 |
W |
1946 |
C |
1976 |
E |
2007 |
W |
|
1917 |
W+C |
1947 |
C |
1977 |
E |
2008 |
W |
|
1918 |
W |
1948 |
C+W |
1978 |
E |
2009 |
W |
|
1919 |
W |
E+C |
1979 |
E |
2010 |
E |
|
|
1920 |
E |
1949 |
W |
1980 |
E |
2011 |
W |
|
1921 |
W |
1950 |
E+C |
1981 |
E |
2012 |
W |
|
1922 |
W |
1951 |
E |
1982 |
E |
2013 |
W |
|
1923 |
W |
1952 |
E |
1983 |
E |
2014 |
E |
|
1924 |
W |
1953 |
W |
1984 |
E |
2015 |
W |
|
1925 |
W |
1954 |
E |
1985 |
E |
2016 |
E |
|
1926 |
W |
1955 |
E |
1986 |
E |
|
|
|
1927 |
E |
1956 |
C |
1987 |
E |
|
|
|
1928 |
W |
1957 |
C |
1988 |
E |
|
|
В ходе исследования для каждой группы лет,
соответствующей тому или иному индексу эпохи, были вычислены средние значения
приземного давления в четырех ЦДА. Анализ полученных результатов позволил выявить
следующие закономерности.
Рис. 1. Изменчивость годовой
(а) и зимней (б) повторяемости форм атмосферной циркуляции: Δ E
– отклонение от нормы (N) повторяемости формы
E
(N
для года =159, N
для зимы =41); Δ W – отклонение от нормы
повторяемости формы W (N для года =115, N
для зимы =30); Δ C – отклонение от нормы
повторяемости формы C (N для года =91, N
для зимы =19).
Fig. 1.Variability
of annual (a) and winter (b) the frequency of occurrence of the forms of
atmospheric circulation: Δ E – the deviation from the norm (N) of the
frequency of occurrence of form E (N for year =159, N for winter =41). Δ W
– the deviation from the norm of
the frequency of occurrence of the form W (N for year =115, N for winter =30); Δ
C – the deviation from the norm
of the frequency of
occurrence of the form C (N for year =91, N for winter =19).
Для преобладания формы W, когда над Каспийским морем наблюдается частое
прохождение атлантических циклонов, ИМ и АЗМ в зимнее время усилены, между ними наблюдается
большая разность давлений (около 23 гПа). СМ ослаблен, так же как и АЛМ.
Для преобладания
формы E над европейскими морями России
наблюдается высотный гребень. Траектории движения атлантических циклонов
смещаются на север. Такая ситуация способствует распространению отрога СМ на
акваторию Северного Каспия, что вызывает заток холодного воздуха. При этом СМ
достаточно активен (близок к норме за весь период наблюдений), однако менее активен, чем при форме С.
Разность давлений между АЗМ и ИМ составляет 19 гПа.
Для преобладания
формы C над регионами европейского
сектора России наблюдается высотная ложбина, определяющая сдвиг на юг траекторий
атлантических циклонов в
холодное время года и затоки холодного воздуха в тылу
циклонов. При этом ИМ и АЗМ ослаблены (разность давлений между АЗМ и СМ
составляет только 14 гПа. СМ и АЛМ, напротив, наиболее активны. Зимние атмосферные процессы
разнообразны: возможны как затоки холода в тылу циклонов, так и вынос тепла с
акватории Средиземного моря.
Исследование изменчивости
давления в зимние месяцы в районе Азорского максимума позволило выявить не только
значительный восходящий линейный тренд, но и циклическую составляющую
изменчивости этой характеристики (после вычета линейного тренда) с максимумами
в 1922‒1924 и 2006‒2008 гг. и минимумом в
1964‒1966 гг. Ее период
составил примерно 84 года. Анализ изменчивости годовой и
зимней
повторяемости трех форм АЦ (рис. 1) показывает, что в
изменчивости этих характеристик также имеют место цикличные закономерности.
График годовой повторяемости трех форм АЦ (рис. 1 а) имеет две ярко
выраженных волны, демонстрирующих цикличность изменения повторяемостей форм W и
E. Процессы формы C более пассивны и получают свое развитие тогда,
когда отклонения от нормы повторяемостей форм W и E приближаются к нулю. Это происходило, например, в период с 1940 по 1948
год (в эпоху С).
3. Ледовые условия Северного Каспия в различные макроциркуляционные
эпохи в XX веке
Ранее
предполагалось, что при повторении макроциркуляционных эпох одной и той же
формы циркуляции в конкретном районе Европейской
территории России можно ожидать повторения схожих метеорологических и
ледовых условий [3]. После выявления устойчивых температурных трендов можно
говорить лишь о схожих тенденциях в изменении этих условий при переходе от
одного вида атмосферной циркуляции к другому. К настоящему времени накоплены
данные для эпох всех трех основных видов АЦ, и мы можем отследить отклик
климатической системы Северного Каспия на смену индекса эпохи. Кроме того, как
показывает табл. 1,
в XX веке дважды наблюдалась эпоха W: с 1903 по 1928 год – W1 и с 1990 по 2017 год – W2, что дало возможность определить изменения параметров
климатической системы для двух соседних эпох W на примере региона Каспийского моря. Оказалось, что во вторую эпоху W2 СГДМ в Астрахани была в 1,74 раза меньше, чем
в первую эпоху W1. При переходе от
первой эпохи ко второй повторяемость суровых зим уменьшилась почти в 5 раз, а
мягких – увеличилась более чем в 3,5 раза. Ледовитость моря уменьшилась на
5 %, а толщина льда на 10–20 см. Таким образом, термические
и ледовые характеристики одинаковых по индексу эпох существенно отличаются. При
этом средние показатели приземного давления во всех ЦДА для первой и второй
эпох W оказались
довольно близкими, за исключением АЗМ, для которого зимнее давление во втором
случае было существенно выше (более чем на 2 гПа).
В течение 132-летнего
периода в целом наблюдается уменьшение СГДМ в Астрахани, средняя скорость которого
составляет 2 °C/год:
если в начале XX века средняя СГДМ в районе Астрахани составляла
500–550 °C (а в районе Атырау
800–850 °С), то в начале XXI века она уменьшилась до
300–350 °C (в районе Атырау до
600–650 °С). На рис. 2 а – пример ледовых условий для зимы, обычной для
начала XX века, на рис. 2 б – для зимы, характерной для
начала XXI века. При сохранении таких темпов уменьшения СГДМ в середине XXII века
возможно ее понижение до
50–100 °C (в районе Атырау – до 150–300 °С). Примером такой предполагаемой типичной
зимы для середины ХХII века может служить сезон
1999/2000 гг., когда СГДМ в Астрахани составляла около 50 °C, а в районе Атырау – 150 °C (рис. 2 в).
В общий длительный процесс уменьшения суровости зим смена
макроциркуляционных эпох вносит свои коррективы на отдельных отрезках времени.
В частности, расчет
фактической повторяемости суровых, умеренных и мягких зим в Астрахани
(определение типа суровости зим для каждого года приведено в [10]) для
различных макроциркуляционных эпох в XX веке показал, что для эпохи W1 число суровых зим составило 19 %, а мягких – 12 %; для
эпохи С – 44 и 22 %, для эпохи Е – 12 и 21 % соответственно. Обращает
на себя внимание тот факт, что на общем тренде потепления в эпоху С
(1940‒1948 гг.) количество суровых зим резко возросло, что повлияло
соответственно и на ледовые условия в этот период.
4.
Прогноз ледовых условий Северного Каспия в
различные макроциркуляционные эпохи XXI века
Попробуем
представить, какими могут быть ледовые условия на Северном Каспии в XXI веке. Для этого осуществим
расчет двумя различными способами.
I способ основывается на использовании линейных связей СГДМ
в Астрахани с ледовыми характеристиками Северного Каспия.
Об информативности СГДМ (в плане характеристики ледовых условий)
свидетельствуют коэффициенты корреляции между СГДМ и ледовыми параметрами:
‒ ледовитостью
Каспийского моря: +0,76;
‒ толщиной льда в районе
о. Пешной: +0,79, о. Искусственный: +0,85;
‒ продолжительностью ЛП у
о. Пешной: +0,55 и у о. Искусственный: + 0,51.
|
а) |
б) |
|
в) |
|
Рис. 2. Ледовая обстановка на Северном Каспии в
феврале в характерную зиму: начала XX века, СГДМ (А) = 550 °С (а); начала XXI века, СГДМ (А) = 310 °С (б); середины XXII века СГДМ (А) = 50
°С (в).
Fig. 2. Ice situation
in the Northern Caspian in February in a typical winter: the beginning of the
XX century (the sum of degree-days of frost in Astrakhan is 550 °C) (а); the beginning of the XXI century (the sum of degree-days of frost in
Astrakhan
is 310 °C) (б); the middle of the
XXII century (the sum of degree-days of frost
in Astrakhan is 50 °C) (в).
Если предположить, что
уменьшение СГДМ, характерное для перехода от эпохи W1 к эпохе W2, в той же степени (в 1,74 раза)
коснулось и других типов макроциркуляционных эпох, можно рассчитать характерные
значения СГДМ для аналогичных эпох в XXI веке (изменяющихся, например, в той
же последовательности).
Поскольку коэффициенты
корреляции между СГДМ в Астрахани и такими ледовыми характеристиками, как
толщина льда и ледовитость Северного Каспия, довольно велики (К=0,8), по
корреляционным уравнениям были определены средние значения этих характеристик
для различных макроциркуляционных эпох XXI век. С несколько меньшим правдоподобием
(при К=0,5–0,6) выполнен расчет по СГДМ возможной продолжительности ледового
периода.
II способ основывается на суммировании гармоник (синусоид). В данном случае
в качестве прогностического инструмента использован один из компонентов
методики долгосрочного прогноза, разработанного в Гидрометцентре России.
Подробное описание методики можно найти в [10, 11]. При работе над одним из
компонентов прогноза было сделано предположение о том, что в пределах обширных
территорий изменчивость природных явлений подвержена влиянию единых циклов
(являющиеся, вероятно, результатом внешнего гравитационного воздействия).
Периоды циклов определялись по ряду приземной температуры воздуха в
Санкт-Петербурге, для которого имелось наибольшее число наблюдений. Разложению
на гармоники подвергался 200-летний ряд отклонений СГДМ от генерального тренда.
При этом генеральный тренд также описывался синусоидой, наиболее соответствующей
полиномиальному тренду 2-го порядка. Всего выделена 31 синусоида. Было обращено внимание на близость
периодов отдельных найденных гармоник с периодами колебания гравитационных
воздействий (орбитальных периодов) Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, а также с
циклами солнечной активности. Кроме того, была
доказана согласованность изменчивости сумм градусодней мороза,
аппроксимированной первой (генеральной) гармоникой с периодом 1008,8 года, с
палеоклиматическими представлениями [10].
Коэффициенты корреляции между рядами
значений, рассчитанных по суммам гармоник, и соответствующими рядами
фактических значений для разных ледовых характеристик российских морей варьируют от 0,5 до 0,8. Эффективность
расчета ледовых характеристик по сравнению с климатом составляет 10–25 %
[11]. Для примера некоторые значимые частные коэффициенты корреляции между
значениями гармоник и параметрами различных природных процессов приведены в
табл. 2 (уровень значимости этих коэффициентов
с учетом длины рядов наблюдений не менее 0,1). Эта таблица могла бы быть
дополнена многими другими выявленными случаями связи гармоник с изменчивостью
параметров природных рядов.
