6. Анализ временных метеорологических рядов

В этом разделе представлены результаты анализа реальных данных — долговременных рядов наблюдений за изменениями некоторых метеорологических параметров.

6.1. Процесс Южное Колебание - Эль-Ниньо

Южное Колебание — крупномасштабный атмосферный процесс, развивающийся над акваторией Тихого океана. Южное Колебание тесно связано с явлением Эль-Ниньо — резким потеплением океанических вод вблизи тихоокеанского побережья Центральной Америки. Этот глобальный процесс планетарного масштаба в системе атмосфера-океан, Южное Колебание и Эль-Ниньо (ЮКЭН или ENSO - El-Nino and Southern Oscillation), оказывает заметное влияние на динамику всей климатической системы планеты, воздействуя на циркуляции Гадлея и Уокера и на расположение областей активной конвекции в приэкваториальной зоне.

Процессы в тропической зоне, как предполагается, играют важную роль в формировании динамики климата в масштабах десятилетия и более. Опишем коротко это чрезвычайно интересное и важное явление ЮКЭН — своеобразные "диалоги ветра и моря".

Рождественское дитя — El-Nino (испанское для Christ Child), — так издавна называли рыбаки Эквадора и Перу теплое течение в океане, появлявшееся чаще всего к Рождеству и существовавшее в течение некоторого времени. В этот период рыба не ловилась (прекращался прибрежный апвеллинг). Теплое течение (и каникулы) могло появиться в мае или даже в июне, однако термин Эль-Ниньо за ним и связанными с ним явлениями с годами закрепился.

В 1920-х годах известный английский ученый Уокер (Gilbert Walker) работал в Индии над проблемой предсказания муссонов, приносящих иногда катастрофические ливни. Изучая, в частности, показания барометров, он обнаружил зависимость между данными, полученными на станциях в западной и восточной частях Тихого океана. Термин Южное Колебание был введен им для обозначения аномалий приземного атмосферного давления вдоль тропической зоны. Чередование знаков аномалий напоминает гигантские качели, перекачивающие массы воздуха между Восточным и Западным полушариями.

Вблизи центров действия Южного Колебания противоположного знака находятся станции, расположенные на острове Таити (17° ю.ш., 150° з.д.) и в городе Дарвин (12° ю.ш., 150° в.д.). Считается, что временной ряд разностей нормализованных аномалий давления этих станций (индекс Южного Колебания является наиболее обоснованной характеристикой временной динамики Южного Колебания.

Связь между этими двумя явлениями, Эль-Ниньо (в океане) и Южное Колебание (в атмосфере), была осознана гораздо позже — после сильного Эль-Ниньо в 1957 г. Долгое время общепринятой являлась интерпретация этой связи, основанная на гипотезе Виртки (Wyrtki) [18], хорошо проиллюстрированная в [19] и состоящая в следующем.

При нормальных условиях, С = 0, северо-восточные и юго-восточные пассатные ветры нагоняют теплую воду в западную часть Тихого океана; уровень моря здесь на 40 см превышает уровень моря в восточной части. Сгон воды сопровождается апвеллингом — подъемом глубинной холодной богатой питательными веществами воды у тихоокеанского побережья Южной Америки. При описанные явления выражены сильнее.

Когда индекс С уменьшается и становится отрицательным, градиент давления между восточной и западной частями Тихого океана заметно уменьшается. Не испытывая сопротивления ветра, теплая вода устремляется на восток, достигает берегов Южной Америки и затем движется к северу, к югу и в виде отраженной волны — на запад. Область теплой воды быстро расширяется.

Повышение температуры поверхности в восточной и центральной частях Тихого океана меняет расположение областей конвекции в атмосфере. Обычно конвекция активна над Индонезией и в западной части Тихого океана. С уменьшением индекса Южного Колебания в окрестностях австралийско-индонезийского центра действия наступает период очень сухой погоды, а в центральных и восточных частях Тихого океана, где дождей обычно не бывает, начинаются проливные дожди. Население прибрежных стран Южной Америки страдает от наводнений и шквалов; из-за прекращения прибрежного апвеллинга и выноса питательных веществ мигрируют или гибнут рыбы, птицы, животные. Такие периоды

бывают длительными, и это становится настоящим экологическим бедствием.

Меняется расположение областей конвекции в атмосфере не только над Тихим океаном, но и во всей приэкваториальной зоне. Сухая погода приходит на западные побережья Африки и Южной Америки, где обычно выпадает нормальное количество осадков. Наблюдается смещение путей распространения тропических циклонов. В Атлантике при Эль-Ниньо заметно уменьшается, а во Французской Полинезии увеличивается число дней с тропическими циклонами.

Хорошей иллюстрацией связи Южного Колебания и Эль-Ниньо являются результаты работы [20], где, в частности, представлены долготно-временной разрез аномалий поверхностной температуры на экваторе и синхронный ход индекса Южного Колебания за 1979 — 1988 гг. Изотермы строились по данным Вашингтонского центра климатических анализов. В рассматриваемый отрезок времени попали три теплых и три холодных эпизода.

Сравнение долготно-временного разреза аномалий поверхностной температуры на экваторе и синхронного хода индекса Южного Колебания позволяет выявить некоторые закономерности. Отметим по крайней мере три характерных момента. Имеется отрицательная корреляция между С и температурой поверхности океана: чем больше С, тем ниже температура, и чем больше по модулю отрицательное значение С, тем выше температура. Положительные аномалии температуры сохраняются дольше, чем отрицательные значения индекса С: во время развития Эль-Ниньо уменьшение С начинается одновременно с появлением положительной аномалии температуры в восточной части Тихого океана, увеличение же С после минимума начинается на 3-4 месяца раньше, чем падение температуры. Температура в экваториальной зоне Атлантического океана изменяется независимо от аномалий в Тихом океане, а колебания температуры в западной части экваториальной зоны Индийского океана и в восточной части Тихого океана коррелируют.

Аномальный нагрев вод в Тихом и Индийском океанах приводит к нагреву экваториальной атмосферы и обостряет контраст температур на экваторе и полюсах, что в свою очередь ведет к увеличению интенсивности зональной циркуляции.

Необычное расположение областей повышенной конвекции при Эль-Ниньо возмущает атмосферную циркуляцию не только в приэкваториальной зоне, но и на всем земном шаре. Связанные с этим аномалии погоды обнаруживаются в зонах умеренных широт. Так, сильное Эль-Ниньо 1982-1983 гг. привело к тому, что зимой 1982-1983 гг. с Северной Атлантики через Скандинавию двигались на восток необычайно интенсивные циклоны. Напомним, что вызванные ими штормы размыли Куршскую косу. Многие природные явления, происходящие во время действия Эль-Ниньо, имеют тяжелые экологические и экономические последствия.

Неудивительно, что процесс Южное Колебание-Эль-Ниньо и его последствия являются предметом неугасающего уже многие годы внимания исследователей. Последнее десятилетие было посвящено его пристальному изучению (программа TOGA). Получены новые данные, интерпретация связи Южного Колебания с Эль-Ниньо, основанная на гипотезе Виртки, претерпела некоторые изменения. Выяснилось, что периодичность и сценарии ЮКЭН заметно меняются во времени. Так, аномалия поверхностной температуры может мигрировать не только на восток, но и на запад; пятно теплой воды может не достигать берегов Эквадора и Перу, а ограничиваться центральной частью Тихого океана и т.п.

Явлениям Эль-Ниньо и Южное Колебание посвящено много публикаций, однако многие детали изучены недостаточно, особенно на масштабах более десятилетий и менее месяцев.

Объектом анализа являются следующие временные ряды: данные, свидетельствующие о динамике событий Эль-Ниньо за последние 500 лет из [21] (раздел 6.2), среднемесячные значения индекса Южного Колебания за период с 1882-го по 1990 гг. из [20] (раздел 6.3) и суточные значения индекса за период с 1981-го по 1990 гг. (раздел 6.4), полученные сотрудниками Д.М. Сонечкина (Гидрометеоцентр); частично результаты анализа динамики индекса Южного Колебания опубликованы в [22].

Для выявления связи между глобальным потеплением и Эль-Ниньо проведен анализ рядов Джонса (Jones) [23] — рядов аномалий среднегодовых значений приповерхностной температуры воздуха (глобальной и полушарной) за период 1850-1990 гг. (см. раздел 6.5).