Г. Алексеев - Метеорологические и геофизические исследования

• Название: Метеорологические и геофизические исследования
• Автор: Г. Алексеев
• Жанр: Публицистика
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-98797-067-6

Том «Метеорологические и геофизические исследования» входит в состав серии «Вклад России в Международный полярный год 2007/08». Том включает результаты исследований метеорологических, геофизических и климатических условий в Северной и Южной полярных областях в период МПГ 2007/08 в сравнении с условиями в предшествующий период инструментальных наблюдений.

---

Исследование радиационных климатических факторов и метеорологического режима архипелага Шпицберген

Аннотация

На примере данных о суммарной солнечной радиации и облачности, полученных для пункта Баренцбург (остров Западный Шпицберген, ГМО «Баренцбург» Мурманского УГМС), исследуется изменчивость климата архипелага Шпицберген во второй половине ХХ века. С помощью эмпирического подхода оценена долгопериодная изменчивость нисходящего излучения атмосферы (длинноволновая радиация) и проанализирована взаимосвязь этой величины с изменением характеристик облачности. Тенденции в изменении облачности рассматриваются как одна из причин потепления в данном регионе.

Отечественные и зарубежные исследования, выполненные в последнее время (Анциферова и др., 2010; Иванов и др., 2010; Священников и др., 2004; Священников и др., 2010; Семенов и др., 2002; Павлов и др., 2010; Nordli P. et al., 2004), отчетливо фиксируют тенденцию к потеплению климата на архипелаге Шпицберген, проявляющуюся как для отдельных, но достаточно длительных промежутков времени (например, десятилетия), так и для всего ХХ века в целом. При этом тенденция повышения приземной температуры воздуха наблюдается на фоне многолетнего понижения годовых сумм приходящей солнечной радиации (Священников и др., 2010), которое отмечается по данным наблюдений, проводящихся в Баренцбурге (1985–2009 гг.) и в Нью-Алесуне (1975–2009 гг.). Очевидно, что причина столь странного, на первый взгляд, явления кроется в сложном характере причинно-следственных связей в климатической системе. В данной работе мы попытались последовательно проанализировать временную изменчивость основных характеристик климата архипелага Шпицберген, их сезонную структуру, а также механизмы так называемых обратных связей.

Облачность является одним из основных факторов, определяющих перенос коротковолновой и длинноволновой радиации в атмосфере. Ее влияние на радиационные потоки определяется количеством, высотой, мощностью и водностью облаков (Васильева и др., 2003; Curry, et al., 1992). Важность адекватного описания облачности в полярных районах при моделировании морского ледяного покрова обусловлена необходимостью точной оценки составляющих радиационного баланса поверхности снежно-ледяного покрова вследствие высокой чувствительности процессов таяния и нарастания льда к потокам коротковолновой и длинноволновой радиации (Maykut, et al., 1971).

Основной целью наших исследований, выполненных в период МПГ 2007–2009, стало изучение влияния характеристик облачности на радиационный и температурный режим приземного слоя воздуха. В качестве района исследований был взят пункт Баренцбург, расположенный на восточном берегу залива Грен-фьорд на острове Западный Шпицберген. Здесь, начиная с 1932 г. (с перерывом в 1941–1947 гг.) выполняются регулярные метеорологические наблюдения, включая измерения солнечной коротковолновой радиации и визуальные определения количества и типа облачности. Для выполнения исследований мы воспользовались рядами суточных сумм солнечной суммарной радиации, начиная с 1985 г. (начало актинометрических наблюдений в ГМО «Баренцбург»), данными о характеристиках облачности (балл общей облачности) с 1966 г. и данными о приземной температуре воздуха (среднемесячные оценки) с 1947 г. Для достижения поставленной цели, в соответствии с программой МПГ, были выполнены следующие задачи:

– создан электронный архив данных количества облачности, температуры воздуха и суммарной радиации по данным наблюдений;

– рассчитаны функции распределения количества общей облачности, как в целом за год, так и отдельно для каждого месяца, с целью определения сезонных особенностей изменчивости;

– исследованы тенденции временных изменений повторяемости ясных и пасмурных дней, как в целом за год, так и отдельно для каждого месяца;

– исследованы изменения суточных сумм приходящей коротковолновой радиации, в целом за сезон, так и отдельно для каждого месяца;

– исследовано влияние изменения количества облачности на приходящую коротковолновую солнечную радиацию;

– рассчитаны по данным стандартных приземных метеорологических наблюдений величины длинноволнового излучения атмосферы;

– исследованы многолетние и внутригодовые (сезонные) изменения длинноволнового излучения атмосферы;

– выявлена взаимосвязь между тенденцией потепления климата архипелага (рост приземной температуры воздуха) и изменения количества облачности и длинноволнового излучения.

На первом этапе исследований авторами были получены срочные данные по количеству общей облачности из различных отечественных и зарубежных источников. Этими источниками являются: National Climatic Data Center (США), база данных ВНИИГМИ-МЦД, гидрометфонды ААНИИ и Мурманского УГМС, архивы ГМО «Баренцбург», а также некоторые интернет ресурсы. Период, который в совокупности охватывают эти наблюдения, составляет 44 года: с 1966 по 2009 гг. Все данные, полученные из различных источников, были объединены и представлены в 10-балльной системе (Код…, 1989). После этого было выполнено суточное осреднение полученного ряда и определены виды функции плотности вероятности распределения количества облачности в пределах каждого месяца, сезона и года. Осреднение количества облачности в пределах суточного интервала времени не является достаточно корректным, но преследует цель получить для анализа максимально продолжительный ряд наблюдений без каких либо пропусков. Функция распределения количества общей облачности является бета-распределением, причем с асимметрией для всех месяцев. Наибольшая повторяемость отмечается для облачности равной 9–10 баллам (пасмурное небо). Из «U-образного» типа распределения повторяемости облачности вытекает необходимость анализа этой характеристики по повторяемости градаций 0–2 и 8–10 баллов за соответствующие периоды (Makshtas, et al., 1999). Параметры, характеризующие бета-распределение количества облачности в каждом месяце, позволили выделить климатические сезоны и их продолжительность, а именно 2 основных и 2 переходных сезона. Для каждого условного сезона характерны свои величины повторяемости крайних градаций (0–2 и 9–10). Для условно зимнего сезона, который длится с декабря по апрель включительно, характерны следующие повторяемости. Для облачности 0–2 балла, повторяемость, в среднем, составила 17 % за месяц, а для облачности, равной 9–10 баллам, она оказалась равной, в среднем, 30–35 %. Для условно летнего сезона, который, в свою очередь, длится с июня по октябрь, характерны следующие повторяемости. Для облачности 0–2 балла, в среднем, менее 5 % за месяц, для 9–10 баллов, в среднем, порядка 50–60 %. Таким образом, можно сделать заключение, что летний сезон на архипелаге Шпицберген характеризуется значительной повторяемостью пасмурного неба и заметно сниженной повторяемостью ясной погоды. Переходные сезоны – условно весенний и осенний, которым соответствуют в нашей классификаци май и ноябрь, – характеризуются следующими оценками повторяемости облачности: 0–2 балла – 10 %, 9–10 баллов – 45 %. На рис. 1 показаны типичные для каждого из сезонов распределения повторяемости облачности, представленные отдельным месяцем.

Рис. 1. Распределение повторяемости количества общей облачности в различные месяцы

Следующим этапом наших исследований стала обработка имеющихся данных приходящей коротковолновой солнечной радиации. Был сформирован электронный архив суточных сумм суммарной радиации ГМО «Баренцбург», охватывающий период с 1985 по 2009 гг. Для оценки межгодовой изменчивости были вычислены годовые суммы суммарной радиации и рассмотрены их временные изменения за весь вышеуказанный период. Изменения во времени годовых сумм суммарной радиации, а также данные об изменении величин повторяемости пасмурного и ясного неба представлены на рис. 2.

Как следует из представленного рис. 2, наблюдается тенденция увеличения повторяемости пасмурного неба и одновременно с ней тенденция уменьшения количества приходящей солнечной коротковолновой радиации. Необходимо отметить наличие прямой зависимости повторяемости ясного неба и сумм суммарной радиации и обратной зависимости для повторяемости пасмурного неба. При этом стоит отметить, что между повторяемостями ясного и пасмурного неба зависимость обратная, что при бета-распределении не является тривиальным результатом. Именно поэтому метод оценки характеристик облачности, основанный на анализе отдельных ее градаций (0–2 и 8–10 баллов), более корректен, чем оценка облачности с помощью величины среднего арифметического. Использование последней не позволяет выявить влияние облачности на приходящую суммарную радиацию, поскольку увеличение максимума и уменьшение минимума на оценку среднего арифметического в общем случае влияет слабо.