Метеорологические и геофизические исследования - Г. Алексеев

Аэрологические наблюдения на станции были начаты в 1935 году. С 1946 года радиозондирование на станции стало регулярным. Начиная с 1935 года использовались радиозонды РЗ-43 и РЗ-049, затем аэрологические комплексы «Малахит А-22» (1957–1975 гг.), «Метеорит –2» и зонды РКЗ-5 (1975–1988 г. г), «АВК-1» и зонды МРЗ-3 – с 1988 г. до сентября 2010 года, когда был задействован современный аэрологический комплекс МАРЛ-А. Таким образом, на метеорологической станции «Полярка» был получен практически непрерывный ряд данных зондирований атмосферы, который является одним из самых длинных в Арктике.

Морские гидрологические наблюдения на гидрометеорологической станции «Полярка» были начаты в 1932 году и продолжаются до настоящего времени. Данные о морфометрических характеристиках недеформированного льда и снега позволяют отслеживать таяние и нарастание ледяного покрова в течение года.

В настоящей статье приведены основные результаты исследований климатической системы региона, полученные на основе электронных архивов исторических данных, созданных в ААНИИ в сотрудничестве с сотрудниками Якутского УГМС в 2007–2009 годах. На рис. 1 приведен общий вид метеостанции Тикси до преобразования ее в Гидрометеорологическую обсерваторию (в августе 2010 года) и места проведения основных видов наблюдений.

Рис. 1. Общий вид метеостанции Тикси

Создание сети полярных обсерваторий, одной из основных целей которой является исследование изменчивости климата полярных районов, подразумевает изучение состояния атмосферы региона в прошлом в сравнении с ее состоянием в настоящем, что особенно важно, учитывая радикальное изменение природных условий в Арктике в последние годы. В данном разделе приведено описание климата свободной атмосферы по данным аэрологических наблюдений, выполненных в 1959–2009 годах на полярной станции Тикси.

На протяжении более двадцати лет в ААНИИ осуществляется мониторинг климата свободной атмосферы полярных областей Земли на основе базы среднемесячных и срочных данных аэрологических зондирований, выполненных к северу от 600 с.ш. Были созданы архивы, разработаны методы, технология и программные средства формирования и расширения базы статистик и их оценки. База статистик была сформирована по результатам обработки данных как срочных, так и среднемесячных (до 1978 года) аэрологических наблюдений. Использованные при ее формировании архивы создавались в разных институтах. Их формат, структура, а также перечень характеристик различны для разных периодов. Подробно структура архивов, их организация, методика обработки и программные средства описаны в работах (Александров, Майстрова 1995; Майстрова, 1981; Майстрова, 1986; Тьюрки, 1981). Методы контроля созданного архива приведены в работах (Алексеев, 1998; Белышев, Клеванцов, 1983).

В ходе разработки архива была проведена его адаптация, под которой подразумеваются все манипуляции, которые должны быть выполнены для формирования однородных рядов. Прежде всего, это изменения форматов и структуры объединяемых архивов. В данной работе среднемесячные статистики основных метеорологических параметров были рассчитаны по единой методике по данным срочных наблюдений из архивов AEROSTAN, AEROSTAB, CARDS, что обеспечило однородность анализируемых рядов данных. Ниже приведены результаты анализа межгодовой изменчивости нормированных на среднеквадратическое отклонение аномалий среднемесячных и среднесезонных температуры и удельной влажности воздуха на стандартных изобарических поверхностях.

Как видно из рис. 2, в тропосфере на уровнях от 925 гПа до 300 гПа в течение всего исследуемого периода наблюдалось чередование положительных и отрицательных аномалий температуры воздуха с периодичностью 2–3 года. Потепление тропосферы, начавшееся в 2000 году, было наименее ярко выражено в зимний период. Максимальные значения аномалии температуры (+3 σ) были отмечены зимой и весной в 1960–1961 годах в приземном слое и на уровне 925 гПа. Минимальные значения аномалии температуры (-3 σ) были отмечены зимой 1979 года в слое от земли до 400 гПа. Начиная с 2003 года, наблюдаются устойчивые положительные аномалии во всей толще тропосферы.

Рис. 2. Межгодовая изменчивость нормированных аномалий среднесезонной температуры воздуха по данным радиозондирования на стандартных изобарических поверхностях за 1959–2009 годы

Межгодовое изменение аномалий температуры в нижней стратосфере в основном находилось в противофазе с ходом аномалий температуры воздуха в тропосфере, особенно в весенне-летний период. Примерно до 1974 года в стратосфере отмечается преобладание положительных аномалий. Можно отметить максимальные значения аномалий температуры +3 σ летом 1967 и 1968 гг. Похолодание верхних слоев атмосферы отмечается весной, летом и осенью с начала 1980-х годов по настоящее время, зимой похолодание не выражено. Минимальные значения аномалии температуры (-3 σ) отмечены весной 1997 года в слое 250–30 гПа и осенью 2005 года в слое 300–100 гПа.

Результаты расчетов по сезонам и в целом за год средней многолетней температуры воздуха (S, °С), её линейного тренда (K, °С/год) и дисперсии (D, °С), выполненных по срочным данным на пятнадцати стандартных изобарических поверхностях, приведены в таблице 1. Как видно из таблицы, тенденция к потеплению в тропосфере прослеживается как в течение всего года, так и по отдельным сезонам. Значительная тенденция к потеплению может быть отмечена в зимний период в нижней стратосфере (30–10 гПа). Однако достоверность последних значений невелика, поскольку лишь небольшое количество радиозондов достигало этих высот из-за низкой температуры воздуха, что подтверждается и минимальным количеством лет, данные которых были использованы для анализа.

Таблица 1. Статистические характеристики температуры воздуха на стации Тикси за период 1959–2008 гг.

Примечание: заливкой отмечены положительные значения трендов, N – количество лет наблюдений, данные которых были использованы для анализа.

Тенденция к похолоданию прослеживается наиболее отчетливо в зимний и осенний периоды, до -0,05 °С/год, захватывая всю толщу верхней тропосферы и нижней стратосферы от 500 гПа до уровня 50 гПа. Такая же закономерность отмечается в осенний период и за год в целом от уровня 400 гПа до 10 гПа. Весной и летом тенденция к похолоданию отмечается только в стратосфере от 150 гПа до 10 гПа.

Долговременные тенденции изменений температуры воздуха представлены на рис. 3 значениями коэффициента линейного тренда за анализируемый период. Как видно из рис. 3, в тропосфере прослеживается слой с положительными трендами температуры. Наибольшие положительные тренды отмечены на уровне 850 гПа в зимний период. Четко обозначен переходный слой 500 гПа – 200 гПа с практически нулевыми трендами. Слой с отрицательными трендами, увеличивающимися с высотой от 300 гПа до 20 гПа, расположен в верхней тропосфере и стратосфере. Исключение составляет зимний период, когда на уровне 30–20 гПа отмечен существенный положительный тренд 0.14 °С/год.

Рис. 3. Тренды температуры воздуха в регионе Гидрометеорологической обсерватории Тикси за период 1959–2009 годы

Географическое распределение и сезонный ход удельной влажности воздуха, как известно, зависят от его температуры, особенностей горизонтального переноса воздушных масс и наличия вертикальных движений в тропосфере. По мере удаления от поверхности земли связь удельной влажности с термическим полем атмосферы усиливается. На рис. 4 представлены межгодовые изменения нормированных на среднеквадратическое отклонение аномалий удельной влажности воздуха, рассчитанных по данным для шести стандартных изобарических поверхностей. В целом они соответствуют изменению температуры в тропосфере (рис. 2), однако еще более ярко выражены.

Рис. 4. Межгодовая изменчивость нормированных аномалий среднесезонной удельной влажности воздуха на стандартных изобарических поверхностях на станции Тикси за период 1959–2009 гг.

При анализе межгодовых колебаний нормированных аномалий удельной влажности отмечается, главным образом, сходство в характере изменений год от года на уровнях от 850 гПа до 300 гПа и сохранение главных особенностей для различных сезонов. Несколько отличается характер межгодовой изменчивости нормированных аномалий у поверхности земли. Обращает внимание сохранение отрицательных аномалий в приземном слое атмосферы с 1959 г. до конца 1990-х годов и рост положительных аномалий с 2000 г. до 2009 г. Такой характер изменений удельной влажности у поверхности земли хорошо согласуется с аналогичными изменениями температуры воздуха. В слоях нижней и средней тропосферы прослеживается преобладание положительных аномалий удельной влажности вплоть до 1978 г., отрицательных аномалий до середины 1980-х годов и некоторая тенденция к увеличению числа положительных аномалий в последующий период, особенно на высоте 850 гПа летом. Наиболее крупные положительные аномалии наблюдались в период с 1961 по 1976 годы. Максимальные положительные аномалии (до +3 σ) отмечены на уровне 400 гПа в 1962 году. Наиболее значительные отрицательные аномалии удельной влажности (до -3 σ) отмечались зимой 1979 года в слое от поверхности земли до 500 гПа.