«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 21, ¹ 6 (2008)
УДК 551.58:551.590.21
Ã.À. Æåðåáöîâ, Ë.À. Васильева, Â.À. Коваленко, Ñ.È. Молодых
Долговременные изменения температуры
и теплосодержания тропосферы в ХХ в.
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск
Поступила в редакцию 3.12.2007 ã.
Представлены результаты анализа особенностей и закономерностей долговременных изменений температурного
режима тропосферы в Северном и Южном полушариях, в отдельных широтных зонах и на различных
изобарических поверхностях за 1948–2006 гг. Амплитуда изменений приземной температуры воздуха
(ПТВ) максимальна в высокоширотных областях, как в Северном, так и в Южном полушариях
и уменьшается с приближением к экватору. Потепление во второй половине ХХ в. началось раньше на высоких
широтах в начале 60-х гг., а на низких – в середине 70-х. Для высокоширотных областей обоих полушарий
потепление обусловлено, в основном, возрастанием ПТВ в холодный период. Для теплого периода
на широтах выше 40о как в Северном, так и в Южном полушариях возрастания ПТВ в рассматриваемый
период практически не наблюдается. В полярной области Южного полушария наблюдается падение температуры
в теплый период. Для Северного полушария величина трендов с высотой уменьшается, в то время
как для Южного – увеличивается. Обнаружено, что за последние 50 лет температура нижней и средней
тропосферы (850–400 гПа) на средних и высоких широтах Северного полушария повышалась, в то время
как верхней тропосферы (выше 400 гПа) и нижней стратосферы понижалась. Приведены результаты анализа
пространственно-временных изменений теплосодержания свободной атмосферы в период 1948–2006 гг.
Обсуждаются полученные результаты.
Введение
В настоящее время большое внимание уделяется
проблеме потепления климата на планете. Данные
наблюдений показывают увеличение приземной
температуры воздуха как в целом по земному шару,
так и отдельно в Северном и Южном полушариях,
которое характеризуется значительной пространственной
неоднородностью. В ряде работ [1–4] в качестве
одной из возможных причин глобального
потепления рассматривается изменение уровня солнечной
активности. Сравнение изменений климата
и солнечной активности на больших временных
масштабах показывает большое сходство в их поведении.
В частности, есть основания считать, что
именно с вариациями солнечной активности были
связаны периоды похолоданий и потеплений, по
крайней мере, в предыдущем тысячелетии. Тем не
менее, несмотря на наличие достоверных, статистически
значимых связей между различными индексами
гелиогеофизической активности и погодноклиматическими
характеристиками, вопрос: вносит
ли солнечная активность значимый вклад в изменение
климата, до сих пор остается дискуссионным.
Поток солнечной радиации, падающей на верхнюю
границу атмосферы, меняется не более чем на
0,15%, причем значительная часть изменений относится
к рентгеновскому и ультрафиолетовому излучению,
которые поглощаются полностью в ионосфере
и стратосфере.
Таким образом, изменяющаяся часть солнечной
радиации непосредственно не может обеспечить
наблюдаемые изменения климата, однако может
оказать влияние на параметры атмосферы, отвечающие
за радиационный баланс. В соответствии
с моделью влияния гелиогеофизических возмущений
на параметры атмосферы, предложенной в работах
[5, 6], связующим звеном между солнечной
активностью и климатическими характеристиками
тропосферы является атмосферное электричество.
С одной стороны, параметры атмосферного электричества
подвержены значительному влиянию солнечной
активности в высоких широтах, с другой –
оказывают значительное воздействие на распределение
по высоте в тропосфере заряженных ядер
конденсации и, следовательно, на формирование
облачности и радиационный баланс высокоширотных
областей. Изменение радиационного баланса
в высоких широтах приведет к изменению меридионального
градиента температуры и циркуляции
в атмосфере.
Исходя из данной модели, при воздействии
солнечной активности на атмосферу следует ожидать
определенных особенностей в долговременных
изменениях климатических характеристик:
1. Максимального отклика следует ожидать
в высокоширотных областях, так как именно здесь
наблюдается значительное увеличение электрического
потенциала Земля–ионосфера во время гелиогеофизических
возмущений.
Долговременные изменения температуры и теплосодержания тропосферы в ХХ в.
473
Стр.1
2. Отклик будет существенно зависеть от высоты.
Следует ожидать противоположность изменения
температуры в нижней и верхней тропосфере.
3. Отклик должен быть наиболее выражен местной
зимой, когда мал или отсутствует приходящий
поток электромагнитного излучения от Солнца.
Широтная зависимость
долговременных изменений
приземной температуры воздуха
На основе архива данных NCEP/NCAR Reanalysis
получены поля среднесуточных значений
температуры воздуха на основных изобарических
поверхностях 1000, 850, 700, 500, 300, 200, 100 гПа
для четырех широтных зон Северного и Южного
полушарий. На этой основе проведен анализ пространственно-временных
изменений температуры
тропосферы за период 1948–2006 ãã.
В соответствии с климатическими моделями,
которые включают как естественные, так и антропогенные
факторы, проявление потепления с широтой
значительно различается. В частности, из глобальных
климатических моделей следует, что при
увеличении концентрации парниковых газов в атмосфере
на начальной стадии потепления, когда
в полярных областях значительная часть тепла расходуется
на таяние льдов, следует ожидать наибольшего
потепления в умеренных и низких широтах.
В соответствии с предложенной нами моделью
закономерности противоположны, т.е. в первую
очередь должно наблюдаться потепление в высоких
широтах с последующим распространением к низким
широтам. Кроме того, максимальный рост температуры
воздуха должен наблюдаться в холодный
период года, когда в полярных областях мал или
отсутствует приходящий коротковолновый поток
солнечной радиации и появление любой облачности
будет приводить к уменьшению радиационного выхолаживания
ниже уровня облакообразования, т.е.
к потеплению.
На рис. 1 приведены изменения приземной
температуры воздуха в различных широтных зонах
Северного и Южного полушарий для зимнего
и летнего сезонов за период 1948–2006 ãã.
Очевидно, что потепление во второй половине
ХХ в. началось раньше на высоких широтах,
а именно в начале 60-õ ãã., а на низких – в середине
70-х, т.е. волна потепления распространяется от
высоких широт к низким, при этом рост приземной
температуры воздуха в полярных широтах составил
∼ 4–5° (для холодного периода). Амплитуда изменений
ПТВ максимальна в высокоширотных областях
как в Северном, так и в Южном полушариях
и уменьшается с приближением к экватору. Заметим,
что вариации ПТВ в полярных областях качественно
соответствуют изменениям глобальной ПТВ.
Если запаздывание потепления в низкоширотных
областях, особенно Южного полушария, можно
объяснить влиянием большой теплоемкости океана,
то для средних и умеренных широт Северного полушария
этот фактор проявляется незначительно.
474
245
246
247
248
249
250
256
257
258
259
272
273
274
289
290
°
228
229
230
231
232
233
234
258
259
260
261
279
280
281
290
291
87,5–72,5 þ.ø.
Холодный период
87,5–72,5 c.ø.
°
°
72,5–57,5 c.ø.
°
57,5–37,5 c.ø.
°
37,5–17,5 c.ø.
297
298
287
288
289
278
279
280
281
269
270
271
272
273
274
а
°
72,5–57,5 þ.ø.
°
57,5–37,5 þ.ø.
°
37,5–17,5 þ.ø.
294
295
282
283
284
270
271
272
273
251
252
253
254
255
256
257
б
Рис. 1. Зависимость долговременных вариаций ПТВ от
широты в холодный и теплый периоды: а – в Северном
и б – в Южном полушариях
Очевидно, что для высокоширотных областей
возрастание среднегодовой ПТВ обусловлено в основном
возрастанием в холодный период. Для теплого
периода на широтах выше 40
°
как в Северном,
так и в Южном полушариях возрастания ПТВ
в рассматриваемый период практически не наблюдается.
Следует отметить также, что в период похолодания
тропосферы
Северного полушария
Жеребцов Ã.À., Васильева Ë.À., Коваленко Â.À., Молодых Ñ.È.
Теплый период
87,5–72,5 c.ø.
°
°
72,5–57,5 c.ø.
°
57,5–37,5 c.ø.
°
37,5–17,5 c.ø.
°
87,5–72,5 þ.ø.
°
72,5–57,5 þ.ø.
°
57,5–37,5 þ.ø.
°
37,5–17,5 þ.ø.
Температура, К
1950
1960
1970
1980
1990
2000 ã.
1950
1960
1980
1970
1990
2000 ã.
1950
1960
1970
1980
1990
2000 ã.
1950
1960
1970
1980
1990
2000 ã.
Температура, К
Стр.2
1950–1976 ãã., наблюдавшегося на средних и низких
широтах, в Южном полушарии происходило
значимое возрастание температуры на низких
и средних широтах.
Особенности долговременных
изменений температуры тропосферы
на стандартных изобарических
поверхностях
В соответствии с концепцией модели влияния
солнечной активности на термобарические характеристики
тропосферы [7], до высоты, на которой
в высокоширотных областях формируется дополнительная
облачность под влиянием солнечной и геомагнитной
активности, следует ожидать положительных
трендов температуры, а выше – отрицательных.
В связи с этим рассмотрим закономерности
высотных изменений трендов температуры воздуха
в Северном и Южном полушариях.
На рис. 2 представлены вариации среднегодовой
температуры и долговременные тренды на
стандартных изобарических поверхностях в средних
широтах Северного и Южного полушарий.
Очевидно, что, с одной стороны, наблюдается
высокая степень корреляции межгодовых изменений
температуры тропосферы на разных высотах,
°
216,5
215,5
216
214,5
215
219,5
218,5
219
217,5
218
252,5
253
252
268,5
267,5
268
1000
282,5
282
Рис. 2. Долговременные изменения температуры воздуха на стандартных изобарических поверхностях (тонкая линия) на
широтах 37,5–57,5
1950 1960 1970 1980 1990 2000 ã.
°
Северного и Южного полушарий. Линейные тренды – жирные линии
Долговременные изменения температуры и теплосодержания тропосферы в ХХ в.
475
700
500
200
Северное полушарие, 37,5–57,5 c.ø.
100 гПа
213
216
219
251
214
217
220
248
283
264
267
280
1950 1960 1970 1980 1990
2000 ã.
700
начиная с приземного слоя (1000 гПа) до уровня
500 гПа, в то время как долговременные тренды
существенно изменяются с высотой. В Северном
полушарии, в период похолодания 1950–1970 ãã.,
тренды отрицательны на всех высотах в тропосфере
и уменьшаются с высотой. В период потепления
(1976–2006 ãã.) в полярных и средних широтах на
всех изобарических поверхностях в нижней и средней
тропосфере (1000–400 гПа) наблюдаются статистически
значимые положительные тренды температуры,
в то время как, начиная с высоты
200 гПа в Северном и с высоты 100 гПа – в Южном
полушарии, тренды отрицательны. Таким образом,
для рассмотренного периода в нижней
и средней тропосфере в области высот от приземного
слоя до 400 гПа наблюдается потепление, а в верхней
тропосфере и нижней стратосфере – похолодание.
В связи с этим представляет интерес рассмотреть
вариации теплосодержания тропосферы.
Зависимость долговременных
изменений теплосодержания
атмосферы от широты
Долговременные изменения теплосодержания
тропосферы в период 1948–2006 ãã. оказываются
существенно различными в Северном и Южном
полушариях (ðèñ. 3).
°
Южное полушарие, 37,5–57,5 þ.ø.
100 гПа
200
500
1000
Температура, K
Стр.3