РАЗДЕЛ 2
СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЧЕРНОМОРСКОГО РЕГИОНА
- 2.1 Корреляционные связи региональных осадков с крупномасштабными предикторами
Расчет региональных особенностей погоды и климата на основе крупномасштабных полей метеорологических параметров, получаемых в результате работы глобальных моделей, на практике весьма часто осуществляется не путем моделирования, а с использованием найденных посредством статистического анализа многолетних наблюдений эмпирических закономерностей. Основой для вывода этих закономерностей являются корреляционные связи между отклонениями значений исследуемого параметра в заданной области пространства от средних (аномалиями) и выбранными аномалиями полей, характеризующих крупномасштабную циркуляцию. Рассмотрим, как конкретно может быть реализован статистический вариант процедуры даунскейлинга для определения осадков в регионе Украины и Причерноморья.
Физические механизмы осадкообразования относятся к числу самых сложных атмосферных процессов, так что их описание остается актуальной задачей в современной метеорологии и климатологии. Атмосферные осадки имеют следующие специфические особенности, усложняющие задачу их статистического анализа. Во-первых, из-за сильной пространственной перемежаемости процессов осадкообразования оценки средних по площади величин осадков имеют большую дисперсию и могут значительно отличаться от значений в отдельных пространственных точках (на метеостанциях). Во-вторых, в некоторых регионах сильная пространственная изменчивость остается и при осреднении по большим периодам времени, например, среднемноголетний годовой ход значительно отличается в близких точках.
Формирование климатического годового хода осадков представляет собой достаточно сложную задачу, которая должна адресоваться упомянутым выше глобальным или региональным атмосферным моделям. В то же время внутрисезонные и межгодовые аномалии осадков представляются более простым объектом для исследования. В настоящее время стал уже традиционным анализ аномалий атмосферных осадков, основанный на изучении их линейных корреляционных связей с аномалиями крупномасштабной атмосферной циркуляции. Такого рода исследования выполнялись для Испании [7], для всей Европы в целом [6] и для западного региона Соединенных Штатов Америки [27]. В качестве предикторов рассматривались эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) поля давления на уровне моря или геопотенциала, посчитанные для достаточно большого региона - области влияния циркуляции на региональные осадки. Для Европы это вся Северная Атлантика и сама Европа, для США - область Тихоокеанского штормтрека. В некоторых работах анализировались также другие предикторы, такие как завихренность, компоненты и модуль скорости ветра, значения влажности, индекса вертикальной устойчивости и другие. Как правило, наиболее важными предикторами являются ЭОФ полей, характеризующих крупномасштабную циркуляцию.
Далее будет рассмотрено несколько потенциальных предикторов аномалий атмосферных осадков для региона Украины и Черного моря. Для изучения внутрирегиональной структуры корреляционных связей предиктанта с предикторами будет использован эффективный метод канонического корреляционного анализа.
Были использованы данные CRU ? месячные суммы осадков по квадратам 2.5??2.5? за 1946-1995гг, полученные осреднением по метеостанциям, попадающим в заданный квадрат. Весь регион Украины и Черного моря занимает область 22.5-42.5?з.д., 40-52.5?с.ш., включая в себя 8?5=40 квадратов.
Месячные суммы атмосферных осадков были также выбраны для семи метеостанций Крыма и черноморского побережья за более короткие сроки: Одесса (1946-1995), Севастополь (1946-1993.), Ялта (1946-1993), Евпатория (1946-1988), Феодосия (1962-1992), Черноморское (1972-1991), Белогорск (1962-1992).
Крупномасштабные динамические поля атмосферной циркуляции выбирались из двух источников: данные оперативного анализа NMC (National Meteorological Center, USA) для Северного полушария севернее 20?с.ш. за период 1946-1989гг., и данные глобального реанализа NCEP/NCAR за период 1982-1996гг. Первый архив относится к равномерной пространственной сетке 47?51 в полярной стереографической проекции, пространственное разрешение около 5?. Данные реанализа имеют разрешение 2.5??2.5?. Использовались поля геопотенциала h1000 и h500 на уровнях 1000 и 500гПа, скорости ветра или завихренности ?850 на уровне 850гПа, а также давления на уровне моря P. Оба массива были объединены по времени и переведены на одну сетку 2.5??2.5?. Для периода 1946-1981 использовался массив NMC, а для периода 1982-1995 -массив реанализа NCEP. Таким образом, полная длина ряда составляет 50 лет для основных предикторов - давления на уровне моря P и геопотенциала h1000 и h500.
Заметим, что модель, на основе которых проводился реанализ NCEP, рассчитывает и осадки с тем же разрешением, что и остальные поля. Это означает, что для периода 1982-1995 нами не осуществлялся "даунскейлинг" в буквальном смысле слова, так как разрешение поля осадков не увеличивалось, но проводился альтернативный расчет осадков с тем же разрешением, на основе не динамического, а статистического подхода.
Для выделения аномалий для каждого поля в каждой точке был посчитан средний многолетний годовой ход, который затем вычитался из исходных данных.
В качестве предварительного шага для выяснения роли различных предикторов, а также для выбора области влияния крупномасштабной циркуляции были построены карты корреляции месячных аномалий осадков с разными предикторами по всему Северному полушарию:
rf,p(x,y)= f(x,t)p(y,t) (2.1)
где f(x,t) - аномалия предиктора в точке x Северного полушария для месяца t,
p(y,t) - аномалия осадков в точке y региона для месяца t,
?f(x) и ?p(y) - их среднеквадратичные отклонения, подсчитанные за тот же период времени T.
На рис.2.1 приведены карты корреляции rh500,p(x,y) аномалий осадков дл