En  Ru  Ua
 
 
 
 
 
 
Часопис картографії

 

 

 

 

 


Геодані

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

УДК 551.515

Щеглов О.А.

Український гідрометеорологічний інститут ДСНС та НАН України

Зимові синоптичні процеси при екстремальних від’ємних аномаліях температури повітря в Україні

      В роботі використано дані реаналізу NCEP/NCAR для відбору екстремальних температур повітря нижче 5-го перцентиля функції розподілу у вузлах регулярної сітки на території України. Класифікація полів тиску з екстремальними від’ємними температурами дозволила визначити чотири основні типи синоптичних процесів. В роботі наводиться опис таких процесів, що призводять до аномально низьких температур за останні 20 років (1997-2017 рр.) в Україні в зимовий період.

      Ключові слова: синоптичні процеси, екстремальні температури, аномалії температури, Україна.

 

      Вступ

      У зв’язку зі змінами клімату, в останні роки значна увага приділяється дослідженню екстремальних явищ, у тому числі екстремальних температур повітря [10, 11, 15, 19, 20, 21, 23]. Для планування економічної діяльності важливо мати довгострокові прогнози таких явищ терміном на місяць, сезон та більше. Тому вивчення таких процесів і пошук можливих шляхів для передбачення екстремальних температур повітря є актуальною задачею як кліматології, так і метеорології. Об’єднання задачі дослідження екстремальних погодних явищ і типізації процесів, при яких вони виникають, є доволі поширеною практикою [2, 6, 12, 16, 18, 22]. В Українському гідрометеорологічному інституті під керівництвом В.Ф. Мартазінової також виконувалися подібні роботи для вибірки початку 21 століття [5, 8]. Для цього було застосовано класифікацію полів тиску за методом еталонів синоптичних процесів [17]. Для подібних задач також можна залучати загальновідомі класифікації макропроцесів [1, 3, 4, 7].

 

      Постановка проблеми

      В даній статті ми фокусуємося більше на регіональному масштабі процесів і тому, як вони відображаються на температурі повітря в Україні. Мета статті – визначити типові процеси, що призводять до від’ємних екстремальних температур в зимовий сезон на основі даних вибірки полів температури за 20 років (1997-2017 рр.) у межах України. Об’єктом роботи є випадки із екстремальними від’ємними аномаліями температурами (далі – ЕВАТ) повітря, що одночасно охоплюють більшу частину території України і синоптичні процеси, що призводять до таких явищ.

 

      Виклад основного матеріалу

      В роботі використовувалися дані реаналізу NCEP/NCAR Reanalysis 1 по приземній температурі [13]. Часовий період вибірки – грудень-лютий 1997-2017 рр. Останні двадцять років – це найбільш теплий період за історію інструментальних спостережень, тому його було обрано як умовно однорідну вибірку. Крок регулярної сітки бази даних по температурі повітря складає – 1,875 градусів по довготі і широті. Такі дані можуть давати уявлення про розподіл температури повітря при різних процесах. Також використані дані та картографічний матеріал відділу кліматичних досліджень та довгострокового прогнозу погоди УкрГМІ по просторовому розподілу приземного атмосферного тиску та геопотенціалу АТ-500 гПа в Атлантико-Європейському секторі. В якості порогу для визначення ЕВАТ було використано 5-й перцентиль функції розподілу в кожній точці регулярної сітки. Хоча, варто зазначити, що для визначення екстремальних від’ємних аномалій температури в деяких роботах використовувався 10-відсотковий поріг [10-11]. Важливо розуміти, що оскільки континентальні регіони характеризуються більш низькими температурами повітря, а даний підхід враховує лише локальні кліматичні особливості, це призводить до відкидання випадків холодних днів в районах з високою континентальністю клімату. Так, на рис. 1а зображено просторовий розподіл верхньої межі градації температур, що відносяться до ЕВАТ у Східній Європі. Для того, щоб зрозуміти можливий діапазон значень ЕВАТ на рис. 1б зображено розподіл абсолютних мінімумів приземної температури повітря за вибіркою 1987-2017 рр.

Просторовий розподіл верхньої межі ЕВАТ, абсолютного мінімума температури повітря

 Рис. 1. Просторовий розподіл значень: а) верхньої межі ЕВАТ, б) абсолютного мінімума температури повітря за 1987-2017 рр.

      Із метою виділення великомасштабних процесів і фільтрації дрібномасштабних, було введено критерій для визначення того, що потрібно вважати значним за площею (в масштабах обраного сектора) осередком аномальних температур. Так, покриття від’ємними екстремальними аномаліями температури площі, наприклад, понад 50-65% від усієї території України, визначається великомасштабною атмосферною циркуляцією. Тому у вибірку увійшли саме такі випадки. Для типізації синоптичних процесів використовувалися критерії аналогічності відповідно до [17], що обчислювалися стосовно набору полів приземного тиску та геопотенціалу АТ-500 за 5-денні періоди (починаючи з двох днів до, та до двох днів після спостереження значної за площею ЕВАТ). Серед критеріїв аналогічності перевагу було надано евклідовій метриці або RMSE (root-mean-square error):

    (1),

де x, y – порівнювані значення тиску або геопотенціалу в і-тій точці регулярної сітки, n – кількість вузлів сітки в секторі; а також критерію подібності за знаком аномалій:

    (2),

де n+ - кількість співпадаючих знаків аномалії температури у вузлах регулярної сітки, n- - кількість не співпадаючих знаків аномалії температури у вузлах регулярної сітки полів приземного тиску або геопотенціалу, що порівнюються між собою.

      Основні синоптичні процеси, що призводять до ЕВАТ в Україні у зимовий період. Типізація полів тиску приведеного до рівня моря з екстремальними від’ємними аномаліями в Україні, а також даних геопотенціалу АТ-500 була отримана за допомогою критеріїв аналогічності, що описані вище. Для всіх процесів характерною ознакою є яскраво виражена меридіональність потоків у нижній та середній товщі тропосфери. Меридіональність атмосферної циркуляції в тропосфері приводить до затоку холодного повітря із північного-заходу, півночі та північного сходу, а також в результаті тилового вторгнення пірнаючих циклонів зі Скандинавії. Всі синоптичні процеси, що призводять до похолодання на більшій частині території Атлантико-Європейського сектора мають різну аномальність температур, а також різний просторово-часовий характер. Найбільш тривалі і великі за площею похолодання, як буде показано нижче, пов’язані із положенням Сибірського максимуму. Зупинимося на основних синоптичних процесах, що призводять до ЕВАТ в Україні в зимовий період.

      І тип. Температурний режим при таких процесах визначається впливом сибірського максимума (рис. 2а). Із вторгненням холодного повітря із північного сходу пов’язані найбільш низькі температури повітря, особливо в нічний час практично по всій території України. При цьому тривалість таких процесів, як правило, є найбільшою відносно інших холодних процесів. Розширення сибірського максимуму відбувається за рахунок важкого холодного повітря, що збирається біля земної поверхні. Нічне вихолоджування земної поверхні в межах території України може формувати температури повітря близько -25...-30 оС (рис. 2в). В той же час, на середньому рівні тропосфери, над сибірським максимумом розміщується область низького тиску (рис. 2б).

Приклад процесу І типу

Рис. 2. Приклад процесу І типу: а) просторовий розподіл тиску приведеного до рівня моря, гПа, б) геопотенціалу АТ-500, дам, в) приземної температури повітря, С

      ІІ тип. Процеси цього типу характеризують вторгнення холодного повітря із півночі на територію України (рис. 3а). В нічні години температура повітря може коливатися в межах -16...-24 оС, що є відносно вище, ніж при вторгненні сибірського холоду. На середньому рівні тропосфери над територією України відмічається східна периферія висотного гребеня, який знаходиться в меридіональному положенні (рис. 3б). Варто відмітити, що вторгнення екстремально-холодного повітря з півночі займає не всю територію України, а частіше за все – північну, північно-західну і східну частину країни (рис. 3в). Як правило, це похолодання має меншу тривалість, ніж при першому типі процесів.

Приклад процесу ІІ типу

Рис. 3. Приклад процесу ІІ типу: а) просторовий розподіл тиску приведеного до рівня моря, гПа, б) геопотенціалу АТ-500, дам, в) приземної температури повітря, С

      ІІІ тип. Вторгнення холодного повітря із північного заходу на територію України. Такі вторгнення найбільшою частотою характеризуються у першій половині зимового сезону. Вторгнення холодного повітря відбувається в ядрі високого тиску (рис. 4а). При такому типі процесів, як правило, температура повітря нижче -15оС не опускається (рис 4в). Тривалість процесу – від трьох до чотирьох діб. На середньому рівні тропосфери розподіл тиску узгоджується із висотним полем тиску при північному вторгненні, але висотний гребінь розміщений дещо західніше (рис. 4б). За другий і третій тип вторгнень холодного повітря на територію України відповідають висотні різко-меридіональні гребені, які відрізняються від полів першого типу, при якому на середньому рівні тропосфери відмічається область низького тиску.

Приклад процесу ІІІ типу

Рис. 4. Приклад процесу ІІІ типу: а) просторовий розподіл тиску приведеного до рівня моря, гПа, б) геопотенціалу АТ-500, дам, в) приземної температури повітря, С

      ІV тип. Вторгнення холодного повітря в тилу пірнаючого циклону. При вторгненнях холодного повітря в тилу пірнаючого циклону температура вночі практично по всій території України може опускатися до -15...-20 оС (рис. 5в). Біля поверхні землі у полі приземного тиску відмічається ядро високого тиску над північно-західною Європою. На середньому рівні тропосфери відмічається глибокий висотний циклон, а над Західною Європою – висотний гребінь (рис. 5б). Північні потоки в тилу циклона досягають території України. Подальше зміщення циклону і його тилового вторгнення на схід за рахунок зонального перенесення повітря скорочує тривалість цього похолодання на території України.

Приклад процесу ІV типу:

Рис. 5. Приклад процесу ІV типу: а) просторовий розподіл тиску приведеного до рівня моря, гПа, б) геопотенціалу АТ-500, дам, в) приземної температури повітря, оС

      В цілому потрібно зазначити, що всі чотири типи процесів створюють похолодання на території України від -15 оС і нижче, що приблизно відповідають значенням 5-перцентиля температур повітря для більшої частини України. Частота кожного типу процесів, що призводять до ЕВАТ в Україні в зимовий період приблизно однакова.

 

      Висновки

      Похолодання на території України, що визначалися значеннями нижче 5-прцентиля, формуються 4 типами синоптичних процесів. Найбільш низькі температури відповідають впливу західної периферії сибірського максимуму. Тривалість і екстремальність температур цього процесу є найбільшою по відношенню до інших типів синоптичних процесів. Дослідження типів синоптичних процесів, які формують екстремальні від’ємні аномалії температури повітря над територією України, має практичне значення при складанні деталізованого прогнозу погоди на декаду, місяць та зимовий сезон.

Рецензент – кандидат географічних наук А. В. Орещенко

 

      Література:

  1. Вангенгейм Г. Я. Основы макроциркуляционного метода долгосрочных метеорологических прогнозов для Арктики / Тр. ААНИИ. 1952. Т. 34. 314 с.

  2. Воскресенская Е. Н. Наумова В. А., Евстигнеев М. П., Евстигнеев В. П. Классификация синоптических процессов штормов в Азово-Черноморском басейне // Тр. УкрНИГМИ. 2009. Вип. 258. С. 189-200.

  3. Гирс А. А. Макроциркуляционный метод долгосрочных метеорологических прогнозов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 488 с.

  4. Дзердзеевский Б. Л. Монин А. С. Типовые схемы общей циркуляции атмосферы и индекс циркуляции // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1954. № 6. С. 562-574.

  5. Звіт про НДР №1/12 «Фізико-статистичнийаналіз та прогноз зміни сучасного клімату регіонів України для підтримання сталого розвитку економіки України», УкрГМІ, 2014. № держреєстрації 0112U004651.

  6. Ивус Г. П., Агайар Э. В., Гурская Л. М., Семергей-Чумаченко А. Б. Циркуляционные условия возникновения сильного и стихийного ветра над южным западом Украины // Укр. Гідрометеорол. Журн. 2016. № 17. С. 38-48.

  7. Кононова Н. К. Классификация циркуляционных механизмов Северного полушария по Б.Л. Дзердзеевскому // отв. ред. А. Б. Шмакин; Рос. акад. наук, ин-т географии – М.:Воентехиниздат, 2009. 372 с.

  8. Мартазинова В. Ф., Иванова Е. К Использование синопти-ческой информации методов плавающего и традиционного аналогов в представлении текущих синоптических процессов // Наук. пр. УкрНДГМІ. Вип. 257. 2008. С. 5-15.

  9. Угрюмов А. И. Долгосрочные метеорологические прогнозы. – М.: РГГМУ, Санкт- Петербург, 2006. 84 с.

  10. Alexander L. V. Global observed long-term changes in temperature and precipitation extremes: a review and update since IPCC AR5 Weather Clim Extremes, 11 (2015), pp. 4-16.

  11. Alexander, L. V., Zhang, X., Peterson, T. C., Caesar, J., Gleason,B., Klein Tank, A. M. G., Haylock, M., Collins, D., Trewin, B.,Rahimzadeh, F., Tagipour, A., Ambenje, P., Rupa Kumar, K., Revadekar, J., and Griffiths, G.: Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation, J. Geophys.Res. Atmos., 111, D05109,doi:10.1029/2005JD006290, 2006.

  12. Domonkos P., J. Kysely, K. Piotrowicz, P. Petrovic, T.likso, 2003: Variability of extreme temperature events in south-central Europe during the 20th century and its relationship with large-scale circulation. – Int. J. Climatol.23, 987–1010.

  13. Kalnay, E. et al.: The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project,Bulletin of the American Meteorological Society, 77, 437–471,1996.

  14. Kim G-Y., J.-B. Ahn, V. N. Kryjov, S.-J. Sohn, W.-T. Yun, R. Graham, R. K. Kolli, A. Kumar, and J.-P. Ceron, 2016: Global and regional skill of the seasonal predictions by WMO Lead Centre for Long-Range Forecast Multi-Model Ensemble. Int. J. Climatol., 36, 1657–1675, doi:10.1002/ joc.4449.

  15. Landsea C.W. Comments on “monitoring and understanding trends in extreme storms: state of knowledge” Bull. Am. Meteor. Soc., 96 (2015), pp. 1175-1176, 10.1175/BAMS-D-13-00211.1.

  16. Loikith, P.C., A.J. Broccoli, 2012: Characteristics of Observed Atmospheric Circulation Patterns Associated with Temperature Extremes over North America. J. Climate, 25, 7266–7281, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-11-00709.1.

  17. Martazinova V. The Classification of Synoptic Patterns by Method of Analogs // J. Environ. Sci. Eng. 2005. 7. P. 61-65.

  18. Pfahl, S. Characterising the relationship between weather extremes in Europe and synoptic circulation features, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 14, 1461-1475, https://doi.org/10.5194/nhess-14-1461-2014, 2014.

  19. Seneviratne S., Zwiers F. Attribution and prediction of extreme events: Editorial on the special issue Weather Clim. Extremes, 9 (2015), pp. 2-5, 10.1016/j.wace.2015.08.003.

  20. Seneviratne S., N. Nichols, D. Easterling, C. Goodess, S. Kanae, J. Kossin, Y. Luo, J. Marengo, K. McInnes, M. Rahimi, M. Reichstein, A. Sorteberg, C. Vera, X. Zhang Changes in climate extremes and their impacts on the natural physical environment, chapter 3 in IPCC Special Report on Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation Cambridge University Press, Cambridge, UK, New York, NY, USA (2012).

  21. Sillman J., M. Croci -Maspoli, M. Kallache, R. Katz Extreme cold winter temperatures in Europe under the influence of north atlantic atmospheric blocking J. Clim., 24 (2011), pp. 5899-5913, 10.1175/2011JCLI4075.1.

  22. Tomczyk А. Impact of atmospheric circulation on the occurrence of heat waves in southeastern Europe // Idojaras. 2016. 120. P. 395-414.

  23. Trenberth et al., 2015 K.E. Trenberth, J.T. Fasullo, T.G. Shepherd Attribution of climate extreme events Nat. Clim. Chang. (2015), 10.1038/NCLIMATE2657.

 

      Надійшла до редакції 31 серпня 2018 р.

 
 

 
 
  +38 098-456-90-20
  +38 095-311-69-98
UkrNetMail logograd@ukr.net  
Gmail

inventlib@gmail.com

 

FBMessenger https://www.facebook.com/logograd FaceBook facebook.com/logograd  
Viber +38 098 456 90 20 linkedin.com/in/andrey-oreshchenko  
Telegram +38 098 456 90 20 Instagramm andrey_oreshchenko  
WhatsUp +38 098 456 90 20