Температура в свободной атмосфере

Температура воздуха в слое атмосферы высотой до 30 километров, наряду с приземной температурой и температурой поверхности океана, является важнейшей характеристикой состояния климатической системы и происходящих в ней изменений. Основной особенностью полей температуры в свободной атмосфере является их зональный характер, т. е. в значительной мере выраженная гладкость полей в направлениях вдоль кругов широты. Поэтому для оценки текущих изменений климата свободной атмосферы применяют зонально обобщенные вдоль широтных кругов характеристики, для которых важнейшими пространственными координатами остаются географическая широта и высота по вертикали (или давление, убывающее с высотой). В этом состоит существенное отличие результатов данного раздела от результатов других разделов, где географическая долгота при расчетах и обобщении оценок играет существенную роль.

Приводимые оценки получены по срочным данным радиозондовых наблюдений, собираемым с каналов связи в ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД» с глобальной сети аэрологических станций. Общее число станций, по которым ведется сбор аэрологических данных, превышает 900 и варьирует от месяца к месяцу. В их число входят более ста функционировавших в 2014 г российских станций, включая антарктические и СП. Около 700 станций глобальной сети расположены в Северном полушарии. На основе собранных месячных порций радиозондовых данных срочных наблюдений рассчитывается массив статистических характеристик различных метеовеличин в свободной атмосфере, включая статистические характеристики температуры, на стандартных изобарических поверхностях для каждой из станций. На основе взвешенного вертикального обобщения рассчитываются также значения температуры в основных слоях атмосферы: 850−300 гПа (тропосфера), 100−50 гПа (нижняя стратосфера), 300−100 гПа (переходный слой, характеризующийся значительной нестабильностью). Следующим этапом расчетов является расчет месячных аномалий температуры. Аномалии температуры на основных изобарических поверхностях и в каждом из указанных слоев атмосферы для каждого месяца вычислялись для каждой станции. В качестве норм использовались соответствующие характеристики температуры для этой станции, осредненные за период 1981;2010 гг. Такой выбор периода вычисления норм объясняется, во-первых, целесообразностью проводить в дальнейшем сопоставления с рядами аномалий температуры в свободной атмосфере, полученными на основе спутниковых наблюдений, начало которым положено с 1979 года. Во-вторых, оценки норм за такой период вычисления наименее, по сравнению с другими вариантами выбора тридцатилетнего периода, подвержены влиянию возможных неоднородностей в рядах, возникающих из-за особенностей функционирования глобальной сети радиозондирования.

При осреднениях, как в пределах месяца, так и при дальнейших обобщениях, использовались веса, равные числу признанных при контроле корректными соответствующих срочных значений температуры.

Путем пространственного осреднения постанционных месячных аномалий рассчитывались аномалии по пятиградусным широтным поясам Северного полушария. Результаты этого осреднения использованы для расчетов и для графического отображения широтно-вертикальных сечений аномалий. Кроме этого, постанционные месячные аномалии взвешенно осреднялись по тридцатиградусным широтным поясам 0−30 с.ш., 30- 60 с.ш. и 60−90 с.ш., а также по всему Северному полушарию. В таких осреднениях в качестве веса для учета месячной аномалии каждой станции был использован косинус географической широты этой станции.

Наконец, наряду с пространственным осреднением постанционных месячных аномалий по пятиградусным и тридцатиградусным широтным поясам Северного полушария и по Северному полушарию в целом, проводилось дополнительно осреднение постанционных месячных аномалий по сезонам для каждого сезона 2014 года (зимний сезон включал декабрь 2013 г и январь-февраль 2014 г), а также для 2014 года в целом.

Особенности температурного режима в свободной атмосфере в 2014 г. 2014 год характеризуется существенными различиями значений и даже знаков аномалий температуры свободной атмосферы как от месяца к месяцу, так и по вертикали. В таблице 10.1 приведены значения аномалий температуры за 2014 год для каждого из 12 месяцев, для двух широтных зон Северного полушария (30−60о с.ш. и 60−90о с.ш.) для отдельных изобарических поверхностей: 850 гПа, 500 гПа, 300 гПа и 100 гПа. Перечисленные изобарические поверхности в среднем для года отвечают примерно высотам 1.23 км. 4.95 км. 8.52 км и 16.21 км над уровнем моря соответственно.

Следует обратить внимание на очень большую отрицательную аномалию в нижней стратосфере высоких широт Северного полушария (100 гПа) в январе-марте 2014 г. Такая же большая отрицательная аномалия наблюдалась и в декабре 2013 г. (-2,15оС). Март 2014 г. в целом характеризуется значительным различием с изменением знака аномалий с ростом высот рассматриваемых поверхностей: 2.10оС в умеренных широтах и 4.93оС в высоких широтах. Анализируемый 2014 год характеризуется значительными отрицательными аномалиями в нижней стратосфере и в верхней тропосфере (300 гПа) высоких широт за исключением отдельных месяцев: апрель-июнь в нижней стратосфере и май, июль, ноябрь в верхней тропосфере. В январе-феврале 2014 г. в умеренных широтах Северного полушария отмечалась положительная аномалия температуры в нижней стратосфере, а с марта по декабрь — отрицательная аномалия, так же как и в мае-августе в верхней тропосфере (300 гПа). Причем весной и осенью в нижней стратосфере умеренных широт наблюдались существенные отрицательные аномалии. На высоте 850 гПа в весенние месяцы преобладают положительные аномалии как в умеренных широтах, так и в высоких широтах.

Таблица 10.1 — Аномалии температуры за 2014 год для двух широтных зон Северного полушария (30−60 с.ш. и 60−90 с.ш.) на отдельных изобарических поверхностях. Цветной заливкой показаны отрицательные (голубой) и положительные (желтый) аномалии

Столь существенные различия в величинах аномалий температуры от месяца к месяцу и по вертикали на отдельно рассматриваемых изобарических поверхностях сказываются как на результатах временного обобщения по отдельным сезонам, так и на результатах пространственного вертикального обобщения по наиболее часто рассматриваемым слоям свободной атмосферы.

В Таблице 10.2 приведены аномалии температуры, обобщенные для каждого из четырех сезонов 2014 года (зимний сезон включает период декабрь 2013;февраль 2014 г) и для года в целом, осредненные по вертикали внутри слоя 850−300 гПа (тропосфера) для трех тридцатиградусных широтных зон Северного полушария и полушария в целом. Здесь.

• ?Т2014 обозначает величину аномалии в градусах Цельсия, -R обозначает обратный ранг в рядах упорядоченных по возрастанию значений соответствующих аномалий за период 1958;2014 гг. (т.е. наибольшим положительным значениям аномалий соответствуют наименьшие значения -R).
• ?Т2014 — величина аномалии в градусах Цельсия, -R — обратный ранг в рядах упорядоченных по возрастанию значений соответствующих аномалий за период 1958;2014 гг.

Таблица 10.2 — Аномалии температуры в тропосфере (850−300 гПа) от норм 1981;2010 гг. Выделены отрицательные аномалии.

Аналогично, Таблица 10.3 содержит обобщенные аномалии для слоя 100−50 гПа (нижняя стратосфера), но здесь R обозначает ранг в рядах упорядоченных по возрастанию значений соответствующих аномалий (т.е. наибольшим положительным значениям аномалий соответствуют наибольшие значения R, а малые значения рангов позволяют отметить самые значительные отрицательные аномалии в нижней стратосфере).

?Т2014 — величина аномалии в градусах Цельсия, R — ранг в рядах упорядоченных по возрастанию значений соответствующих аномалий за период 1958;2014 гг.

Таблица 10.3 — Аномалии температуры в нижней стратосфере (100−50 гПа) от норм 1981; 2010 гг. Выделены положительные аномалии.

В зимний, весенний и осенний сезон 2014 г. имели место положительные аномалии температуры тропосферы для всех рассматриваемых широтных зон, причем зимой для зоны высоких широт аномалия оказалась пятой в ряду соответствующих аномалий. Весна 2014 г оказалась одной из самых теплых в умеренных широтах (аномалия составила.

+0.61оС, вторая в соответствующем ряду) и в северном полушарии в целом (аномалия составила +0.42оС, третья в ряду). Из-за отрицательной аномалии в верхней тропосфере и незначительной положительной аномалии в нижней тропосфере лето 2014 г в умеренных широтах охарактеризовалось небольшой отрицательной аномалией в тропосфере (-0.08оС). Осенние аномалии 2014 г оказались шестыми в зоне низких широт, восьмыми в зоне умеренных широт и седьмыми в Северном полушарии в целом в рядах соответствующих аномалий в тропосфере.

В нижней стратосфере наблюдалась положительная аномалия зимой в умеренных широтах. В зоне высоких широт, напротив, наблюдалась большая отрицательная аномалия (-2.55оС). При этом она заняла только шестое место в соответствующем ряду. Весна, лето, осень 2014 г. и год в целом оказались одними из самых холодных: вторые, третье и четвертое места в рядах отрицательных аномалий соответственно. При этом осень 2014 г была одной из самых холодных во всех широтных зонах и Северном полушарии в целом (второе место в соответствующем ряду).

Более детально вертикально-широтная структура для годовых аномалий температуры в 2014 г. показана на рис. 10.1, а для аномалий температуры отдельных сезонов 2014 г — на рис. 10.2. Как следует из рисунков, в анализируемом 2014 году характер вертикально-широтной структуры годовых аномалий в значительной мере определяется вертикально-широтной структурой зимних аномалий.

Рисунок 10.1 — Вертикально-широтная структура годовых аномалий температуры свободной атмосферы в 2014 году. Горизонтальная ось — широты, левая вертикальная ось — давление на стандартных изобарических поверхностях, правая вертикальная ось — высоты над уровнем моря в км.

На рис. 10.3 представлены посезонно 10 самых теплых в тропосфере и 10 самых холодных в нижней стратосфере лет, а так же положение по отношению к ним 2014 г. Как видно, за исключением лета в тропосфере и зимы в нижней стратосфере, все сезоны 2014 г. входят в число 10 самых теплых и самых холодных соответственно. Причем весна в тропосфере и осень в нижней стратосфере входят в первую тройку (3 и 2 места в рядах соответственно).

Тенденции современных изменений температуры воздуха в свободной атмосфере Современные тенденции изменения температуры в свободной атмосфере, суть которых сводится к потеплению в тропосфере и похолоданию в нижней стратосфере, проиллюстрированы для сезонов Северного полушария на рис. 10.4, где, наряду с рядами сезонных аномалий, представлены линии трендов.

Рисунок 10.3 — Ряды самых значительных сезонных аномалий температуры в свободной атмосфере Северного полушария за период 1958;2014 г. Левая панель — положительные аномалии, тропосфера (850−300 гПа), правая панель — отрицательные аномалии, нижняя стратосфера (100−50 гПа). Обозначения сезонов по аналогии с рис. 10.2.

Рисунок 10.4 — Ряды сезонных аномалий температуры в свободной атмосфере Северного полушария за период 1981;2014 г. Левая панель — тропосфера (850−300 гПа), правая панель.

— нижняя стратосфера (100−50 гПа). Линии трендов построены методом наименьших квадратов для тропосферы (красный цвет) и нижней стратосферы (синий цвет). Обозначения сезонов по аналогии с рис. 10.2.

Таблицы 10.4 и 10.5 содержат значения линейных трендов, вычисленных за период 1981;2014 на основе рядов сезонных и годовых аномалий отдельных широтных зон и Северного полушария в целом для тропосферы и нижней стратосферы соответственно.

Как следует из Таблицы 10.4, для тропосферы статистически значимая тенденция потепления не наблюдается для зимнего сезона в зоне умеренных широт и в Северном полушарии в целом. В определенной степени это объясняется недавними аномально холодными зимами сезонов 2010;2011 и 2011;2012 годов. Но, по сравнению с 2013 г, положительный тренд зимнего сезона в высоких широтах стал статистически значимым.

Также не наблюдается статистически значимая тенденция потепления в диапазоне широт от 0 до 30ос.ш. для остальных трех сезонов года и для года в целом. Положительный тренд для весеннего сезона в высоких широтах стал статистически значимым. В остальных широтных зонах и в Северном полушарии в целом, в весенний, летний и осенний периоды сохраняются статистически значимые положительные тренды, которые и предопределяют для этих трех сезонов значимый положительный тренд для Северного полушария в целом (от 0.12 для весны до 0.16 для осени, оС/10 лет). По сравнению с 2013 г. В 2014 г статистически значимыми стали положительные тренды в зимний и весенний сезоны в высоких широтах.

Для нижней стратосферы очевидное статистически значимое похолодание имеет место для всех осуществленных вариантов оценки тренда, за исключением зимнего сезона в высоких широтах. Объясняется это внезапным стратосферным потеплением высоких широт, имевшем место в 2013 г, которое не тольк…

Таблица 11.2 — Межгодовые изменениясредних годовых концентраций СО2 (млн- 1/год) в приземном слое атмосферы в районе станции ПТЗ.

Результаты измерений СН4 на станции Приокско-Террасного заповедника Данные наблюдений изменений содержания метана (средние месячные значения) в приземном слое атмосферы, полученные в 2014 г. приведены на рис. 11.15.

Сезонные изменения содержания метана в воздухе характеризуются наличием минимума в летний период года. Наиболее существенным фактором, определяющим уменьшение концентрации метана в воздухе в летний сезон года, являются фотохимические реакции с участием гидроксила, приводящие к расходованию метана в атмосфере. Согласно мировым данным, подобный вид сезонной изменчивостиСН4 с летним минимумом концентрации метана в течение года является характерным для северных и средних широт Северного полушария.

Динамика межгодовых изменений метана Темпы изменений средних годовых значений содержания метана в воздухе (млрд-1 в год) за период наблюдений на станции ПТЗ приведены на рис. 11.16.

Наиболее высокое значение изменений метана регистрировалось в 2011 г. (170млрд-1) и было обусловлено уменьшением эмиссии метана в атмосферу в результате лесных и торфяных пожаров, наблюдавшихся в 2010 году. Следует отметить высокую изменчивость метана на станции ПТЗ по сравнению с данными, полученными на полярных станциях Териберка и Тикси, обусловленную возможным влиянием антропогенных источников метана в регионе расположения станции ПТЗ.

Изменение содержания метана в воздухе (рис. 1.17) свидетельствует о его росте за период наблюдений на станции ПТЗ. Наиболее высокие концентрации метана регистрировались в 2010 г. вследствие атмосферного переноса метана с продуктами сгорания в район станции ПТЗ из зоны крупномасштабных лесных и торфяных пожаров.

Выводы. Уровень концентрации СО2, для которого наблюдается устойчивый рост, в атмосфере северных широт достиг в 2014 г. нового максимума. Среднегодовое значение превысило 400 млн-1 для всех представленных станций. Рост СО2 в 2014 г. по сравнению с 2013 г. по данным российских фоновых станций составил около 2 млн-1. Межгодовые изменения концентрации метана неустойчивы и принимают как положительные, так и отрицательные значения в разные годы на разных станциях от -30 до +24 млрд-1. В 2014 г.

на всех северных станциях наблюдался рост концентрации метана, особенно ярко выраженный на станции Тикси: +17.4 млрд-1.

Тренд концентрации СО2, оцененнный по скользящим десятилетиям для станций Териберка и Барроу (Аляска), составлявший в конце 20-го столетия около 1.5 млн-1/год быстро рос в 21-м столетии и для периода 2005;2014 гг. составил для ст. Териберка более 2.1млн -1/год (для Барроу за 2004;2013 гг. немного меньше 2.1млн -1/год).

Результаты измерений содержания и изменений диоксида углерода и метана в центральной части ЕЧР (станции Обнинск и станция Приокско-Террасного заповедника) свидетельствуют о превышении уровня концентраций измеряемых парниковых газов в 2014 г. по сравнению с соответствующими значениями, полученными в 2013 году. На ст. Обнинск наблюдался экстремальный рост концентрации метана: 158 млрд-1, при том, что межгодовые изменения прошлых лет не превосходили по абсолютной величине 50 млрд-1. Наблюдался также пиковый рост концентрации СО2 (второй после 2012 г.). Средние годовые значения диоксида углерода и метана в 2014 г. для станций Обнинск и ПТЗ превышают данные, полученные на полярных станциях Териберка и Тикси. Различие результатов измерений, полученных в северных районах и центральной части ЕЧР, связано с более высокой степенью урбанизации в центре ЕЧР, так и с возможным влиянием процессов дальнего переноса, включая трансграничный атмосферный перенос метана и диоксида углерода в районы размещения станций.

На всех станциях мониторинга парниковых газов (полярных и в ЕЧР) регистрировалась сезонная изменчивость метана и диоксида углерода, минимальные значения измеряемых газов наблюдались в летний период года. Повышенные уровни концентрации парниковых газов и амплитуда их сезонного хода на станции Новый Порт свидетельствуют о влиянии региональных источников.