Формирование аномально теплых и холодных зимних и летних атмосферных термических условий на черноморском побережье


Formation of the anomaly warm and cool winter and summer atmospheric thermal condition on the Black Sea seaboard

Титов В.Б., Кузеванова Н.И.

  Vitaliy B. Titov, Natalya I. Kuzevanova
 

Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН, Южное отделение (Геленджик, Россия)
 

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Southern Branch (Gelendzhik, Russia)
 

УДК 551.582.2

Выполнен анализ формирования нормальных, аномально холодных и аномально теплых зимних и летних атмосферных термических условий в зависимости от ветрового режима. Вычислены повторяемости ветра разных направлений (по 16 румбам) и соответствующая им средняя температура воздуха. Установлена качественная взаимосвязь между повторяемостью ветра разных направлений и температурой воздуха.

Ключевые слова: термический режим атмосферы; шкала атмосферных термических условий; ветровой режим.

Analysis of the formation normal, anomaly warm and cool winter and summer atmospheric thermal condition was carried out. Times of occurrences different wind direction (on 16 bearings) and middle air temperature were calculated. A qualitative relationship between wind occurrences and the air temperature was established.

Keywords: thermal atmospheric regime; scale atmospheric thermal conditions; wind regime.

Введение

Термический режим атмосферы оказывает большое влияние на гидрофизические процессы в Черном море и его экологию, а также на хозяйственную деятельность в причерноморском регионе.

В период холодных весенне-зимних атмосферных термических условий (АТУ) происходит активное обновление холодного промежуточного слоя (ХПС), который является важнейшим структурным элементом гидрологической структуры вод Черного моря. При обновлении воды ХПС насыщаются кислородом, за счет вовлечения вод черноморского пикнохалоклина биогенными элементами. В период активных штормов происходит обмен вод ХПС с вышележащими слоями, обеспечивая первичную биологическую продуктивность в фотическом слое моря (Куклев и др., 2019). И чем ниже температура воздуха в зимний период, тем интенсивнее идут эти процессы.

Летом под воздействием притока солнечной радиации и теплых воздушных масс происходит прогрев поверхности моря и формирование верхнего теплого квазиоднородного слоя, устойчивого к вертикальному перемешиванию с подстилающими более холодными и плотными водами. Вследствие этого все растворенные и взвешенные загрязняющие вещества концентрируются в поверхностном слое моря, ухудшая его экологию (Титов, Савин, 2000; Титов, 2000). Особенно интенсивно указанные зимние и летние процессы идут при аномально низких (зимой) и аномально высоких (летом) температурах воздуха (Титов, 2003).

Главным фактором сезонной изменчивости температуры воздуха является приток солнечной радиации. Однако этот фактор не может быть причиной аномально теплых и аномально холодных АТУ, так как межгодовая изменчивость потока солнечной радиации невелика («солнечная постоянная») и составляет всего 1,5% (Титов, 2003). Межгодовая же изменчивость среднемесячной температуры в смежные годы может достигать зимой на северо-западе Черного моря 12–14^оС, а на юго-востоке – до 6–7^оС. Столь существенные колебания среднемесячной температуры – от аномально теплой до аномально холодной – обусловлены региональным режимом циркуляции атмосферы (траектории движения циклонов, антициклонов и перенос ими воздушных масс с различными термическими характеристиками) (Титов, 2004а; Титов, 2004б; Титов, Савин, 2007).

В настоящей статье рассматривается формирование нормальных (Н), аномально холодных (АХ) и аномально теплых (АТ) зимних и летних термических условий под влиянием регионального ветрового режима атмосферы. Целью исследований являлось установить причину резких колебаний зимней и летней температуры воздуха.

Исходные данные и их обработка

В качестве исходных данных использованы результаты срочных метеорологических наблюдений на морской гидрометеорологической станции «Геленджик» с 1922 по 2013 гг. (92 года). По среднемесячным зимним (декабрь, январь, февраль) и летним (июнь, июль, август) рядам температуры были выбраны месяцы с нормальными (средними), аномально высокими и аномально низкими температурами воздуха по шкале атмосферных термических условий (АТУ). Градации шкалы оценивались относительно средних сезонных многолетних значений температуры (T̅_мн) с использованием в качестве меры изменчивости средних квадратических отклонений δ. Температуры в пределах T̅_мн ±0,5^оδ относились к нормальной (Н) градации; отклонения температуры от нормальной градации на величину δ, т.е. от 0,5δ до 1,5δ, оценивались как теплая (Т) градация, от -0,5δ до -1,5δ – холодная (Х) градация, а отклонения больше чем на +1,5δ – аномально теплая (АТ) и аномально холодная (АХ) градации (соответственно знаку отклонения). По этим критериям были выбраны зимние и летние месяцы с Н, АХ и АТ термическими условиями.

Таблица 1. Распределение температуры воздуха (Т_а^оС) и повторяемости ветра (Р%) по 16-ти румбам для нормальных (Н), аномально холодных (АХ) и аномально теплых (АТ) зимних и летних сезонов

Для выбранных зимних и летних месяцев по срочным наблюдениям были определены повторяемости ветра (Р%) для каждого из 16 румбов и соответствующие им средние температуры воздуха (T̅_а^оС). Поскольку полученные данные для трех месяцев каждого сезона оказались подобными, они были осреднены посезонно. В итоге получены обобщенные сезонные характеристики для Н, АХ и АТ зимних и летних сезонов (табл. 1). Анализ данных проводился по статистическому методу (Пановский, Брайер, 1967).

Анализ результатов

На рисунке 1 представлены результаты обработки данных для зимних и летних сезонов и трех типов АТУ (Н, АХ и АТ).

В нормальном распределении температуры по направлениям ветра зимой (график «Н–зима») относительно средней многолетней температуры (T̅_мн^оС) выделяются два сектора теплый (температура выше T̅_мн^оС) и холодный (температура ниже T̅_мн^оС). Оба сектора равны и занимают по половине окружности (180^о). Теплый сектор занимает южную половину круга – от восточного (В) до западного (З) румба, а холодный сектор – северную половину, от западного (З) до восточного (В) румба. Суммарная повторяемость ветра румбов теплого сектора составляет ∑Р = 50%, а холодного сектора – ∑Р = 51%. Таким образом, сбалансированность ветровых условий, формирующих теплый и холодный сектор, определяет нормальные АТУ в зимний сезон.

Распределение температуры по румбам относительно среднего многолетнего значения в аномально холодную зиму (график «АХ–зима») имеет явно выраженную асимметрию. Теплый сектор занимает около 1/3 круга (115^о) и расположен между ВСВ и ЮЗ-румбами. Повторяемость ветра в теплом секторе составляет ∑Р = 27%, тогда как в холодном секторе – ∑Р = 79%, т.е. почти втрое больше. Трехкратное превышение повторяемости ветра холодного сектора формирует АХ-зиму. Наиболее низкие температуры приходятся на сектор между СЗ и ВСВ-румбами, а минимум температуры (-2 ^оС) совпадает с максимумом повторяемости ветра СВ-румба (Р = 18%).

В АТ-зиму температура воздуха при ветре любого направления, кроме северного, превышает среднюю многолетнюю температуру (график «АТ-зима»). Самые высокие температуры наблюдаются в секторе между В и Ю-румбами (суммарная повторяемость ∑Р = 58%), а самые низкие – в секторе между СЗ и СВ-румбами (∑Р = 24%). Максимум температуры (Т_а = 11,6^о) совпадает с наибольшей повторяемостью ЮВ ветра (Р = 21%), а минимум температуры (Т_а = 4,5^о) соответствует северному ветру при его повторяемости Р = 4%.

Таким образом, причиной аномально теплых зим является многократное преобладание повторяемости ветра В-Ю-сектора над ветром СЗ-СВ-сектора.

Температура воздуха в нормальное лето достаточно стабильна, и ее отклонения от среднего многолетнего значения составляют 1–1,2^оС (график «Н–лето»). Незначительные отклонения температуры в большую сторону наблюдаются в ЮВ-З-секторе, при суммарной повторяемости ветра этого сектора ∑Р = 46%. Повторяемость ветра в секторе пониженной температуры (ЗСЗ-ВЮВ-сектор) немного ниже и составляет ∑Р = 36%. При таком близком к балансу ветровом режиме, вызывающим небольшие отклонения температуры от ее среднего многолетнего значения, формируются нормальные летние АТУ.

В АХ–лето температура воздуха при любых направлениях ветра ниже ее среднего многолетнего значения (график «АХ–лето»). Такое понижение температуры происходит при усилении меридионального типа циркуляции и вторжении холодных арктических циклонов.

Повышенные значения температуры, около 22^оС, наблюдаются в ЮВ-З-секторе, с суммарной повторяемостью ветра ∑Р = 53%, и в узком секторе ССВ-ВСВ (∑Р = 25%) с максимумом повторяемости СВ ветра (Р = 15%). Пониженные значения температуры (ниже 20^оС) обусловлены ветром СЗ-С-сектора и В-румба.

Рис. 1. Влияние ветра разных направлений на формирование нормальных (Н), аномально холодных (АХ) и аномально теплых (АТ) зимних и летних атмосферных термических условий
Обозначения: Т_мн – средняя многолетняя (зимняя и летняя) температура, Р% – повторяемость ветра (%), Т – распределение температуры по направлениям ветра

В АТ-лето температура воздуха на всех направлениях ветра выше ее среднемноголетнего значения (график «АТ-лето»). Кривая распределения температуры внешне подобна ее распределению в АХ-лето (повышение и понижение температуры в тех же секторах), но с более высокой температурой. Повышенные значения температуры (до 25,0–26,5^оС) обусловлены ветрами ЮВ-З и ССВ-ВСВ-секторами с максимумом повторяемости СВ-румба, а пониженные значения (до 24,0–24,5^оС) вызваны ветром СЗ-С-сектора и В-румба.

Как видно из табл. 1 и рис. 1, преобладающим направлением ветра с максимальной повторяемостью Р = 15–18 % (кроме АТ-зимы) является северо-восток. Однако воздействие его на температуру воздуха в зимний и летний сезоны неоднозначно. Зимой СВ ветер приносит холодные воздушные массы с минимальной температурой (график «АХ-зима»), а летом, наоборот, вызывает повышение температуры (график «АХ-лето»), что противоречит традиционным представлениям о том, что ветры северной четверти горизонта приносят похолодание.

Указанное противоречие объясняется тем, что в весенне-летний сезон восточный отрог Азорского квазистационарного антициклона с очень теплым воздухом распространяется далеко на восток (до причерноморского и прикаспийского районов). Поэтому ветры северной четверти приносят из этой области воздух с повышенной температурой.

Другим кажущимся противоречием являются относительно низкие летние температуры воздуха (ниже 22^оС; график «АХ-лето») при южных ветрах. Эта особенность связана с прохождением южнее Черного моря на восток средиземноморских циклонов с влажным и прохладным воздухом. Ветры ЮВ-ЮЗ-сектора переносят этот воздух к северу, понижая здесь температуру. 

Такова в общем качественная взаимосвязь между температурой воздуха и циркуляционными механизмами атмосферы. Четкой функциональной взаимосвязи между ними нет, так как сказывается влияние многих факторов (температура воздушных масс в области формирования циклонов и антициклонов, траектории их движения, преобладание зонального или меридионального типа циркуляции и др.).

Одним из важнейших факторов, оказывающих большое воздействие на циркуляционные механизмы атмосферы в районе Черного моря, является северо-атлантическое колебание (САК), характеризующее динамическое взаимодействие между квазистационарными центрами действия атмосферы – Азорским максимумом и Исландским минимумом (Титов, Часовникова, 2012). Взаимодействие между ними характеризуется двумя фазами – положительной и отрицательной. При положительной фазе наблюдаются отрицательные аномалии приземного атмосферного давления и температуры воздуха в Исландском минимуме и положительные аномалии в Азорском максимуме. В положительной фазе усиливается зональная циркуляция, а траектории движения циклонов и антициклонов смещаются к северу относительно их средней трассы (Титов, Часовникова, 2012).

В отрицательной фазе САК ситуация диаметрально противоположная: отрицательные аномалии давления и температуры в Азорском максимуме и положительные аномалии – в Исландском минимуме. В этой фазе усиливается меридиональная циркуляция и происходит смещение траектории движения циклонов к югу.

Все эти особенности динамики САК оказывают влияние на региональную циркуляцию атмосферы в районе Черного моря и на формирование тех или иных атмосферных термических условий в зимние и летние сезоны.

Заключение

1. Нормальные зимние АТУ формируются при сбалансированном (равновероятном) соотношении повторяемостей ветра теплого и холодного секторов. Теплый сектор занимает южную половину круга (180^о), от В до З-румба, с суммарной повторяемостью ветра ∑Р =50%, а холодный сектор – северную половину круга (180^о), между З и В-румбами с повторяемостью ветра ∑Р = 51%.

2. В АХ–зимы имеется небольшой теплый сектор между ВЮВ и ЮЗ-румбами (110^о), с суммарной повторяемостью ∑Р = 27%. Холодный сектор, от ЮЗ до ВЮВ-румба, занимает 250^о, с повторяемостью ветра ∑Р = 79%. Минимальная температура в секторе, равная -2^оС, обусловлена максимальной повторяемостью СВ-ветра (Р = 18%). Почти трехкратное превышение повторяемости ветра холодного сектора над теплым сектором является причиной АХ-зимы.

3. Главным фактором формирования АТ–зим является снижение повторяемости холодных ветров северных румбов до 2–5% и одновременно увеличение повторяемости теплых ветров южных румбов. При этом в 2–2,5 раза уменьшается (до 8%) повторяемость преобладающего СВ–ветра и резко возрастает (до 21%) повторяемость ЮВ-ветра.

4. Нормальные летние АТУ, так же как и зимние, формируются при сбалансированном соотношении повторяемости ветров с повышенной и пониженной температурой. Отклонения температуры от средней многолетней в секторах с повышенной и пониженной температурой невелики и составляют 0,8–1,2^оС. Повторяемость ветра в секторе с повышенной температурой (между ЮВ и ЗСЗ-румбами; 160^о) равна Р = 46%, а в секторе с пониженной температурой (от ЗСЗ до ЮВ-румба; 200^о) – Р = 36%.

5. В АХ-лето температура воздуха на всех румбах ниже среднего многолетнего значения. Преобладающими по повторяемости являются ветры южных ветров (от ЮВ до З-румба) с повторяемостью ∑Р = 53%. Эти ветры приносят повышенную температуру, которая, однако, ниже средней многолетней температуры. Причиной того, что в АХ–лето южные ветры приносят температуру ниже средней многолетней, являются средиземноморские циклоны, проходящие по югу Черного моря и несущие влажные и прохладные воздушные массы, которые переносятся ветрами ЮВ-ЮЗ-румбов к северу, понижая здесь температуру.

6. В АТ-лето высокая температура (более 26^оС) связана с максимумом повторяемости СВ–ветра (Р = 18%), переносящего теплый воздух из восточного отрога Азорского антициклона. Кроме того, повышенная температура наблюдается в южном секторе (ЮВ–З) при повторяемости ветра ∑Р = 32%, что в 1,7 раза ниже, чем повторяемость в АХ-лето. Повышение температуры при снижении повторяемости ветра южных румбов можно объяснить уменьшением переноса более холодного воздуха с юга, что способствовало повышению температуры.

Такова роль циркуляционных механизмов атмосферы в формировании нормальных, аномально теплых и аномально холодных зимних и летних сезонов.

Работа выполнена в рамках госзадания по теме №0149-2019-0014.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Список литературы

1. Куклев С.Б., Зацепин А.Г., Подымов О.И. Формирование холодного промежуточного слоя в шельфовой склоновой зоне северо-восточной части Черного моря // Океанологические исследования. 2019. Т.47, №3.С. 58–71. DOI: https://doi.org/10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(3).5
2. Пановский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в метеорологии. – Л.: Гидрометиздат, 1967. – 250 с.
3. Титов В.Б. Влияние многолетней изменчивости климатических условий на гидрологическую структуру и межгодовое обновление холодного промежуточного слоя в Черном море // Океанология. 2003. Т.43, №2. С. 176–184.
4. Титов В.Б. Влияние многолетней изменчивости климатических условий на гидрологическую структуру и экологию Черного моря // Водные ресурсы. 2004а. Т.31, №4. С. 407–413.
5. Титов В.Б. О связи между сезонными атмосферными термическими условиями и параметрами гидрологической структуры в северо-восточной части Черного моря // Океанология. 2003. Т.43, №3. С. 347–355.
6. Титов В.Б. Формирование зимней гидрологической структуры Черного моря в зависимости от суровости зим // Океанология. 2000. Т.40, №6. С. 826–832.
7. Титов В.Б. Формирование верхнего конвективного слоя и холодного промежуточного слоя в Черном море в зависимости от суровости зим // Океанология. 2004б. Т.44, №3. С. 354–357.
8. Титов В.Б., Савин М.Т. Многолетняя изменчивость температуры воздуха над акваторией Черного моря // Экосистемные исследования Азовского, Черного и Каспийского морей и их побережий. Т. IX. – Апатиты: Издательство КНЦ РАН, 2007. – С. 23–32.
9. Титов В.Б., Савин М.Т. Об оценке температурного режима атмосферы, формирующего гидрологическую структуру Черного моря // Метеорология и гидрология. 2000. №10. С. 78–84.
10. Титов В.Б., Часовникова Л.А. Термическое взаимодействие между приводным слоем атмосферы и поверхностным слоем воды на северо-восточном шельфе Черного моря // Метеорология и гидрология. 2012. №8. С.79–88.
    
    

Статья поступила в редакцию 02.11.2018
После доработки 29.11.2019
Статья принята к публикации 05.12.2019

Об авторах

Титов Виталий Борисович – Vitaliy B. Titov

кандидат географических наук
ведущий научный сотрудник Южного отделения ФГБУН «Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern Branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia), Лаборатория гидрофизики и моделирования 

ocean@inbox.ru

https://orcid.org/0000-0002-0529-5843

Кузеванова Наталья Ильинична – Natalya I. Kuzevanova

научный сотрудник Южного отделения ФГБУН «Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН», Геленджик, Россия (Southern Branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia), Лаборатория гидрофизики и моделирования 

kuzevanova-nata@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-4337-8199

Корреспондентский адрес: Россия, 353467, Краснодарский край, г. Геленджик, ул. Просторная, д. 1-г, Южное отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова. Телефон/факс 8-861-41-280-89.

ССЫЛКА:

Титов В.Б., Кузеванова Н.И. Формирование аномально теплых и холодных зимних и летних атмосферных термических условий  на черноморском побережье // Экология гидросферы. 2019. № 2 (4). С. 30–37. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/178

DOI – https://doi.org/10.33624/2587-9367-2019-2(4)-30-37

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Formation of the anomaly warm and cool winter and summer atmospheric thermal condition on the Black Sea seaboard

Vitaliy B. Titov, Natalya I. Kuzevanova

Shirshov Institute of Oceanology RAS, Southern Branch (Gelendzhik, Russia)

Analysis of the formation normal, anomaly warm and cool winter and summer atmospheric thermal condition was carried out. Times of occurrences different wind direction (on 16 bearings) and middle air temperature were calculated. A qualitative relationship between wind occurrences and the air temperature was established.

Key words: thermal atmospheric regime; scale atmospheric thermal conditions; wind regime.

References

1. Kuklev S.B., Zacepin A.G., Podymov O.I. Formation of the cold intermediate layer in the shelf-slope northeastern part zone of the Black Sea. Okeanologicheskie issledovaniya [Journal of Oceanological Research]. V.47, №3. P. 58–71. DOI: https://doi.org/10.29006/1564-2291.JOR-2019.47(3).5 (in Russ.)
2. Panovskij G.A., Brajer G.V. Statisticheskie metody v meteorologii. [Statistical methods in meteorology]. Gidrometizdat, Leningrad, 1967. 250 p. (in Russ.)
3. Titov V.B. Dependence of the formation of the winter hydrological structure in the Black sea on the severity of winter conditions. Okeanologiya [Oceanology]. V.40, №6. P. 826–832. (in Russ.)
4. Titov V.B. Effect of multiannual variability of climatic conditions on the hydrological structure and interannual renewal of the cold intermediate layer in the Black Sea. Okeanologiya [Oceanology]. V.43, №2. P. 176–184. (in Russ.)
5. Titov V.B. Formation of the upper convective layer and the cold intermediate layer in the Black Sea in relation to the winter severity. Okeanologiya [Oceanology]. V.44, №3. P. 354–357. (in Russ.)
6. Titov V.B. On the correlation between seasonal atmospheric conditions and parameters of the hydrological water structure in the northeastern Black Sea. Okeanologiya [Oceanology]. V.43, №3. P. 347–355. (in Russ.)
7. Titov V.B. The effect of the long-term variations in climate conditions on the hydrological structure and ecology of the Black Sea. Vodnye resursy [Water resources]. V.31, №4. P. 407–413. (in Russ).
8. Titov V.B., CHasovnikova L.A. Thermal interaction between near-water atmospheric layer and surface water layer on the northeastern shelf of the Black Sea. Meteorologiya i gidrologiya [Russian Meteorology and Hydrology]. №8. P. 79–88. (in Russ.)
9. Titov V.B., Savin M.T. Mnogoletnyaya izmenchivost' temperatury vozduha nad akvatoriej CHernogo moray [Long-term variability of air temperature over the Black Sea]. Ekosistemnye issledovaniya Azovskogo, Chernogo i Kaspijskogo morej i ih poberezhij [Ecosystem studies of the Azov, Black and Caspian seas and their coasts]. Izdatel'stvo Kol'skogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk, Apatity, 2007. P. 23–32. (in Russ.)
10. Titov V.B., Savin M.T. Ob ocenke temperaturnogo rezhima atmosfery, formiruyushchego gidrologicheskuyu strukturu Chernogo morya [On the assessment of the temperature regime of the atmosphere forming the hydrological structure of the Black Sea]. Meteorologiya i gidrologiya [Russian Meteorology and Hydrology]. №10. P. 78–84. (in Russ.)

Authors

Vitaliy B. Titov

Southern Branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia

ocean@inbox.ru

https://orcid.org/0000-0002-0529-5843

Natalya I. Kuzevanova

Southern Branch of the P.P. Shirshov Institute of Oceanology RAS, Gelendzhik, Russia

kuzevanova-nata@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-4337-8199

ARTICLE LINK:

Titov V.B. , Kuzevanova N.I. Formation of the anomaly warm and cool winter and summer atmospheric thermal condition on the Black Sea seaboard. Hydrosphere Еcology. 2019. № 2 (4). P. 30–37. URL: http://hydrosphere-ecology.ru/178

DOI – https://doi.org/10.33624/2587-9367-2019-2(4)-30-37

When reprinting a link to the site is required

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 

Адрес - info@hydrosphere-ecology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

На ГЛАВНУЮ

К разделу ПУБЛИКАЦИИ