Исследование Земли из Космоса, 2023, № 4, стр. 92-106

ВВЕДЕНИЕ

Скорость и направление ветра относятся к числу важнейших климатических параметров в свободной атмосфере, которые согласно рекомендациям ВМО необходимо контролировать периодически и длительное время (https://space.oscar.wmo.int/). Одним из эффективных инструментов такого контроля является спутниковая система наблюдений. При этом наибольшую ценность представляют измерения с геостационарных метеорологических спутников, выполняемые с высоким временным (~15 мин) и пространственным (1–3 км) разрешением. В отличие от приземного ветра поле ветра в свободной атмосфере практически не зависит от характера подстилающей поверхности и определяется атмосферными процессами различного пространственно-временного масштаба, в том числе глобальными. В верхней тропосфере присутствуют высотные струйные течения, в которых сосредоточена основная кинетическая энергия атмосферы (Нерушев, 2014). Струйные течения, а также интенсивные тропические и внетропические циклоны в значительной степени определяют характеристики поля ветра в свободной атмосфере и их изменчивость. Изучение особенностей изменчивости поля ветра в верхней тропосфере, их связи с другими климатическими параметрами и крупномасштабными процессами позволит глубже понять закономерности климатической изменчивости и улучшить ее прогнозирование.

Исследованию высотных струйных течений на основе использования данных реанализа или спутниковых измерений, а также теоретическому моделированию реакции струи на внешние воздействия той или иной природы, в последнее время посвящен ряд статей как в российских, так и в зарубежных изданиях (см., например, работы (Золотов и др., 2018; Нерушев и др., 2017; Нерушев и др., 2018; Baker et al., 2017; Hall et al., 2017) и библиографию в них). Краткий обзор основных зарубежных работ по этой тематике приведен в статье (Нерушев и др., 2018). Главные выводы, которые можно сделать на основе анализа этих работ, заключаются в следующем (Нерушев и др., 2021): а) реакция струйного течения на антропогенное изменение климата является многогранной, с участием сложных взаимодействий между различными системами; б) скорость и широтное положение струи проявляют различную чувствительность к термическому форсингу: широтное положение струи наиболее чувствительно в умеренных и полярных широтах, а скорости струи – в субтропиках и тропиках; в) выявлен сдвиг среднего положения струи в Северном и Южном полушариях к полюсу и ослабление ее скорости; г) выявлен ряд потенциальных предикторов изменчивости высотного струйного течение в летний период.

В наших последних работах по этой проблематике (Нерушев и др., 2017; Нерушев и др., 2018) выявлены общие закономерности и существенные различия межгодовой изменчивости основных характеристик струйных течений в Северном и Южном полушариях; проведено детальное исследование периодических колебаний характеристик струйных течений, выявлены значимые колебания с периодами в несколько десятков суток и месяцев, а также исследована связь характеристик струйных течений с температурой тропосферы, площадью морского льда и крупномасштабными атмосферными явлениями. В работе (Нерушев и др., 2021) построена статистическая модель временной изменчивости характеристик высотных струйных течений Северного полушария за период 2007–2019 гг. Показано, что наибольший вклад в вариации характеристик струйных течений вносят площадь морского льда и группа предикторов, связанных с вариациями температуры тропосферы. Максимальный вклад индексов крупномасштабных атмосферных процессов в качество модели не превышает 10%. В целом модель множественной линейной регрессии позволяет описать до 50–70% изменчивости средней площади, максимальной скорости и широтного положения центра струйного течения.

Значительно меньше работ посвящено изменчивости поля ветра, особенно в свободной атмосфере, и ее связи с климатическими параметрами. Большая часть работ, выполненных за рубежом по этой тематике, касается потенциального воздействия изменения климата на порывы ветра, что представляет несомненный интерес для многих секторов экономики, особенно для ветроэнергетики, а также для повышения адаптивной способности инфраструктуры в условиях риска воздействия экстремальных погодных явлений (см., например, работы (Cheng et al., 2014, Zeng et al., 2019) и обширную библиографию в них).

Нет полной ясности относительно тенденций изменения скорости ветра как в свободной атмосфере, так и в нижнем ее слое. В работе (Булыгина и др., 2013) по данным густой сети метеорологических станций показано, что при наличии некоторых региональных особенностей на территории России в целом в последние десятилетия преобладает уменьшение скорости ветра. В работе (Лавров, Хохлова, 2020) на основе архива ВНИИГМИ-МЦД многолетних радиозондовых измерений и данных реанализа пятого поколения ERA5 (Hoffman et al., 2019) рассмотрены тенденции изменчивости ветрового режима свободной атмосферы за период 1985–2018 гг. Отмечено, что в разных регионах Северного полушария они имели разнонаправленный знак. Наибольшие по абсолютной величине тренды наблюдаются зимой. Отрицательные тренды скорости ветра в тропосфере преобладают на широтах севернее 55° с.ш., причем над Россией они статистически значимы. В умеренных широтах (30–60° с.ш.) преобладают положительные тренды скорости ветра, причем в Азии и над Тихим океаном в тропосфере они статистически значимы и достигают 1.5 м/с за 10 лет. Информация о полях ветра в атмосфере содержится также в ежегодных докладах об особенностях климата на территории Российской федерации, выпускаемых Росгидрометом (см., например, (Доклад, 2022) и более ранние доклады на сайте ИГКЭ http://climatechange.igce.ru/ ). В них отмечается устойчивая тенденция уменьшения скорости приземного ветра за период 1976–2021 гг. как на всей территории РФ, так и во всех квази-однородных регионах.

Глобальное снижении скорости ветра у поверхности земли примерно на 8% наблюдалось с 1980 по 2010 г., что вызвало обеспокоенность по поводу будущей выработки ветровой энергии (McVicar et al., 2012, Tian et al., 2019). В то же время более тщательные исследования, объединяющие прямые наблюдения скорости ветра на наземных метеостанциях с 1978 по 2017 г. со статистическими моделями для выявления тенденций, обнаружили рост средней глобальной скорости приземного ветра после 2010 года. При этом величина тренда возрастания скорости ветра после 2010 г. в 3 раза превысила величину ее убывания до 2010 г. (Zeng et al., 2019).

В докладе Рабочей группы I к Шестому отчету Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) (https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i/) констатируется, что тенденции изменения средней скорости поверхностного ветра присутствуют во многих районах. Однако выделение этих тенденций из межгодовой естественной изменчивости и их приписывание антропогенному изменению климата обладает низкой степенью достоверности из-за различных факторов. Поэтому можно заключить, что их связь с изменением климата в настоящее время однозначно не установлена (https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_Chapter_12.pdf.).

Что касается ветра в свободной атмосфере, то результаты многочисленных работ, использующих данные реанализов, а также радиозондовые данные свидетельствуют о последовательном сдвиге тропосферных внетропических струйных течений в сторону полюсов с 1979 года (Allen et al., 2012; Davis and Birner, 2013; Davis and Rosenlof, 2012; Manney and Hegglin, 2018; Pena-Ortiz et al., 2013). При этом скорость субтропических струйных ветров обычно увеличивалась зимой и уменьшалась летом, но тенденции зависят от региона (Lee et al.,2019; Manney and Hegglin, 2018; Pena-Ortiz et al., 2013). Общее число внетропических циклонов в северном полушарии с низкой степенью достоверности увеличилось с 1980-х годов, но с меньшим количеством глубоких циклонов, особенно летом (Chang and Yau, 2016; Wang X. L. et al., 2016). Положительные значимые тренды скорости зонального ветра в средней и верхней тропосфере величиной 0.5 м/с за декаду за 30-летний период (1979–2018 гг.) отмечаются в северном полушарии в зимний период. В другие сезоны тренды скорости зонального ветра слабо отрицательные и практически во всей указанной области не значимы (https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_ Chapter_2.pdf.).

Учитывая то обстоятельство, что скорость ветра в свободной атмосфере зависит от атмосферных процессов, в том числе глобальных, и поэтому отражает роль климатических изменений, представляет интерес, используя в качестве основной информации спутниковые измерения, детально рассмотреть ее временную изменчивость а также связь с важнейшими климатическими параметрами и крупномасштабными процессами. В настоящей статье мы постарались осветить этот вопрос, используя те же подходы, которые применяли при изучении высотных струйных течений.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТОДЫ

Так же, как в наших предыдущих работах в качестве исходной спутниковой информации используются данные зондирования атмосферы радиометром SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager) европейских геостационарных метеорологических спутников второго поколения Meteosat 8–Meteosat 11 с временным интервалом 15 мин за период с марта 2007 г. по декабрь 2021 г. включительно, поступавшие по каналам связи из НИЦ “Планета” в НПО “Тайфун”. Нижняя граница временного периода обусловлена имеющимся в НИЦ “Планета” архивом пригодных для обработки данных зондирования атмосферы радиометром SEVIRI. Радиометр обозревает область земного шара ±70 град по широте и долготе от подспутниковой точки (0 град).

Не останавливаясь на методе расчета поля скорости ветра по перемещению атмосферных трассеров – неоднородностей концентрации водяного пара, детально изложенном в работе (Нерушев, Крамчанинова, 2011), укажем, что вектор скорости горизонтального ветра (V) в верхней тропосфере рассчитывается по данным измерения канала водяного пара радиометра SEVIRI с центром на 6.2 мкм в узлах регулярной сетки 1° × 1° по трем последовательным снимкам, разделенным временным интервалом 15 мин. Этот канал имеет максимум весовой функции на уровне около 350 гПа для атмосферных условий, соответствующих умеренным широтам (приблизительно 8 км), а ее полуширина составляет приблизительно 300 гПа (http://www.eumetsat.int/). Выделение желаемого элемента среды c центром в точке (x, y) осуществляется двумерным оператором H (рабочее окно), представляющим собой пространственную весовую функцию и играющим роль фильтра верхних пространственных частот. Процедура отождествления выделенных таким образом областей поля излучения атмосферы, принимаемого радиометром SEVIRI, в моменты времени t₁ и t₂ заключается в нахождении глобальных экстремумов взаимных статистических характеристик (например, структурной функции) путем вариаций пространственных сдвигов. Абсолютная погрешность вычисления модуля горизонтальной скорости ветра разработанным методом не превышает 8 м/с, а азимута скорости – 15–20 град (Нерушев, Крамчанинова, 2011).

Для анализа связи изменчивости скорости ветра с основными климатическими параметрами и крупномасштабными процессами привлекались среднемесячные квазизональные, усредненные по долготной области 70° з.д.–70° в.д. значения температуры тропосферы (T_tr) на разных уровнях по данным реанализа NCEP/NCAR (Kalnay, et al., 1996) и их разности на уровнях 200 и 500 гПа (∆T200 и ∆T500) между низкими (0°) и высокими (80°) широтами; среднемесячные значения площади арктического морского льда (S_ice) по данным NOAA (ftp://sidads.colorado.edu/DATASETS/NOAA/); различные индексы крупномасштабной атмосферной циркуляции, рассчитанные в Центре прогнозов климата Национального управления по исследованию океана и атмосферы США (https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/).

Непосредственно расчет поля ветра методом, основанным на применении корреляционно-экстремальных алгоритмов (Нерушев, Крамчанинова, 2011), выполняется c помощью библиотеки OpenCV (https://opencv.org/). Расчеты повторяются с временным интервалом 1 ч. Данные за месяц в виде массива компонентов векторов скорости ветра сохраняются в формате NetCDF. Для дальнейшего анализа были разработаны программные средства усреднения полей ветра, которые позволяют получать средние за сутки, месяц, сезон или за несколько лет.

Информация о характеристиках поля ветра в свободной атмосфере на основе спутниковых данных представляется в виде карт в прямоугольной проекции с координатами (30–60)° с.ш., 60° з.д.–60° в.д. с выделением 3-х областей: Атлантики (60° з.д.–15° з.д.), Западной и Восточной Европы (15° з.д.–30° в.д.), Евразии (30° в.д.–60° в.д.), включая Европейскую территорию Российской федерации (ЕТР). Ограничение по долготе (60° з.д.–60° в.д.) и сверху по широте (60° с.ш.) обусловлено размерами видимой с высоты геостационарной орбиты спутника (36 тыс. км) области Земного шара. Рассчитанные значения V на краях области с координатами более 60° по широте и долготе отягощены большими погрешностями, и в силу этого исключаются из рассмотрения. Ограничение снизу по широте (30° с.ш.) выбрано с точки зрения охвата области Атлантики, через которую проходят траектории внетропических циклонов.

Важное значение для точности расчетов имеет выбор рабочего окна и области сканирования (Нерушев, Крамчанинова, 2011). Как показали численные эксперименты наиболее оптимальными величинами с точки зрения точности расчетов и времени счета является квадратное рабочее окно, размером 64 × 64 пикселов и соответствующая область сканирования 128 × 128 пикселов. На рис. 1 представлено сравнение временного хода рассчитанных значений скорости ветра V_cal, усредненной по всей рассматриваемой области со значениями V для той же области на уровнях 300 (V300) и 400 (V400) гПа по данным NCEP Daily Global Analyses (https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.html ).

Рис. 1.

Межгодовой ход среднемесячных значений скорости ветра V_cal (1) и скорости ветра по данным NCEP на уровнях 300 (2) и 400 (3) гПа, усредненных по всей рассматриваемой области.

Как следует из рис. 1, значения V_cal располагаются между значениями V300 и V400 и достаточно хорошо воспроизводят временные особенности изменчивости последних, что естественно, поскольку, как указано выше, максимум весовой функции канала 6.2 мкм радиометра SEVIRI находится на уровне около 350 гПа для атмосферных условий, соответствующих умеренным широтам. Коэффициент корреляции для обоих случаев значим на уровне 0.95 и достаточно высок (0.82). Среднеарифметическое отклонение разности (V_cal – V300) равно минус 1.92 м/с, а среднеквадратическое отклонение (СКО) – 1.80 м/с. Для разности (V_cal – V400) эти значения равны, соответственно, 1.50 и 1.51 м/с. Наибольшее по модулю значение среднеарифметического отклонения (–4.27 м/с) отмечается для разности (V_cal – V300) над Евразией, при этом СКО равно 2.22 м/с.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Общие закономерности пространственно-временной изменчивости скорости ветра за 2007–2016 гг.

Рассмотрим вначале общие закономерности пространственно-временной изменчивости скорости ветра на примере средних многолетних сезонных полей ветра в трех упомянутых выше выделенных областях (рис. 2). В дальнейшем средние многолетние (сезонные и среднемесячные) значения скорости ветра за период 2007–2016 гг. будем использовать в качестве соответствующих норм. Как и следовало ожидать, общее направление ветра – с запада на восток с некоторым отклонением к югу в основном над Атлантикой. Наибольшие значения скорости ветра отмечаются над Атлантикой (60–15)° з.д. Это связано, по-видимому, с тем, что именно над Атлантикой отмечаются высотные струйные течения (Нерушев и др., 2017), а также проходят траектории большинства внетропических циклонов, оказывающих влияние и на верхнюю тропосферу.

Рис. 2.

Средние многолетние значения скорости и направления ветра для четырех сезонов.

На рис. 3 представлен годовой ход средних многолетних среднемесячных значений скорости ветра за период 2007–2016 гг. для каждой из выделенных областей. С целью удобства восприятия 95-процентный доверительный интервал указан только для всей области. Видно, что максимальные скорости ветра в каждой из выделенных областей и во всей области наблюдаются в зимний период (в январе-феврале), а минимальные – летом (в июне-июле). Скорости ветра в целом уменьшаются от Атлантики к Евразии. Это можно объяснить тем, что влияние высотных струйных течений, а также внетропических циклонов существенно ослабевает над Европой и Евразией. Значения скорости над Атлантикой и Евразией отличаются приблизительно в 1.2–1.9 раза.

Рис. 3.

Годовой ход средних многолетних среднемесячных значений скорости ветра, усредненной по площади всей области (1), Атлантики (2), Европы (3), Евразии (4).

Среднемесячные и сезонные аномалии скорости ветра в 2017–2021 гг.

Как сказано выше в качестве нормы при расчете среднемесячных и сезонных аномалий модуля и направления скорости ветра использованы средние многолетние значения полей ветра за период 2007–2016 гг. На рис. 4 в качестве примера приведены сезонные аномалии модуля и направления скорости ветра для зимы и лета 2020 г. и среднемесячные аномалии для января и июля 2020 г. Здесь и далее черным цветом изображены векторы скорости ветра для конкретного месяца или сезона, а фиолетовым – векторы нормы.

Рис. 4

Аномалии модуля и направления вектора скорости ветра для зимы (а) и лета (б) 2020 года, января (в) и июля (г) 2020 года.

Приведенные примеры показывают довольно сложное пространственное распределение аномалий модуля скорости ветра. Анализ сезонных аномалий скорости ветра в 2017–2021 гг. показывает, что большая часть как положительных, так и отрицательных аномалий располагается над Атлантикой, а максимальные по модулю положительные и отрицательные аномалии отмечаются зимой. Обращает на себя внимание большая положительная аномалия V в январе 2020 г. в области (10–15) град з.д., (30–35) град с.ш., достигающая 20 м/с. Указанное обстоятельство отмечено и в обзоре Гидрометцентра РФ “Основные особенности атмосферной циркуляции и погоды в северном полушарии в январе 2020 г.” (https://meteoinfo.ru/?option=com_content&view=article&id=16776), в котором выделяются большие положительные аномалии геопотенциала на уровне 500 гПа величиной до 15 дам (15 декаметров) вблизи указанной области. В обзоре отмечено, что зональный перенос в средней тропосфере был значительно интенсивнее обычного: даже осредненный по полушарию индекс зональной циркуляции оказался на 25% выше нормы.

Над ЕТР присутствуют слабые положительные и отрицательные сезонные аномалии, величина которых, как правило, не выходит за пределы ±1.5 м/с. Это согласуется с информацией, помещенной в Докладах об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2017–2020 гг.

Среднемесячные аномалии модуля скорости ветра заметно больше сезонных. Что касается различия направления векторов ветра, оно, как следует из рис. 3, для сезонных аномалий значительно меньше, чем для среднемесячных. Для последних это различие в ряде случаев может достигать 90 град.

Особенности временной изменчивости скорости ветра на временном интервале 2007–2021 гг.

Рассмотрим временную изменчивость модуля среднемесячной скорости ветра на интервале 2007–2021 гг., усредненному по широтной зоне (30–60)° и по долготе в каждой области. На рис. 5 представлены вариации скорости ветра в каждой из выделенных областей и ее аппроксимации полиномами 2-й степени.

Рис. 5.

Временные ряды усредненных по площади среднемесячных значений скорости ветра над всей областью (а), Атлантикой (б), Западной и Восточной Европой (в), Евразией (г) и их аппроксимации полиномами 2-й степени.

Как видно из рис. 5 рост модуля скорости ветра в 2015–2017 гг. сменяется его падением. Точка смены знака тренда определялась по положению экстремума полиномов 2-й степени. Над Европой такая смена произошла в середине 2015 г., над Евразией – в середине 2017 г., а над Атлантикой и всей областью в целом – в начале 2016 г. Наибольшие положительные тренды, значимо отличные от нуля с вероятностью более 95%, отмечаются над Атлантикой (0.42 м/с/год) и всей областью в целом (0.28 м/с/год). Значимый положительный тренд (0.18 м/с/год) отмечается и над Евразией. Отрицательный тренд (–0.46 м/с/год) значим только над Атлантикой.

Как показал анализ, использование полиномов более высокой степени практически не улучшает точности аппроксимации: так среднеквадратическое отклонение рассчитанных значений скорости ветра от аппроксимирующей кривой для полиномов 2-й степени не превышает 3.07 м/с, а для полиномов 3-й и 5-й степеней – 3.03 м/с. В пользу выбора полиномов 2-й степени служит то обстоятельство, что они позволяют более наглядно определить время смены знака тренда с положительного на отрицательный. Использование полиномов более высокой степени несколько сдвигает точку смены знака тренда в правую сторону, но в пределах временного отрезка 2015–2017 гг. Различное время смены знака тренда над выделенными областями может быть связано, с нашей точки зрения, с преобладающим влиянием в каждой области того или иного воздействующего фактора (штормовые треки, струйные течения и др.)

Качественно аналогичная картина временной изменчивости скорости ветра – изменение знака тренда с положительного на отрицательный над Атлантикой и всей областью в целом – проявляется и по данным NCEP Daily Global Analyses (https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.html ).

С чем связано такое поведение модуля скорости ветра? Известно (Нерушев и др., 2018), что климатическая изменчивость динамических характеристик верхней тропосферы в Северном полушарии определяется такими важнейшими климатическими параметрами, как температура тропосферы и площадь арктического морского льда. Кроме того, на нее могут оказывать влияние крупномасштабные процессы: NAO (Северо-Атлантическое колебание – вариации поля геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа для внетропической зоны Северного полушария); AO (Арктическое колебание – аномалии поверхности 1000 гПа для Северного полушария севернее 20°); EAWR (East Atlantic/Western Russia, Восточно-Атлантический – Западно-Российский циркуляционный индекс – вариации поля геопотенциала 500 гПа севернее 20° для региона Атлантика – Западная Сибирь); QBO30 и QBO50 (квазидвухлетние вариации экваториального ветра на уровнях 30 и 50 гПа); SOI (индекс Южного колебания – разность аномалий давления над Таити и над Дарвином). Рассмотрим связь среднемесячных значений скорости ветра с указанными характеристиками.

Анализ спектральной структуры показал, что в амплитудных спектрах скоростей ветра и климатических характеристик четко выделяется годовая гармоника. Кроме того, в спектрах скоростей ветра проявляются колебания в интервале 20–50 мес. Для климатических индексов годовая гармоника практически отсутствует, но четко проявляются колебания в области периодов 20–40 мес. На рис. 6 в качестве примера приведены спектры модуля скорости ветра для всей рассматриваемой области (Vall), площади арктического морского льда (S_ice), температуры тропосферы на уровне 500 гПа (Т500) в широтной зоне 40–50 град., разности температур между низкими (0°) и высокими (80°) широтами на уровне 500 гПа (∆T500) и индекса Северо-Атлантического колебания (NAO).

Рис. 6.

Амплитудные спектры скорости ветра, важнейших климатических характеристик и индекса NAO. По оси ординат – амплитуда колебаний.

Исходя из такого вида спектральных характеристик можно ожидать корреляционной связи скорости ветра прежде всего с климатическими характеристиками в области сезонных вариаций.

На рис. 7 для примера на верхних графиках приведен временной ход стандартизованных среднемесячных значений скорости ветра, усредненной по всей рассматриваемой области, важнейших климатических характеристик (Т500, ∆T500, S_ice) и одного из климатических индексов – NАО. Astd = (X – M)/STD, где X – соответствующая характеристика, M и STD – ее среднее значение и стандартное отклонение на временном интервале 2007–2021 гг.. На нижних графиках представлены результаты кросс-корреляционного вейвлетного анализа. Направление стрелок вправо указывает на совпадение фаз, влево – на противофазность колебаний. Цветовая шкала дана в условных единицах. Жирная линия ограничивает области, где значимость корреляции отлична от нуля с вероятностью 0.95. Заметим, что аналогичная картина характерна и для связи Vall с Т200 и ∆T200.

Рис. 7.

Кросс-корреляционный вейвлетный анализ скорости ветра Vall с важнейшими климатическими характеристиками (а–в) и климатическим индексом NAO (г). Пояснения даны в тексте.

Анализ показывает, что наибольшая связь полей ветра в каждой области наблюдается с температурными характеристиками атмосферы и площадью морского льда. При этом асинхронные годовые колебания V наблюдаются с Т500 (рис. 7а), синхронные – с ∆T500 и S_ice (рис. 7б, 7в). Что касается связи V с индексами крупномасштабных процессов, то влияние NAO слабо проявляется лишь в отдельные годы, то же касается и других климатических индексов.

Интересные особенности выявляются при сравнении временного хода климатических характеристик и скорости ветра. На рис. 8 приведено сопоставление стандартизованных среднемесячных значений S_ice, ∆T500 и Vall на временном интервале 2007–2021 гг.

Рис. 8.

Временной ход стандартизованных значений площади Арктического морского льда (1), разности температур между низкими (0°) и высокими (80°) широтами на уровне 500 гПа (2) и модуля скорости ветра для всей рассматриваемой области (3).

Минимальные значения S_ice, наблюдаемые строго в сентябре, отстают от минимальных значений ∆T500 на 2 мес. Разница по фазе максимальных значений этих характеристик выражена слабее в силу более сложной структуры временной зависимости ∆T500 вблизи максимальных значений. Временные вариации Vall в основном совпадают по фазе с вариациями ∆T500, что особенно четко проявляется в годовых колебаниях (рис. 7б), и поэтому также опережают по фазе вариации S_ice. Отметим, что подобная особенность характерна и для другой важной динамической характеристики атмосферы – высотных струйных течений. В Северном полушарии годовые вариации средней площади струйного течения опережают вариации S_ice примерно на 1.5–2.5 мес. (Нерушев и др., 2018). Простое объяснение указанной особенности может быть следующим. Минимальные значения ∆T500 обусловлены в основном максимальными значениями температуры атмосферы в высоких широтах (в наших расчетах в широтной зон 70°–80°), которые достигаются в июле. Арктический морской лед как инерционная система, запасая поглощенную энергию солнца, продолжает таять еще в течение 2-х мес., после чего начинается рост его площади. Движения в атмосфере, как значительно менее инерционной системе, практически следуют во времени за изменением температуры.

Сравним изменчивость скорости ветра и основных климатических характеристик на разных временных интервалах (табл. 1).

Таблица 1.  

Величины линейных трендов среднемесячных значений площади арктического морского льда, температурных характеристик тропосферы, а также скорости ветра в свободной атмосфере над Атлантикой на разных временных интервалах. Жирным шрифтом выделены тренды, значимо отличные от нуля с вероятностью 0.95

Характеристика (размерность тренда)	Временной интервал
	1990–2021	2007–2021	2017–2021
Sice (млн км2/год)	–0.067	–0.07	–0.30
∆T500_0–80 (град/год)	–0.029	–0.07	–0.48
Т500_0_10 (град/год)	0.018	0.026	0.036
Т500_70_80 (град/год)	0.047	0.095	0.52
VAtl (м/с/год)		0.13	–0.56

Как видно из таблицы, в последние годы наблюдается существенное увеличение абсолютной величины отрицательных трендов S_ice и ∆T500. В силу сказанного можем заключить, что причиной уменьшения скорости ветра в свободной атмосфере является ускоряющееся в последние годы сокращение площади арктического морского льда, связанное с глобальным потеплением, и вызванное им уменьшение ∆T тропосферы между низкими и высокими широтами. Цепочка связей влияния изменения площади морского льда и температуры на скорость ветра в тропосфере схематически может быть представлена следующим образом (рис. 9).

Рис. 9.

Схема цепочки связей влияния изменения площади морского льда и температуры на скорость ветра в тропосфере.

Существенно более быстрое потепление в Арктике по сравнению с Северным полушарием или глобальным средним, получившее название Арктическое усиление (Arctic amplification), очевидно, должно влиять и на климат средних широт. В 6-м отчете IPCC (https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i/) выделяются (с низкой степенью достоверности) 4 механизма потенциального влияния Арктики на климат средних широт: 1) ослабление и повышенная изменчивость полярного вихря; 2) изменение (смещение к экватору) штормовых треков; 3) усиление и стационирование планетарных волн; 4) меняющееся положение струйных течений. Первые 3 механизма действуют в основном зимой, 2-й–4-й – летом. Приведенные выше данные уточняют, по нашему мнению, влияние Арктического усиления на один из важных климатических параметров – скорость ветра в верхней тропосфере. Для детального описания механизмов такого влияния требуются дополнительные исследования. Здесь же мы изложили наши представления, подкрепленные данными наблюдений и расчетов, о наиболее вероятной связи между этими характеристиками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование данных зондирования атмосферы радиометром SEVIRI европейских геостационарных метеорологических спутников второго поколения позволило исследовать пространственно-временную изменчивость скорости ветра в свободной атмосфере Северного полушария в зоне обзора спутников за период 2007–2021 гг. и ее связь с основными климатическими параметрами и крупномасштабными атмосферными процессами. Основные выводы, вытекающие из проведенного исследования, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Максимальные скорости ветра, а также максимальные среднемесячные и сезонные аномалии модуля скорости ветра отмечаются над Атлантикой.

2. Выявлена особенность временной изменчивости модуля скорости ветра на интервале 2007–2021 гг., усредненного по площади каждой из рассмотренных областей, состоящая в изменении знака тренда на рубеже 2015–2017 гг. с положительного на отрицательный. Наибольшие положительные тренды, значимо отличные от нуля с вероятностью более 95%, отмечаются над Атлантикой (0.42 м/с/год) и всей областью в целом (0.28 м/с/год). Значимый положительный тренд (0.18 м/с/год) отмечается и над Евразией. Отрицательный тренд (–0.46 м/с/год) значим только над Атлантикой.

3. Отмечена высокая корреляция в области сезонных вариаций скорости ветра с площадью арктического морского льда и температурными характеристиками тропосферы на уровнях 500 и 200 гПа, прежде всего с разностью температур между низкими и высокими широтами.

4. На основе анализа связи изменчивости скорости ветра с основными климатическими характеристиками и крупномасштабными атмосферными процессами предложена схема влияния ускоряющегося сокращение площади арктического морского льда, связанного с глобальным потеплением, на скорость ветра в свободной атмосфере.