|
 |
|
К лиматология тропических циклонов
северо-западной части тихого
океана.
В тропической
зоне Мирового океана возникают в течение года около тысячи облачных
скоплений, однако всего несколько процентов из них развиваются в
тропические циклоны.
Среднее годовое
число тропических циклонов (ТЦ), достигших стадии тропического
шторма (23 м/с) и выше, на земном шаре за 1958-1977 гг. составило 79
и колебалось от 67 в 1977 до 97 в 1971 г. Из них на северное
полушарие приходится 54 ТЦ (26 ТЦ возникает над западной частью и 13
- над восточной частью Тихого океана, 9 - над Атлантическим, 6 - над
Индийским океаном), а на южное полушарие - 24
ТЦ.
От половины до двух третей
тропических циклонов достигают ураганной силы (максимальный ветер в
циклоне превышает 33 м/с). Смещаясь из тропических широт,
тропические циклоны способствуют теплообмену между тропиками и
умеренными широтами. Кроме межширотного теплообмена, им принадлежит
значительная роль в теплообмене океана с атмосферой, а также в
передаче количества движения от атмосферы в
океан.
Имея в центре низкие значения
давления, циклоны обеспечивают также изменения статического уровня
поверхности океана. Стоит напомнить, что понижение давления на 1/10
стандартной атмосферы (100 гПа) обеспечивает подъем уровня на 1
м.
Наиболее интенсивным районом
тропического циклогенеза в Мировом океане является северо-западная
часть Тихого океана. В ней в течение года возникает около одной
трети всех тропических циклонов земного шара. Тропические циклоны
северо-западной части Тихого океана по классификации ВМО принято
называть тайфунами. Отличительной чертой тайфунов от тропических
циклонов других частей Мирового океана являются их большие размеры,
почти вдвое превышающие размеры тропических циклонов Атлантического
океана.
По данным 1958-1977 гг.,
общее число тайфунов составляло 526, среднее за год - 26.3. площадь
области зарождения - 18 млн. кв. км, отношение площади зарождения к
площади полушария в процентах - 7%, плотность генерации (отношение
числа тайфунов к площади зарождения) - 29 (все показатели
максимальные из семи районов тропического циклогенеза Мирового
океана).
Площадь тайфуногенеза
сопоставима и превышает области таких звеньев общециркуляционного
механизма, как озонная дыра над Антарктидой, струйные течения,
стратосферные потепления, крупномасштабные пятна аномалий осадков и
др.
В приведены данные о количестве тропических циклонов,
достигших стадии тропического шторма и выше, за период 1956-1996 гг.
в Северо-западной части Тихого океана (данные о 1956 г. - не
полные).
Как следует из , более половины тропических циклонов северо-западной части
Тихого океана (51.4%) достигают давления в центре 970 гПа и глубже,
около трети (32.7%) - 950 гПа и глубже. Только 4.1% всех тайфунов
достигают глубины 900 гПа и
менее.
Наиболее глубоким тайфуном с
1956 г. по 1997 г. был тропический циклон 7920, достигший 12 октября
1979 г. глубины 870 гПа при ветре 69 м/с (135 узлов). Наиболее
мощным - тропический циклон 6228, максимальная скорость ветра в
котором 13 ноября 1962 г. составляла 79 м/с (155 узлов) при давлении
900 гПа.
Количество циклонов,
достигших стадии супертайфуна (ветер 130 узлов и более), за весь
период наблюдений - 19. Последним супертайфуном был тропический
циклон 7920, последним тропическим циклоном достигшим глубины 890
гПа и менее был тропический циклон 8422 (875 гПа и максимальный
ветер 61 м/с или 120 узлов). В то же время, по данным Объединенного
центра прогноза тайфунов о. Гуам отмечен тренд на увеличение
супертайфунов с середины 70-х годов по 1994 г. (до 7 циклонов в 1991
г.). Различие в оценке определено различными методиками определения
максимального ветра в Объединенном центре прогноза тайфунов о. Гуам
и Японском метеорологическом агентстве.
Более
6% всех тайфунов (49 из 769 ТЦ за период с 1969 по 1997 гг.) имели
размеры в моменты максимального своего развития, близкие к размерам
самых глубоких внетропических циклонов - зона сильных ветров (более
15 м/с) у таких ТЦ была больше 400 морских миль (более 740
км).
Половина этих циклонов возникла
в последние 10 лет. Наибольшее число таких размеров циклонов было в
1972 г. и 1990 г. - четыре, в 1997 г - пять. У 13 тайфунов зона
сильных ветров превышала 500 морских миль (более 925 км). Самым
крупным по размерам радиуса зоны сильных ветров (800 морских миль
или 1482 км) был тропический циклон 7911 при глубине 910 гПа и
максимальной скорости ветра 56 м/с (110 узлов), радиус зоны
ураганных ветров (более 25 м/с или более 50 узлов) составлял всего
105 морских миль. Наибольших размеров радиус зоны ураганных ветров
250 морских миль (463 км) зафиксирован в тропическом циклоне 8422
при глубине 880 гПа и максимальном ветре 61 м/с (120 узлов) и в
тропическом циклоне 8305 при глубине ТЦ 920 гПа и максимальной
скорости ветра 51 м/с (100
узлов).
По данным, приведенным в ,
отклонения числа ТЦ в целом по всем регионам Мирового океана по
годам от среднегодового значения за период 1958-1977 гг. колеблются
от -13 до +23%. Естественно предположить, что столь существенные
вариации в количестве циклонов способны обеспечить вариации в
термодинамическом состоянии системы
океан-атмосфера.
По в Северной
Атлантике (временной ряд за 1887-1960 гг. по Тирон, 1964) анализ
периодичности формирования тропических циклонов и циклонов ураганной
силы выделил 4-летнюю и 10-11-летнюю волны. В Тихом океане
выделяются 2- и 3-летняя волны. Обнаружено также наличие в
циклических колебаниях волны с периодом, близким к 20 годам. Было
сделано предположение, что при "правильном" развитии 20-летнего
цикла до 2000 г. число тайфунов будет сохраняться на уровне нормы
или выше нормы.
Цель настоящего
исследования - определить на имеющемся фактическом материале о ТЦ
наличие периодических колебаний в интенсивности тропического
циклогенеза северо-западной части Тихого
океана.
Исходным материалом
послужили данные о параметрах тайфунов за 1945-1997 гг., собранные и
систематизированные в ДВНИГМИ как по данным приземных карт,
передаваемых Японским метеорологическим агентством по факсимильным
передачам (1957-1997 гг.), так и по литературным источникам,
например, позволившими удлинить ряды наблюдений для тропических
циклонов в стадии тропических штормов и тайфунов до 53 лет
(1945-1997 гг.).
Исследования
проводились на ПЭВМ с помощью программных комплексов "АРМ-тайфун" и
"Мезозавр".
Разрабатываемый в ОМТЦ
ДВНИГМИ "АРМ-тайфун" (Версия 2.0, 1996 г., автор Дубина В.А.)
предоставляет широкую наглядную информацию о климатологии
тропических циклонов в северо-западной части Тихого океана. Блок
климатологии АРМа основан на реализации базы данных в формате DBASE,
несущей информацию о тропических циклонах с 1956 по 1997 гг. (более
1100 ТЦ, достигших стадии тропического шторма и выше). Программная
оболочка выполнена на языках программирования CLIPPER и Си.
Описываемый блок позволяет осуществить выборку и (или) сортировку
циклонов по любому имеющемуся в базе параметру, по районам
зарождения, выхода на определенный район и т.д. Результаты
оформляются в виде карт траекторий или карт поквадратной
повторяемости ТЦ. Графическая информация обрабатывается и хранится в
формате РСХ.
Программный комплекс
"Мезозавр" - Система анализа временных рядов, Версия 1.0 является
разработкой СП ДИАЛОГ ЦЭМИ АН СССР (1989), авторы - С. Кузнецов, А.
Халилеев. Комплекс позволяет осуществлять довольно широкий круг
задач при анализе временного
ряда:
• расчет и
графическое представление статистик (среднее и дисперсия,
автокорреляционные функции, периодиаграммы, спектры, корреляционные
матрицы);
• декомпозиция
одномерных временных рядов (скользящие средние, частотные фильтры,
взвешенное сглаживание, медианное сглаживание, экспоненциальное и
т.п.);
• построение
одномерных и многомерных моделей (тренды, авторегрессии, регрессии
различных типов и т.п.).
Общее
число зародившихся за период 1945-1997 гг. тропических циклонов,
достигших стадии тропического шторма и выше в северо-западной части
Тихого океана, составляет 1378. Следует заранее оговориться о
неоднородности ряда наблюдений. Тропические циклоны до 1967 г.
зафиксированы с помощью наблюдений с попутных морских и воздушных
судов, а также данных авиаразведки, с 1967 г. (начало эпохи
спутниковых метеорологических наблюдений) - дополнительно и с
помощью МИСЗ, что полностью исключает возможность пропуска явлений.
Среднее число ТЦ, достигших стадии тайфуна - 16.7 (среднее
квадратичное отклонение - 3.7), достигших только стадии тропического
шторма - 9.3 (среднее квадратичное отклонение - 3.9), суммарное - 26
(среднее квадратичное отклонение - 5.0). С учетом тропических
депрессий (первая стадия тропического циклона) среднее число всех ТЦ
составляет 31.3 при среднем квадратичном отклонении - 5.9 (за период
1959-1997 гг. - данные о тропических депрессиях за более ранние годы
отсутствуют у автора). За этот же период наблюдений суммарное число
тропических штормов и тайфунов составляет 27.2, что выше, чем за
весь ряд наблюдений (26).
С 1957 по
1997 гг. в северо-западной части Тихого океана 1123 ТЦ достигли
стадии тропического шторма и выше из 1289 всех зародившихся ТЦ.
Число тропических циклонов, так и не перешедших в стадию
тропического шторма, ежегодно меняется от 0 до 13. Траектории их
проходят, в основном, в низких широтах, не оказывая особого влияния
на межширотный обмен теплом, влагой и моментом количества движения.
Лишь изредка такие тропические депрессии могут достигать 30° c.ш.
(не более 1-2%).
В приведены данные об экстремальных значениях количества ТЦ в
северо-западной части Тихого океана.
Для исследования
периодичности в рядах тропических циклонов использовался аппарат
математического спектрального анализа из комплекса "Мезозавр",
применяемый для стационарного временного
ряда.
Считается, что временной ряд
стационарен, если порождающий его механизм не меняется во времени, а
соответствующий процесс достиг статистического равновесия. Это
словесное определение не вполне точно, однако выражает существо
дела. Формально, стационарный временной ряд определяется как такой
случайный процесс, для которого среднее значение, дисперсия и
ковариации между отдельными членами ряда не меняются при сдвиге во
времени.
На представлен временной ряд изменчивости числа тропических
циклонов, достигших стадии тропического шторма и выше, за период
1945-1997 гг.
Отчетливо видна
нестационарность ряда, обусловленная наличием тренда (вероятно,
связанная с неоднородностью ряда) и низкочастотной изменчивостью.
Линия тренда представлена параметрической кривой второго порядка,
низкочастотная составляющая выделяется по кривой скользящего
среднего, параметризированной полиномом пятого
порядка.
Трендом (или тенденцией)
называют неслучайную, медленно меняющуюся составляющую временного
ряда, на которую могут накладываться случайные колебания или
сезонные эффекты. Это не вполне строгое понятие лежит в основе
нескольких моделей и методов анализа временных рядов, так или иначе
разлагающих временной ряд на несколько компонент, одна из которых
является в том или ином смысле достаточно гладкой, а остальные
компоненты характеризуют воздействие случайных
факторов.
Для коротких временных
рядов наиболее употребительны параметрические методы выделения
тренда. В этом случае делается попытка представить временной ряд в
виде суммы детерминированной функции времени f(t,q), зависящей от
небольшого числа неизвестных параметров, и случайной компоненты. Для
оценки вектора неизвестных параметров обычно применяется метод
наименьших квадратов, состоящий в минимизации суммы квадратов
отклонений (x(t) - f(t, q))2.
Для
нестационарных рядов тренд воспринимается как периодическая
составляющая с очень большим периодом. Поэтому фильтр низких частот
вполне может использоваться как метод выделения тренда
(сглаживания). Фильтр низких частот пропускает все составляющие с
частотами, меньшими заданной, и удаляет из ряда все колебания с
большими частотами.
Реальный фильтр
в действительности не удаляет частотные составляющие, а резко
уменьшает их дисперсии. Он характеризуется своей передаточной
функцией - множителем, на который помножается значение периодограммы
исходного ряда, в зависимости от частоты. Для идеального фильтра
передаточная функция равна единице в полосе пропускания и нулю вне
нее. Передаточная функция реального фильтра является некоторым
приближением к идеальной. Чем уже полоса пропускания (либо полоса
заграждения), тем хуже качество приближения. Обычно на графике
изображают логарифм передаточной функции, что соответствует ее
значению в децибелах.
Спектр, или
спектральная плотность стационарного временного ряда описывает
разложение полной дисперсии временного ряда по различным частотным
составляющим. Иногда рассматривают диапазон частот [0, p], но на
практике чаще в качестве частотного интервала рассматривают интервал
[0, 0.5], измеряя частоту в количестве циклов на один интервал между
наблюдениями временного ряда. Частота 0.5 является максимальной
частотой, которая может быть идентифицирована по наблюдениям с
фиксированным шагом. Она называется частотой Найквиста. Частота w
связана с соответствующим периодом p формулой w = 1/p, (за единицу
измерения периода принимается единичный интервал между наблюдениями
временного ряда).
В качестве оценки
спектра проще всего использовать сглаженную периодограмму. Сама
периодограмма, или выборочный спектр, является несостоятельной
оценкой спектральной плотности, однако ее значения для различных
частот асимптотически независимы, благодаря чему появляется
возможность построения состоятельных оценок. Существуют и другие
способы оценивания спектральной плотности (усреднение периодограмм,
построенных по коротким отрезкам ряда и др.). В системе МЕЗОЗАВР
используется сглаживание периодограммы с помощью окна
Парзена.
При использовании
временного окна для сглаживания периодограммы встает вопрос выбора
параметра - ширины временного окна. Ширина окна задает количество
значений выборочной автокорреляционной функции, участвующих в
вычислении оценки спектра. Чем уже окно, тем более гладкой
становится оценка спектра, однако при этом возрастает ее
смещение.
Стационарность временного
ряда достигается выделением из исходного ряда наблюдений
детерминированной составляющей (тренда, длиннопериодных
составляющих). Кривая распределения ряда остатков, в случае
достижения стационарности, близка к кривой закона нормального
распределения. Выбор того или иного метода выделения нестационарной
составляющей в настоящей работе определялся видом гистограммы
распределения остатков - чем ближе распределение к нормальному, тем
более удачно подобран механизм
сглаживания.
В приведены результаты спектрального анализа кривых
распределения за 1945-1997 гг. количества тропических штормов,
тайфунов и их суммарная величина.
Траектории тропических
циклонов северо-западной части Тихого океана проходят либо вдоль
широтного круга с выходом на юго-восточную Азию, где и затухают,
либо по параболической траектории с выходом в умеренные широты или
восточного побережья Азии, или западной части Тихого
океана.
Из всего числа зародившихся
тропических циклонов только 42.3% пересекают 30°с.ш., при этом из
числа ТЦ, достигших стадии тропического шторма и выше - 49.7%. Из
последних - 77.7% проходят через район течения
Куросио.
На представлен временной ряд изменчивости числа тропических
циклонов, достигших стадии тропического шторма и выше и вышедших в
умеренные широты за период 1957-1996 гг. (547 ТЦ). Там же построены
кривые трендов (линейный и квадратичный), также кривая взвешенного
сглаживания.
Как и для общего числа
тропических циклонов во временном ходе обнаруживаются два максимума,
приходящиеся на 1965 и 1991 гг., и минимум - 1980 г. То есть, как и
ранее отмечается период в 26 лет.
По данным спектрального
анализа выявляются периоды в 14.3, 5.1 и 3.2 года. Среднее число
выхода в год - 13.6, среднее квадратическое отклонение - 3.6,
максимальное количество выходов за 30°с.ш. - 21 ТЦ в 1966 г.,
минимальное - 6 ТЦ в 1983 г.
На представлена информация о районах зарождения ТЦ за период
1957-1997 гг., вышедших впоследствии на выделенный район в зоне
действия течения Куросио.
К
рассмотрению привлекались только ТЦ, достигшие стадии тропического
шторма и выше (425 ТЦ). Максимум числа выходов обнаруживается в
районе действия южного меандра Куросио. Наиболее часто траектории ТЦ
проходили через квадрат 25-30°с.ш. 130-135°в.д. (195 ТЦ), несколько
менее в район 27-30°с.ш. 135-140°в.д. (164 ТЦ). Наиболее
повторяющаяся траектория - параболическая траектория из центра
Филиппинского моря с точкой поворота у 30° с.ш. 130° в.д. На
выделенный район из общего число 436 ТЦ (1957-1997гг.) в стадии
тайфуна вышло 94 тропических циклона, в стадии тропического шторма -
211, а в стадии заполняющейся тропической депрессии - 131 ТЦ.
Максимальное
количество тропических циклонов, вышедших на район Куросио (), - 19 (1960), минимальное - 5 (1973) при среднем в год 10.6
(s =3.16). Среднее за год количество ТЦ, вышедших на район Куросио в
стадии тайфуна, составляет 2.3 (s = 1.25), максимальное количество -
5 (1965), минимальное - 0
(1967).
Интересно отметить, что в
1967 г. общее количество тропических циклонов, зародившихся в
северо-западной части Тихого океана, было близко к абсолютному
максимуму (44-1964) и равнялось 41. Среднее за год количество ТЦ,
вышедших на район Куросио в стадии тропического шторма, составляет
5.1 (s = 2.4), максимальное количество - 11 (1960), минимальное - 1
(1979).
Среднее за год количество
ТЦ, вышедших на район Куросио в стадии тропической депрессии,
составляет 3.2 ( s= 3.65), максимальное количество - 7 (1966),
минимальное - 0 (1969 и др.).
На также представлена кривая тренда, рассчитанная по
логарифмическому соотношению.
Расчет
по другим соотношениям дает аналогичные результаты. То есть, в ходе
количества выхода тайфунов на район течения Куросио в последние 40
лет отмечается тенденция к
уменьшению.
В приведены результаты спектрального анализа кривых
распределения за 1957-1997 гг. для района Куросио количества
тропических депрессий, тропических штормов, тайфунов и их суммарные
величины.
В отмечается, что в
последнее десятилетие происходит аномальное усиление тропического
циклогенеза и скоростей ветра, обусловленное усилением интенсивности
меридионального переноса.
Действительно, с 1989 по 1997 гг.
ежегодно число зародившихся тропических циклонов, включая
тропические депрессии, превышает их среднемноголетнее значение
(31.3).
В 1993 г. тропических
циклонов в северо-западной части Тихого океана, зародилось 37 (около
20% выше нормы), в 1994 г. - 41 (около 30% выше
нормы).
Но за указанный период число
выходов ТЦ в умеренные широты было выше нормы в 1989-1992 гг., а
также в 1994 (19) и 1997 гг. (17). В 1995 г. при общем числе ТЦ как
и 1992 г. (33), в умеренные широты вышло всего 10 ТЦ (норма 13.6), а
в 1992 - 19.
В сезон тайфунов 1994
г. наблюдалось аномальное развитие синоптических процессов в
тропической зоне северо-западной части Тихого океана. Оно выразилось
в очень интенсивном развитии муссона юго-восточной Азии, включая
экваториальную ложбину (ЭЛ) с внутритропической зоной конвергенции
(ВЗК).
В 1994 г. юго-западный муссон
нередко развивался до центральной части океана. Это способствовало
развитию мощной конвергенции воздушных масс в нижних слоях
тропосферы и положительному тропическому потенциалу генезиса,
благодаря преобладавшей дивергенции верхнетропосферных потоков над
северо-западной частью океана. Все это способствовало зарождению 41
ТЦ в 1994 г. (36 ТЦ достигли стадии тропического шторма и выше).
Также следует отметить, что в 1994 г. 16 ТЦ зародилось на ВЗК, из
них 4 ТЦ под влиянием мезомасштабного вихря (МВ), 12 ТЦ зародилось в
муссонной ложбине (МЛ), из них два ТЦ под влиянием МВ. Три ТЦ
зародилось на экваториальной волне и также три ТЦ зародилось
непосредственно под холодным высотным
мезовихрем.
На активность
тропического циклогенеза в северной части Тихого океана указывает и
три ТЦ, сместившиеся с западного полушария в северо-западную часть
океана, т.е. зародившиеся в западном полушарии северной части Тихого
океана. Из всех ТЦ 20 ТЦ достигали интенсивности тайфуна, пять ТЦ -
интенсивности STS и 11 ТЦ не превышали интенсивности TS. Наибольшей
интенсивности достигал в 1994 г. Т 9424 MELISSA, в котором
минимальное давление понижалось до 910 гПа, и максимальный ветер
достигал 110 узлов (55 м/с).
В сезон
тайфунов в 1995 г. аномальность развития синоптических процессов в
тропической зоне северо-западной части Тихого океана выразилась, в
отличии от сезона тайфунов 1994 г., наоборот, в очень слабом
развитии муссона юго-восточной Азии, а также экваториальной ложбины,
включая ВЗК. С января по декабрь 1995 г. сформировалось 33 ТЦ, из
которых только 23 достигли стадии TS и более, т.е. на 13 ТЦ меньше,
чем в 1994 г.
В 1995 г. 15 ТЦ
сформировались на ВЗК, из них 7 ТЦ под влиянием высотных мезовихрей.
Пять ТЦ зародилось непосредственно под холодным высотным МВ. И всего
по одному ТЦ зародилось в МЛ и на ЭЛ. Из 23 ТЦ, зародившихся в 1995
г., 9 ТЦ достигли интенсивности Т, 6 ТЦ - интенсивности STS и 7 ТЦ
не превышали интенсивности ТS. Наибольшей интенсивности в 1995 г.
достиг Т 9520 ANGELA, в котором минимальное давление понижалось до
915 гПа и максимальный ветер достигал 105 узлов ( 53 м/с ). Смещение
циклона проходило вдоль 15° с.ш. с выходом через Филиппины на
Южно-Китайское море.
А вторы раздела:
 |
Тунеголовец Валерий Петрович
д.г.н., профессор.
3аведующий отделом тропических циклонов . |
Teл: (4232) 22-80-89
E-mail:
|
|
| |
