The influence of Arctic air masses on climatic conditions of the snow accumulation period in the center of the European territory of Russia

Chizhova Yuliya Nikolaevna PhD in Geography Senior Research Fellow at Moscow State University 109017, Russia, g. Moscow, ul. Staromonetnyi Pereulok, 35, of. 102 eacentr@yandex.ru Other publications by this author

Введение

Атмосферные осадки являются ключевым звеном водного цикла, изучение межгодовой изменчивости их количества важно и актуально в широком спектре географических и экологических задач. Выпадение осадков – это первый шаг на пути участия воды в многочисленных процессах на поверхности Земли, в формировании поверхностного и речного стока, питания грунтовых вод и процессах смешения различных вод. В последние годы нестабильность гидрометеорологических условий отражается в большой контрастности годового количества осадков, увлажненности почв, водного режима рек. Аномальные условия 2019 и 2020 гг. привели к тому, что на малых и средних реках Европейской территории России было практически полностью не выражено весеннее половодье ^[1]. Важным звеном в гидрологии рек является наличие устойчивого снежного покрова и его таяние весной, формирующее половодье и питание грунтовых вод. Снежный покров чутко реагирует на современные климатические изменения. На территории Северной Евразии в условиях суровых зим севера континента тенденции к повышению температуры воздуха не оказывают влияния на снегонакопление. В центре ЕТР снегозапасы гораздо в большей степени связаны с температурами воздуха холодного периода, поскольку наличие устойчивого снежного покрова возможно только при отрицательных температурах. Положительные температуры воздуха в течение зимних месяцев приводят к частичному или полному таянию снега и, несмотря на выпадающие снежные осадки, снежного покрова не формируется. Гидрометеорологические условия 2020 г., отличавшиеся высокими температурами воздуха в течение декабря, января и февраля и небольшим количеством осадков, привели к тому, что в центре ЕТР отсутствовал устойчивый снежный покров. В данной работе на примере Московского региона рассмотрено влияние Арктики на зимние осадки центральной части Европейской территории и связь метеорологических параметров (количество осадков, температура воздуха) с индексами Арктического и Северо-Атлантического колебания (AК, САК). Естественная изменчивость климатических условий связана с изменчивостью атмосферной и океанической циркуляции, поэтому в последние годы все актуальнее встает вопрос о связи между региональными климатическими условиями и такими глобальными циркуляционными паттернами, как Северо-Атлантическое колебание и Арктическое колебание ^{[2, 3, 4]}.

Результаты

1 Долгопериодные вариации количества осадков и температуры воздуха зимнего периода

Метеорологические наблюдения в Москве, проводимые на станции ВВЦ, имеют длительный ряд. Для периода 1960-2018 гг. температуры воздуха и количество осадков трех зимних месяцев – декабря, января и февраля (http://aisori-m.meteo.ru) демонстрируют выраженный тренд к увеличению средних значений (рис. 1). Средняя многолетняя температура (t) зимы для этого периода составляет -6.6 С, среднее количество осадков (P) 142 мм. При выраженном тренде увеличения t и Р амплитуда межгодовых колебаний (разница между tмакс и tмин и Рмакс и Рмин) остается приблизительно одинаковой.

Рис. 1. Ход количества осадков и температуры воздуха для трех зимних месяцев (декабрь – февраль) в центре ЕТР по данным станции на ВВЦ, Москва

Высота снежного покрова отражает не только количество выпавших твердых осадков, но и процессы, происходящие внутри снежной толщи после ее отложения: изменение плотности снега, частичное таяние и образование ледяных корок и прослоев, частичную потерю снегозапасов при таянии снега. Поэтому температурные условия зимы важны для общего снегозапаса. Наиболее ярким примером влияния температуры воздуха на снегозапасы являются условия 2020 г., когда средняя температура воздуха за зиму 2019-20 не опускалась ниже 0 °С ( в декабре t = 0.8, за январь-февраль 2020 средняя температура составила -0.1 °С), что привело к тому, что 127 мм осадков, выпавших за этот период, не сформировали снежного покрова. Таким образом, температурная аномалия объясняет бесснежную зиму в Москве при близком к средне-многолетнему количеству выпавших осадков.

Средняя для Москвы высота снежного покрова за период с 2005 по 2019 г. составляет 21.7 см, максимальная высота снега в 97 см была отмечена в ноябре 2011 по данным метео-портала rp5.ru. За последние несколько лет наименьшая высота снежного покрова и количество зимних осадков наблюдалось в 2014 г., наибольшее – в 2018 г (рис. 2).

Рис. 2. Высоты снежного покрова в Москве последних лет по данным станции на ВВЦ, Москва

Очевидно, что зима 2020-21 станет также многоснежной и по количеству осадков и высоте снежного покрова превысит среднемноголетнюю норму. Причина роста температуры и количества осадков остается одним из актуальных вопросов климата Москвы, является ли это следствием антропогенного влияния или глобальных циркуляционных процессов.

2 Корреляция температуры воздуха и количества осадков зимнего периода с индексом АК и САК

Западный перенос воздушных масс над Северной Атлантикой и Европой связан с постоянным присутствием в Северной Атлантике активной области низкого давления (Исландский минимум), которой над Азорскими островами и Южной Европой противостоит центр высокого давления и пояс хорошо развитых субтропических антициклонов. Их противостояние характеризуется положительной фазой Северо-Атлантического (в Северной Атлантике), а противостояние Исландского минимума с центром высокого давления в высокой Арктике - фазой Арктического колебания (в Арктике).

Арктическое колебание (АК) характеризует форму атмосферной циркуляции в полярных и средних широтах. Отрицательная фаза арктического колебания характеризуется повышенным атмосферным давлением в полярных районах и пониженным атмосферным давлением на 45-й параллели северной широты. При отрицательной фазе АК вихрь вокруг Арктики ослабевает и холодный воздух проникает в средние широты Европы, а южные циклоны вызывают штормы в Средиземноморском бассейне (рис. 3). Положительная фаза приводит к противоположным условиям, направляя атлантические циклоны в высокие широты и формируя более влажную и мягкую погоду в Северной Европе и более сухую и теплую в Южной Европе. При положительной фазе АК холодный арктический воздух не распространяется так далеко на юг, как при отрицательной, т.к. сильный западный перенос блокирует холодный воздух в высоких широтах.

Рис. 3. Характер циркуляции и погоды в Европе при положительной и отрицательной фазе Арктического колебания ^[5]

Хотя взаимосвязь между центрами действия атмосферы проявляется в течение всего года, амплитуда колебания максимальна в зимний сезон, когда атмосфера динамически наиболее активна. Поэтому наиболее популярны значения индекса, рассчитываемые за зимний сезон с декабря по март.

Северо-Атлантическое колебание (САК) оказывает доминирующее влияние на зимние температуры на большей части территории северного полушария ^{[6, 7]}. Сильные положительные фазы САК, как правило, связаны с температурами выше среднего по всей северной Европе и с температурами ниже средних в Гренландии и часто по всей южной Европе и на Ближнем Востоке. Они также связаны с количеством осадков выше среднего над Северной Европой и Скандинавией зимой и с осадками ниже среднего над Южной и Центральной Европой. Противоположный характер аномалий температуры и осадков обычно наблюдается во время сильных отрицательных фаз САК. В течение особенно продолжительных периодов преобладания определенной фазы САК связь с температурным режимом может распространяться на центральную часть России и север центральной Сибири.

Индекс САК демонстрирует значительную межсезонную и межгодовую изменчивость, при этом распространены продолжительные периоды (несколько месяцев) как положительных, так и отрицательных фаз паттерна.

На характер погоды зимнего периода на территории ЕТР индексы АК и САК действуют согласованно – при положительной фазе того и другого индекса на территории ЕТР от центра до Арктического побережья наблюдается усиление западного переноса и связанное с ним более высокие температуры и осадки. В отрицательную фазу АК и САК происходит усиление меридионального переноса, вследствие чего влияние Атлантики уменьшается, а Арктики – возрастает: низкие температуры воздуха, меньшее количество осадков, связанное с проникновением Арктического воздуха в центр ЕТР.

Поскольку для ЕТР существует эта согласованность фаз АК и САК, то для температуры воздуха должна быть корреляция с обоими этими индексами. Действительно, коэффициенты корреляции зимних температур с индексами близки. Месячные значения индексов САК и АК были получены из открытой базы данных NOAA (https://www.cpc.ncep.noaa.gov) для периода с 1966 по 2018 гг. Коэффициент корреляции Спирмена между индексом САК, осредненным за 3 месяца и средней температурой воздуха, осредненной также за 3 месяца, в Москве составил 0.72, между индексом АК и среднемесячной температурой воздуха – 0.66, что указывает на среднюю/сильную связь. Однако, сильной такую связь назвать все же нельзя, хорошо заметно, что флуктуации индексов лишь частично описывают температурные аномалии в Москве. Аномалии температуры воздуха рассчитывались как: Z = (x - ẋ) / σ; где х - средняя температура воздуха зимних месяцев конкретного года; ẋ - средняя многолетняя приземная температура воздуха зимних месяцев; σ - среднее квадратичное отклонение. По такому же принципу рассчитывались стандартизированные аномалии количества осадков. Сопоставление временных рядов температуры воздуха и количества осадков в зимние месяцы для периода с 1966 по 2018 гг. показало наличие корреляции с индексами АК и САК в первом случае и отсутствие во втором (рис. 4).

Рис. 4. Связь индексов АК и САК с аномалиями температуры и осадков Москвы зимнего периода

На рис. 4 хорошо видна прямая корреляция временных рядов температуры и индексов АК и САК: положительным значениям АК и САК, как правило, соответствуют положительные аномалии температуры, низким значениям АК и САК — отрицательные аномалии температуры. Но также заметно, то для температуры в большей степени проявлена корреляция с индексом САК, чем АК. Эта корреляция не очень четкая, скорее отражает общее направление трендов аномалии температур и индексов. Для периода 2014-2018 хорошо выражена положительная аномалия температуры с положительными индексами САК и АК. Для количества осадков связь с индексами АК и САК практически не выражена. Это довольно необычно, учитывая, что основные осадки приносятся с Атлантики. Одним из способов оценить источники выпадающих в Москве осадков является построение обратных траекторий движения частиц воздуха по полу-Лагранжевой модели HYSPLIT ^[8]. Для последних лет, когда была выражена связь между температурой и индексом САК (2014-2018) были восстановлены обратные (на 140 часов назад) траектории воздушных масс на каждую дату выпадения осадков в Москве.

Распределение выпавших в 2014 г. осадков за январь и февраль по основному направлению обратных траекторий, говорит от том, что около 40% выпавших осадков связаны с атлантическим источником воздушных масс (рис. 5).

Рис. 5. Распределение количества зимних осадков по источнику воздушных масс, установленному по обратным траекториям HYSPLIT.

В зимние месяцы 2016 г. преобладающими источниками воздушных масс были Атлантика (46% осадков) и северные районы Атлантики вблизи Гренландии (18%). Осадки, связанные с Арктическими воздушными массами, составили 3% от общего количества, довольна велика роль внутриконтинентальных воздушных масс, обеспечивших 18% осадков зимы (см. рис. 5).

В зиму 2018 г. обратные траектории движения воздушных масс указывают, что большая часть осадков была связана с приходом атлантической влаги. Воздушные массы, двигавшиеся к Москве с Арктического сектора, обеспечили всего 2% от общего количества осадков зимнего сезона 2018 г. (рис. 6). Неожиданно, что при преобладающей роли Атлантической влаги нет связи между САК и количеством зимних осадков. С АК эта связь еще более эфемерная, поскольку Арктические воздушные массы приносят очень мало осадков в центр ЕТР.

Рис. 6. Распределение общего количества осадков в зиму 2018 г. по источнику воздушных масс.

Индекс АК трех зимних месяцев в 2014-2018 гг. был либо положительным, либо равен 0. Отрицательные фазы АК отмечались только в январе 2014 г. и в январе 2016 г. Именно в январе в цент ЕТП поступали Арктические воздушные массы, однако, в январе 2014 с ними было связано только один снегопад в Москве, а в 2016 – 3 снегопада, при этом общий вклад в зимние осадки составил 3%. А в 2015 и 2017 гг. в каждый из зимних месяцев была отмечена положительная фаза АК, при этом в эти зимы с Арктическими воздушными массами было связано 11 и 12% осадков. Это указывает на отсутствие корреляции между индексом АК и количеством осадков в центре ЕТР.

В целом, Арктические воздушные массы мало влияют на выпадение осадков в Москве в зимний сезон, а с Атлантическими связана основная часть зимних осадков без корреляции с САК. Вероятнее всего, в осадки в центре ЕТР формируются не столько усиленным западным переносом, когда индекс САК имеет положительную фазу, а сочетанием других источников, к наиболее важным можно отнести Северную Атлантику около Гренландии и южные районы Европы, Средиземного моря и внутриконтинентальные районы.

Интересно, что вторжения Арктических воздушных в центр ЕТР масс редки, однако, для Арктического побережья Европейской территории занос Атлантических и Средиземноморских отмечается часто. Например, зимние осадки пос. Амдермы не менее чем на 30% обеспечиваются заносом воздушных масс из районов центральной и южной Европы ^[9]. Изотопный состав кислорода и водорода атмосферных осадков является дополнительным инструментом для изучения циркуляционных процессов в атмосфере и климатических изменений. Изотопные параметры (δ¹⁸О, δD) осадков отражают происхождение влаги и условия влажности и температуры в источнике пара, и температурные условия в месте выпадения осадков. В изотопных параметрах (δ¹⁸О, δD, d_exc) осадков зимнего периода двух станций на Арктическом побережье – пос.Амдерме и г.Салехарде косвенно отражаются источники и пути переноса воздушных масс. Несмотря на близость эти двух станций, в зимние месяцы осадки имеют выраженное отличие в дейтериевом эксцессе (d_exc), что указывает на разные источники и пути поступления влаги. В пос. Амдерме зимой осадки имеют величину d_exc = 18.6‰, а в г.Салехарде 4.7‰. Низкие величины de_xc в г.Салехарде указывают на преобладание местной влаги из северных морей, а высокие d-exc в пос.Амдерме – на занос воздушных масс с Европы, через центр ЕТР на север. Скорее всего этот занос происходит вдоль Полярного Урала, что, несмотря на относительно небольшие абсолютные высоты горного хребта, не дает этим воздушным массам достичь Салехарда.

В последние десятилетия значительно возросло количество циклонов, проникающих в Арктический регион из умеренных широт, в основном из Северной Атлантики и Евразии, возросла и их интенсивность. Этот факт позволяет сделать вывод о смещении траектории циклонов в Северной Атлантике (в умеренных широтах) в более высокие широты.

Один из таких примеров – продвижение Атлантического циклона из центра ЕТР к Полярному Уралу. Его продвижение было зафиксировано в динамике изотопного состава кислорода снега отдельного зимнего снегопада, последовательно выпадавшего от Вологды до Полярного Урала ^[10].

Заключение

Снегозапасы в центре ЕТР имеют выраженную межгодовую изменчивость, которая определяется большой амплитудой количества осадков и температуры воздуха. На примере Москвы установлено, что количество зимних осадков, формирующих снежный покров, не имеет связи ни с Северо-Атлантическим колебанием, ни с Арктическим колебанием. Московский регион находится на пересечении зон влияния положительных и отрицательных фаз обоих циклонических паттернов (АК и САК), определяющих погоду в Северном полушарии. Для зимних месяцев установлена корреляция между температурой приземного воздуха: для САК коэффициент r=0.72 и для АК r = 0.66 для периода 1966-2018 гг. Зимние осадки в центре ЕТР в основном связаны с разгрузкой Атлантических воздушных масс, Арктические воздушные массы относительно редко вторгаются в Московский регион и приносят мало осадков (их вклад не превышает 12% от общего количества зимних осадков).