Самоорганизующиеся карты атмосферной циркуляции и межгодовая изменчивость гидрометеорологических полей в Арктике

Е. Е. Лемешко

Морской гидрофизический институт РАН, г. Севастополь

e-mail: e.lemeshko@mhi-ras.ru

Аннотация

В статье предлагается использование нелинейного метода анализа данных на основе нейронной сети – алгоритма самоорганизующихся карт Кохонена – для задачи типизации приземной циркуляции атмосферы в Арктике. С помощью построенных самоорганизующихся карт приземного давления исследована сезонная и межгодовая изменчивость циркуляции атмосферы в Арктике за 1979–2018 гг. и выделено несколько ее режимов: циклонический, два антициклонических и три смешанных типа. Введены индексы сезонной и годовой повторяемости самоорганизующихся карт атмосферного давления, позволяющие исследовать временную изменчивость режимов циркуляции атмосферы, и предложен композитный метод расчета присоединенных карт других гидрометеорологических параметров. Выделены режимы изменчивости площади распространения морского льда, температуры поверхности моря в зависимости от режима атмосферной циркуляции. Тип ветрового режима определяет изменение площади распространения морского льда в силу изменчивости потоков теплых атлантических вод в Северный Ледовитый океан. Выявлены характерные типы изменчивости температуры поверхности моря в Баренцевом море, которые модулируются циклоническим/антициклоническим режимами атмосферной циркуляции в регионе и являются индикатором адвекции тепла атлантическими водами. Установлена взаимосвязь индекса повторяемости самоорганизующихся карт атмосферного давления, характеризующего режимы атмосферной циркуляции, с изменчивостью индекса арктической осцилляции. Обнаруженные закономерности смены режимов циклонической/антициклонической циркуляции атмосферы проявляются в межгодовой изменчивости введенного индекса повторяемости самоорганизующихся карт атмосферного давления, который является развитием индекса арктической осцилляции, дополняет и расширяет представление о режимах климатической циркуляции атмосферы в Арктике.

Ключевые слова

карты Кохонена, атмосферный реанализ, Арктика, режимы атмосферной циркуляции, площадь льда, климат

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0827-2019-0004.

Для цитирования

Лемешко Е. Е. Самоорганизующиеся карты атмосферной циркуляции и межгодовая изменчивость гидрометеорологических полей в Арктике // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2020. № 3. С. 48–62. doi:10.22449/2413-5577-2020-3-48-62

DOI

10.22449/2413-5577-2020-3-48-62

Список литературы

  1. Armitage T. W. K., Bacon S., Kwok R. Arctic sea level and surface circulation response to the Arctic Oscillation // Geophysical Research Letters. 2018. Vol. 45, iss. 13. P. 6576–6584. https://doi.org/10.1029/2018GL078386
  2. Bromwich D. H., Wang S. H. A review of the temporal and spatial variability of Arctic and Antarctic atmospheric circulation based upon ERA-40 // Dynamics of Atmospheres and Oceans. 2008. Vol. 44, iss. 3–4. P. 213–243. https://doi.org/10.1016/j.dynatmoce.2007.09.001
  3. Wang Z., Hamilton J., Su J. Variations in freshwater pathways from the Arctic Ocean into the North Atlantic Ocean // Progress in Oceanography. 2017. Vol. 155. P. 54–73. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2017.05.012
  4. Arctic sea ice decline in the 2010s: The increasing role of the ocean-air heat exchange in the late summer / V. Ivanov [et al.] // Atmosphere. 2019. Vol. 10, iss. 4, 184. https://doi.org/10.3390/atmos10040184
  5. Timmermans M-L., Marshall J. Understanding Arctic Ocean circulation: a review of ocean dynamics in a changing climate // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2020. Vol. 125, iss. 4. e2018JC014378. https://doi.org/10.1029/2018JC014378
  6. Заболотских Е. В., Гурвич И. А., Шапрон Б. Новые районы распространения полярных циклонов в Арктике как результат сокращения площади ледового покрова // Исследование Земли из космоса. 2015. № 2. C. 64–77. https://doi.org/10.7868/S0205961415020116
  7. Applications of self-organizing maps / Edited by M. Johnsson. Second Edition. 2016. 298 p. doi:10.5772/3464
  8. Richardson A. J., Risien C., Shillington F. A. Using self-organizing maps to identify patterns in satellite imagery // Progress in Oceanography. 2003. Vol. 59, iss. 2–3. P. 223–239. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2003.07.006
  9. Interannual variability of Black Sea’s hydrodynamics and connection to atmospheric patterns / A. Capet [et al.] // Deep-Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2012. Vol. 77–80. P. 128–142. http://dx.doi.org/10.1016/j.dsr2.2012.04.010
  10. Sonnewald M., Wunsch C., Heimbach P. Unsupervised learning reveals geography of global ocean dynamical regions // Earth and Space Science. 2019. Vol. 6, iss. 5. P. 784–794. https://doi.org/10.1029/2018EA000519
  11. Liu Y., Weisberg R. H., Mooers C. N. K. Performance evaluation of the self-organizing map for feature extraction // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2006. Vol. 111. C05018. https://doi.org/10.1029/2005JC003117
  12. Лемешко Е. Е., Полозок А. А., Лемешко Е. М. Анализ изменчивости уровня Азовского моря методом самоорганизующихся карт по данным альтиметрии // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2016. № 3. С. 54–60.
  13. Lemeshko E. M., Lemeshko E. E. Long-term variability of air temperature in the Arctic region for the period 1979–2017 / Edited by O. A. Romanovskii and G. G. Matvienko // Proceedings of SPIE, 25th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. Novosibirsk, 2019. Vol. 11208. 112089I. https://doi.org/10.1117/12.2540946
  14. Количественная оценка параметров климатической изменчивости системы океан-атмосфера / В. И. Бышев [и др.] // Океанология. 2004. Том 44, № 3. С. 341–353.
  15. Hegyi B. M., Taylor P. C. The regional influence of the Arctic Oscillation and Arctic Dipole on the wintertime Arctic surface radiation budget and sea ice growth // Geophysical Research Letters. 2017. Vol. 44, iss. 9. P. 4341–4350. https://doi.org/10.1002/2017GL073281
  16. Bushuk M., Giannakis D. The Seasonality and interannual variability of Arctic Sea ice reemergence // Journal of Climate. 2017. Vol. 30, iss. 12. P. 4657–4676. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0549.1
  17. Arthun M., Eldevik T., Smedsrud L. H. The role of Atlantic heat transport in future Arctic winter sea ice loss // Journal of Climate. 2019. Vol. 32, iss. 11. P. 3327–3341. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-18-0750.1
  18. Arctic circulation regimes / A. Proshutinsky [et al.] // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2015. Vol. 373, iss. 2052. 20140160. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0160
  19. Role of Greenland freshwater anomaly in the recent freshening of the subpolar North Atlantic / D. S. Dukhovskoy [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2019. Vol. 124, iss. 5. P. 3333–3360. https://doi.org/10.1029/2018JC014686
  20. Empirical modeling and stochastic simulation of sea level pressure variability / S. Kravtsov [et al.] // Journal of Applied Meteorology and Climatology. 2016. Vol. 55, iss. 5. P. 1197–1219. https://doi.org/10.1175/JAMC-D-15-0186.1
  21. Belokopytov V. N. Factors reducing efficiency of the operational oceanographic forecast systems in the Arctic basin // Physical Oceanography. 2017. Iss. 2. P. 19–24. https://doi.org/10.22449/1573-160X-2017-2-19-24

Скачать статью в PDF-формате