Типы погоды и их частотность над территорией Центральной Азии: анализ месячной изменчивости и изменения климата в течение бореального холодного сезона года на основе данных ERA-Interim

Себастьян Шмидт*, Ларс Герлитц

Потсдамский центр имени Гельмгольца, Немецкий исследовательский центр геонаук, Германия

*для корреспонденции: s.schmidt.geo@web.de

Ларс Герлитц: lgerlitz@gfz-potsdam.de

30 Января, 2020

https://doi.org/10.29258/CAJWR/2019-R1.v5-2/73-110.rus

Аннотация

Климатические исследования в Центральной Азии, как правило, основываются на анализе данных метеорологических наблюдений.  Однако их нехватка для горных районов приводит к ряду неопределенностей, и ввиду этого масштабы изменения климата и его изменчивость в Центральной Азии до сих пор остаются предметом дискуссий.  Кроме того, изучение данных наблюдений позволяет оценить лишь климат приземного слоя.  Поскольку метеорологические условия в тропосферных слоях в основном неизвестны, атмосферные механизмы, приводящие к наблюдаемым изменениям климата, остаются неизученными.  В настоящей статье авторы представляют результаты исследования изменения и изменчивости климата в Центральной Азии на основе ре-анализа данных ERA-Interim – наборов данных с координатной привязкой по различным метеорологическим параметрам для 60 слоев атмосферы.  При изучении климатических условий во время бореального холодного сезона объективная классификация типов погоды (weather types, WT) была сопоставлена с данными геопотенциальных высотных (GPH) полей 500 гПа.  Полученные результаты указывают на то, что теплые и влажные условия в Центральной Азии могут быть связаны с антициклонической аномалией над Южной Азией или смещением на юг западного струйного течения.  Сухие условия сопровождаются циклонической аномалией над Южной Азией.  Авторы демонстрируют, что комбинация типов погоды существенно влияет на месячные и сезонные показатели температуры и осадков, а также что преобладающие климатические тренды частично обусловливаются изменением частотности типов погоды.  Около 50% сезонного и 60% мартовского температурных трендов могут объясняться изменениями частотности типов погоды.  Несмотря на то, что наблюдаемые сезонные тренды выпадения осадков в целом невозможно объяснить изменениями частотности типов погоды, восходящий тренд в течение ноября, как представляется, сопровождается снижением частоты периодов высокого давления над территорией Центральной Азии.

Скачать публикацию

Для цитирования: Шмидт, С. and Герлитц, Л. (2019) ‘Типы погоды и их частотность над территорией Центральной Азии : анализ месячной изменчивости и изменения климата в течение бореального холодного сезона года на основе данных ERA -Interim’, Центральноазиатский журнал исследований водных ресурсов, 5(2), pp. 73–110. doi: 10.29258/CAJWR/2019-R1.v5-2/73-110.rus.

For citation: Schmidt S., Gerlits L. (2019) ‘Tipy pogody i ih chastotnost’ nad territoriej Central’noj Azii : analiz mesjachnoj izmenchivosti i izmenenija klimata v techenie boreal’nogo holodnogo sezona goda na osnove dannyh ERA -Interim [Weather types and their frequencies over Central Asia –an ERA-Interim based analysis of monthly climate variability and change for the boreal cold season]’, Central Asian Journal of Water Research, 5(2), pp. pp. 73–110. doi: 10.29258/CAJWR/2019-R1.v5-2/73-110.rus [in Russian]

Список литературы

1.  Apel, H., Abdykerimova, Z., Agalhanova, M., Baimaganbetov, A., Gavrilenko, N., Gerlitz, L., Kalashnikova, O., Unger-Shayesteh, Katy., Vorogushyn, S., and Gafurov, A., 2018. Statistical forecast of seasonal discharge in Central Asia for water resources management: development of a generic linear modelling tool for operational use, Hydrology and Earth System Science, Vol. 22, pp. 2225-2254.

2.  Bao, X., and F. Zhang, 2012. Evaluation of NCEP–CFSR, NCEP–NCAR, ERA-Interim, and ERA-40 Reanalysis Datasets against Independent Sounding Observations over the Tibetan Plateau, Journal of climate, Vol. 26, pp. 206–214. Available at: https://doi.org/10.1175/JCLI-D-12-00056.1.

3.  Barlow, M., Cullen, H. and Lyon, B., 2002. Drought in central and southwest Asia: La Niña, the warm pool, and Indian Ocean precipitation, Journal of climate,  Vol. 15, No. 7, pp. 697-700.

4.  Barlow, M. A. and Tippett, M. K., 2008. Variability and Predictability of Central Asia River Flows: Antecedent Winter Precipitation and Large-Scale Teleconnections, Journal of Hydrometeorology, Vol. 19, No. 9, pp. 1334-1349.

5.  Barlow, M. and Hoell, A., 2015. Drought in the Middle East and Central-Southwest Asia During Winter 2013/14, Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 96, No. 7, pp. 71-76.

6.  Barlow, M., Zaitchik, B., Paz, S., Black, E., Evans, J. and Hoell, A., 2016. A review of drought in the Middle East and southwest Asia, Journal of climate, Vol. 29, No. 23, pp. 8547-8574.

7.  Böhner, J., 2006. General climatic controls and topoclimatic variations in Central and High Asia. Boreas, Vol. 782, No. 35, pp. 279-295.

8.  Bothe, O., Klaus, F. and Xiuhua Z., 2011. Precipitation climate of Central Asia and the large-scale atmospheric circulation, Theoretical and applied climatology, Vol. 108, pp. 345-354.

9.  Bradley, P. S., Fayyad, U. M. and Reina, C., 1998. Scaling Clustering Algorithms to Large Databases. In: KDD 98, pp. 9-15.

10. Cahalan, R. F., 1983. EOF spectral estimation in climate analysis. Second International Meeting on Statistical Climatology, pp. 1-4.

11. Chanysheva, S. G., Subbotina, O. I., Petrov, U. V., Egamberdiyev, K. T., Aizenshtat, B. A. and Leukhina, G. N., 1995. Variability of the Central Asian Climate. Central Asian Hydrometeorological Research Institute, Tashkent. [in Russian]

12.   Chen, F., Wang, J., Jin, L., Zhang, Q., Li, J. and Chen, J., 2009. Rapid warming in mid-latitude central Asia  for the past 100 years. Frontiers of Earth Science in China, pp. 3-42.

13.  Dee, D. P., Uppala, S. M., Simmons, A. J., Berrisford, P., Poli, P., Kobayashi, S., Andrae, U., Balmaseda, M. A., Balsamo, G., Bauer, P., Bechtold, P., Beljaars, A. C. M., van de Berg, L., Bidlot, J., Bormann, N., Delsol, C., Dragani, R., Fuentes, M., Geer, A. J., Haimberger, L., Healy,     S., B., Hersbach, H., Hólm, E. V., Isaksen, L., Kållberg, M., Köhler, M., Matricardi, M., McNally, A. P., Monge-Sanz, B. M., Morcrette, J.-J., Park, B.-K., Peubey, C., de Rosnay, P., Tavolato, C., Thépaut, J.-N. and Vitart, F., 2011. The ERA‐Interim reanalysis: Configuration and performance of the data assimilation system, Quarterly Journal of the royal meteorological society, Vol. 137, No. 656, pp. 553-597.

14.  de Pauw, B., 2007. Principal biomes of Central Asia. In: Lal R., Sulaimonov, M., Stewart, B. A., Hansen, D. O., Doraiswamy, P., In: Climate change and terrestrial carbon sequestration in Central Asia, Pp. 137-146. Taylor and Francis, New York, USA.

15.  Dimri, A. P., 2013. Interannual variability of Indian winter monsoon over the Western Himalayas, Global and planetary change, Vol. 106, pp. 39-50.

16. Dukhovny, V., 2010. Present problems of irrigated agriculture in Aral Sea basin and future decisions. Oral Presentation at the International Scientific Symposium “Water in Central Asia”, Tashkent, 24-26 November 2010. Available at: http://www.cawaproject.net/book/200 (Accessed August 10, 2012).

17.  Dukhovny, V. A. and de Schutter, J. 2011. Water in Central Asia: past, present, future. CRC Press/Balkema.

18.  ECMWF, 2016. ECMWF. Forecast. Datasets. ERA-INTERIM. https://www.ecmwf.int/ (Accessed November 28, 2016).

19.  Forgy, E. W., 1965. Cluster analysis of multivariate data: efficiency versus interpretability of classifications, Biometrics Vol. 21, pp. 768-769.

20.  Gerlitz, L., O. Conrad, A. Thomas, and J. Böhner, 2014. Warming patterns over the Tibetan Plateau and adjacent lowlands derived from elevation- and bias‑corrected ERA-Interim data, Climate research, Vol. 58, pp. 235–246, Available at: https://doi.org/10.3354/cr01193.

21.   Gerlitz, L., Conrad, O. and Böhner, J., 2015. Large-scale atmospheric forcing and topographic           modification of precipitation rates over High Asia-a neural-network-based approach, Earth system dynamics, Vol. 6, No. 1, p. 61.

22.  Gerlitz, L., Vorogushyn, S., Apel, H., Gafurov, A., Unger-Shayesteh, K. and Merz, B., 2016. A statistically    based seasonal precipitation forecast model with automatic predictor selection and its application to central and south Asia, Hydrology and Earth system sciences, Vol. 20, No. 11, pp. 4605-4623.

23.  Gerlitz, L., Steirou, E., Schneider, C., Moron, V., Vorogushyn, S. and Merz, B., 2018. Variability of the cold season climate in Central Asia — Part I: Weather types and their tropical and extratropical drivers, Journal of climate, Vol. 31, pp. 7185–7207, Available at: https://doi.org/10.1175/JCLI-D-17-0715.1

24.  Giese, E. and Mossig, I., 2004. Klimawandel in Zentralasien (Climate Change in Central Asia). Zentrum für Internationale Entwicklungs- und Umweltforschung: Discussion papers 17, 70, Giessen. [in German]

25.  Giorgi, F., 2006. Climate change hot-spots, Geophysical research letters, Vol. 33, L08707.

26.  Golian, S., Mazdiyasni, O. and AghaKouchak, A., 2015. Trends in meteorological and agricultural droughts in Iran, Theoretical and applied climatology, Vol. 119, No. 3-4, pp. 679-688.

27. Hoell, A., Funk, C. and Barlow, M., 2014. The regional forcing of Northern hemisphere drought during recent warm tropical west Pacific Ocean La Niña events, Climate dynamics, Vol. 42, No. 11-12, pp. 3289-3311.

28.  Huth, R., Beck, C., Philipp, A., Demuzere, M., Ustrnul, Z., Cahynová, M., Kyselý, J. and Tveito, O.E., 2008. Classifications of atmospheric circulation patterns, Annals of the New York Academy of Sciences, Vol. 1146, pp. 105-152.

29. Intergovernmental Panel on Climate Change, ed., 2014. Climate Change 2013 — The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge. Available at: http://ebooks.cambridge.org/ref/id/CBO9781107415324 (Accessed February 20, 2018).

30.  Jacobeit, J., 2010. Classifications in climate research, Physics and chemistry of the Earth. Parts A/B/C, Vo. 35, No. 9-12, pp. 411-421.

31.       Käsmacher, O., and C. Schneider, 2011. An Objective Circulation Pattern Classification for the Region of Svalbard. Geografiska Annaler: Series A, Physical Geography, Vol. 93, pp. 259–271. Available at: https://doi.org/10.1111/j.1468-0459.2011.00431.x.

32.  Lloyd, S., 1982. Least squares quantization in PCM, IEEE transactions on information theory, Vol. 28, No. 2, pp. 129-137.

33. Maćkiewicz, A. and Ratajczak, W., 1993. Principal components analysis (PCA), Computers and geosciences, Vol. 19, pp. 303-342.

34. MacQueen, J., 1967. Some methods for classification and analysis of multivariate observations. In: Proceedings of the fifth Berkeley symposium on mathematical statistics and probability, Vol. 1, No. 14, pp. 281-297.

35.  Martyn, D., 1992. Climates of the world. developments in atmospheric science. Elsevier, Amsterdam        [u.a.], Netherlands; PWN, Warszawa, Poland.

36.  Mariotti, A., 2007. How ENSO impacts precipitation in southwest Central Asia, Geophysical research letters, Vol. 34, No. 16.

37.  Michelangeli, P. A., Vautard, R. and Legras, B., 1995. Weather regimes: Recurrence and quasi stationarity, Journal of the atmospheric sciences, Vol. 52, No. 8, pp. 1237-1256.

38.  Mirzabaev, A., 2013. Impact of weather variability and climate change on agricultural revenues in Central Asia, Quarterly journal of international agriculture, Vol. 52, No. 3, pp. 179-194.

39.  Natural Earth, 2019. Natural Earth. Downloads. Available at: https://www.naturalearthdata.com/downloads. (Accessed January 14, 2019).

40.  QGIS, 2019. Laden Sie QGIS für Ihre Plattform herunter. Available at: https://www.qgis.org/de/site/forusers/download.html. (Accessed January 14, 2019).

41.  Rasmusson, E. M., Arkin, P. A., Chen, W. Y. and Jalickee, J. B. 1981. Biennial variations in surface temperature over the United States as revealed by singular decomposition, Monthly weather review, Vol. 109, No. 3, pp. 587-598.

42.   Roller, C. D., Qian, J. H., Agel, L., Barlow, M. and Moron, V., 2016. Winter weather regimes in the northeast United States, Journal of climate, Vol. 29, No. 8, pp. 2963-2980.

43.   Schiemann, R. D., Lüthi, P. L. and Vidale, Schär C., 2008. The precipitation climate of Central Asia — intercomparison of observational and numerical data sources in a remote semiarid region, International journal of climatology, Vol. 28, pp. 3-24.

44.  Schiemann, R., Lüthi, D. and Schär, C., 2009. Seasonality and interannual variability of the westerly jet in the Tibetan Plateau region, Journal of climate, Vol. 22, No. 11, pp. 2940-2957.

45.   Sommer, R., Glazirinaa, M., Yuldashev, T. , Otarov, A., Ibraeva, M., Martynova, L., Bekenov, M.,         Kholov, B., Ibragimov, N., Kobilov, R., Karaev, S., Sultonov, M., Khasanova, F., Esanbekov, M., Mavlyanov, D., Isaev, S., Abdurahimov, S., Ikramov, R., Shezdyukova, L. and de Pauw E., 2013. Impact of climate change on wheat productivity in Central Asia. Agriculture, Ecosystems and Environment, Vol. 178, pp. 78-99.

46.  SRTM, 2019. SRTM Data. Available at: http://srtm.csi.cgiar.org/srtmdata/. (Accessed January 14 2019).

47.  Syed, F. S., Giorgi, F., Pal, J. S. and King, M. P., 2006. Effect of remote forcings on the winter precipitation    of central southwest Asia part 1: Theoretical and Applied Climatology, Vol. 108, pp. 147-160.

48. Syed, F. S., Giorgi, F., Pal, J. S. and Keay, K., 2010. Regional climate model simulation of winter climate over Central-Southwest Asia, with emphasis on NAO and ENSO effects, International journal of climatology, Vol. 30, No. 2, pp. 220-235.

49.  Trigo, R. M., Gouveia, C. M. and Barriopedro, D., 2010. The intense 2007-2009 drought in the Fertile        Crescent: Impacts and associated atmospheric circulation, Agricultural and forest meteorology, Vol. 150, No. 9, pp. 1245-1257.

50.  TUM (Technical University of Munich), 2018. Clusteranalyse (e-learning in German). Available at: https://www-m9.ma.tum.de/material/felix-klein/clustering/Methoden/K-Means.php. (Accessed January 20, 2020).

51.  Unger-Shayesteh, K., Vorogushyn, S., Farinotti, D., Gafurov, A., Duethmann, D., Mandychev, A. and Merz, B., 2013. What do we know about past changes in the water cycle of Central Asian headwaters? A review, Global planetary change, Vol. 110, pp. 4-25.

52.  Wang, A. and Zeng, X., 2012. Evaluation of multireanalysis products with in situ observations over the Tibetan Plateau, Journal of geophysical research: Atmospheres, Vol. 117 (D5).

53.  World Bank, 2018. The World Bank Open Data. Population, total. Available at: https://data.worldbank.org/indicator/SP.POP.TOTL. (Accessed June 02, 2018).

54.  Yin, Z. Y., Wang, H., Liu, X., 2014. A comparative study on precipitation climatology and interannual variability in the lower midlatitude East Asia and Central Asia, Journal of climate, Vol. 27, No. 20, pp. 7830-7848.