sergeogrИзвестия Российской академии наук. Серия географическаяIzvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya2587-55662658-697510.7868/S0373244417060068sergeogr-628Research ArticleПриродные процессы и динамика геосистемNatural Processes and Dynamics of GeosystemsВЕЙВЛЕТ И КРОСС-ВЕЙВЛЕТ АНАЛИЗ СУММ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ И ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА  ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИWAVELET AND CROSS-WAVELET ANALYSIS OF THE SUMS OF  ATMOSPHERIC PRECIPITATION AND SURFACE AIR TEMPERATURE IN EUROPEAN RUSSIAВасильевДенис Ю.Vasil’evDenis Yu.

Уфа

Ufa

vasilevdy@ugatu.suБабковОлег К.BabkovOleg K.

Уфа

Ufa

КочетковаЕкатерина С.KochetkovaEkaterina S.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

СеменовВладимир А.SemenovVladimir A.

Москва

Moscow

Уфимский государственный авиационный технический университетРоссияUfa State Aviation Technical UniversityRussian FederationРоссийский государственный гидрометеорологический университетРоссияRussian State Hydrometeorological UniversityRussian FederationИнститут физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН; Институт географии РАНРоссияInstitute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences; Institute of Geography, Russian Academy of SciencesRussian Federation201713122017066377Copyright © Васильев Д.Ю., Бабков О.К., Кочеткова Е.С., Семенов В.А., 20172017Васильев Д.Ю., Бабков О.К., Кочеткова Е.С., Семенов В.А.Vasil’ev D.Y., Babkov O.K., Kochetkova E.S., Semenov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/628

С целью выявления периодичностей в данных станционных метеорологических наблюдений проведен вейвлет анализ временных рядов приповерхностной температуры воздуха и сумм атмосферных осадков в некоторых городах Европейской территории России, с оценкой статистической значимости полученных результатов. Метод кросс-вейвлет анализа использовался для установления связи между колебаниями рядов температуры и атмосферных осадков с важными климатическими индексами, такими как Североатлантическое колебание (САК), Атлантическое мультидекадное колебание (АМК) и Арктическая осцилляция (АО). Выявлен ряд значимых циклов в различных частотных диапазонах. Кросс-вейвлет анализ САК, АО с осадками и температурными рядами показал более высокую тесноту связей, по сравнению с АМК. В целом установлена высокая связь высокочастотоных колебаний осадков и температур исследуемого района с флуктуациями САК, АМК и АО, что может определяться не только самими этими климатическими индексами, но и связью этих атлантических флуктуаций с явлением Эль-Ниньо. Среднечастотные колебания метеоданных района с периодами 7–11 лет возможно являются свидетельством связи с флуктуацией САК. Установленная когерентность индекса АМК и данных наблюдений локализуется на временных интервалах до и после 1970 г., что согласуется с квазициклическими изменениями климата Земли.

Wavelet analysis of time series of surface air temperature and sums of precipitation in some cities of European Russia, with an estimate of the statistical significance of the obtained results is carried out with the purpose of identifying periodicities in the data of station meteorological observations. A cross-wavelet analysis was used to establish a link between variations in series of temperature and precipitation with important climate indices such as the North Atlantic oscillation (NAO), Atlantic multidecade oscillation (AMO) and Arctic oscillation (AO). A number of important cycles in different frequency ranges is identified. Cross-wavelet analysis of the NAO, AO with precipitation and temperature series showed a higher density of links compared to AMO. The strong link of high frequency oscillations in precipitation and temperature of the study area with fluctuations of the NAO, AMO and AO is established that can be determined not only by these climate indices, but the relationship of these Atlantic fluctuations with the El Niño phenomenon. Possibly, mid-frequency oscillations of meteorological data of the area with periods of 7–11 years are the evidence of the link with the fluctuation of the NAO. The established coherence of the index of the AMO and observational data is localized at time intervals before and after 1970, which is consistent with quasi-cyclic changes in the Earth’s climate.

вейвлет анализкросс-вейвлет анализсреднегодовая температура воздухагодовая сумма атмосферных осадковклиматические индексыкорреляционные связиwavelet analysiscross-wavelet analysisaverage annual air temperatureannual sum of atmospheric precipitationclimatic indicescorrelation linksReferencesАстафьева Н.M. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // УФН. 1996. Т. 166. № 11. С. 1145–1170.Astaf’eva N.M. Wavelet analysis: basic theory and some applications. Phys. Usp., 1996, vol. 166, no. 11, pp. 1145–1170. DOI: 10.1070/PU1996v039n11ABEH000177.Васильев Д.Ю., Лукманов Р.Л., Ферапонтов Ю.И., Чувыров А.Н. Цикличность гидрометеорологических характеристик на примере Башкирии // ДАН. 2013. Т. 448. № 1. С. 131–134.Vasil’ev D. Yu., Lukmanov R.L., Ferapontov Yu.I., Chuvyrov A.N. Periodicity in the hydrometeorological parameters of Bashkiria. Dokl. Earth Sci., 2013, vol. 448, no. 1, pp. 131–134. DOI:10.1134/S1028334X12110165.Васильев Д.Ю., Сивохип Ж.Т., Чибилев А.А. Динамика климата и внутривековые колебания стока в бассейне реки Урал // ДАН. 2016. Т. 469. № 1. С. 102–107.Vasil’ev D. Yu., Sivohip J.T., Chibilev A.A. Climate dynamics and interdecadal discharge fluctuations in the Ural river basin. Dokl. Earth Sci., 2016, vol. 469, no. 1, pp. 102–107. DOI:10.1134/S1028334X16070096.Васильев Д.Ю., Ферапонтов Ю.И. Тренды в колебаниях приземной температуры атмосферного воздуха на примере Башкирии // Изв. РАН. Сер. геогр. 2015. № 1. С. 77–86.Vasil’ev D. Yu., Ferapontov Yu.I. Tends in the fluctuations of near surface air temperature (a case study of Bashkiria). Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2015, no. 1, pp. 77–86. (In Russ.).Кляцкин В.И. Современные методы статистического описания динамических стохастических систем // УФН. 2009. Т. 179. № 5. С. 547–553.Klyatskin V.I. Modern methods for the statistical description of dynamical stochastic systems. Phys. Usp., 2009, vol. 179, no. 5, pp. 547–553.DOI:10.3367/UFNe.0179.200905j.0547.Мохов И.И. Диагностика причинно-следственной связи солнечной активности и приповерхностной температуры Земли // Изв. РАН. ФАО. 2008. Т. 44. № 3. С. 283–293.Mokhov I.I., Smirnov D.A. Diagnostics of a cause-effect relation between solar activity and the Earth’s global surface temperature. Izv. Atmos. Ocean. Phys., 2008, vol. 44, no. 3, pp. 283–293.Мохов И.И., Смирнов Д.А., Карпенко А.А. Оценка связи изменений глобальной приповерхностной температуры с разными естественными и антропогенными факторами на основе данных наблюдений // ДАН. 2012. Т. 443. № 2. С. 225–231.Mokhov I.I., Smirnov D.A., Karpenko A.A. Assessment of the relationship of changes of the global surface air temperature with different natural and anthropogenic factors based on observations. Dokl. Earth Sci., 2012, vol. 443, no. 2, pp. 225–231. DOI: 10.1134/S1028334X12030178.Нестеров Е.С. О влиянии температуры воды и потоков тепла на поверхности океана в Северной Атлантике на циркуляцию атмосферы // Метеорология и гидрология. 2009. № 1. С. 39–46.Nesterov E.S. Influence of the Surface water temperature and heat flux in the North Atlantic on the atmospheric circulation. Russ. Meteorol. Hydrol., 2009, no. 1, pp. 39–46. DOI:10.3103/S106837390901004X.Попова В.В. Структура многолетних колебаний атмосферных осадков на Русской равнине // Изв. РАН. Сер. геогр. 1999. № 3. С. 40–50.Popova V.V. Structure of perennial fluctuations of atmospheric precipitation at the Russian Plaine. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 1999, no. 3, pp. 40–50. (In Russ.).Семенов В.А., Мохов И.И., Латиф М. Роль границ морского льда и температуры поверхности океана на изменение регионального климата в Евразии за последние десятилетия // Изв. РАН. ФАО. 2012. Т. 48. № 4. С. 1–18.Semenov V.A., Mokhov I.I., Latif M. Influence of the ocean surface temperature and sea ice concentration on regional climate changes in Eurasia in recent decades. Izv. Atmos. Ocean. Phys., 2012, vol. 48, no. 4, pp. 1–18. DOI: 10.1134/S0001433812040135.Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 1. Изменения климата. М: Росгидромет, 2008. 227 с.Assessment repot on climate change and its impact on the territory of the Russian Federation, vol. 1. Roshydromet, 2008. 278 p. (In Russ.).Chapa S.R., Rao V.B., and Prasad G.S.S.D. Application of wavelet transform to meteosat-derived cold cloud index data over South America // Mon. Weather Rev. 1998. 126. Р. 2466–2481.Chapa S.R., Rao V.B., Prasad G.S.S.D. Application of wavelet transform to meteosat-derived cold cloud index data over South America. Mon. Weather Rev., 1998, 126, pp. 2466–2481.Chekroun M.D., Kondrashov D., and Ghil M. Predicting stochastic systems by noise sampling, and application to the El Niño-Southern Oscillation // PNAS. 2011. Vol. 108. № 29. P. 11766–11771. DOI:10.1073/pnas.1015753108.Chekroun M.D., Kondrashov D., Ghil M. Predicting stochastic systems by noise sampling, and application to the El Niño-Southern Oscillation. PNAS, 2011, vol. 108, no. 29, pp. 11766–11771. DOI:10.1073/pnas.1015753108.Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets. Society for Industrial and Applied Mathematics. 1992. 357 p.Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets. Society for Industrial and Applied Mathematics, 1992. 357 p.Ionita M., Lohmann G., Rimbu N., and Scholz P. Dominant modes of Diurnal Temperature Range variability over Europe and their relationships with large-scale atmospheric circulation and sea surface temperature anomaly patterns // J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117. D15111. DOI:10.1029/2011JD016669.Ionita M., Lohmann G., Rimbu N., Scholz P. Dominant modes of Diurnal Temperature Range variability over Europe and their relationships with large-scale atmospheric circulation and sea surface temperature anomaly patterns. J. Geophys. Res., 2012, vol. 117, D15111. DOI:10.1029/2011JD016669.Gray L.J., Beer J., Geller M., Haigh J.D., Lockwood M., Matthes K., Cubasch U., Fleitmann D., Harrison G., Hood L., Luterbacher J., Meehl G.A., Shindell D., van Geel B., and White W. Solar influences on climate // Rev. Geophys. 2010. 48. RG4001. DOI:10.1029/2009RG000282.Gray L.J., Beer J., Geller M., et al. Solar influences on climate. Rev. Geophys., 2010. 48. RG4001. DOI:10.1029/2009RG000282.Grinsted A., Moore J.C., and Jevrejeva S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series // Nonlinear Processes in Geophysics. 2004. Vol. 11. P. 561–566. SRef-ID:1607-7946/npg/2004-11-561.Grinsted A., Moore J.C., Jevrejeva S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlinear Processes Geophys., 2004, vol. 11, pp. 561–566. SRef-ID:1607-7946/npg/2004-11-561.Hurrell J.W. Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: Regional temperatures and precipitation // Science. Vol. 269. P. 676–679.Hurrell J.W. Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: Regional temperatures and precipitation. Science 1995, vol. 269, pp. 676–679.Chronin A.J. and Morzfeld M. Conditions for successful data assimilation // J. Geophys. Res. 2013. Vol. 118. 11. Р. 511–533. DOI:10.1002/2013JD019838, 2013.Chronin A.J., Morzfeld M. Conditions for successful data assimilation. J. Geophys. Res., 2013, vol. 118, 11, pp. 511–533. DOI:10.1002/2013JD019838, 2013.Kerr R.A. A north Atlantic climate pacemaker for the centuries // Science. 2000. Vol. 288. P. 1984–1986.Kerr R.A. A north Atlantic climate pacemaker for the centuries. Science, 2000, vol. 288, pp. 1984–1986.Mak M. Orthogonal wavelet analysis: Interannual variability in the sea surface temperature // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1995. 76. 11. Р. 2179–2186.Mak M. Orthogonal wavelet analysis: Interannual variability in the sea surface temperature. Bull. Amer. Meteor. Soc., 1995, 76, 11, pp. 2179–2186.Maraun D. and Kurths J. Cross wavelet analysis: significance testing and pitfalls // Nonlinear Processes in Geophysics. 2004. Vol. 11. P. 505–514. SRef-ID:1607-7946/npg/2004-11-505.Maraun D., Kurths J. Cross wavelet analysis: significance testing and pitfalls. Nonlinear Processes Geophys., 2004, vol. 11, pp. 505–514. SRef-ID:1607-7946/npg/2004-11-505.Maraun D., Kurths J., and Holschneider M. Nonstationary Gaussian processes in wavelet domain: Synthesis, estimation, and significance testing // Phys. Rev. 2007. E75. DOI:10.1103/PhysRevE.75.016707.Maraun D., Kurths J., Holschneider M. Nonstationary Gaussian processes in wavelet domain: Synthesis, estimation, and significance testing. Phys. Rev., 2007. E75. DOI: 10.1103/PhysRevE.75.016707.Meyers S.D., Kelly B.G., and O’Brien J.J. An introduction to wavelet analysis in oceanography and meteorology: With application to the dispersion of Yanai waves // Mon. Weather Rev. 1993. 121. P. 2858–2866.Meyers S.D., Kelly B.G., O’Brien J.J. An introduction to wavelet analysis in oceanography and meteorology: With application to the dispersion of Yanai waves. Mon. Weather Rev., 1993, 121, pp. 2858–2866.Minobe T. and Shouji A. Maximal wavelet filter and its application to bidecadal oscillation over the Northern Hemisphere through the twentieth century // J. Climate. 2002. 15. Р. 1064–1075.Minobe T., Shouji A. Maximal wavelet filter and its application to bidecadal oscillation over the Northern Hemisphere through the twentieth century. J. Climate, 2002, 15, pp. 1064–1075.Moberg A., Sonechkin D.M., Holmgren K., Datsenko N.M., and Karlen W. Highly variable Northern Hemisphere temperatures reconstructed from low- and highresolution proxy data // Nature. 2005. 433. Р. 613–617.Moberg A., Sonechkin D.M., Holmgren K., Datsenko N.M., Karlen W. Highly variable Northern Hemisphere temperatures reconstructed from low- and highresolution proxy data. Nature, 2005, 433, pp. 613–617.Nyberg J., Malmgren B.A., Winter A., Jury M.R., Kilbourne K.H., and Quinn T.M. Low Atlantic hurricane activity in the 1970s and 1980s compared to the past 270 years // Nature. 2007. Vol. 447. P. 698–701. DOI: 10.1038/nature05895.Nyberg J., Malmgren B.A., Winter A., Jury M.R., Kilbourne K.H., Quinn T.M. Low Atlantic hurricane activity in the 1970s and 1980s compared to the past 270 years. Nature, 2007, vol. 447, pp. 698–701. DOI: 10.1038/nature05895.Rayner N.A., Parker D.E., Horton E.B., Folland C.K., Alexander L.V., Rowell D.P., Kent E.C., and Kaplan A. Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marine air temperature since the late nineteenth century// J. Geophys. Res. 2003. 108 (D14). 4407. DOI:10.1029/2002JD002670.Rayner N.A., Parker D.E., Horton E.B., Folland C.K., Alexander L.V., Rowell D.P., Kent E.C., Kaplan A. Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marine air temperature since the late nineteenth century. J. Geophys. Res., 2003. 108 (D14). 4407. DOI:10.1029/2002JD002670.Rossi A., Massei N., and Laignel B. A synthesis of the time-scale variability of commonly used climate indices using continuous wavelet transform // Global Planetary Change. 2011. Vol. 78. P. 1–13.Rossi A., Massei N., Laignel B. A synthesis of the timescale variability of commonly used climate indices using continuous wavelet transform. Global Planetary Change, 2011, vol. 78, pp. 1–13.Schlesinger M.E., and Ramankutty N. An oscillation in the global climate system of period 65–70 years // Nature. 1994. Vol. 367. P. 723–726.Schlesinger M.E., Ramankutty N. An oscillation in the global climate system of period 65–70 years. Nature, 1994, vol. 367, pp. 723–726.Strong K., Saba J., and Kucera T. Understanding space weather: the Sun as a variable star // Bulletin of Amer. Meteor. Soc. 2012.Vol. 93. 9. P. 1327–1335. DOI: 10.1175/BAMS-D-11-00179.1.Strong K., Saba J., Kucera T. Understanding space weather: the Sun as a variable star. Bull. Amer. Meteor. Soc., 2012, vol. 93, no. 9, pp. 1327–1335. DOI: 10.1175/BAMS-D-11-00179.1.Sutton R.T. and Hodson D.L.R. Atlantic ocean forcing of North American and European summer climate // Science. 2005. Vol. 309. P. 115–118. DOI:10.1126/science.1109496.Sutton R.T., Hodson D.L.R. Atlantic ocean forcing of North American and European summer climate. Science, 2005, vol. 309, pp. 115–118. DOI:10.1126/science.1109496.Torrence C. and Campo G.P. A practical guide to wavelet analysis // Bull. Amer. Meteor. Soc. 1998. Vol. 79. Р. 61–78.Torrence C. and Campo G.P. A practical guide to wavelet analysis. Bull. Amer. Meteor. Soc., 1998, vol. 79, pp. 61–78.Tung K-K. and Zhou J. Using data to attribute episodes of warming and cooling in instrumental records // PNAS. 2013. Vol. 110. № 6. P. 2058–2063. DOI:10.1073/pnas.1212471110.Tung K-K., Zhou J. Using data to attribute episodes of warming and cooling in instrumental records. PNAS, 2013, vol. 110, no. 6, pp. 2058–2063. DOI:10.1073/pnas.1212471110.Vicente-Serrano S.M. and Lo´pez-Moreno J.I. Nonstationary influence of the North Atlantic Oscillation on European precipitation // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. D20120. DOI:10.1029/2008JD010382.Vicente-Serrano S.M., Lopez-Moreno J.I., Nonstationary influence of the North Atlantic Oscillation on European Precipitation. J. Geophys. Res., 2008, vol. 113, D20120. DOI:10.1029/2008JD010382.Wang H., Kumar A., Wang W., and Jha B. U.S. summer precipitation and temperature patterns following the peak phase of El Niño // J. Climate. 2012. Vol. 25. 20. P. 7204–7215. DOI:10.1175/JCLI-D-11-00660.1.Wang H., Kumar A., Wang W., Jha B.U.S. summer precipitation and temperature patterns following the peak phase of El Niño. J. Climate., 2012, vol. 25, 20, pp. 7204–7215. DOI:10.1175/JCLI-D-11-00660.1.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.