Az Észak-atlanti térség szeptemberi légnyomása, az AMO fázis és Közép-Európa decemberi átlaghőmérséklete közötti távkapcsolat (1896-2015)

 (Az eredeti, angol nyelvű cikk itt olvasható)

Babolcsai György, Hirsch Tamás

ABSTRACT Tanulmányunk szerint az elmúlt 120 év adatai alapján légköri távkapcsolat  valószínűsíthető az ősz eleji (szeptemberi) észak-atlanti átlagos légnyomás és a tél eleji (decemberi) közép-európai átlaghőmérséklet között. A távkapcsolatban lényeges szerepet játszhat az AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation), amely megszabhatja a kapcsolat irányát, előjelét. Pozitív AMO fázis idején átlagosnál magasabb szeptemberi észak-atlanti légnyomás után jó eséllyel az átlagosnál hidegebb december következik Európa középső részén (az esetek mintegy 80%-ában), átlagosnál alacsonyabb szeptemberi észak-atlanti légnyomás után pedig enyhébb. Vizsgálataink szerint ennek oka az, hogy az észak-európai (döntően brit-szigeteki, skandináv-félszigeti) blocking-hajlam előbbi esetben általában erős, utóbbiban gyenge az év utolsó hónapjában. Negatív AMO fázis esetén a kapcsolat bizonytalanabb. Az erős 1903-1925-ös negatív AMO fázis  idején a kapcsolat a pozitív AMO fázisok idején megfigyelttel ellentétes előjelű, ám nagyon erős volt. Az 1963-1994-es, gyengébb negatív AMO fázis alatt a kapcsolat gyengébb volt, de inkább a pozitív AMO fázis idején tapasztalthoz hasonlóan viselkedett. Mivel a feltárt légköri távkapcsolatot három havi késleltetettség jellemzi, ezért prognosztikai potenciállal rendelkezik, valószínűségi anomália-előrejelzőként felhasználható. 

1. Bevezetés

Mióta Gilbert Walker brit meteorológus közel egy évszázada leírta a Déli Oszcillációt (Walker, 1924), tudjuk, hogy az éghajlati rendszer természetes (belső) változékonyságának egy része nem véletlen ingadozás, hanem távkapcsolatok – azaz egymástól nagy távolságra, jellemzően több ezer km-re jelentkező, egymással összefüggésbe hozható anomáliák – eredménye. A legismertebb légköri oszcillációs jelenségek, melyekkel kapcsolatban sokféle távkapcsolatot tártak már fel  – az ENSO (El Nińo / Déli Oszcilláció) (Allan, 1996) és a NAO (Észak-atlanti Oszcilláció) (Walker et al., 1932) –, a tengerfelszín hőmérsékletének (SST) anomáliáival, illetve a légnyomás nagytérségű ciklikus változásaival függnek össze. A NAO például az észak-atlanti térségbeli teljes változékonyság (hőmérséklet, csapadék stb.) mintegy harmadát magyarázza meg (Marshall et al., 2001). A felfedezett távkapcsolatok száma egyre nő, és a fentiek mellett például az indiai nyári monszun lefolyása, a sarki jég-, vagy az eurázsiai hóborítottság mértéke, változása is szerepet játszik távoli vidékek havi és évszakos kilengéseiben.

A távkapcsolatok többségének nincs közvetlen prognosztikai értéke, de kisebb részüket (a földrajzi távolság miatti) időbeli késleltetettség jellemzi, ezért a ciklikusság, a késleltetési idő és a lehetséges következmények ismeretében azok anomália-előrejelzőként is működhetnek. E téren a legtöbb kutatás és publikáció az El Nino-hoz köthető, a távkapcsolatokat is beépítő numerikus modell-előrejelzések egyelőre elsősorban a trópusokra mutatnak fel eredményeket.

A kevés kivétel egyikében, amelyet a trópusokon kívül feltártak, statisztikai kapcsolatot találtak a havi átlagos tengerszinti légnyomás (MSLP) és az 1000 hPa-os léghőmérséklet között az Északi-féltekén januárban, februárban és márciusban (Papadimas et al., 2012). Faktor- és korrelációanalízist végeztek az adatsoron. Legerősebb kapcsolat a Csendes-óceán egyes nyugati és keleti területeinek januári légnyomása és egy a Csendes-óceán középső részén található terület februári és márciusi léghőmérséklete között mutatkozott. Hasonló távkapcsolatot tártak fel az aleuti és izlandi alacsony- nyomás területének januári légnyomása és a szomszédos délnyugati és délkeleti régiók februári és márciusi léghőmérséklete között. Az eredmények alapján egy havi-kéthavi statisztikai előrejelzés adható az adott paraméterekre 86%-ot elérő beválással.

Cikkünk legfőbb célja egy légköri távkapcsolat bemutatása, amely alapján valószínűségi előrejelzés készíthető szeptember végén a közép-európai decemberi hőmérséklet anomália irányára. A feltárt távkapcsolat segítségével az adott területre és időszakra a numerikus időjárás előrejelző modellek mellé egy új eszközhöz juthatunk társadalmunk és gazdaságunk hosszútávú időjárás előrejelzésekre vonatkozó, egyre növekvő igényeinek kielégítéséhez.

2. Adatok és módszertan

Tanulmányunkhoz három adatbázist használtunk fel, ezek a következők:

1. Twentieth Century Reanalysis Project (1896-2014) (Compo et al., 2011) [1]: az Észak-atlanti térség (É 50–90°, NY 0–90°) (1. ábra) átlagos tengerszinti légnyomása szeptemberben 2x2 fokos felbontásban, Közép-Európa (É 44.75–54.27°, K 9.38–28.12°) (1. ábra) átlagos 2 méteres hőmérséklete decemberben 1.9°x1.875° fokos felbontásban. Közép-Európa a Twentieth Century Reanalysis Project rácshálózatához alkalmazkodva lett kijelölve. A légnyomásértékek a területre eső rácsponti adatok területarányos korrekcióval számolt átlagai, a hőmérsékleti értékek a területre eső rácsponti adatok átlagai. 

2. NCEP/NCAR Reanalysis Monthly Means (Kalnay, et al., 1996).[2]: a 2015-ös év szeptemberi légnyomási és decemberi 1000 hPa-os hőmérsékleti adata.

(Mind a légnyomási, mind a hőmérsékleti anomáliák az 1901-2000-es periódus átlagához viszonyulnak.)

3. NCDC/NOAA [3]: AMO index adatsor.

1. ábra A definiált Észak-atlanti térség (É 50-90°, Ny 0-90°) és Közép-Európa (É 44.75-54.27°, K 9.38-28.12°)

3. A jelenség

A téli hónapok közép-európai hőmérsékleti anomáliáit vizsgálva nagyon érdekes kapcsolatot találtunk. Azokban az években, amikor az Észak-atlanti térség szeptemberi légnyomása átlag alatti volt, Közép-Európában többnyire enyhe december következett, és fordítva, amikor a légnyomás magasabb volt az átlagosnál, nagyon gyakori volt a hideg december. Még  érdekesebbé teszi az eredményeket, hogy az elmúlt 120 évben volt egy bő két évtizedes időszak (1903-1923), amikor éppen ellentétes volt a viselkedés (2. ábra).

2.ábra Az észak-atlanti térség szeptemberi légnyomás-anomáliája és Közép-Európa decemberi átlaghőmérséklete „normális” (1896-1902, 1924-2015) és „ellentétes”(1903-19023)  viselkedés idején. Az anomália az 1901-2000-es átlaghoz viszonyít.

E feltételezett bipolaritást is figyelembe véve szerettük volna megvizsgálni a teljes 120 évre a kapcsolat stabilitását. A 3. ábra elkészítésénél ezért úgy jártunk el, hogy az 1903 és 1923 közötti „ellentétesen viselkedő” évek negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomáliájú eseteit a „normális viselkedésű” évek pozitív anomáliájú esetei mellé soroltuk, pozitív anomáliájú eseteit pedig a „normális viselkedésű” évek negatív esetei mellé.  

3. ábra. A decemberi közép-európai átlaghőmérsékleti anomáliák kvartilisei a „normális” viselkedésű időszak negatív és az „ellentétes” viselkedésű időszak pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomáliái után (pirossal), illetve a „normális” viselkedésű időszak pozitív és az „ellentétes” viselkedésű időszak negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomáliái után  (kékkel)

Az ily módon Közép-Európa decemberi átlaghőmérsékleti anomáliájára előállt két adatsor mediánjai között mindkét 60 éves időszakban 1,9 °C különbség mutatkozott. Adott adatsor első és második 60 évre eső eseteinek mediánjai, alsó és felső kvartilisei között pedig mindössze 0,0-0,3 °C eltérés látszik. Mindez a vizsgált időszakban a távkapcsolat nagyfokú stabilitását mutatja.

4. A rendellenes időszak vizsgálata

1903-ban „rendellenes” időszak kezdődött a távkapcsolatban, amely 1923-ig tartott. Ebben a huszonegy évben az anomália előjele megfordult: a tizenhárom pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomáliát mindannyiszor pozitív decemberi közép-európai hőmérsékleti anomália követte, a nyolc negatív légnyomás-anomália közül pedig ötöt negatív, hármat pozitív hőmérsékleti anomália. Ennek megfelelően a 4. ábrán 1903 és 1923 között a légnyomási és hőmérsékleti  anomália görbéje együtt fut, azaz az anomáliák előjele nagyrészt megegyezik. Az ezen kívüli időszakban az előjelek ugyanakkor többnyire ellentétesek, ezért ekkor a görbék akkor futnak együtt, ha – ahogy ábránkon is – a légnyomás anomália mínusz egyszeresét ábrázoljuk.

4. ábra A szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália és a decemberi közép-európai hőmérsékleti anomália 1896-tól 1935-ig, valamint az AMO szeptemberi értékei (NOAA, színezve a fázisok)

Mi történhetett 1903 és 1923 között? Mi lehetett az a hatás, amely még inkább alátámasztva kapcsolat meglétét, két alkalommal is mint egy kapcsoló egyszerűen megfordította annak irányát?

A kapcsolatban az észak-atlanti térség légnyomás-anomáliája szerepel, továbbá bő két évtizedes „rendellenes” időszakról beszélhetünk, ezért az elsők között adódik lehetséges magyarázatként az AMO (Atlantic Multidecadal Oscillation) (Schlesinger et al., 1994), az Atlanti-óceán északi medencéjében a vízfelszín átlaghőmérsékletében (SST) több évtizedes időskálán megfigyelhető periodikus ingadozás, amely bolygónk éghajlati rendszerének egyik fontos jelensége.

Márpedig az AMO éppen 1903-ban fordult negatív fázisba, amely fázis 1925-ig tartott (4. ábra). Vajon az AMO fázisváltása fordíthatta meg a kapcsolat irányát?

Közép-Európa téli átlaghőmérséklete döntő mértékben a Brit-szigetektől a Skandináv-félszigetig húzódó terület blocking-hajlamától függ, vagyis attól, hogy az ebben az évszakban enyhe léghullámokat szállító nyugatias alapáramlás útját milyen gyakran állják, és milyen erős magasnyomású légköri képződmények, utat engedve a sarkvidéki, illetve kontinentális eredetű hideg levegő számára Európa középső része felé. Ezt szemlélteti az 5. ábra, amelyen a vizsgált időszak 20 leghidegebb és 20 legenyhébb decemberének átlagos légnyomása és azoknak az átlagtól vett eltéréseit mutatja be.

5. ábra A vizsgált 120 év 20 leghidegebb (balra) és 20 legenyhébb (jobbra) decemberének átlagos légnyomása, és azok eltérése az 1981-2010-es decemberi átlagtól. (Betűvel feltüntetve a légnyomási centrumok, nyíllal az anomáliák generálta áramlási irányok)  

Elsőként azt volt érdemes tehát megvizsgálni, hogy az AMO fázis és a szeptemberi légnyomás-anomália előjelei függvényében látszik-e szignifikáns különbség, illetve szabályszerűség a decemberi légnyomás mezőjében a Brit-szigetektől a Skandináv-félszigetig húzódó területen.

A 120 évre négy statisztikailag vizsgálható AMO fázis esett (az időszak eleji, 1896-1902-ig tartó periódus – egy pozitív AMO fázis utolsó évei – túl rövid volt ehhez). Vegyük sorra őket, erősségük szerint.

A négy AMO fázis közül a legalacsonyabb átlagos AMO-indexe (leghűvösebb átlagos észak-atlanti tengerfelszíni hőmérséklete) a „rendellenes” időszak fázisának volt, -0,22 °C. A 6. ábra szerint a pozitív és a negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomáliájú hónapok után következő decemberek átlagos légnyomása között ekkor a Brit-szigetektől délnyugatra -4, -5 hPa-nyi különbség mutatkozott. Pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után tehát ott erősebb volt a ciklonalitás.

A másik, már gyengébb negatív AMO-fázis idején (1963-1994, átlagos AMO-index -0,15 °C) is hasonló viselkedés figyelhető meg a Brit-szigetektől délnyugatra, igaz, valamivel gyengébb mértékben. Ugyanakkor lényeges különbség, hogy amíg a „rendellenes” időszakban, ha csekélyebb mértékben is, de e térségtől keletre, északkeletre is ciklonálisabb volt a mező pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után, addig az 1963-1994-ig tartó AMO fázis idején balti-tengeri centrummal már határozott blocking-hajlam figyelhető meg.

Az 1926-tól 1962-ig tartó gyengén pozitív AMO fázis idején (átlagos AMO-index +0,16 °C) a Brit-szigetektől kissé nyugatra eső centrummal immár erős blocking-hajlam volt pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után.

Az 1995-ben kezdődött és jelenleg is tartó erős pozitív AMO fázis (átlagos AMO-index +0,25 °C) alatt egész Európára kiterjedő, és éppen a Brit-szigetek és Skandinávia közötti markáns centrummal rendelkező erős blocking-hajlam figyelhető meg decemberben pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után (6a. ábra).

6. ábra Az egyes AMO fázisok  idején a pozitív és negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomáliájú esetek utáni decemberek átlagos légnyomása közötti különbség (NOAA)

Ezt támasztják alá az 500 hPa-os geopotenciál magasságra vonatkozó különbség-térképek is (6b. ábra). A különbség-mezőkben megfigyelhető eltérő fejlettségű és elhelyezkedésű pozitív előjelű területet hemiszférikus léptékben jól kirajzolódó negatív előjelű sáv, karéj vette körül. Előbbi annál markánsabb volt, minél magasabb volt egy fázis átlagos AMO-indexe, azaz az észak-atlanti térség tengerfelszín-hőmérséklete. Az ellentétesen viselkedő, erősen negatív 1903-1925-ös AMO-fázisban az Északi-hemiszférában csak nagyon fejletlen, kis térségre kiterjedő pozitív terület mutatkozott, és az azt körülvevő markáns negatív övezet éppen arra a térségre esett, ahová a vizsgált időszak többi részében a markánsan pozitív terület - ezáltal Közép-Európa decemberi hőmérsékleti viszonyaira éppen ellentétes hatást gyakorolt.

A fent leírtak ismeretében – bár a jelenség dinamikus meteorológiai magyarázata még nem ismert – hipotézisünk a távkapcsolatra a következő: pozitív és gyengén negatív AMO fázisok idején pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után decemberben erősebb a blocking-hajlam a Brit-szigetek és Skandinávia tág térségében, mint negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után. Ennek következtében ezekben az években Közép-Európában jelentősen megnő a hideg december valószínűsége („normális” viselkedés). Erős negatív AMO fázis idején e blocking-hajlam eltűnik, sőt a Brit-szigetektől délnyugatra pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után decemberben a ciklonalitás erősödik meg. Ennek következtében a távkapcsolat átvált a másik módba („ellentétes” vagy „rendellenes” viselkedés).

Végezetül érdemes megjegyezni, hogy lehet bármilyen erős is egy légköri távkapcsolat (7. ábra), az sztochasztikus, és egyes években egyéb hatások (2015-ben talán az extrém erős El Nino) „legyőzhetik” a főszabályt.  

7. ábra A szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália és a decemberi közép-európai hőmérsékleti anomália az utolsó, jelenleg is tartó pozitív AMO fázis idején, 1995-től 2015-ig

5. Összefoglalás

Az elmúlt 120 évben az észak-atlanti térség szeptemberi légnyomás-anomáliájának és az AMO fázisának előjelpárosai szoros kapcsolatot mutattak a Brit-szigetek térségétől Skandináviáig terjedő terület decemberi légnyomás-anomáliájával, és annak következtében Közép-Európa decemberi átlaghőmérsékletével, az AMO fázis függvényében.

Táblázatba foglaltuk az egyes AMO fázisokban a pozitív és a negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomáliát követően Közép-Európában előfordult szignifikánsan hideg és szignifikánsan enyhe (0,5 °C-ot elérő eltérések), valamint átlag közeli hőmérsékletű decemberek számát, gyakoriságát  (1. táblázat).

Pozitív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után mindkét pozitív AMO fázis idején négyszer annyi átlagosnál hidegebb december következett mint enyhébb (57, illetve 14 százalék). A mérsékelten negatív AMO fázis éveiben ez az arány kétszeres volt. Az erősen negatív 1902-1925-ös AMO fázisban tíz enyhe esetre ugyanakkor egyetlen hideg esett sem esett. Negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után a jelenleg is zajló erős pozitív AMO-fázis éveiben háromszor, a mérsékelten pozitív és a mérsékelten negatív AMO fázisokban pedig hozzávetőleg másfélszer annyi meleg eset volt mint hideg. Csak az erősen negatív 1902-1925-ös AMO fázis idején volt több – kétszer annyi – hideg december mint enyhe negatív szeptemberi észak-atlanti légnyomás-anomália után.

A jelenlegi AMO-fázis eddigi éveinek, valamint az adott év szeptemberének észak-atlanti légnyomás-anomáliájának ismeretében a távkapcsolat továbbműködését feltételezve szeptember végén decemberre vonatkozó valószínűségi hőmérsékleti prognózis adható Közép-Európa térségére. A táblázat alapján amennyiben szeptemberben az észak-atlanti térség légnyomása átlag feletti volt, akkor négyszer akkora esély mutatkozik hideg decemberre, mint enyhére. Átlag alatti légnyomás esetén ugyanakkor háromszor nagyobb az átlagosnál enyhébb december valószínűsége. 

Hivatkozások:

Walker GT. 1924. Correlation in seasonal variations of weather, IX: A further study of world weather. Mem. Ind. Meteor. Dept., Calcutta, 24: 275-332.

Walker GT, Bliss EW. 1932. World weather V. Mem. R. Meteor. Soc.,Vol. IV. No. 36, 53-84.

Schlesinger ME, Ramankutty N. 1994. An oscillation in the global climate system of period 65-70years. Nature, 367(6465): 723–726.

Allan R, Lindesay J, Parker D. 1996. El Nino Southern Oscillation and Climatic Variability. Collingwood: CSIRO Publishing, Melbourne, Australia.

Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, Collins W, Deaven D, Gandin L, Iredell M, Saha S, White G, Woollen J, Zhu Y, Leetmaa A, Reynolds B, Chelliah M, Ebisuzak W, Higgins W, Janowiak J, Mo KC, Ropelewski C, Wang J, Jenne R, Dennis J. 1996. The NCEP/NCAR Reanalysis 40-year Project. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77, 437-471

Marshall J, Kushnir Y, Battisti D, Chang P, Czaja A, Dickson R, Hurrell J, McCartney M, Saravanan R, Visbeck M. 2001. North Atlantic climate variability: Phenomena, impacts and mechanisms, Int. J. Climatol., 21, pp. 1863-1898.

Compo GP, Whitaker JS, Sardeshmukh PD, Matsui N, Allan RJ, Yin X, Gleason BE, Vose RS, Rutledge G, Bessemoulin P, Bronnimann S, Brunet M, Crouthamel RI, Grant AN, Groisman PY, Jones PD, Kruk M, Kruger AC, Marshall GJ, Maugeri M, Mok HY, Nordli O, Ross TF, Trigo RM, Wang XL, Woodruff SD, Worley SJ. 2011. The Twentieth Century Reanalysis Project. Q. J. Roy. Meteor. Soc., 137, 1-28.

Papadimas CD, Bartzokas A, Lolis CJ, Hatzianastassiou N. 2012. Sea-level pressure – air temperature teleconnections during northern hemisphere winter. Theor. Appl. Climatol., Vol.108, Issue 1-2, pp 173-189.

[1] https://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/composites/plot20thc.v2.pl

[2] http://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/composites/printpage.pl

[3] https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/amon.us.long.data