A note on several meteorological topics related to polar regions

• Autorzy: Sienicki K.

Warianty tytułu

PL

Notatka o kilku zagadnieniach meteorologicznych związanych z regionami polarnymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Analysis of the meteorology of Polar Regions is fundamental to the process of understanding the global climatology of the Earth and Earth-like planets. The nature of air circulation in a polar vortex is of preliminary importance. I have show the local and continental spatiotemporal relationship between near surface wind events in terms of self-organized criticality. In particular, the wind event size, wind event duration, and duration of quiescent wind event are well approximated by power-law distributions. On a continental scale, the wind events in the Antarctic tend to be self-organized criticality with ergodic properties. A similar self-organized criticality wind event was also found in Taylor Valley located at McMurdo Dry Valleys discovered by Captain Scott.s expedition. Captain Scott.s meteorological Terra Nova record was also examined. I have also revisited and re-analyzed wind events in Hornsund at Spitsbergen Island, in terms of marginal probabilities and marginal copulas which describe positive Lévy process.

PL

Badanie meteorologii regionów polarnych jest fundamentalne w procesie zrozumienia i opisania globalnej klimatologii Ziemi i jej podobnych planet. Natura cyrkulacji powietrza w Wirze Polarnym jest podstawowej wagi. Wykorzystując dane dotyczące prędkości wiatru na Antarktydzie z około 40 stacji meteorologicznych pokazano, że zdarzenia wiatrowe rozumiane jako wielkość siły wiatru, czasu wiania i czasu niewiania są samo-zorganizowaną krytycznością opisaną przez rozkład prawdopodo-bieństwa w postaci skalującej funkcji potęgowej, Pokazano, że zdarzenia wiatrowe na Antarktydzie tworzą kontynentalny system, który z punktu widzenia mechaniki statystycznej jest ergo-dyczny. Ta podstawowa charakterystyka wiatrów powinna leżeć w konstrukcji ułamkowego równania Fokkera-Plancka dla rozkładu gęstości prawdopodobieństwa. W artykule pokazano, że w związku z samo-zorganizowaną krytycznością wiatrów na Antarktydzie nie można obliczyć ich wartości średnich. Analiza katabatycznych wiatrów w Suchych Dolinach w rejonie McMurdo jest szczegółowo opisana w powiązaniu z ich orografią. Wykorzystując metodę sieci neuronowych oraz statystyki zdarzeń wiatrowych na Lodowej Barierze Rossa pokazano, że dwa ekstremalne zdarzenia pogodowe (czarne łabędzie): bardzo niska temperatura w okresie 27 luty – 19 marca 1912 oraz katabatyczny sztorm 21-29 marca 1912 roku, opisane przez Kapitana Scotta nie wydarzyły się. Pokazano, że samo-zorganizowana krytyczność wiatrów nie jest charakterystyczna tylko dla Antarktydy ale jest obserwowana również w innych obszarach polarnych tworzących lodowe plateau jak na przykład w Hornsundzie na Spitsbergenie. Wykorzystując twierdzenia dotyczące procesów o nieskończonej wariancji (proces Lévy.ego) pokazano, że uprzednio zaproponowany opis pogody przez jej podział na klasy pogodowe ma fundamentalne uzasadnienie matematyczne w postaci marginałów i kopuł tworzących skalującą funkcję potęgową nieposiadającą wartości średniej. Bazując na pomiarach meteorologicznych w Hornsundzie zilustrowano, że pogoda opisana przez kwartety (4 elementy): temperatura, wiatr, zachmurzenie i opady tworzy funkcję potęgową charakterystyczną dla samo-zorganizowanych krytycznie układów. Przedstawione wyniki udowodniają, że dotychczasowe paradygmaty meteorologiczne powinny być zrewidowane. W szczególności, powszechnie bez uzasadnienia przyjęte założenie o skończenie wymiarowym gaussowskim rozkładzie zmiennych meteorologicznych powinno być odrzucone i zastąpione przez stochastyczne alfa-stabilne procesy Lévy.ego dla których wariancja może przyjmować dowolną wartość w przedziale od zera do nieskończoności.

Słowa kluczowe

EN

Antarctic; Wind Circulation; self-organized criticality; Lévy process; Dry Valleys; Capitan Scott; Hornsund; Spitsbergen; copula

PL

Antarktyda; cyrkulacja powietrza; samo-zorganizowana krytyczność; procesy Lévy'ego; Suche Doliny; kapitan Scott; Hornsund; Spitsbergen; kopuła

• Wydawca: Stowarzyszenie Klimatologów Polskich
• Czasopismo: Problemy Klimatologii Polarnej
• Rocznik: 2011
• Tom: nr 21
• Strony: 39--76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 80 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sienicki K.

• Chair of Theoretical Physics of Naturally Intelligent Systems ul. Topolowa 19, 05–807 Podkowa Leśna, Poland,

Bibliografia

• 1. Amundsen R., 1908. The North West Passage, Being the Record of a Voyage of Exploration of the Ship "Gyöa" 1903-1907. London, Constable: 400 pp.
• 2. Amundsen R., 1912. The South Pole: An Account of the Norwegian Antarctic Expedition in the "Fram” 1910-1912. J. Murray, London, Vol. I: 896 pp.
• 3. Androsiuk J., Kułak L., Sienicki K., 1993. Neural network solution of the Schrödinger equation for a two-dimensional harmonic oscillator. Chemical Physics,173(3): 377-383.
• 4. Bak P., 1996. How Nature Works: the Science of Self-organized Criticality. Copernicus Press, New York: 226 pp.
• 5. Barabasi A.-L., 2003. Linked: How Everything is Connected to Everything Else and What it Means. Plume: 304 pp.
• 6. Barabasi A.-L., 2010. Bursts: The Hidden Pattern Behind Everything We Do. Dutton Adult: 310 pp.
• 7. Barndorff-Nielsen O.E., Mikosch T., Resnick S.I., 1999. Lévy Processes: Theory and Applications. Birkhäuser: 415 pp.
• 8. Cercignani C., 1998. Ludwig Boltzmann: The Man Who Trusted Atoms. Clarendon Press: 348 pp.
• 9. Chamberlain A.C., 1983. Roughness length of sea, sand, and snow. Boundary-Layer Meteorology, 25 (4): 405–409.
• 10. Cherry-Garrard A., 1922. The Worse Journey in the World. Vol. I and II, Constable, London: 585 pp.
• 11. Christensen K., Moloney N.R., 2005. Complexity and Criticality. Imperial College Press: 392 pp.
• 12. Coles S., 2001. An Introduction to Statistical Modeling of Extreme Values. Springer: 208 pp.
• 13. Cook F., 1900. Through the First Antarctic Night, 1898-1899; A Narrative of the Voyage of the "Belgica" Among Newly Discovered Lands and Over an Unknown Sea About the South Pole. New York, Doubleday & McClure co: 478 pp.
• 14. Crane D., 2005. Scott of the Antarctic, A Life of Courage and Tragedy, Alfred A. Knopf, New York: 592 pp.
• 15. de Haan L., Ferreira A., 2006. Extreme Value Theory: An Introduction. Springer: 417 pp.
• 16. Edwards A.M., Phillips R.A., Watkins N.W., Freeman M.P., et. al., 2007. Revisiting Lévy flight search patterns of wandering albatrosses, bumblebees and deer. Nature, 449 (2007): 1044-1048; doi:10.1038/nature06199.
• 17. Falk M., Hüsler J., Reiss R-D., 2010. Laws of Small Numbers: Extremes and Rare Events. Springer: 509 pp.
• 18. Ferdynus J., 1997. Główne cechy klimatu morskiego strefy subpolarnej północnego Atlantyku w świetle struktury stanów pogód, Ph. D. thesis in Polish submitted to Wydział Nawigacyjny Katedra Meteorologii i Oceanografii Nautycznej Wyższa Szkoła Morska, Gdynia: 138 pp.(http://ocean.am.gdynia.pl/wydaw/Ferd_1997.pdf).
• 19. Ferdynus J. 2011. Polish seaports – unfavorable weather conditions for port operation (applying methods of complex climatology for data formation to be used by seafaring). [in:] Weintrit A., Neumann T. (Eds.), Miscellaneous problems in maritime navigation, transport and shipping. Marine navigation and safety of sea transportation. CRC Press Taylor & Francis Group, London: 33–42.
• 20. Fiennes R., 2003. Captain Scott. Hodder & Stoughton, London: 508 pp.
• 21. Galushkin A.I.,2007. Neural Networks Theory. Springer-Verlag, Berlin and Heidelberg GmbH & Co.: 440 pp.
• 22. Gray R.M., 2009. Probability, Random Processes, and Ergodic Properties. Springer: 322 pp.
• 23. Gubiec T., Werner T.R., Kutner R., Sornette D., Super-extreme event's influence on a Weierstrass-Mandelbrot Continuous-Time Random Walk. European Physical Journal, submitted 29 Nov 2010 [arXiv:1011.6472v1].
• 24. Hagar A., Sergioli G., Counting Steps: A New Approach to Objective Probability in Physics, European Physical Journal, revised 24 June 2011 [arXiv:1101.3521v4].
• 25. Herbut I., 2007. A modern Approach to Critical Phenomena. Cambridge University Press: 220 pp.
• 26. Hobbs W.H., 1911. Characteristics of Existing Glaciers. The Macmillan Company: 301 pp.
• 27. Huler S., 2005. Defining the Wind: The Beaufort Scale, and How a 19th-Century Admiral Turned Science Into Poetry. Three Rivers Press: 304 pp.
• 28. Huntford R.,1999. The Last Place on Earth. Modern Library, New York: 640 pp.
• 29. Huxley E.J., 1977. Scott of the Antarctic. University of Nebraska Press, Lincoln: 320 pp.
• 30. Janczura J., Weron R., Black swans or dragon kings? A simple test for deviations from the power law. European Physical Journal, Submitted on 17 Feb 2011 [arXiv:1102.3712v1].
• 31. Jensen H.J., 1998. Self-organized Criticality: Emergent Complex Behavior in Physical and Biological Systems. Cambridge University Press: 168 pp.
• 32. Kadanoff L.P., 2000. Statistical Physics: Statics, Dynamics and Renormalization. World Scientific: 500 pp.
• 33. Kharif C., Pelinovsky E., Slunyaev A.. 2009. Rogue Waves in the Ocean. Springer: 196 pp.
• 34. Khinchin A.I., 1949. Mathematical Foundations of Statistical Mechanics. Courier Dover Publications, New York: 179 pp.
• 35. Lai C.D., Balakrishnan N., 2009. Continuous Bivariate Distributions, Springer: 684 pp.
• 36. Lettau H., Lettau K., 1969. Shortwave radiation clomatonomy. Tellus, 21 (2): 208–222.
• 37. Lloyd S., 2007. Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes on the Cosmos, Vintage: 256 pp.
• 38. Lomholt M.A., Tal K., Metzler R., Klafter J., 2008. Lévy strategies in intermittent search processes are advantageous, Proceeding National Academy of Science USA, 105 (32): 11055–11059.
• 39. Lydolph P.E., 1959. Fedorov‟s complex method in climatology. Annals of the Association of American Geographers, 49: 120–144.
• 40. Lydolph P.E., 1985. Weather and climate. Rowman and Allanhead, Totowa: 216 pp.
• 41. Mahrt L., Vickers D., Nakamura R., Soler M.R., Sun J., Burns S., Lenschow D.H., 2001. Shallow Drainage Flows. Boundary-Layer Meteorology, 101, 243–260.
• 42. Mantegna R.N., Stanley H.E., 2000. Introduction to Econophysics: Correlations & Complexity in Finance, Cambridge University Press, Cambridge: 162 pp.
• 43. Markham C.R., 1921. The Lands of Silence, a History of Arctic and Antarctic Exploration. The University Press, Cambridge: 453 pp.
• 44. Murray G., 1901. The Antarctic Manual, for the Use of the Expedition of 1901. Royal Geographical Society, London: 586 pp.
• 45. Nelsen R.B., 2006. An introduction to copulas, second edn. Springer Series in Statistics. Springer, New York: 284 pp.
• 46. Nichols E.S., 1927. Das Klima Als Wettergesamtheit (Climate as Totality of the Weather), Monthly Weather Review, 55, September: 401–203.
• 47. Parish T.R., Bromwich D.H., 2007. Reexamination of the near-surface airflow over the Antarctic Continent and Implications on Atmospheric Circulations at High Southern Latitudes. Monthly Weather Review, 135, 1961–1973.
• 48. Pelinovsky E., Kharif C. (Eds.), 2010. Extreme and rogue waves, Natural Hazards and Earth System Sciences, Special Issue (http://www.nat-hazards-earth-syst-sci.net).
• 49. Preston D.,1998. A First Rate Tragedy: Captain Scott's Antarctic Expeditions, Houghton Mifflin Company, Boston: 256 pp.
• 50. Renfrew I.A., 2004. The dynamics of idealized katabatic flow over a moderate slope and ice shelf. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 130: 1023–1045.
• 51. Riffenburgh B. (Ed.), 2007. Encyclopedia of the Antarctic. Routledge: 1272 pp.
• 52. Ripley B.D., 2008. Pattern Recognition and Neural Networks. Cambridge University Press, Cambridge: 416 pp.
• 53. Sato K., 1999. Lévy Processes and Infinitely Divisible Distributions. Cambridge University Press: 500 pp.
• 54. Scott R.F., 1905. The Voyage of Discovery. MacMillan & Co., London, Vol. I & II: 556 pp.
• 55. Scott R.F., 1913a. Scott's last expedition: Vol. I – Being the journals of Captain R. F. Scott, R. N., C. V. O. Dodd, Mead & Company, The University Press, Cambridge, USA: 656 pp.
• 56. Scott R.F., 1913b. Scott's Last Expedition: Vol. II – Being the reports of the journeys & the scientific work undertaken by Dr. E. A. Wilson and the surviving members of the expedition. Dodd, Mead & Company, The University Press, Cambridge, USA: 741 pp.
• 57. Seefeldt M.W., 2007. An analysis of the Ross Ice Shelf low-level wind field using surface observations and modeling studies. Ph. D. thesis, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, University of Colorado: 162 pp.
• 58. Shackleton E., 1920. South: The Story of Shackleton's Last Expedition, 1914-1917. The MacMillan Company, New York: 177 pp.
• 59. Sienicki K., Fine Tuned Arctic, in preparation. Simpson G. C., 1906: The Beaufort Scale of Wind-Force, Report of the Director of the Meteorological Office, Offical No 180, London.
• 60. Simpson G. C., 1906: The Beaufort Scale of Wind-Force, Report of the Director of the Meteorological Office, Offical No 180, London.
• 61. Simpson G.C.,1919. British Antarctic Expedition 1910-1913: Meteorology, Vol. I – Discussion, Thacker, Spink and Co., Calcutta: 128 pp., Vol. III – Tables: 835 pp., Harrison and Sons, Ltd., London, 1923.
• 62. Sklar A., 1959. Fonctions de répartition à n dimensions et leurs marges. Publications de l'Institut de Statistique de l'Université de Paris, 8, 229–231.
• 63. Sklar L., 1993. Physics and Chance: Philosophical Issues in the Foundation of Statistical Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press: 456 pp.
• 64. Solomon S., 2001. The Coldest March: Scott's Fatal Antarctic Expedition. Yale University Press, New Haven: .289 pp.
• 65. Solomon S., Stearns C.R., 1999. On the Role of the Weather in the Deaths of R. F. Scott and his Companions. Proceedings of the National Academy of Science USA, 96 (23): 13012–13016.
• 66. Sornette D., 2004. Critical Phenomena in Natural Sciences: Chaos, Fractals, Self-organization, and Disorder: Concepts and Tools. Springer: 528 pp.
• 67. Sornette D., 2009. Dragon-kings, black swans, and the prediction of crises, International Journal of Terraspace Science and Engineering, 2(1): 1–18.
• 68. Speirs J.C., Steinhoff D.F., McGowan H.A., Bromwich D.H., Monaghan A.J., 2010. Foehn Winds in the McMurdo Dry Valleys, Antarctica: The Origin of Extreme Warming Events. Journal of Climate, 23 (13): 3577–3598.
• 69. Steig E.J., Schneider D.P., Rutherford S.D., Mann M.E., Comiso J.C., Shindell D.T., 2009. Warming of the Antarctic ice-sheet surface since the 1957 International Geophysical Year, Nature 457 (22 January) 459.
• 70. Taleb N.N., 2007. The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable. Random House: 366 pp.
• 71. Tankov P., Kallsen J., 2006. Characterization of dependence of multidimensional Lévy processes using Lévy copulas. Journal of Multivariate Analysis, 97 (7): 1551–1572.
• 72. Taylor G., 1922. The Physiography of the McMurdo Sound and Granite Harbor Region. Harrison & Sons, London: 98 pp.
• 73. Taylor G., 1930. Antarctic Adventure and Research. D. Appleton & Co., New York: 244 pp.
• 74. Thomson D., 2004. Scott, Shackleton and Amundsen: Ambition and Tragedy in the Antarctic. Thunder's Mouth Press, New York: 352 pp.
• 75. Thornwhwaite C.W., 1948. An approach toward a rational classification of climate. Geographical Review, 38 (1): 55–94.
• 76. Van Den Broeke M.R., Van Lipzig N.P.M., 2003. Factors Controlling the Near-Surface Wind Field in Antarctica. Monthly Weather Review, 131: 733–743.
• 77. Vedral V., 2010. Decoding Reality: The Universe as Quantum Information. Oxford University Press, Oxford: 240 pp.
• 78. Von Plato J., 1994, Creating Modern Probability. Cambridge University Press: 323 pp.
• 79. Weron A., Magdziarz M., 2010. Generalization of the Khinchin Theorem to Levy Flights. Physical Review Letters, 105 (26): 260603.
• 80. Zammett R.J., Fowler A.C., 2007. Katabatic Winds on Ice Sheets: A Refinement of the Prandtl Model. Journal of Atmospheric Science, 64 (7): 2707–2716.