stryhal, j., huth, r. (2016): klasifikace ... -...

of 24/24
Klasifikace atmosférické cirkulace jan stryhal¹, radan huth¹, ² geografie 121/2 (2016) ¹ Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, katedra fyzické geografie a geoekologie, Praha, Česko (Charles University in Prague, Faculty of Science, Department of Physical Geo- graphy and Geoecology, Prague, Czechia); e-mail: [email protected], [email protected] cuni.cz ² Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha, Česko (Institute of Atmospheric Physics, Prague, Czechia) abstract Classifications of atmospheric circulation – e goal of the present article is to provide a brief overview of the development and usage of classifications of atmospheric circu- lation, particularly classifications of circulation patterns. In the first section, the motivation to conduct research into atmospheric circulation and the role of classifications in this research are discussed. In addition, basic approaches to classification are described. In the second section, manual classification methods are introduced; the focus is on those methods that have been widely used in the Czech literature – the synoptic catalogues of Brádka and Hess-Brezowsky. To our knowledge, such an overview has not been published yet. In the third section, the develop- ment of automated methods is described and the most commonly used methods are briefly introduced. We conclude with an overview of one of the fastest developing fields in synoptic climatology – the application of circulation classifications to climate modelling. key words classification – atmospheric circulation – circulation types – synoptic climatology stryhal, j., huth, r. (2016): Klasifikace atmosférické cirkulace. Geografie, 121, 2, 300–323. Do redakce došlo v březnu 2015, přijato do tisku v prosinci 2015. © Česká geografická společnost, z. s., 2016

Post on 14-Mar-2018

221 views

Category:

Documents

2 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Klasifikace atmosfrick cirkulace

    jan stryhal, radan huth,

    geografie 121/2 (2016)

    Univerzita Karlova v Praze, Prodovdeck fakulta, katedra fyzick geografie a geoekologie, Praha, esko (Charles University in Prague, Faculty of Science, Department of Physical Geo-graphy and Geoecology, Prague, Czechia); e-mail: [email protected], [email protected] stav fyziky atmosfry AV R, Praha, esko (Institute of Atmospheric Physics, Prague, Czechia)

    abstract Classifications of atmospheric circulation The goal of the present article is to provide a brief overview of the development and usage of classifications of atmospheric circu-lation, particularly classifications of circulation patterns. In the first section, the motivation to conduct research into atmospheric circulation and the role of classifications in this research are discussed. In addition, basic approaches to classification are described. In the second section, manual classification methods are introduced; the focus is on those methods that have been widely used in the Czech literature the synoptic catalogues of Brdka and Hess-Brezowsky. To our knowledge, such an overview has not been published yet. In the third section, the develop-ment of automated methods is described and the most commonly used methods are briefly introduced. We conclude with an overview of one of the fastest developing fields in synoptic climatology the application of circulation classifications to climate modelling.

    key words classification atmospheric circulation circulation types synoptic climatology

    stryhal, j., huth, r. (2016): Klasifikace atmosfrick cirkulace. Geografie, 121, 2, 300323.Do redakce dolo v beznu 2015, pijato do tisku v prosinci 2015.

    esk geografick spolenost, z. s., 2016

  • klasifikace atmosfrick cirkulace301

    1. vod

    Veobecn cirkulace atmosfry je jednm ze zkladnch faktor spoluutvejcch klima Zem. Pomrn zk vztah mezi cirkulac velkho mtka (kontinentl-nho a hemisfrickho) na jedn stran a poasm a klimatem na regionln a lokln rovni na stran druh je vznamnm motivem k jejmu studiu. Pedevm v minulosti (v dob pedchzejc vzniku model atmosfry) byly tyto znalosti zcela zsadn v synoptick meteorologii pro ely pedpovdi poas (Brdka 1968; Brzdil, tekl 1986); v souasnosti ovem spov tit vyuit v disciplnch klimatologickch.

    Jedna z hlavnch nesnz, se kterou se musej meteorologov i klimatologov vypodat, plyne ze skutenosti, e atmosfrick cirkulace je spojitou veliinou nabvajc nekonenho mnostv rznch stav. V mimotropickch zempisnch kch je to zrove veliina znan asov i prostorov promnliv. Aby bylo mon daj o cirkulaci vyut jako prediktantu rznch jev a proces, jej slo-itost je teba njak vrazn zjednoduit. Nejastji uvanm pstupem k tomuto zjednoduen je klasifikace. Akoli klasifikan proces me nabvat nesetnch podob, v zsad je mon rozliit dv koncepce tdn cirkulanch pol jako celku nebo analza njakho vybranho znaku (Huth a kol. 2008).

    Volba cirkulanho znaku je elov, opodstatnn snahou o jeho co mon nejpesnj popis, by na kor ztrty jinch informac. elem takovho vzkumu me bt poznn reim drah tlakovch n napklad nad severnm Atlanti-kem (Blender, Fraedrich, Lunkeit 1997). Obdobn byly typizovny i cyklony ste-domoskho pvodu dle jejich vlivu na vysok srkov hrny v esku (Hanslian a kol. 2000). Dalmi asto klasifikovanmi znaky jsou zptn trajektorie pohybu vzduchovch stic i hmot (nap. Obregn a kol. 2011) a pole vtru (Kaufmann, Weber 1996). Tyto pomrn zce zamen studie cirkulaci atmosfry na vtm (synoptickm) mtku zpravidla nijak neuvauj a vsledk analz vyuvaj pevn ke studiu loklnch jev, typicky extrm poas a vysokch koncentrac kodlivin v ovzdu.

    Druh pstup ke klasifikaci je o poznn komplexnj v tom smyslu, e se sna zachytit zkladn vlastnosti atmosfrick cirkulace jako celku, a to pevn na vtm (regionlnm a kontinentlnm) mtku. Za zdroj informac o cirkulaci je volena nkter ze skupiny nkolika mlo promnnch jedn se pedevm o pole tlaku vzduchu pepotenho na hladinu moe (sea level pressure) a/nebo vybran geopotenciln vky ve spodn i stedn troposfe (vtinou 500 i 700 hPa), mn asto o smr proudn vzduchu aj. Tyto promnn jsou z hlediska cirkulace klimatologicky nejvznamnj, navc jsou relativn nejlpe reprodukovny reana-lzami atmosfry a klimatickmi modely (Vrac, Hayhoe, Stein 2007). Vzhledem k vysok kolinearit tchto promnnch se vtinou vol pouze jedna z nich. Jejich kombinace a zahrnut dalch promnnch nicmn mohou zkvalitnit informaci,

  • 302geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    kterou nov vznikl veliina nese o vysvtlovanm prediktantu (napklad teplot vzduchu), potenciln ovem na kor prvk jinch napklad srek (Weusthoff 2011). Pole promnnch mohou mt formu pvodnch namench (staninch) dat, astji jsou ale tyto daje pevdny na hodnoty v uzlovch bodech pravideln st. Jednat se me jak o okamit asoprostorov realizace promnnch (hodnoty zmen v uritch synoptickch termnech), tak i o prmry za urit obdob (typicky den i msc), jak absolutn hodnoty, tak odchylky od dlouhodobho prmru. Vechny tyto volby mohou vznamn ovlivnit podobu vsledku, a mus proto reflektovat konkrtn el vzkumu.

    Samotn proces klasifikace probh standardn: jednotliv pole promnnch jsou na zklad uritch pravidel (definovanch pedem nebo automaticky bhem klasifikanho procesu) shlukovny do td, kter se v literatue (vcemn za-mniteln) oznauj jako cirkulan, synoptick i povtrnostn typy (circulation, synoptic types). Cel postup je potom nejastji oznaovn jako klasifikace pol atmosfrick cirkulace (classification of atmospheric circulation patterns) nebo jed-nodue jako cirkulan (synoptick) klasifikace. Analogicky s regionalizac, kter se sna nalzt sti prostoru s relativn homogennmi hodnotami i reimem uritch promnnch (ve vdch o atmosfe typicky teplot a srek), se pi tomto postupu hledaj v souboru pol promnnch podobnosti mezi jednotlivmi aso-vmi realizacemi (Huth a kol. 2008).

    Krom ist cirkulanch klasifikac jsou ve vdch o atmosfe hojn uvny i dal klasifikace zaloen takt na hledn podobnost mezi jednotlivmi rea-lizacemi meteorologickch pol, lic se ovem volbou promnnch a vtinou i prostorovm mtkem. Nelze je tedy sice povaovat za klasifikace cirkulan, ovem vzhledem k ad podobnch atribut (jako cl vzkumu, metody a vsledn podoba klasifikace a zahrnut zmnnch cirkulanch promnnch do vpotu) jsou za n obas oznaovny. Jedn se pedevm o typizace poas a vzducho-vch hmot.

    Typy poas (weather types) jsou vsledkem vpotu zahrnujcho pomrn irok spektrum promnnch, jako jsou teplota a vlhkost vzduchu, oblanost, slu-nen svit, rychlost a smr vtru aj. Jedn se pitom vtinou vhradn o pzemn hodnoty prvk zmen na jedn i nkolika mlo lokalitch (Huth a kol. 2008). Klasifikace poas nemaj genetick zklad, nekaj tedy nic o tom, pro se dan typ poas vyskytuje (Brdka 1968).

    Typy vzduchovch hmot (air mass types) se li od typ poas tm, e reflektuj hodnoty meteorologickch prvk ve vce vkovch hladinch a zpravidla tak na dov vt ploe. Teplotn a vlhkostn charakteristiky vzduchu maj pmou vazbu jak na atmosfrickou cirkulaci na jedn stran, tak na adu prvk, jev

    Vzduchov hmoty jsou definovny jako velk objemy vzduchu s podobnmi teplotnmi a vlh-kostnmi vlastnostmi (Barry, Perry 1973).

  • klasifikace atmosfrick cirkulace303

    a proces v prodn sfe na stran druh. Vhodou klasifikac vzduchovch hmot je tedy prv ona pm (a tud o poznn tsnj) vazba na analyzovan pro-mnn (Bower a kol. 2007), nevhodou ovem znan nronost na vstupn data.

    Typ poas a vzduchovch hmot bylo spn vyuito jako prediktor v bio-klimatologickch studich (nap. Kysel, Huth 2004; Davis, Rossier, Enfield 2012), v zemdlskch studich (Jones, Davis 2000), pi analzch zneitn ovzdu (Makra a kol. 2006) a validaci klimatickch model (Schwartz 1996).

    Nutno dodat, e ve vymezen hranice mezi jednotlivmi druhy klasifikac jsou v praxi asto pekraovny. Je tedy pomrn ast, e typy (ppadn reimy) poas (povtrnosti), synoptick a cirkulan typy jsou uvny vesms jako syno-nyma, ppadn hranice mezi nimi jsou jednotlivmi autory vnmny ponkud odlin.

    V nsledujcch kapitolch se vnujeme cirkulanm klasifikacm; text na nkolika mstech ilustrujeme jednoduchmi analzami, kter jsou zaloeny na atmosfrick reanalze vytvoen v rmci projektu The Twentieth century reana-lysis project (Compo a kol. 2011, ESRL 2015), popisujc atmosfru od roku 1871 v horizontlnm rozlien 2 zempisn ky a dlky a asovm kroku est hodin. V prci jsou vyuity mapy dennch prmr pole tlaku vzduchu pepotenho na hladinu moe pro zimn msce 19612000 (3 610 dn) a oblast 40 z. d. a 40 v. d. a 30 a 70 s. . Dle vyuvme databze povtrnostnch typ dle Brdky (HM 2014) a prmrnch zemnch msnch teplot v esku (HM 2015). Klasifikace jsou vytvoeny pomoc software COST733class2.0 (Philipp a kol. 2014; COST 733 Wiki 2014) a SOM-PAK 3.1 (Helsinki University of Technology 2015).

    2. Manuln katalogy povtrnostn situace

    Jak ji bylo uvedeno v samotnm vodu, atmosfrick cirkulace velkho mtka je v relativn tsnm vztahu s mstnm poasm, eho v minulosti hojn vyuvala pedpovdn sluba. Cirkulace nicmn vysvtluje jen st rozptylu meteorolo-gickch promnnch, a proto je mon na jejm zklad usuzovat spe na typ poas, maximln tvoit uritou elementrn pravdpodobnostn pedpov vvoje meteorologickch prvk. Nejoblbenj metodou, vyuvanou k tomuto typu pedpovd, jsou typizace synoptickch (povtrnostnch) typ. Pedevm 50. a 70. lta minulho stolet, ne vkonnost synoptickch metod v pedpovdi poas postupn pedily metody numerick (Brzdil, tekl 1986; lek, Rada, Krl 2006), daly vzniknout velkmu mnostv tzv. katalog synoptick situace.

    Dle Brdky (1968) je mon povtrnostn typy povaovat za urit mezistupe mezi klasifikacemi poas a cirkulace, nebo na jedn stran kladou znan draz na rz poas v konkrtn oblasti a na stran druh zohleduj i genezi jednotli-vch uzavench cirkulanch pochod velkho mtka. V mrnch zempisnch

  • 304geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    kch se jedn zejmna o ivotn cykly tlakovch n a v, tsn souvisejc s vpdy chladnho vzduchu do jinjch ek a jeho nslednm prohvn i promchvn se vzduchem teplejm. Ve stedn Evrop se tyto cykly projevuj typicky po dobu nkolika dn charakteristickm reimem tlakovho pole a s nm spjatmi horizontlnmi a vertiklnmi pohyby vzduchu, pechodem front a p-livem vzduchovch hmot uritho pvodu (HM 1972). Kadou takovou epizodu (tzv. pirozen synoptick obdob) lze tedy rozdlit do sledu nkolika povtrnost-nch situac, vzjemn se licch z cirkulanho hlediska polohou a stdiem vvoje jednotlivch tlakovch tvar, z hlediska charakteru mstnho poas pak statistic-km rozdlenm meteorologickch prvk. Takov dlen je nicmn mon pouze pro relativn mal zem, pro kter je poas v danm stdiu vvoje tlakovho pole dostaten homogenn (Brdka 1968). Tato omezen platnost je primrnm dvodem existence znanho mnostv katalog povtrnostnch typ.

    Kad katalog tvo urit soubor expertn stanovench typ. Akoli je v zsad mon stanovit i velmi omezen poet typ reprezentujcch elov zvolen stavy tlakovho pole vedouc ke konkrtnm projevm poas (nap. hydrometeorolo-gickm extrmm), nejznmj typizace se sna aproximovat kadou (i aspo naprostou vtinu) z relnch konfigurac pole cirkulace. Volba typ je pevn zcela subjektivn, v nkterch ppadech je zaloena ponkud objektivnji na uritch geometrickch vahch, jako jsou nap. oktant proudn a zakiven izobar v poli tlaku vzduchu pepotenho na hladinu moe (Lamb 1972). Poet typ definovanch jednotlivmi katalogy se li, ovem pohybuje se vtinou dov maximln v prvnch destkch, co umouje pokrt spektrum stav cirkulace a zrove nedefinovat typy, kter by se objevovaly pouze velmi sporadicky.

    Samotn zaazovn dn k pslunm nejpodobnjm povtrnostnm typm je takt manuln, provdn skupinou synoptik na zklad pravidel vlastnch danmu katalogu. Na podobnost lze usuzovat z ady parametr, jako jsou okamit stav pzemnho a vkovho proudn, poloha frontln zny, charakter tlakovho pole (cyklonln i anticyklonln zakiven izobar) i vlastnosti vzduchovch hmot (HM 1972, Lamb 1972). Dalm kritriem pomrn vznamn ovlivujcm podobu vslednho kalende me bt napklad poadavek na minimln dlku trvn jednotlivch epizod (typicky 2 i 3 dny).

    Je zejm, e cel tento subjektivn proces je nchyln k vnen nehomogenit do kalend, zejmna v ppad personlnch zmn v autorskm kolektivu. Nejed-noznanost a subjektivitu zaazen mnostv dn dokld upozornn pracovnk eskho hydrometeorologickho stavu (HM 2014) vztahujc se k pracovn verzi synoptickch typ definovanch pro zem eska. Oproti n me ve finln podob kalende, kter vznik na zklad porovnn vsledk se slovenskmi

    Neponechv-li ovem dan katalog monost nejasn ppady neklasifikovat.

  • klasifikace atmosfrick cirkulace305

    meteorology, zmnit kategorii i vce ne tvrtina dn. Podobn vsledek uvd i Frakes a Yarnal (1997), kte provedli svoji subjektivn klasifikaci opakovan.

    Navzdory vem zmnnm negativm manulnch katalog je jejich obliba znan a jejich vyuit peshlo vdy o atmosfe. Jednotliv typy se dky sv po-mrn tsn vazb na poas dobe interpretuj, jsou vyuiteln coby prediktor rznch jev a proces. Dostaten dlka kalend a aplikace nap rznmi obory umouj porovnvn vsledk. Slabinou jsou ovem zmnn omezen prostorov platnost, zcela zsadnm negativem potom nepenositelnost celho postupu do jinho regionu a zejmna pak (vzhledem k pracnosti postupu) na nov ady atmosfrick reanalzy a vstupy klimatickch model, jejich poet i vznam v poslednch desetiletch dramaticky narostl.

    V rmci jednoho lnku nen mon poskytnout vyerpvajc pehled katalog a jejich aplikac. Dle tedy pednostn uvdme pklady studi vztahujcch se k zem eska. U ns v praxi nejpouvanj typizac je Brdkv katalog, na jeho zklad je sestavovn kalend povtrnostnch typ pracovnky HM pro zem eska (respektive dve eskoslovenska) a jen je dostupn od roku 1946. Katalog v souasn podob definuje 28 typ, kadmu dnu mus bt piazen prv jeden z nich. Popisy jednotlivch typ jsou uvedeny nap. v prci HM (1972) i online (HM 2014), ti nejastji se vyskytujc typy v zimch 19612000 jsou zobrazeny na obrzku 1.

    Na zklad tohoto kalende bylo vypracovno nkolik studi analyzujcch typick rz poas podmnn vskytem jednotlivch typ. Jedn se v prvn ad

    Ve stedoevropskm regionu se t znanmu zjmu na vesms nrodn rovni i dal ty-pizace, z nich se slu upozornit alespo na dv Lityskho pro zem Polska (viz nap. mudzka 2013) a Pczelyho pro zem Maarska, resp. Panonsk pnve (viz nap. Makra a kol. 2009).

    Obr. 1 Nejfrekventovanj typy v kalendi povtrnostnch typ dle Brdky (zimn msce 19612000) a relativn etnost dn nlecch pslunmu typu. ed znzornny oblasti nzkho tlaku vzduchu, kruhy zna polohu dcch tlakovch tvar. Wc typ zpadn cyklonln, B brzda nzkho tlaku nad stedn Evropou, A anticyklona nad stedn Evropou. Zdroj dat a nkres: HM (2014), upraveno.

  • 306geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    o prce Brdky a kol. (1961) a HM (1972). Nsledn Star (1989) a Slab (1989) navzali analzou obdob 19451985. Kivancov s Vavrukou (1997) jejich prci dle vrazn rozili analzou 192 eskch klimatologickch stanic za obdob 19611990, co umonilo pro jednotliv povtrnostn situace vystihnout tak regionln rozdly prvk, respektive (pevn) jejich dennch i msnch pr-mr. V mapov form byla prostorov variabilita vybranch prvk ve zvolench skupinch povtrnostnch typ zachycena v Atlasu podneb eska (Tolasz a kol. 2007). Zmnn prce se vak nijak nevnovaly dlouhodobm zmnm cirkulace, vetn jejich monho podlu na zmnch klimatu. Tuto mezeru nedvno zacelili Cahynov s Huthem (2009a), s vyuitm vsledk ady mezitm provedench, zmnm klimatu v esku po roce 1960 vnovanch studi (mj. Brzdil a kol. 1995; Huth, Pokorn 2004, 2005; Chldov, Kalvov 2005; Brzdil a kol. 2009a).

    Mimo jmenovan eji zamen prce je ovem teba jmenovat i dlouhou adu dalch, kter v jednotlivch brdkovskch typech detailn analyzovaly vybran jevy a prvky, pevn atmosfrick, respektive hydrometeorologick: napklad studie vnovan klimatologii maximlnch a minimlnch dennch teplot (Iko 1982) a mlh (Min, kvarenina 1995), obdobm s krtkm a dlouhm trvnm slunenho svitu (Fik 1999), nrazm vtru (imek 2000), pinm teplch zim 90. let (Sandev, edivka 2002), praskmu tepelnmu ostrovu (Beranov, Huth 2005), pinm letnch povodn (ekal 2007), epizodm sucha (Brzdil a kol. 2009b), smogovm situacm (Knozov, Hora 2010) nebo kalamitnmu snen (Kvto, k 2011). Krom zejm oblbenosti v klimatologii si tato metoda zacho-vv svj vznam i v meteorologii, nap. pi pedpovdi konveknch jev (Dejmal, ezov 1997) a hodnocen spnosti pedpovdi poas (Drobek, opko 2013).

    Druhou manuln typizac, kter je v eskm prosted pouvna, je katalog Hesse a Brezowskho (tzv. Grosswetterlagen; Hess, Brezowsky 1952), kter byla vytvoena sice primrn pro zpadn Nmecko, nicmn je povaovna za re-prezentativn minimln pro cel region stedn Evropy (James 2007; Cahynov, Huth 2009a). Nespornou vhodou nmeckho kalende je fakt, e byl zptn vytvoen a k roku 1881, co umouje tak analzy sekulrnch ad; napklad za elem odhalen vliv cirkulace na teplotu a srkov hrny (Brek 1982) a na dlku trvn slunenho svitu (Brek 1986), vztah cyklonality a zonality proudn s msnmi a ronmi prmry srkovch hrn v echch (Brek 1987), pin horkch vln v Praze (Kysel 2002) a na jin Morav (Kysel, Kalvov 1998) nebo variability povodn na Vltav a Labi (Kysel, Kakos, Holskov 2008).

    S ohledem na vyuitelnost kalend synoptickch typ v analzch zmn atmosfrick cirkulace a vlivu tchto zmn na trendy klimatickch prvk vy-vstala otzka tkajc se jejich homogenity. V kalendi HM byly Cahynovou

    Klimatick prvky (resp. jejich hodnoty) vzan na vskyt uritho cirkulanho typu bvaj oznaovny jako tzv. podmnn klimatick prvky.

  • klasifikace atmosfrick cirkulace307

    a Huthem (2007b, 2009a) objeveny nesrovnalosti tkajc se etnosti nkterch typ a prmrn doby trvn (perzistence) jednotlivch situac. Ty jsou dsledkem jak nevyhnutelnch zmn v kolektivu autor (napklad nhl zkrcen perzis-tence typ ponaje rokem 1973), tak i postupnho odklonu od snah respektovat pirozen synoptick obdob, kter byly charakteristick zejmna v potench fzch katalogu (Krka 1969). Tento odklon souvis s postupnm posunem tit vyuit kalende z prognostiky ke klimatologii, nebo krat situace mohou lpe vystihnout promnlivost pol atmosfrickch promnnch. Jednotliv typy tak maj ve vsledku men rozptyl hodnot podmnnch prvk, jinmi slovy dosa-en vztah typ cirkulace a klimatu je tsnj (Rein 1959). Do urit mry se tak projevil posun od konstrukce kalende pro cel prothl zem eskoslovenska k pomrn kompaktnmu zem eska po roce 1990, by nikoli statisticky vznam-n (Kivancov, Vavruka 1997).

    Mon nehomogenity vznikl pi subjektivnm tdn dn byly diskutovny i v ppad jinch manulnch typizac; viz nap. Jones, Hulme, Briffa (1993), Ca-hynov a Huth (2007a, b, 2009b), James (2007) i Weusthoff (2011). Zd se tedy, e nehomogenity se v urit me vyskytuj ve vech manuln sestavovanch kalendch typ. Je tedy vdy poteba zvit, jestli jejich potenciln negativn dopad v konkrtnm ppad nepevauje nad jinak nespornmi vhodami tchto metod. Jednou z cest, jak nutnost takovch vah zmrnit, je snen subjektivity automatizac sti i celho klasifikanho procesu.

    3. Automatizovan cirkulan klasifikace

    S rozvojem vpoetn techniky a zlepujc se dostupnost daj o atmosfrick cirkulaci v druh polovin 20. stolet se pozvolna zlepuj podmnky pro automa-tizaci klasifikace. Zmrem prkopnickch prac nicmn nebylo nahradit ma-nuln metody, ale vytvoit postupy, kter by samy byly schopny rozpoznat asto se vyskytujc pole tlaku vzduchu a nsledn k nim piadit jednotliv ppady, jinmi slovy automaticky stratifikovat cirkulaci pro poteby pedevm klimatolo-gickch studi (Lund 1963). Akoli samotn vpoet je objektivn, vsledn podoba klasifikace je pesto urena nevyhnutelnmi subjektivnmi kroky tj. volbou me-tody a jejch parametr (Yarnal, White 1987). Stejn tak jako tomu bylo v ppad

    Typickmi projevy jsou pokles perzistence a nrst potu situac s dlkou trvn prv dva dny. Specifick problm kalende Hesse a Brezowskho je zpsoben manulnm tdnm dn

    po msnch secch, co vede ke statisticky vznamn astj zmn typu na konci msc v porovnn s prmrnou etnost zmny typu v ostatnch dnech (Cahynov, Huth 2007a).

    Oblast, kde se nehomogenity manulnch kalend projev zsadnm zpsobem, jsou ana-lzy dlouhodobch zmn cirkulace (viz napklad Kysel, Huth 2006).

  • 308geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    manulnch klasifikac, tedy plat, e veker volby v prbhu klasifikace mus bt uinny s ohledem na el prce. I sama klasifikan metoda by mla bt volena s tmto ohledem, ideln na zklad pedem proveden srovnvac studie. Kad metoda toti dl spojitou atmosfrickou cirkulaci jinm zpsobem a ne kad vsledek je schopen rozliit dostaten uspokojiv prv ty znaky cirkulace, kter jsou pro dan vzkum relevantn. Akoli na obezetnost pi volb metody i inter-pretaci vsledk bylo opakovan upozorovno (Yarnal, White 1987; Huth 1996a; Huth a kol. 2008), v mnohch ppadech vstrahy nepadaj na rodnou pdu.

    Jak ji bylo zmnno v pedchoz kapitole, kad klasifikace sestv ze dvou krok. Pedn je to vbr cirkulanch typ, tedy uritch relnch i teoretickch konstelac tlakovho pole v danm regionu; nsledn je ke kadmu z typ pia-zena vt i men st ze souboru reln se vyskytnuvch ppad. V zsad je mon automatizovat oba kroky klasifikace, v nkterch ppadech je ale douc provst vbr typ manuln.

    Pkladem postupu, kter automatizuje tdn a pitom konzervuje expertn vbr typ, jsou tzv. objektivizovan verze katalog povtrnostnch situac Lambova (Jones, Harpham, Briffa 2013) a Hesse a Brezowskho (James 2007). Vsledkem je hybridn klasifikace, kter si ponechv nkter douc vlastnosti manuln typizace zejmna vbr synopticky relevantnch a dobe interpretova-telnch typ, je nicmn vrazn mn pracn. Z dvodu nemonosti simulovat expertn rozhodovn pi tdn pouze nkolika mlo jednoduchmi algoritmy se ob verze kalend podstatn li. Napklad pvodn a Jamesem objektivizovan verze Grosswetterlagen shodn klasifikuj mn ne 40 % dn. Proto objektivizo-van verze nen mon povaovat za pln nhrady manulnch metod, ale spe za jejich rozen o monost penst je do jin geografick oblasti (Chen 2000) a na nov asov ady (James 2006); vyuity byly i pi testovn homogenity ma-nulnch katalog (James 2007; Jones, Harpham, Briffa 2013).

    Vtina automatizovanch postup ovem oba kroky provd v rmci jednoho vpotu. Za dobu 50letho uvn bylo tchto metod vyvinuto znan mnostv jejich evoluce pitom odr jak rozvoj klimatologie, matematiky a statistiky, tak i nrst vkonnosti a dostupnosti vpoetn techniky. Jakkoli nen mon obsh-nout vechny tyto metody, v zsad je mon je rozdlit do nkolika mlo skupin podle jejich koncepce.

    Prvn skupina metod, kter byla oblben zejmna v 60. a 70. letech, je zaloena na analze podobnosti vech pr dennch map zvolen promnn. Velk st

    Tj. zejmna volba potu td, oblasti a vstupnch dat (promnnch) vetn jejich asovho a prostorovho rozlien a dlky ady (Yarnal, White 1987).

    Podobnost je zjiovna vpotem prostorov korelace (Lund 1963), respektive sumy kvad-ratickch odchylek (Kirchhofer 1974) mezi vemi pry hodnot (staninch i v sti uzlovch bod).

  • klasifikace atmosfrick cirkulace309

    studi z tto doby je vnovna vhradn problematice stanoven typ, ppadn jejich elementrn klimatologii (podmnnm prmrnm dennm teplotm a srkm). Men st se vnuje tak vlivu cirkulace na prodn sfru, napklad bilanci ledovc (Yarnal 1974), a monostem vyuit cirkulanch typ ve statistic-kch pedpovdnch modelech (Paegle 1974). Podrobn pehled klasifikac tohoto druhu publikovali El-Kadi a Smithson (1992).

    Od 80. let postupn pibvaj nov motivace synopticko-klimatologickho vzkumu v podob poznn pin klimatickch extrm a tak monho vlivu narstajc koncentrace CO na klima (Cohen 1983). Stle vce se tak pi studiu cirkulace uplatuj pokroil (vcerozmrn) statistick metody, v prvn ad rzn varianty shlukov analzy (cluster analysis, CA) a analzy hlavnch sloek (principal component analysis, PCA).

    Existuje velk mnostv algoritm shlukov analzy, z nich byly v synoptick klimatologii opakovan pouity metody k-means (obr. 2), centroid, average linkage a Wardova. Huth (1996a) provedl srovnn vybranch metod shlukov analzy s ohledem na jejich schopnost definovat homogenn typy cirkulace. Existuje ada parametr, podle kterch je mon metody hodnotit a porovnvat. Mezi dleit pat konzistentnost (nakolik je vsledn podoba typ ovlivnna malmi zmnami v nastaven parametr metody) a stabilita (zmny typ pi zsahu do vstupnch dat). Zatmco dobr klasifikace by mla bt pimen stabiln i konzistentn, poadavky na dal vlastnosti se ji mohou rznit podle cle vzkumu. Jedn se napklad o poet a velikost td a jejich separabilitu (vzjemnou odlinost); za-tmco nkter algoritmy vytvej podobn velk shluky, jin spojuj vtinu map do jedn tdy blzk klimatologickmu prmru a zbyl odlehl situace klasifikuj do vtho potu nepoetnch typ (tzv. efekt snhov koule, snowballing). Druh monost me bt douc napklad pi studiu extrm.

    Samotn shlukov analze vtinou pedchz analza hlavnch sloek za elem snen potu promnnch a odstrann jejich kolinearity (Huth a kol. 2008). Ana-lza hlavnch sloek pevd soubor pvodnch asovch ad v jednotlivch bodech st na soubor jejich linernch kombinac tzv. hlavnch sloek. Ty jsou vzjemn nekorelovan a zrove plat, e nkolik prvnch sloek vysvtluje podstatnou st z celkovho rozptylu pvodnch dat. Vsledkem analzy hlavnch sloek ovem mohou bt i samotn cirkulan typy (obr. 3). Rozhodujc pro charakter vsledku analzy je pitom uspodn matice vstupnch dat. K redukci dat a odstrann kolinearity promnnch se uv analzy hlavnch sloek v tzv. s-mdu. V tomto ppad je datov matice uspodna tak, e sloupce odpovdaj jednotlivm uzlo-vm bodm st (ppadn stanicm) a v dcch jsou asov realizace (tj. vtinou

    Nap. obdob sucha v Sahelu, zpadn Evrop a severn Americe na konci edestch a v 70. letech.

    Nap. do st uzlovch bod, v n jsou data definovna, i zmny dlky asov ady.

  • 310geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    denn prmry) vstupn promnn. Uspodn inverzn tzv. t-md umouje vidt jednotliv typy cirkulace zobrazenm skre hlavnch sloek do mapy; vhy naopak udvaj, nakolik se pslun pole cirkulan promnn podob jednotli-vm typm (Huth 1996b, 2000; Compagnucci, Richman 2008). Vhodou analzy hlavnch sloek v t-mdu je oproti jinm klasifikanm metodm jej schopnost odhalit takov shluky dat, kter maj skuten fyzikln zklad (Huth 1996a).

    Tj. asov realizace povaujeme za promnn (uspodan ve sloupcch) a hodnoty v uzlovch bodech st za jejich realizace (uspodan po dcch).

    Aby bylo tohoto dosaeno, je nicmn nutn primrn vypoten hlavn sloky podrobit tzv. rotaci, tedy pozmnit jejich smr v pvodnm multidimenzionlnm datovm prostoru tak, aby lpe popisovaly relnou strukturu dat. Tento krok se nicmn neobejde bez ztrty schop-nosti sloek maximalizovat vysvtlen rozptyl, i dokonce ztrty jejich vzjemn nezvislosti (Richman 1986, Huth 1996b).

    980 985 1000990 995 1005 1010 1015 1020 1025 1030 (hPa)

    Obr. 2 Klasifikace atmosfrick cirkulace do 27 td pomoc metody k-means (KMN27). Zobrazeny jsou 4 typy s nejvy relativn etnost (viz lev doln roh panel) v zimch 19612000. Metoda m tendenci vytvet srovnateln velk shluky a jednotliv tdy se prakticky vbec neshoduj s Brd-kovmi typy (viz obr. 4). Poet typ byl zvolen shodn s Brdkovou typizac (jeden brdkovsk typ se v zim nevyskytuje).

  • klasifikace atmosfrick cirkulace311

    V poslednch letech se dky narstajcmu vpoetnmu vkonu stle vce uplat-uj i nov metody, kter se velmi nronmi vpoty sna eliminovat nkter slabiny metod tradinch. Jedn se zejmna o nkter optimalizovan metody shlukov analzy (simulovan hn a SANDRA) a tzv. self-organizing maps (dle mapy SOM). Pomrn mlo rozenm pstupem ke klasifikaci jsou tzv. fuzzy metody, kter umouj soubnou klasifikaci map do vce td zrove; viz prce Brdossyho, Stehlka, Casparyho a kol. (2002) a Stehlka (2002). Tento pstup se sice zd bt vhodn k popisu cirkulace, kter nen jasn diferencovna do roz-dlnch stav, vsledek ovem postrd snadnou interpretovatelnost, co je jeho podstatnm nedostatkem (Huth a kol. 2008).

    Simulovan hn (simulated annealing) je optimalizovanou verz metody k-means. Nevyhnutelnm krokem k-means je inicializace vbrem uritho potu vchozch bod (tzv. seed points, nap. dennch map pole tlaku vzduchu

    980 985 1000990 995 1005 1010 1015 1020 1025 1030 (hPa)

    Obr. 3 Klasifikace atmosfrick cirkulace do 27 td pomoc metody hlavnch sloek v t-mdu a se ikmou rotac sloek (PCT27). Zobrazeny jsou 4 typy s nejvy relativn etnost (viz lev doln roh panel) v zimch 19612000. Variabilita etnosti jednotlivch typ (0,416,1 %) se bl Brdkovm typm. Ve srovnn s KMN27 je mrn lep i vzjemn shoda td (viz obr. 4); nicmn schopnost rozliit mezi podobnmi typy je patn napklad Brdkovy typy zpadn cyklonln (Wc; obr. 2) a severozpadn cyklonln (NWc; nezobrazeno) jsou klasifikovny rovnomrn do CT3 a CT4.

  • 312geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    pepotenho na hladinu moe). Slabinou tto metody je jej tendence konvergovat k nktermu z mnoha tzv. loklnch optim nejlepmu monmu roztdn dat pi danm vbru vchozch bod. Takov een pitom bv vrazn hor ne optimum globln, kter ovem nen mono najt jinak ne opakovnm vpotu ze vech monch variant vchozho nastaven, co je nereln. V prbhu simu-lovanho hn nen pesun objekt mezi tdami uren zvolenou mrou kvality danho een, jako tomu je u k-means, ale dje se libovoln s pravdpodobnost pmo mrnou kvalit novho een a nepmo mrnou potu probhlch itera-c. Tento postup tedy doasnm zhorenm prbnch een umouje vyhnout se patnm eenm konenm. Speciln, vpoetn extrmn nronou verz je tzv. SANDRA (simulated annealing and diversified randomization), kter postup simulovanho hn mnohokrt opakuje, m se dle zvyuje pravdpodobnost dosaen globlnho optima (Philipp a kol. 2007; obr. 4).

    Mapy SOM jsou algoritmem neuronovch st navrenm Kohonenem (1989) a v synoptick klimatologii jsou nejbnji uvanou metodou tohoto druhu. Jejm clem je proloen datovho prostoru uritm pedem zvolenm potem tzv. nod (je v ppad klasifikac cirkulace pedstavuj jednotliv cirkulan typy) tak, aby tyto dobe reprezentovaly dl sti datovho prostoru. Nody lze inicializovat n-hodn z mnoiny objekt (tj. jednotlivch pol cirkulace); vechny objekty se pot postupn (a v mnoha iteracch) porovnvaj se vemi nody, jejich pozice se v kad

    Obr. 4 Vzjemn shoda Brdkovch typ (BRA) s typy defino-vanmi metodami k-means (KMN, viz obr. 2) a hlavnch sloek (PCT, viz obr. 3). Uvedeno sedm nejpoetnjch Brdkovch typ v zimch 19612000: severozpadn cyklonln (NWc), zpadn cyklonln (Wc), brzda nzkho tlaku nad stedn Evropou (B), anticyklona nad stedn Evropou (A), vchodn anticyklonln (Ea), jihozpadn cyklonln s frontou postupu-jc SV a V smrem (SWc) a severn cyklonln (Nc). Pro KMN a PCT zobrazeny pouze ty typy, ke kterm je klasifikovno alespo 15 % ze dn nlecch alespo jednomu ze zde uve-dench BRA. Typ ry je mrou shody: peruovan shodn klasifikovno 1520 % dn, neperuovan slab 2030 % dn, neperuovan siln pes 30 % dn. Pod indexem uve-dena relativn etnost (%) typu v pslunm katalogu. V tomto ppad povaujeme BRA za referenn; srovnn je ale mo-n provst z pohledu jakkoliv jin klasifikace. Schopnost automatizovanho postupu reprodukovat reln se vyskytujc typy cirkulace je povaovna za jednu z doucch vlastnost metody; ovit tuto schopnost je mon prv porovnnm s expertn stanovenm katalogem.

  • klasifikace atmosfrick cirkulace313

    iteraci mn smrem k danmu objektu. Velikost tto zmny je pitom nepmo mrn relativn vzdlenosti nodu a objektu nody tak maj tendenci hromadit se v oblastech fzovho prostoru s vysokou datovou hustotou. Samotn klasifikace nsledn probh jednodue piazenm objekt k nejblimu (nejpodobnjmu) nodu. Podstatnou vhodou metody je monost vizualizace nod v uzlech 2D st mapy (pro odlien od jednotlivch map pedstavujcch cirkulan pole nebo cirkulan typy by bylo mon vhodn hovoit o meta-map viz obr. 5). Rela-tivn poloha nod v sti pitom reflektuje jejich vzjemnou podobnost nejvce nepodobn typy jsou umstny v protilehlch rozch. Mru nepodobnosti je mon vizualizovat pomoc tzv. Sammonova mapovn (obr. 6), de facto schmatu te st, ovem zdeformovan tak, e vzdlenosti mezi vemi pry nod jsou pmo mrn jejich nepodobnosti (Hewitson, Crane 2002).

    Ve stejn map lze ovem (vedle pol pvodn promnn) pro jednotliv nody zobrazit i adu dalch parametr jako etnost a perzistenci typ (a jejich trendy), klimatologii typem podmnnch prvk, pravdpodobnost pechod mezi typy i vskytu extrm (Hewitson, Crane 2002; Sheridan, Lee 2011). Dky svm vhodm se mapy SOM t v posledn dob znan oblib, ovem vlastnosti takto zskanch cirkulanch typ dosud nebyly porovnny s vsledky dosaenmi tradinmi metodami (Huth a kol 2008). Obdobn prozatm nebylo provedeno porovnn

    980 985 1000990 995 1005 1010 1015 1020 1025 1030 (hPa)

    Obr. 5 Mapa SOM cirkulanch typ nad Evropou. zem a data jako na obr. 2 a 3.

  • 314geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    vsledk zskanch pi velkm potu rznch nastaven parametr tto metody (Sheridan, Lee 2011).

    4. Vyuit cirkulanch klasifikac pi modelovn klimatu

    Vznamnou motivac klimatologickho vzkumu je nalezen pin promnlivosti a trend klimatu. Jednou z monch pin asovch zmn klimatickch prvk jsou pitom dlouhodob zmny cirkulace nebo zmny vztah mezi cirkulac a pzemnmi prvky. Kvalitativn skok tohoto studia umonilo sestaven nkolika dlouhch ad pole tlaku vzduchu pepotenho na hladinu moe. Z vsledk je mj. zejm, e vztah cirkulace a klimatickch prvk je znan nestacionrn, vzjemn korelace se pitom mn nejen co do velikosti, ale i znamnka (Jacobeit a kol. 2003; Beck, Jacobeit, Jones 2007; Philipp a kol. 2007; Cahynov, Huth 2014). Cirkulan klasifikace sehrly v tomto vzkumu znanou roli. Nemn vznamn se jev i jejich potencil pi studiu cirkulace v neustle se mnocch vstupech klimatickch model.

    Schopnost model klimatu simulovat relnou cirkulaci je minimln stejn tak dleit jako schopnost simulovat termodynamick a vlhkostn parametry atmosfry, alespo v oblastech se silnou vazbou poas a klimatu na atmosfric-kou cirkulaci. Zde bude mt klimatick zmna nejen podobu jaksi systematick

    V atlanticko-evropsk oblasti se jedn napklad o rekonstrukce dennch hodnot pro obdob 18502003 (Ansell a kol. 2006).

    I, II, XII 19612000 tmes < 5 C tmes > +2 C

    Obr. 6 Sammonova mapa pro mapu SOM z obrzku 5. Zobrazena je relativn etnost dn klasifiko-vanch k pslunm uzlm pro: vechny zimn msce 19612000 (vlevo), jen msce s prmrnou zemn teplotou v esku ni ne 5 C (uprosted), resp. vy ne +2 C (vpravo). Zdroj daj o teplot: HM (2015).

  • klasifikace atmosfrick cirkulace315

    zmny v hodnotch teplot a srek, ale projev se tak zmnami vlastnost cirku-lace ( McKendry, Steyn, McBean 1995; Plavcov, Kysel 2011). Zjitn odchylky cirkulace v simulacch model pro souasn klima od skutenosti (vtinou re-prezentovan reanalzou) znamenaj nespolehlivost projekc vvoje cirkulanch typ v budoucnosti. To je obzvl vznamn v ppad typ, na kter jsou vzny vznan jevy (McKendry, Stahl, Moore 2006).

    Akoli prvn prce zamen na studium cirkulace ve vstupech model kli-matu byly publikovny ji v samotnch potcch klimatickho modelovn, jejich rozvoj spad a do doby nedvn. Mezi nejastji analyzovan parametry pat etnost a perzistence cirkulanch typ. Jak bylo ovem opakovan ukzno (Beck, Jacobeit, Jones 2007; Cahynov, Huth 2009a, 2010, 2014; Plavcov, Kysel 2013), kolsn etnosti typ se na celkov promnlivosti klimatickch prvk podl men-m dlem; nemn vznamn jsou i dal vlastnosti typ jako poloha a intenzita tlakovch tvar, zakiven izobar i drhy cyklon.

    Stejn jako v jinch oblastech synopticko-klimatologickho vzkumu, i analzy model klimatu bvaj zaloeny na jedn, nejve dvou klasifikanch metodch (Crane, Barry 1988; McKendry, Steyn, McBean 1995; McKendry, Stahl, Moore 2006; Anagnostopoulou, Tolika, Maheras 2009; Demuzere a kol. 2009; Pastor, Casado 2012; Plavcov, Kysel 2012, 2013; Belleflamme, Fettweis, Erpicum 2014). Vjimkou je v tomto ohledu prce Landgrena, Skaugena, Haugena (2013), kte analyzovali ensemble regionlnch klimatickch model souasn nkolika kla-sifikanmi metodami. Dky tomu se podailo identifikovat nkter modely, kter nejsou schopn sprvn simulovat cirkulaci napklad jej ron chod, co se od-razilo mj. v odchylkch v prostorov promnlivosti srkovch hrn. Jednalo se o prvn prci tohoto druhu erpajc z vsledk mezinrodnho projektu COST733 Harmonisation and Applications of Weather Type Classifications for European regions (Philipp a kol. 2010), v jejm rmci byla vytvoena rozshl databze klasifika-nch metod a tak publikovna ada prac porovnvajcch metody s ohledem na rzn aplikace v synoptick klimatologii. Voln dostupn software (COST 733 Wiki 2014), umoujc provdt klasifikace a vzjemn je porovnvat, je tak dostup-nm eenm, jak zvolit pro konkrtn cl vzkumu tu nejvhodnj klasifikan metodu (Philipp a kol. 2014).

    5. Zvr

    Klasifikovn atmosfrick cirkulace bylo, je a jist nadle i bude velmi oblbe-nou metodou vzkumu rznch obor vd o atmosfe (v souasnosti pedevm

    Podrobnj pehled tto tematiky je mon nalzt v prci Sheridan, Lee (2010).

  • 316geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    synoptick klimatologie). Akoli bylo v poslednch letech publikovno nkolik pehledovch lnk, kter se tomuto tmatu v rznm rozsahu vnovaly, v esk odborn literatue prozatm podobn pehled chybl. Clem tohoto lnku bylo zacelit tuto mezeru. Vzhledem k i problematiky bylo nicmn nutn se zamit na vybran aspekty klasifikac prostor byl dn pednostn vytvoen pehledu prac, kde byly cirkulan klasifikace vyuity za elem poznn rznch aspekt klimatu eska (resp. eskoslovenska) a dle diskuzi silnch a slabch strnek nejoblbenjch metod. Vzhledem k siln tradici manulnch katalog synop-tickch typ v esku byl i zde dn tto skupin metod prostor relativn vrazn vt, ne je v podobnch pracch obvykl. To ovem nic nemn na skutenosti, e tv v tv novm vzvm klimatologie a ruku v ruce s novmi vpoetnmi a datovmi monostmi vznam automatizovanch metod narst a prv jim zcela jist bude patit budoucnost.

    Literatura

    ANAGNOSTOPOULOU, C., TOLIKA, K., MAHERAS, P. (2009): Classification of circulation types: a new flexible automated approach applicable to NCEP and GCM datasets. Theoretical and Applied Climatology, 96, 12, 315.

    ANSELL, T. J. a kol. (2006): Daily mean sea level pressure reconstructions for the EuropeanNorth Atlantic region for the period 18502003. Journal of Climate, 19, 12, 27172742.

    BARDOSSY, A., STEHLK, J., CASPARY, H.-J. (2002): Automated objective classification of daily circulation patterns for precipitation and temperature downscaling based on optimized fuzzy rules. Climate Research, 23, 1, 1122.

    BARRY, R. G., PERRY, A. H. (1973): Synoptic climatology. Methods and applications. Methuen, London.

    BECK, C., JACOBEIT, J., JONES, P. D. (2007): Frequency and within-type variations of large-scale circulation types and their effects on low-frequency climate variability in central Europe since 1780. International Journal of Climatology, 27, 4, 473491.

    BELLEFLAMME, A., FETTWEIS, X., ERPICUM, M. (2014): Do global warming-induced circula-tion pattern changes affect temperature and precipitation over Europe during summer? International Journal of Climatology, DOI: 10.1002/joc.4070.

    BERANOVA, R., HUTH, R. (2005): Long-term changes in the heat island of Prague under differ-ent synoptic conditions. Theoretical and Applied Climatology, 82, 12, 113118.

    BLENDER, R., FRAEDRICH, K., LUNKEIT, F. (1997): Identification of cyclone-track regimes in the North Atlantic. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 123, 539, 727741.

    BOWER, D., MCGREGOR, G. R., HANNAH, D. M, SHERIDAN, S. C. (2007): Development of a spa-tial synoptic classification scheme for western Europe. International Journal of Climatology, 27, 15, 20172040.

    BRADKA, J. (1968): Typisace v meteorologii. Meteorologick zprvy, 21, 4, 122125.BRADKA, J., DEVIKOVSK, A., GREGOR, Z., KOLESAR, J. (1961): Poas na zem ech a Moravy

    v typickch povtrnostnch situacch. Hydrometeorologick stav, Praha.BRAZDIL, R., BUDKOVA, M., FAKO, P., LAPIN, M. (1995): Fluctuations of maximum and minimum

    air temperatures in the Czech and the Slovak Republics. Atmospheric Research, 37, 13, 5365.

  • klasifikace atmosfrick cirkulace317

    BRAZDIL, R., CHROMA, K., DOBROVOLN, P., TOLASZ, R. (2009a): Climate fluctuations in the Czech Republic during the period 19612005. International Journal of Climatology, 29, 2, 223242.

    BRAZDIL, R., TEKL, J. (1986): Cirkulan procesy a atmosfrick srky v SSR. Univerzita J. E. Purkyn, Brno.

    BRAZDIL, R., TRNKA, M., DOBROVOLN, P., CHROMA, K., HLAVINKA, P., ALUD, Z. (2009b): Variability of droughts in the Czech Republic, 18812006. Theoretical and Applied Climatol-ogy, 97, 34, 297315.

    BREK, V. (1982): Dlouhodob kolsn teploty, srek a cirkulace ve stedn Evrop. Meteo-rologick zprvy, 35, 5, 136140.

    BREK, V. (1986): Kolsn cirkulace ve vztahu ke slunenmu svitu a monosti jejich dlouho-dob pedpovdi. Meteorologick zprvy, 39, 3, 7680.

    BREK, V. (1987): Prbh srek ve vztahu k cirkulaci. Meteorologick zprvy, 40, 1, 2025.CAHYNOVA, M., HUTH, R. (2007a): Short note on inhomogeneities in the Hess-Brezowsky

    catalogue of circulation types. Meteorologick asopis, 10, 3, 171174.CAHYNOVA, M., HUTH, R. (2007b): Trendy v kalendi povtrnostnch situac HM/HM

    v obdob 19462002. Meteorologick zprvy, 60, 6, 175182.CAHYNOVA, M., HUTH, R. (2009a): Changes of atmospheric circulation in central Europe and

    their influence on climatic trends in the Czech Republic. Theoretical and Applied Climatology, 96, 12, 5768.

    CAHYNOVA, M., HUTH, R. (2009b): Enhanced lifetime of atmospheric circulation types over Europe: fact or fiction? Tellus, 61A, 407416.

    CAHYNOVA, M., HUTH, R. (2010): Circulation vs. climatic changes over the Czech Republic: A comprehensive study based on the COST733 database of atmospheric circulation classifica-tions. Physics and Chemistry of the Earth, 35, 912, 422428.

    CAHYNOVA, M., HUTH, R. (2014): Atmospheric circulation influence on climatic trends in Eu-rope: an analysis of circulation type classifications from the COST733 catalogue. International Journal of Climatology, DOI: 10.1002/joc.4003.

    COHEN, S. J. (1983): Classification of 500 mb height anomalies using obliquely rotated principal components. Journal of Climate and Applied Meteorology, 22, 12, 19751988.

    COMPAGNUCCI, R. H., RICHMAN, M. B. (2008): Can principal component analysis provide atmospheric circulation or teleconnection patterns? International Journal of Climatology, 28, 6, 703726.

    COMPO, G. P. a kol. (2011): The Twentieth century reanalysis project. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137, 654, 128.

    CRANE, R. G., BARRY, R. G. (1988): Comparison of the MSL synoptic pressure patterns of the Arctic as observed and simulated by the GISS general circulation model. Meteorology and Atmospheric Physics, 39, 34, 169183.

    EKAL, R. (2007): Analza atmosfrickch pin povodn na pkladu povod horn Ohe. In: Langhammer, J. (ed.): Povodn a zmny v krajin. Prodovdeck fakulta Univerzity Karlovy v Praze, Ministerstvo ivotnho prosted R, Praha, 111122.

    DAVIS, R. E., ROSSIER, C. E., ENFIELD, K. B. (2012): The impact of weather on influenza and pneumonia mortality in New York City, 19752002: a retrospective study. PLOS ONE, 7, doi:10.1371/journal.pone.0034091.

    DEJMAL, K., EZAOVA, D. (1997): Regresn model pro pedpov bouek. Vliv rozdlen po-dle synoptick situace na pesnost kategorick pedpovdi. Meteorologick zprvy, 50, 4, 120126.

  • 318geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    DEMUZERE, M., WERNER, M., VAN LIPZIG, N., ROECKNER, E. (2009): An analysis of present and future ECHAM5 pressure fields using a classification of circulation patterns. Interna-tional Journal of Climatology, 29, 12, 17961810.

    DROBEK, P., OPKO, F. (2013): Aplikace hodnocen spnosti meteorologickch pedpovd v souasnm provozu pedpovdn sluby HM. Meteorologick zprvy, 66, 2, 5660.

    FIAK, J. (1999): Obdob s krtkm a dlouhm slunenm svitem na Mileovce (19461995). Meteorologick zprvy, 52, 1, 1725.

    EL-KADI, A. K. A., SMITHSON, P. A. (1992): Atmospheric classifications and synoptic climatology. Progress in Physical Geography, 16, 4, 432455.

    FRAKES, B., YARNAL, B. (1997): A procedure for blending manual and correlation-based synoptic classification. International Journal of Climatology, 17, 13, 13811396.

    HANSLIAN, D., BRAZDIL, R., TEKL, J., KAKOS, V. (2000): Vliv cyklon stedomoskho pvodu na vysok denn hrny srek na Mileovce a Lys hoe v obdob 19611995. Meteorologick zprvy, 53, 2, 3341.

    HESS, P., BREZOWSKY, H. (1952): Katalog der Grosswetterlagen Europas. Berichte des Deutschen Wetterdienstes in der US-Zone, . 33. Deutscher Wetterdienst, Offenbach am Main.

    HEWITSON, B. C., CRANE, R. G. (2002): Self-organizing maps: applications to synoptic climatol-ogy. Climate Research, 22, 1, 1326.

    HM (1972): Katalog povtrnostnch situac pro zem SSR. Hydrometeorologick stav, Praha.HUTH, R. (1996a): An intercomparison of computer-assisted circulation classification methods.

    International Journal of Climatology, 16, 8, 893922.HUTH, R. (1996b): Properties of the circulation classification scheme based on the rotated prin-

    cipal component analysis. Meteorology and Atmospheric Physics, 59, 34, 217233.HUTH, R. (2000): A circulation classification scheme applicable in GCM studies. Theoretical

    and Applied Climatology, 67, 12, 118.HUTH, R., BECK, C., PHILIPP, A., DEMUZERE, M., USTRNUL, Z., CAHYNOVA, M., KYSEL, J.,

    TVEITO, O. E. (2008): Classifications of atmospheric circulation patterns: recent advances and applications. Annals of the New York Academy of Sciences, 1146, 1, 105152.

    HUTH, R., POKORNA, L. (2004): Trendy jedencti klimatickch prvk v obdob 19611998 v esk republice. Meteorologick zprvy, 57, 6, 168178.

    HUTH, R., POKORNA, L. (2005): Simultaneous analysis of climatic trends in multiple vari-ables: an example of application of multivariate statistical methods. International Journal of Climatology, 25, 4, 469484.

    CHEN, D. (2000): A monthly circulation climatology for Sweden and its application to a winter temperature case study. International Journal of Climatology, 20, 10, 10671076.

    CHLADOVA, Z., KALVOVA, J. (2005): Zmny vybranch klimatickch charakteristik v esk republice v obdob 19612000. Meteorologick zprvy, 58, 5, 146153.

    IKO, J. (1982): Zmeny extrmnych dennch teplot v Bratislave v priebehu rznych synoptickych procesov. Meteorologick zprvy, 35, 2, 4245.

    JACOBEIT, J., WANNER, H., LUTERBACHER, J., BECK, C., PHILIPP, A., STURM, K. (2003): Atmo-spheric circulation variability in the North-Atlantic-European area since the mid-seventeenth century. Climate Dynamics, 20, 4, 341352.

    JAMES, P. M. (2006): An assessment of European synoptic variability in Hadley Centre Global Environmental models based on an objective classification of weather regimes. Climate Dynamics, 27, 23, 215231.

    JAMES, P. M. (2007): An objective classification method for Hess and Brezowsky Grosswet-terlagen over Europe. Theoretical and Applied Climatology, 88, 12, 1742.

  • klasifikace atmosfrick cirkulace319

    JONES, G. V., DAVIS, R. E. (2000): Using a synoptic climatological approach to understand climate-viticulture relationship. International Journal of Climatology, 20, 8, 813837.

    JONES, P. D., HARPHAM, C., BRIFFA, K. R. (2013): Lamb weather types derived from reanalysis products. International Journal of Climatology, 33, 5, 11291139.

    JONES, P. D., HULME, M., BRIFFA, K. R. (1993): A comparison of Lamb circulation types with an objective classification scheme. International Journal of Climatology, 13, 6, 655663.

    KAUFMANN, P., WEBER, R. O. (1996): Classification of mesoscale wind fields in the MISTRAL field experiment. Journal of Applied Meteorology, 35, 11, 19631979.

    KIRCHHOFER, W. (1974): Classification of European 500 mb patterns. Arbeitsbericht der Schwei-zerischen Meteorologischen Zentralanstalt, 43, Zrich.

    KNOZOVA, G., HORA, P. (2010): Vyhodnocen meteorologickch podmnek doprovzejcch smogov epizody v esk republice. Meteorologick zprvy, 63, 1, 2128.

    KOHONEN, T. (1989): Self-organization and associative memory. Springer-Verlag, Berlin.KRKA, K. (1969): Jet nkolik poznmek k eskoslovenskm typizacm povtrnostnch situac.

    Meteorologick zprvy, 22, 2, 3538.KIVANCOVA, S., VAVRUKA, F. (1997): Zkladn meteorologick prvky v jednotlivch povtr-

    nostnch situacch na zem esk republiky v obdob 19611990. esk hydrometeorologick stav, Praha.

    KVTO, V., AK, M. (2011): Vliv stedomoskch tlakovch n na kalamitn snen v esk republice. Meteorologick zprvy, 64, 5, 129136.

    KYSEL, J. (2002): Temporal fluctuations in heat waves at Prague-Klementinum, the Czech Republic, from 190197, and their relationships to atmospheric circulation. International Journal of Climatology, 22, 1, 3350.

    KYSEL, J., HUTH, R. (2004): Heat-related mortality in the Czech Republic examined through synoptic and traditional approaches. Climate Research, 25, 3, 265274.

    KYSEL, J., HUTH, R. (2006): Changes in atmospheric circulation over Europe detected by objec-tive and subjective methods. Theoretical and Applied Climatology, 85, 12, 1936.

    KYSEL, J., KAKOS, V., HOLASKOVA, O. (2008): Dlouhodob zmny etnosti povodn na Vltav v Praze a na Labi v Dn ve vztahu k atmosfrick cirkulaci a vznamnm srkm. Me-teorologick zprvy, 61, 1, 513.

    KYSEL, J., KALVOVA, J. (1998): Hork vlny na Jin Morav v letech 19611990. Meteorologick zprvy, 51, 3, 6572.

    LAMB, H. H. (1972): British Isles weather types and register of daily sequence of circulation patterns, 18611971. Geophysical Memoir, . 116. Her Majestys Stationery Office, London.

    LANDGREN, O. A., SKAUGEN, T. E., HAUGEN, J. E. (2013): Evaluation of circulation patterns over Scandinavia from ENSEMBLES regional climate models. Report paper of the Nor-wegian Meteorological Institute, . 4. Norwegian Meteorological Institute, Oslo, Norway, nestr.

    LUND, I. A. (1963): Map-pattern classification by statistical methods. Journal of applied meteorol-ogy, 2, 1, 5665.

    MAKRA, L., MIKA, J., BARTZOKAS, A., BECZI, R., SMEGHY, Z. (2009): Comparison of objec-tive air-mass types and the Pczely weather types and their ability to classify levels of air pollutants in Szeged, Hungary. International Journal of Environment and Pollution, 36, 13, 8198.

    MAKRA, L., MIKA, J., BARTZOKAS, A., BECZI, R., BORSOS, E. SMEGHY, Z. (2006): An objective classification system of air mass types for Szeged, Hungary with special interest to the levels of the main air pollutants. Meteorology and Atmospheric Physics, 92, 12, 115137.

  • 320geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    MCKENDRY, I. G., STEYN, D. G., MCBEAN, G. (1995): Validation of synoptic circulation pat-terns simulated by the Canadian climate centre general circulation model for western North America. Atmosphere-Ocean, 33, 4, 809825.

    MCKENDRY, I. G., STAHL, K., MOORE, R. D. (2006): Synoptic sea-level pressure patterns gen-erated by a general circulation model: comparison with types derived from NCEP/NCAR re-analysis and implications for downscaling. International Journal of Climatology, 26, 12, 17271736.

    MINA, J., KVARENINA, J. (1995): Vskyt a charakteristika hmiel na Slovensku v obdob 19711989. Meteorologick zprvy, 48, 5, 133139.

    OBREGON, M. A., SERRANO, A., CANCILLO, M. L., GARCA, J. A. (2011): Classification of air masses arriving at Cceres (Spain) and its relationship with their aerosol load. Proceedings of the Global Conference on Global Warming 2011. Lisbon, Portugal, 18.

    PAEGLE, J. N. (1974): Prediction of precipitation probability based on 500-mb flow types. Journal of Applied Meteorology, 13, 2, 213220.

    PASTOR, M. A., CASADO, M. J. (2012): Use of circulation types classifications to evaluate AR4 climate models over the Euro-Atlantic region. Climate Dynamics, 39, 78, 20592077.

    PHILIPP, A., BARTHOLY, J., BECK, C., ERPICUM, M., ESTEBAN, P., FETTWEIS, X., HUTH, R., JAMES, P., JOURDAIN, S., KREIENKAMP, F., KRENNERT, T., LYKOUDIS, S., MICHALIDES, S., PIANKO, K., POST, P., RASILLA ALVAREZ, D., SCHIEMANN, R., SPEKAT, A., TYMVIOS, F. S. (2010): COST733cat A database of weather and circulation type classifications. Physics and Chemistry of the Earth, 35, 912, 360373.

    PHILIPP, A., BECK, C., HUTH, R., JACOBEIT, J. (2014): Development and comparison of circula-tion type classifications using the COST 733 dataset and software. International Journal of Climatology, DOI: 10.1002/joc.3920.

    PHILIPP, A., DELLA-MARTA, P. M., JACOBEIT, J., FEREDAY D. R., JONES, P. D., MOBERG, A., WAN-NER, H. (2007): Long-term variability of daily North AtlanticEuropean pressure patterns since 1850 classified by simulated annealing clustering. Journal of Climate, 20, 16, 40654095.

    PLAVCOVA, E., KYSEL, J. (2011): Evaluation of daily temperatures in Central Europe and their links to large-scale circulation in an ensemble of regional climate models. Tellus 63A, 4, 763781.

    PLAVCOVA, E., KYSEL, J. (2012): Atmospheric circulation in regional climate models over Central Europe: links to surface air temperature and the influence of driving data. Climate Dynamics, 39, 78, 16811695.

    PLAVCOVA, E., KYSEL, J. (2013): Projected evolution of circulation types and their tempera-tures over Central Europe in climate models. Theoretical and Applied Climatology, 114, 34, 625634.

    REIN, F. (1959): Typizace poas podle zsad dynamick klimatologie. Hydrometeorologick stav, Brno.

    RICHMAN, M. B. (1986): Rotation of principal components. Journal of Climatology, 6, 3, 293335.SANDEV, M., EDIVKA, J. (2002): Porovnn zim 19892001 s normlem 19611990 v esk

    republice. Meteorologick zprvy, 55, 5, 129135.SCHWARTZ, M. D. (1996): An air mass-based approach to regional GCM validation. Climate

    Research, 6, 3, 227235.SHERIDAN, S. C., LEE, C. C. (2010): Synoptic climatology and the general circulation model.

    Progress in Physical Geography, 34, 1, 101109.SHERIDAN, S. C., LEE, C. C. (2011): The self-organizing map in synoptic climatological research.

    Progress in Physical Geography, 35, 1, 109119.

  • klasifikace atmosfrick cirkulace321

    SLAB, S. (1989): etnosti povtrnostnch situac na zem SSR. Meteorologick zprvy, 42, 3, 6972.

    STAR, J. (1989): Rozbor vskytu povtrnostnch situac a poas s nimi spojenho. Sbornk prac HM, Sv. 35. Hydrometeorologick stav, Praha.

    STEHLK, J. (2002): Objektivn klasifikace cirkulanch typ pro zem esk republiky. Meteo-rologick zprvy, 55, 2, 4049.

    ALEK, M., RADA, J., KRAL, D. (2006): Vliv automatizace a informanch technologi na meteo-rologickou pedpovdn praxi. Meteorologick zprvy, 59, 6, 172182.

    IMEK, M. (2000): Vtrn pomry letit Brno-Tuany a jejich vliv na letov provoz. Meteoro-logick zprvy, 53, 1, 1622.

    TOLASZ, R. a kol. (2007): Atlas podneb eska 19612000. esk hydrometeorologick stav, Univerzita Palackho v Olomouci, Praha, Olomouc.

    VRAC, M., HAYHOE, K., STEIN, M. (2007): Identification and intermodel comparison of seasonal circulation patterns over North America. International Journal of Climatology, 27, 5, 603620.

    WEUSTHOFF, T. (2011): Weather type classification at MeteoSwiss Introduction of new au-tomatic classifications schemes. Arbeitsberichte der MeteoSchweiz, . 235. MeteoSchweiz, Zrich.

    YARNAL, B. (1974): Relationships between synoptic-scale atmospheric circulation and glacier mass balance in South-Western Canada during the International Hydrological Decade, 196574. Journal of Glaciology, 30, 105, 188198.

    YARNAL, B., WHITE, D. A. (1987): Subjectivity in a computer-assisted synoptic climatology I: Classification results. Journal of Climatology, 7, 2, 119128.

    MUDZKA, E. (2013): The influence of circulation patterns on extreme thermal resources in the growing season and the period of active plant growth in Poland (19512006). Meteorologische Zeitschrift, 22, 5, 541549.

    Zdroje dat a SWCOST 733 WIKI (2014): Harmonisation and applications of weather type classifications for

    European regions, http://cost733.geo.uni-augsburg.de (1. 12. 2014).HM (2014): Typizace povtrnostnch situac pro zem esk republiky, http://www.chmi.

    cz/portal/dt?menu=JSPTabContainer/P4_Historicka_data/P4_1_Pocasi/P4_1_12_Typizace_situaciP4_1_12_Typizace_situaci (2. 6. 2014).

    HM (2015): zemn teploty, http://portal.chmi.cz/portal/dt?menu=JSPTabContainer/P4_His-toricka_data/P4_1_Pocasi/P4_1_4_Uzemni_teploty (12 .2. 2015).

    ESRL (2015): 20th Century Reanalysis (v2), http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.20thC_ReanV2.html (10. 2. 2015).

    HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (2015): NNRC Programs, SOM_PAK software pack-age, http://www.cis.hut.fi/research/som-research/nnrc-programs.shtml (1. 2. 2015).

    summary

    Classifications of atmospheric circulation

    General circulation is one of the main climatic factors. There is a relatively close relationship between large-scale atmospheric motions and local weather and climate. Weather forecasts

  • 322geografie 121/2 (2016)/j. stryhal, r. huth

    used to be based on this relationship prior to the progress of computers and the development of numerical prediction methods. Over the last several decades, however, research into the ways the local/regional climate is driven by the large-scale atmospheric circulation has expanded.

    Atmospheric circulation varies considerably both in time and space. Consequently, a rela-tively small number of distinct states (patterns) are usually applied to simplify it. The most com-mon tool for acquiring this kind of simplification consists in classifying atmospheric circulation patterns, resulting in a small number of circulation types.

    The field of circulation classifications is quite wide. In this paper, we present an overview of synoptic climatological studies related to Czechia, and within it, a discussion of the most often used methods. To our knowledge, despite the popularity of circulation classifications in Czechia, such an overview has not been published yet.

    Two groups of classification methods are usually distinguished in literature: manual (subjective) and automated (objective). In Czechia, two manual catalogues have been widely used Brdkas and Hess-Brezowskys to study the synoptic forcing of various climatic and environmental elements and phenomena. However, some intrinsic drawbacks prevent manual methods from being used in some cases. Subjectivity of the classification process may also lead to inhomogeneities. One way to avoid the deficiencies of manual methods is classification automation.

    Since the 1960s, many automated methods have been used, among the most prominent being algorithms of cluster and principal component analyses and neural networks. The main draw-back of automated methods is related to the fact that atmospheric circulation lacks clear inner structures. As a result, every method tends to produce the results bearing little resemblance to those obtained by most other methods, and finding the optimum one for a certain purpose requires a broad comparison of methods. To assist the method of selection, a tool for creating and comparing circulation classifications was created (COST 733 Wiki 2014).

    Since automated classifications are much less laborious than manual methods, many studies have been published covering a wide range of research topics and geographical regions; one of the fastest growing fields has been the application of circulation types in analyses of climate model outputs.

    Fig. 1 The most frequent types in the Brdkas catalogue (19612000, DJF) and their rela-tive frequency. Grey fields denote areas of low air pressure. For type description see Figure 4.

    Fig. 2 Classification of daily mean sea level pressure fields (19612000, DJF) using a k-means algorithm (KMN27). The most frequent of the total 27 types and their relative frequency are shown.

    Fig. 3 Classification of daily mean sea level pressure fields (19612000, DJF) using the t-mode principal component analysis with the oblique rotation of principal components (PCT27). The most frequent of the total 27 types are shown. The method tends to create similarly large clusters. The individual classes concur with Brdkas types only partially (see Fig. 4), however the result is better compared with KMN27. The number of the types was chosen in accordance with Brdkas classification (one Brdkas type does not occur in winter).

    Fig. 4 Mutual correspondence of the seven most frequent Brdkas types (BRA; 19612000, DJF) and the types defined by KMN27 and PCT27. For KMN27 and PCT27, only types containing at least 15% of the days classified within any of the shown BRA are shown.

  • klasifikace atmosfrick cirkulace323

    The arrows show the rate of the correspondence: dashed (1520%), solid (2030%), and solid bold (over 30%). Under the type indexes, the relative frequencies of the respective type and catalogue are shown. BRA indexes stand for the following situations: north-west cyclonic (NWc), west cyclonic (Wc), stationary trough/anticyclone over central Europe (B/A), east anticyclonic (Ea), southwest cyclonic with fronts moving northeast to eastwards (SWc), and north cyclonic (Nc).

    Fig. 5 SOM of circulation types over Europe (19612000, DJF).Fig. 6 Sammon map for the SOM in Figure 5. The relative frequency of daily sea level pres-

    sure patterns classified to each node is shown for: left all winter months 19612000, middle months with the mean temperature in Czechia under 5 C, right months with the mean temperature over +2 C.

    podkovn

    lnek byl podpoen GA UK, projekt . 188214 Vyuit synoptickch klasifikac v interpretaci vstup z klimatickch model.Autoi dkuj anonymnm recenzentm za pipomnky k pedchoz verzi tohoto lnku.

    STRYHAL, J., HUTH, R. (2016): Klasifikace atmosfrick cirkulace1. vod2. Manuln katalogy povtrnostn situace3. Automatizovan cirkulan klasifikace4. Vyuit cirkulanch klasifikac pi modelovn klimatu5. ZvrLiteratura