ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
АЭРОНОМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВНЕЗАПНОГО СТРАТОСФЕРНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ В ЯНВАРЕ 2009 г. И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ИОНОСФЕРУ
© 2014 г. Б. Г. Шпынев1*, Д. Панчева2, П. Мухтаров2, В. И. Куркин1, К. Г. Ратовский1, М. А. Черниговская1, А. Ю. Белинская3, А. Е. Степанов4
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск 2Национальный институт геофизики, геодезии и географии, София, Болгария 3Геофизическая служба СО РАН, Алтае-Саянский филиал, Новосибирск 4Институт космофизических исследований и аэрономии СО РАН, Якутск *E-mail: shpynev@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 23.05.2013 г.
В работе исследуются атмосферные и ионосферные эффекты над территорией сибирского региона во время внезапного стратосферного потепления (ВСП) в январе 2009 г. Для анализа глобальной динамики средней атмосферы используются данные Британского метеоцентра UKMO и данные по средней атмосфере MLS Aura. Анализ параметров ионосферы проводится на основе данных спутниковой программы COSMIC и данных сибирской сети ионозондов в Новосибирске, Иркутске, Норильске и Якутске. Стратосферное потепление 2009 г. явилось одним из самых мощных событий такого типа за всю историю наблюдений. Это связано с уникальными условиями распределения энергетического баланса в средней атмосфере, создавшимися в период затянувшегося минимума солнечной активности 2005—2010 гг. Данные сети сибирских ионозондов однозначно показали, что динамические эффекты, связанные с ВСП проявились на высотах ионосферы, причем эти эффекты зависели от положения пунктов наблюдения относительно зоны циркуляции. Наибольший ионосферный эффект наблюдался в Якутске в виде повышения высоты максимума ионизации hmF2 до ~50 км в течение шести дней. В данных ионозондов Новосибирска и Иркутска вариации f0F2 и hmF2 показали обратную динамику, которая зависела от времени суток, однако эффект ВСП также был зафиксирован. В качестве механизма, обусловливающего вариации параметров ионосферы, рассматривается подъем/опускание молекулярного газа на высоты/с высот нижней термосферы в активных зонах циркуляций.
Ключевые слова: верхняя и средняя атмосфера, ионосфера, внезапно стратосферное потепление, волновые возмущения
Б01: 10.7868/80205961414020109
ВВЕДЕНИЕ
В период зимнего солнцестояния динамический режим средней атмосферы определяется стационарными процессами остывания атмосферы и управляется крупномасштабными планетарными волнами (ПВ). В этот сезон, в отсутствие освещенности и при низкой геомагнитной активности, в полярной атмосфере отсутствуют источники тепловой энергии, и глобальная циркуляция определяется стационарным геострофическим течением (западный перенос), образующим циркумполярный вихрь. Кинетическая энергия вихря постоянно возрастает за счет падения гравитационного потенциала остывающего и опускающегося атмосферного газа, горизонтальные размеры вихря увеличиваются, и его южная граница к концу декабря часто достигает 40-х широт.
На дальнейшее развитие полярной циркуляции существенное влияние оказывают квазистационарные планетарные волны, которые распространяются вверх из тропосферы и в некоторых случаях достигают высот термосферы, что было показано для Северного полушария в работе (Mukhtarov et al., 2010).
Поскольку ПВ подвержены влиянию приливов и орографических эффектов, то взаимодействие этих волн со стационарным зональным потоком выводит циркумполярный вихрь из состояния геострофического течения, возбуждая разные моды планетарных волн Россби (Педлоски, 1984). Когда кинетическая энергия циркумполярного вихря достигает некоторого критического значения, и ПВ усиливаются в максимальной фазе сизигийного прилива (Liu, Roble, 2002), циркумпо-
лярный вихрь выходит из стационарного состояния. В результате этого структура циркуляции кардинально меняется, и энергия, высвобождаемая при этом, выделяется в виде стратосферного потепления. Интенсивность сизигийного прилива определяется относительным положением Луны и Солнца, поэтому критическое усиление планетарных волн обычно происходит с периодом около 14 сут.
Устоявшимся критерием Всемирной метеорологической организации для классификации ВСП является смена знака средней зональной температуры и среднего зонального ветра на 10 гПа (высота ~30 км) на широте 60° с.ш. В тех областях, где зональный поток останавливается или даже меняет знак, в стратосфере происходит адиабатический нагрев, известный как внезапное стратосферное потепление (ВСП). Этот эффект отчетливо наблюдается в вариациях температуры стратосферы как локализованный в некотором долготном секторе нагрев стратосферного газа на 40—50 K. Температура стратосферы иногда достигает значений + 15°C, в то время как в зимней тропосфере она существенно ниже 0°C.
Поскольку вся гетеросфера, т.е. область атмосферы, состоящая из молекулярного газа, связана объемной (турбулентной) вязкостью и турбулентной диффузией, возмущения в полярной стратосфере распространяются также на низкие широты. Недавние исследования показали, что возмущения в мезосфере и термосфере, вызванные эффектами ВСП в субавроральной области, могут наблюдаться даже на низких широтах в области экваториальной аномалии (Chau et al., 2009; Gon-charenko et al., 2010а, б).
В гомосфере (выше ~100 км) происходит переход от молекулярного газа к атомарному, который не обладает объемной вязкостью, поэтому нейтральный газ в нижней термосфере и в ионосфере формально не вовлечен в общий процесс циркуляции. Однако отклик ионосферы на событие ВСП также наблюдается, и установление связи динамических процессов в гомосфере и гетеросфере является актуальной научной проблемой. Глобальная структура ионосферного отклика, связанного с ВСП исследовалась в работе (Pancheva, Mukhtarov, 2011) на основе базы данных COSMIC, где анализировались критическая частота (f0F2), высота максимума ионизации (hmF2) и электронная концентрация на фиксированной высоте. Исследования показали, что средние зональные значения электронной концентрации показывают отрицательный отклик на событие ВСП, но такая реакция характерна в основном для средних и низких широт. Реакция субавроральной ионосферы в области, где непосредственно происходит потепление, детально не исследовалась.
Известным фактом является то, что дестабилизирующим механизмом, воздействующим на стратосферу снизу, является волновая активность в тропосфере, вызванная приливами, метеорологическими и орографическими эффектами. Основные эффекты — это формирование мощной тропосферной неоднородности при столкновении западного переноса в тропосфере с Гималайским горным массивом, формирование зимних циклонов в северной Атлантике и формирование Сибирского антициклона. Также предпринимаются попытки использовать долговременные вариации параметров стратосферы для долгосрочных (боле недели) метеопрогнозов (Baldwin, Dunkerton, 2001; Thompson et al., 2002). По этим причинам мы рассматриваем ВСП как глобальный динамический процесс, одновременно захватывающий несколько областей атмосферы, и пытаемся проследить механизмы, вызвавшие наиболее мощное и продолжительное в истории наблюдений стратосферное потепление в январе 2009 г. (Manney et al., 2009). Особое внимание мы уделяем ионосферному отклику на ВСП над территорией Сибири, где спутниковые данные дополнены данными сети ионозондов, три из которых, в Новосибирске, Иркутске и Якутске, расположены на расстоянии ~20° по долготе и позволяют исследовать параметры ионосферы над разными зонами циркуляции в стратосфере и мезосфере.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Динамические процессы в тропосфере и стратосфере исследовались нами на основе базы данных Британского Метеоцентра (UK Met Office UKMO), в которую ассимилированы данные наземных станций и спутниковых наблюдений в виде трехмерных полей температуры, геопотенциала и компонент скорости ветра на разных уровнях: от поверхности Земли и до уровня давления 0.1 hPa (Swinbank, Ortland, 2003). Данные доступны с шагом 2.5° по широте и 3.75° по долготе. Средняя зональная температура и ветер рассчитывались нами для временного интервала с 1 октября 2008 по 31 марта 2009 гг. Эти данные представлены на рис. 1 в виде высотно-временных карт, которые позволяют исследовать стратосферные процессы, начиная от момента формирования зимней полярной циркуляции. Из рисунка видно, что характерная для ВСП остановка и смена знака зонального ветра происходят одновременно с ростом температуры, поэтому по общепринятой классификации данное стратосферное потепление относится к типу Major.
Вертикальные профили температуры атмосферы получены с помощью сканирующего сверхвысокочастотного (СВЧ) лимбового зонда MLS (Microwave Limb Sounder), установленного на борту космического аппарата EOS Aura (данные
UKMO ZM Темп. (60° N), к
276 266 257 247 237 227 217 207
1.10.2008 1.12.2008 1.02.2009 1.04.2009 1.11.2008 1.01.2009 1.03.2009 Дата
UKMO ZM Зон. ветер (60° N), м/с
84 63 42 21 0 -21 -42
1.10.2008 1.12.2008 1.02.2009 1.04.2009 1.11.2008 1.01.2009 1.03.2009 Дата
Рис. 1. Среднезональная температура (левая панель) и среднезональный ветер (правая панель) на широте 60° с.ш. по данным иКМО в области высот 1—55 км.
01.12 100
90
80
70
^0 а,
о 50
с
Вы40
30 20 10 0
01.12
Новосибирск, декабрь 2008 г.-январь 2009 г. 2008 15.12.2008 01.01.2009 15.01.2009
2008
15.12.2008
01.01.2009 День месяца
15.01.2009
01.02.2009 100
90
- 80
- 70 60
- 50
- 40 30 20
h 10 0
01.02.2009
305 295 285 275 265 255 245 235 225 215 205 195 185 175 165 T, K
Рис. 2. Высотно-временные вариации температуры в Новосибирске по спутниковым данным MLS Aura.
получены на сайте http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/Aura/). Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту с периодом порядка 100 мин (~15 пролетов в сутки) и высотой 705 км. Пространственный охват почти глобален (от -82° до +82° по широте). Вертикальные профили измеряются с интервалом ~25 с через каждые 1.5° (~165 км) вдоль траектории орбиты. СВЧ зонд MLS сканирует земной лимб в направлении полета, регистрируя микроволновую эмиссию в пяти полосах спектра (на частотах 118, 190, 240 и 640 ГГц и 2.5 ТГц). Спутниковые данные MLS Aura по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.