ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 85, № 1, с. 39-46
ОБОЗРЕНИЕ
Б01: 10.7868/80869587315010181
В предлагаемой вниманию читателей статье рассказывается о наиболее актуальных направлениях исследований в области стратосферно-тропосферного динамического взаимодействия, его влияния на климат нашей планеты. Авторы констатируют, что состояние российских исследований в этой сфере не соответствует уровню передовых научных держав. Преодолеть отставание позволит интегрирование национальных исследований в международные программы.
О СТРАТОСФЕРНО-ТРОПОСФЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ
П.Н. Варгин, Е.М. Володин, А.Ю. Карпечко, А.И. Погорельцев
Земная атмосфера представляет собой тонкую плёнку толщиной менее 200 км. Без неё наша планета была бы такой же безжизненной, как другие небесные тела окружающего нас космического пространства.
Атмосферу Земли принято делить на следующие области: самая нижняя до высоты примерно 15—18 км в тропиках, а в средних и высоких широтах 10—12 км — тропосфера. Так как плотность атмосферы уменьшается с высотой, то именно в тропосфере сосредоточена основная масса атмосферы — более 80%. Температура в тропосфере уменьшается примерно на 7 градусов на каждый километр, происходящие в ней динамические процессы, например формирование циклонов, определяют погодные условия на поверхности Земли. Большая часть важнейшего естественного парникового газа — водяного пара — находится в тропосфере. Далее до высот 45—50 км расположена стратосфера, в которой температура с высотой увеличивается из-за нагрева при поглощении озоном солнечного излучения. Получаемое при этом тепло является одним из основных источников энергии для циркуляции стратосферы.
Расположенный в стратосфере озоновый слой защищает человека, животный и растительный мир от опасной части ультрафиолетового спектра солнечного излучения. За стратосферой до высоты примерно 80 км расположена мезосфера, в которой температура с высотой понижается. Следующей и последней областью атмосферы является термосфера, в которой температура быстро растёт
с высотой и может достигать 500—2000 К в зависимости от уровня солнечной активности. Граничные области между тропо-, страто-, мезо- и термосферой принято называть соответственно тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой.
Долгое время считалось, что динамические процессы в тропосфере влияют на формирование погодных условий и климата у поверхности, а роль стратосферы главным образом определяется происходящими в ней радиационными процессами. Однако в 1980-1990-е годы на основе анализа спутниковых наблюдений, теоретических исследований и численного моделирования учёные пришли к выводу о необходимости расширения исследований динамического взаимодействия стратосферы и тропосферы, способного влиять на погодные условия и климат. Это особенно актуально на фоне продолжающегося увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере, которое приводит не только к повышению температуры в тропосфере, но и к её снижению в стратосфере, что, в свою очередь, оказывает влияние на циркуляцию стратосферы, включая меридиональную циркуляцию.
В 1992 г. в рамках Всемирной программы исследования климата ООН был организован международный проект "Стратосферно-тропосфер-ные процессы и их роль в климате" (Stratosphere-Troposphere Processes апё their Role in Climates — SPARC, http//www.sparc-climate.org). Цель проекта — координация программ изучения специалистами разных стран химических и динамиче-
ВАРГИН Павел Николаевич — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета. ВОЛОДИН Евгений Михайлович — доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института вычислительной математики РАН. КАРПЕЧКО Алексей Юрьевич — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Финского метеорологического института г. Хельсинки. ПОГОРЕЛЬЦЕВ Александр Иванович — доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой Российского государственного гидрометеорологического университета. p_vargin@mail.ru; volodin@inm.ras.ru; alexey.karpechko@fmi.fi; apogor@rshu.ru
ских процессов в стратосфере и тропосфере, их взаимосвязи, а также стратосферно-тропосфер-ного обмена, изменения химического состава стратосферы, сравнения и совершенствования реализации динамических и химических процессов стратосферы и тропосферы в климатических моделях. Два раза в год специалистами проекта составляется и бесплатно распространяется в электронном и печатном виде информационный бюллетень о важнейших результатах исследований, прошедших и запланированных конференциях, встречах экспертов и измерительных кампаниях.
Один раз в 4—6 лет проводятся Генеральные ассамблеи СПАРК, последняя из которых (5-я) состоялась в январе 2014 г. в г. Квинстаун, расположенном на Южном острове Новой Зеландии. В работе ассамблеи участвовали около 300 специалистов в области исследования циркуляции и состава средней атмосферы из развитых и развивающихся стран, включая США, Германию, Великобританию, Францию, Италию, Швецию, Финляндию, Японию, Австралию, Новую Зеландию, Россию, Республику Корея, Китай, Индию и Пакистан.
Далее рассказывается о некоторых наиболее актуальных направлениях исследований в области стратосферно-тропосферных взаимодействий и их влиянии на климат, в обсуждении которых на прошедшей ассамблее СПАРК участвовали авторы.
* * *
Из-за особенностей циркуляции внетропиче-ской стратосферы её взаимодействие с тропосферой в Северном полушарии ограничено зимним сезоном, продолжающимся обычно с ноября по апрель, когда западный зональный ветер в стратосфере благоприятствует вертикальному распространению планетарных волн из тропосферы в стратосферу. Именно влияние планетарных волн на стратосферную зональную циркуляцию и полярный вихрь, а также изменений его интенсивности на динамические процессы в тропосфере является ключевым элементом взаимодействия тропосферы и стратосферы.
В настоящее время это динамическое взаимодействие активно изучается в ведущих мировых научных центрах США, Великобритании, Германии, Канады, Японии и Китая. Увеличивается число международных научных проектов и публикаций в ведущих научных журналах. Важность исследований в этой области обусловлена необходимостью совершенствования численных моделей, используемых для изучения климата и влияния его изменений на состояние флоры и фауны, хозяйственную деятельность, условия жизни и здоровье населения, а также необходимостью
совершенствования сезонных и многолетних (до 10 лет) прогнозов.
Внезапные стратосферные потепления. Самым ярким примером динамической взаимосвязи тропосферы и стратосферы являются внезапные стратосферные потепления (ВСП), сопровождающиеся быстрым ростом температуры полярной стратосферы (иногда до 70 градусов за несколько дней), наблюдающиеся в Арктике в зимний сезон. Возникновение ВСП связано с распространением планетарных волн из тропосферы в стратосферу и дальнейшим их взаимодействием с зональной циркуляцией. Однако нерегулярные колебания волновой активности, температуры и зонального ветра в верхней стратосфере также могут способствовать возникновению ВСП.
Наиболее сильные ВСП, возникающие в среднем каждую вторую зиму, приводят к изменению направления зонального ветра и повышению температуры в средней стратосфере (на уровне давления 10 гПа или ~32 км) с широтой к северу от 60° с.ш., то есть к формированию аномального меридионального градиента температуры. Именно от возникновения ВСП зависит, насколько активным и изолированным будет стратосферный полярный вихрь в целом за зимний сезон, а это, в свою очередь, определяет, насколько сильным будет разрушение озона в полярной стратосфере.
Как известно, в условиях сильной зональной циркуляции в зимней стратосфере внутри холодного полярного вихря, изолированного от средних широт, могут формироваться полярные стратосферные облака (ПСО), которые участвуют в активации озоноразрушающих соединений и, как следствие, в разрушении озонового слоя. Например, в зимний сезон 2010/11 г. в Арктике ВСП не было, и стратосферный полярный вихрь с низкими температурами и, как следствие, большим количеством образовавшихся ПСО, сохранялся до середины апреля, что привело к рекордному за все годы наблюдений разрушению стратосферного озона. В годы с хорошо выраженными ВСП стратосферный полярный вихрь ослабляется, смещается от полюса или в некоторых случаях разделяется на две части. При этом повышенная температура полярной стратосферы, а иногда и изменивший своё направление с западного на восточный зональный ветер могут сохраняться до наступления весенней перестройки циркуляции стратосферы, как это было, например, весной 2004 г.
В последние годы связанные с ВСП изменения циркуляции стратосферы распространяются не только на средние широты, но и на тропики, где вызванное ВСП усиление меридиональной циркуляции приводит к снижению температуры нижней стратосферы, что уменьшает её влажность. Установлено, что изменения стратосфер-
ного полярного вихря, в том числе обусловленные ВСП, затрагивают тропосферу, где они могут на протяжении последующих двух месяцев оказывать влияние на погодные условия в средних и высоких широтах Северного полушария. Например, анализ метеорологических данных с 1958 по 2009 г. и расчётов климатических моделей показал, что при ослаблении стратосферного полярного вихря в ряде регионов (в том числе в Восточной Сибири) вероятность резких похолоданий увеличивается на 50% [1]. На основе анализа результатов модельного расчёта за 500 лет для доин-дустриального периода (до 1750 г.) установлено, что около 40% резких зимних похолоданий на севере Европы объясняется ослаблением стратосферного полярного вихря [2].
Связанные с ВСП возмущения температурного режима распространяются до высот мезосферы и термосферы (на высотах 60—90 км), где состав атмосферы во многом определяется солнечным УФ-излучением, кинетикой химических процессов, а также переносом активных газовых компонентов из нижних слоёв, вызванным различными метеорологическими явлениями, среди которых ВСП являются наиболее значимыми.
Несмотря на пристально
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.