УДК 551.510
РЕЗУЛЬТАТЫ РОССИИСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ В 2007-2010 гг. © 2012 г. А. А. Криволуцкий, А. И. Репнев
Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета 141700Долгопрудный, Московская область, ул. Первомайская, 3 E-mail: Alexei Krivolutsky@Rambler.ru Поступила в редакцию 05.10.2011 г., после доработки 30.12.2011 г.
Представлен обзор результатов российских исследований средней атмосферы в 2007—2010 гг., подготовленный Комиссией по средней атмосфере Секции метеорологии и атмосферных наук Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Мельбурн (Австралия), 28 июня—7 июля 2011 г.)*
Ключевые слова: средняя атмосфера, циркуляция, температура, химический состав, аэрозоль.
1. ЦИРКУЛЯЦИЯ В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ И ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ
На основе эмпирической модели среднемесячного среднезонального преобладающего горизонтального ветра рассчитаны высотно-широтные распределения эйлерова преобладающего среднемесячного вертикального ветра и соответствующей массовой функции тока для вертикального и агеострофического меридионального ветров [1]. Расчеты проведены для центральных месяцев основных сезонов года: для января, апреля, июля и октября. Отличительной особенностью полученных распределений меридионального и вертикального ветров является ячеистая структура вы-сотно-широтной циркуляции. Для меридионального ветра ячейковые структуры сосредоточены в основном в низких широтах: между 40 градусами северной и южной широты. В вертикальном ветре они приблизительно равномерно распределены по широте. Обсуждаются механизмы формирования подобных структур и проблемы их моделирования в глобальных численных моделях атмосферы. Основные моды межгодовых и долгопериодных вариаций циркуляции стратосферы и тропосферы, общего содержания озона (ОСО),
* Национальный отчет России по метеорологии и атмосферным наукам, представленный в Международную ассоциацию по метеорологии и атмосферным наукам (IAMAS) во время проведения XXV Генеральной ассамблеи Международного геодезического и геофизического союза (IUGG), Мельбурн, Австралия, 28 июня—7 июля 2011 г. / Под ред. И.И. Мохова, А.А. Криволуцкого. М.: МАКС Пресс, 2011. 216 с. (На англ. языке: Russian National Report. Meteorology and Atmospheric Sciences. 2007—2010. Ed. by I.I. Mokhov and A.A. Krivolutsky. National Geophysical Committee RAS, MAKS Press, Moscow, 20011, 216 p.)
а также их связей с аномалиями температуры поверхности океана (ТПО) Северного полушария исследовались в [2]. Обнаружены значительные корреляции межгодовых вариаций ОСО в области Лабрадора и северной Атлантики с изменениями стратосферного вихря Арктики.
Возникновение сильных стратосферных потеплений связано не только с усилением западных ветров на 500 гПа в средних широтах Атлантики, но и ослаблением ветра тропосферы над севером Восточной Сибири и усилением над Дальним Востоком.
В годы с сильными стратосферными потеплениями наблюдаются аномально холодные зимы в Евразии, особенно в Восточной Сибири и северо-восточном Китае. Существуют значительные корреляции аномалий ТПО внетропических областей Тихого и Атлантического океанов с межгодовыми вариациями циркуляции тропосферы и стратосферы, причем динамика стратосферы сильнее связана с аномалиями ТПО Тихого океана. Обсуждаются механизмы долгопериодных изменений в интерактивной системе океан—атмосфера—озоновый слой.
С целью изучения процессов массообмена через внетропическую тропопаузу проведен анализ баллонных данных об озоне и водяном паре, полученных во время кампании LAUTLOS. Для анализа происхождения воздушных масс и расчета потоков через тропопаузу применялась тра-екторная модель. Показано, что тропосферные воздушные массы проникают в стратосферу на ~2.5 км над уровнем тропопаузы. Глубина обмена может определяться как вертикальными пото-
ками в тропосфере, так и изменением уровня самой тропопаузы [3].
В работе [4] получены параметры полусуточного прилива в области мезопаузы на основе измерений на ст. Маймата (63° N 129.5° Е) флукту-аций интенсивности и вращательных температур эмиссий гидроксила ОН(6.2) и первой атмосферной полосы кислорода О2(0-1), возбуждаемых на высотах ~87 и ~95 км, соответственно. Использовалась база данных, полученных с октября по март в 1999—2005 гг. Амплитуда волны на высоте 95 км равна 8 К и на ~2 К больше, чем на 87 км. За исключением ноября 12-часовое колебание на высоте 95 км опережает по фазе колебание на высоте 87 км. В среднем фаза на высоте свечения ОН равна ~5.7 ч, на высоте свечения О2 ~ 6.4 ч. Резкий рост амплитуды прилива в марте на высоте 95 км может быть связан с сезонным уменьшением высоты так называемой "волновой" турбопаузы.
Результаты реанализа данных МСЕР/МСАЯ за 1959—2006 гг., а также численное моделирование свидетельствуют о наличии климатических изменений динамического режима стратосферы в зимний период, возрастании амплитуды стационарных планетарных волн, а также изменчивости среднезональной температуры и зонального потока в зимнем полушарии, что объясняется усилением стратосферных васцилляций [ 5, 6 ].
Новая климатология ветра на высотах 0—100 км, основанная на данных Глобальной эмпирической модели ветра (GEWM), пересмотре стратосферных данных и численной модели, заполняющей пробел между стратосферой и мезосферой/нижней термосферой, представлена в [7]. Модель GEWM включает данные новых радарных измерений, сопоставленных с существующими эмпирическими моделями С1ЯА-86 и HWM-93.
С использованием месячных средних данных МСЕР/МСЛЯ и данных МОЛЛ о температуре поверхности моря (88Т) получена сильная корреляция аномалий 88Т в северной части Тихого океана с рассчитанными вертикальными потоками Элиассена—Пальма в декабре 1958—1976 и 1992—2006 гг. Показано, что межгодовые и междекадные вариации стратосферной динамики, включая стратосферные потепления в январе, сильно зависят от изменений в распространении планетарных волн из тропосферы в стратосферу над северной Евразией в предшествующем декабре. Это свидетельствует о большом влиянии декадных вариаций 88Т в северной части Тихого океана на волновую активность в начале зимы.
Долговременные тенденции параметров горизонтального ветра в южной полярной мезосфе-ре/нижней термосфере получены в [8]. Данные о ветре получались метеорными и MF радарами в Молодежной (67.7° 8, 45.9° Е), Моусоне (67.6° 8, 62.9° Е) и Дэвисе (68.6° 8, 7.8° Е) в период с 1970
по 2006 гг. Для оценки трендов использовался Байесовский подход. Показано, что параметры имеют различные стабильные состояния с переходами между ними. Рассмотрены корреляции между южным полярным ветром мезосферы/нижней термосферы и индексами атмосферной изменчивости (северная кольцевая мода, южная кольцевая мода, мультивариантный индекс Эль-Ниньо—Южное колебание). В работе [9] по данным спутниковых измерений были исследованы межполушарные различия в положении полярного вихря.
КВАЗИДВУХЛЕТНЯЯ ЦИКЛИЧНОСТЬ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОЗДУХА В СТРАТОСФЕРЕ
В работе [10] рассмотрена проблема моделирования квазидвухлетних колебаний (КДК) скорости в экваториальной стратосфере. На основе малопараметрических моделей рассмотрены два механизма возбуждения КДК: через взаимодействие планетарных волн со средним течением на критических уровнях и через механизм обрушения гравитационных волн. Показана возможность получения аналога КДК с использованием каждого из этих механизмов, рассмотрены области значений параметров, при которых это возможно, изучены зависимости периода и амплитуды предельного цикла от параметров моделей. Более реалистичная картина получается при совместном включении обоих волновых источников. Исследована относительная роль волн разных масштабов в формировании периода колебаний зонального ветра. Исследованы условия, необходимые для воспроизведения КДК в моделях общей циркуляции.
В соответствии с результатами первой части на основе моделей, разработанных в ИВМ РАН, исследована возможность реализации в них механизмов возбуждения КДК от взаимодействия планетарных волн со средним течением и обрушения гравитационных волн [11]. Создана новая версия модели ИВМ РАН 2° х 2.5° х 80 с высоким вертикальным разрешением на базе 39-уровневой модели общей циркуляции ИВМ РАН. Показано хорошее воспроизведение современного климата обеими моделями, продемонстрирована возможность реализации механизма возбуждения колебаний зональной скорости на экваторе через обрушение гравитационных волн в 39-уровневой модели и реализации обоих механизмов возбуждения в модели 2° х 2.5° х 80. Приведены результаты спектрального анализа волновой активности на экваторе и подробно исследованы процессы формирования КДК в этих моделях. В новой версии модели удалось воспроизвести КДК зонального ветра на экваторе очень близкие к данным наблюдений.
Спектральные характеристики квазидвухлетних колебаний (КДК) зональной скорости в эква-
ториальной стратосфере по данным реанализа наблюдений NCEP/NCAR и ERA 40 и численных экспериментов с моделью общей циркуляции (ОЦА) ИВМ РАН исследованы в [12]. Рассмотрена проблема синхронизации КДК и полугодовых колебаний (ПГК) зональной скорости в мезосфе-ре. Показано, что процесс синхронизации к кратным периодам ПГК идентифицируется в области перехода между КДК и ПГК. Для всех высот распространения КДК синхронизация с ПГК выражена при расчете периода по разностям западных максимумов. Показано, что модель ИВМ РАН удовлетворительно воспроизводит основные спектральные характеристики КДК и ПГК и наблюдаемые особенности изменчивости периода КДК. На основе исследования малопараметрических моделей КДК показана возможность синхронизации с ПГК или годовым циклом в верхних слоях как для механизма поглощения планетарных волн средним потоком, так и для обрушения гравитационных волн. Формирование КДК от разных типов волн вместе с ПГК и годовым циклом можно рассматривать как единую систему колебаний в циркуляции экваториальной верхней атмосферы.
Получены косвенные свидетельства возможного влияния озона на квазидвухлетнюю цикличность [13, 14].
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.