УДК [551.524.7:551.510,532]+551.510.534(99)
Влияние стратосферного потепления на антарктическую озоновую дыру в 2002 г.
П. Н. Варгин», Е. А. Жадин*
Проведен анализ ежедневных изменений общего содержания озона, зонального ветра и вихревого переноса озона в Южном полушарии для августа — октября 1998 и 2002 гг. с целью объяснения необычайно большого увеличения содержания озона над Антарктикой в 2002 г. Показано, что неожиданное уменьшение озоновой дыры является следствием сильнейшего стратосферного потепления, которое произошло в конце сентября 2002 г. и привело к исчезновению полярного динамического барьера и сильному вихревому переносу озона из средних широт в область озоновой дыры. Эти результаты анализа и ранее обнаруженные корреляции межгодовых вариаций динамики стратосферы и озоновой дыры свидетельствуют о большой роли естественных долгопериодных изменений циркуляции стратосферы в наблюдаемом истощении озонового слоя наряду с антропогенными воздействиями. Обсуждаются возможные механизмы генерации долгопериодных изменений волновой активности атмосферы.
Введение
В 2002 г. произошло сильнее уменьшение озоновой дыры над Антарктикой как по площади» так и по ее интенсивности [7, 26, 33]. Область с аномально низким содержанием озона (менее 220 е. Д.) над Антарктикой была более чем в 2 раза меньше, чем в 2001 г., а в конце сентября 2002 г. озоновая дыра разделилась на две части, чего не наблюдалось в течение двух последних десятилетий. На рис. 1 показаны изменения средних за сентябрь 1979—2003 гг. среднезональных значений общего содержания озона (ОСО) на 75° ю. ш. по спутниковым данным TOMS [7] (отсутствующее значение за сентябрь 1995 г. заменено средним климатическим значением ОСО). Видно, что за исключением 1988 г. в течение 1979—2003 гг. наблюдалось непрерывное истощение озонового слоя над Антарктикой, однако в 2002 г. произошло необычайно значительное увеличение содержания озона, которое не может быть объяснено влиянием сокращения производства озоноразрушающих веществ. Время жизни фреонов и талонов в атмосфере составляет несколько лет, поэтому переход от очень малых значений ОСО в 2001 г. к аномально большим в 2002 г. свидетельствует о большой роли динамических факторов в эволюции озоновой дыры в Антарктике.
Действительно, в конце сентября 2002 г. над Антарктикой произошло сильнейшее стратосферное потепление, в результате которого стратосфер-
* Центральная аэрологическая обсерватория.
ный вихрь разрушился, что привело к аномально большому увеличению температуры и содержания озона в стратосфере над Антарктикой [10]. В отличие от Арктики, в стратосфере Антарктики очень редко наблюдаются сильные стратосферные потепления, и такого потепления, которое привело к увеличению температуры нижней стратосферы над Южным полюсом на ~50°С (по сравнению со средним значением в 1979—2001 гг.), как в 2002 г., не отмечалось за весь период наблюдений, начиная с 1960-х годов. Потепление меньшей интенсивности наблюдалось в 1988 г., что также привело к уменьшению озоновой дыры над Антарктикой [22]. Эволюция озоновой дыры над Антарктикой и озонового слоя в Северном полушарии зависит не только от антропогенных воздействий, но и от естественных долгопериодных изменений стратосферной циркуляции [5, 6, 8, 20], которые в течение последних двух десятилетий приводили к ббльшей изолированности полярного вихря Антарктики (за исключением 1988 и 2002 гг.), охлаждению нижней стратосферы, образованию полярных стратосферных облаков, гетерогенным реакциям и известным химическим механизмам разрушения озонового слоя [36]. Поэтому исследования естественных долгопериодных изменений стратосферной динамики и их влияния на атмоферный озон имеют большое значение для оценки относительной роли антропогенных и естественных факторов в проблеме эволюции озонового слоя и изменений климата.
Цель данной работы — анализ связей вариаций стратосферной циркуляции и содержания озона в августе — октябре 2002 г. и сравнение с ситуацией 1998 г., когда стратосферное потепление не наблюдалось.
Данные и метод
Для исследования связей вариаций динамики стратосферы и содержания озона, расчетов меридионального вихревого потока озона были использованы данные реанализа NCEP/NCAR [21] о ежедневных изменениях зонального и меридионального компонентов скорости ветра, общего содержания озона по данным измерений TOMS и ассимилированные данные отношения смеси озона (данные GEOS [28]) за периоды август — октябрь 1998 и 2002 гг.
Анализ связей содержания озона и стратосферной динамики Антарктики проведен при помощи расчетов эмпирических ортогональных функций (ЭОФ) и сингулярного разложения (SVD) рассматриваемых полей. Первые ЭОФ (главные моды) описывают наиболее важные черты исследуемого поля, которые дают наибольший вклад в общую изменчивость. Сингулярный SVD-анализ позволяет выделить наиболее связанные моды двух полей для исследования их нелокальных связей. Подробно математический
ОСО, 1.л
Рис. 1, Межгодовые изменения содержания озона на 75° ю, ш. в сентябре с 1979 по 2003 г.
аппарат и преимущества использования ЭОФ и БУБ-анализа по сравнению, например, с анализом Фурье, описаны в [2, 12]. Были рассчитаны отклонения от среднего значения (аномалии) полей в каждой точке сетки за рассматриваемый период.
Результаты анализа
Причиной возникновения стратосферных потеплений является воздействие на средний зональный поток планетарных волн [24], которые проникают из тропосферы в стратосферу в зимне-весенний период: ноябрь — март в Северном полушарии и июнь — ноябрь в Южном полушарии. Сильные стратосферные потепления характеризуются изменением направления зонального ветра стратосферы с западного на восточное в высоких широтах обоих полушарий [23]. Обычно сильным стратосферным потеплениям предшествуют несколько слабых, во время которых западный ветер высокоширотной стратосферы ослабляется, но изменение его направления не наблюдается. При этом происходит фокусировка распространения планетарных волн в полярную область и наблюдаются необычные изменения зонального ветра и потенциального вихря не только в полярных широтах, но и в субтропиках [25]. Моделирование стратосферных потеплений [9, 13] показало, что возможный механизм фокусировки планетарных волн и генерации потеплений состоит в отражении планетарных волн от критической линии зонального ветра, на которой скорость зонального ветра равна фазовой скорости планетарных волн. При смещении критической линии из субтропиков в средние широты могут возникать резонансные условия для резкого роста амплитуды планетарных волн и их аномального распространения в полярную область стратосферы с последующим сильным торможением зонального потока [9]. Соответствует ли этот механизм реальности — до сих пор неясно из-за больших трудностей в описании нелинейного отражения волн от критической линии [25].
На рис. 2 показаны первые ЭОФ аномалий зонального ветра (среднезо-нального) на высотах, соответствующих изобарическим поверхностям 200—10 гПа, за период август — ноябрь 1998 и 2002 гг. и временной ход их коэффициентов. Поскольку рассматриваются отклонения исследуемого поля от среднего за август — ноябрь (аномалии), единицы изменчивости полей и их коэффициенты могут быть произвольными и показывают относительную степень отклонений от нулевого среднего значения за рассматриваемый период. Чтобы понять, как изменяется во времени поле в каждой точке сетки, необходимо умножить пространственную структуру ЭОФ на значение соответствующего коэффициента в данный момент. Эти моды дают большой вклад (более 80%) в общую изменчивость, т. е. они являются основными модами сезонного хода зонального ветра в стратосфере. Существенным различием временного хода коэффициентов в 1998 и 2002 гг. является резкое уменьшение коэффициента первой ЭОФ в конце сентября 2002 г., что отражает воздействие сильнейшего стратосферного потепления на обычное в стратосфере Южного полушария сезонное уменьшение скорости западных ветров от августа к ноябрю. Видно также, что в 2002 г. полярное струйное течение было значительно сдвинуто к Южному полюсу и во время потепления наблюдались значительные отрицательные (восточ-38
ные) аномалии зонального ветра, которые привели к разрушению полярного барьера, связанного с обычными сильными западными ветрами в широтной зоне 50—60° ю. ш.» а также к разделению стратосферного вихря Антарктики [10]. Потепление было настолько сильным, что в октябре 2002 г. положительные (западные) аномалии зонального ветра восстановились лишь на короткий период и переход к летней циркуляции произошел очень рано в отличие, например, от 1998 г. Другим, не менее важным отличием вариаций зонального ветра Южного полушария в 1998 и 2002 гг. являются ярко выраженные противоположные по знаку (диполь-ные) изменения зонального ветра на изобарической поверхности 10 гПа между субтропиками и высокими широтами в 2002 г. Таких дипольных изменений зонального ветра средней стратосферы в 1998 г. не наблюдалось. В целом рис. 2 показывает, что в год с сильным стратосферным потеплением произошел значительный широтный сдвиг зональной циркуляции стратосферы к Южному полюсу. Это может свидетельствовать о том, что в сентябре 2002 г. критическая линия зонального ветра действительно перемещалась от экватора к субтропикам, приводя к резонансному усилению амплитуды планетарных волн и возбуждению сильного стратосферного потепления [9]. Такая картина изменений зонального потока и потенциального вихря хорошо соответствует основным чертам развития потеплений в Северном полушарии [25]. Сильному стратосферному потеплению в конце сентября 2002 г. в Южном полушарии предшествовали слабые потепления в августе — начале сентября [10], что является обычным для развития потеплений в Северном полушарии [23]. Как указывалось выше, стратосферное потепление в сентябре 2002 г. оказало большое воздействие на озоновую дыру в Антарктике. Для того чтобы исследовать связи изменений озоновой дыры в августе — октябре 1998 и 2002 гг. с динамикой стратосферы Южного полушария, были рассчитаны 5\Ф-моды связей общего содержания озона и зон
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.