научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМОВ ВНЕТРОПИЧЕСКОЙ АТМОСФЕРЫ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ В ПЕРИОД ВНЕЗАПНОГО СТРАТОСФЕРНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ ЗИМОЙ 2012–2013 ГГ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМОВ ВНЕТРОПИЧЕСКОЙ АТМОСФЕРЫ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ В ПЕРИОД ВНЕЗАПНОГО СТРАТОСФЕРНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ ЗИМОЙ 2012–2013 ГГ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 1, с. 20-38

УДК 551.510.53:551.55;550.388

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМОВ ВНЕТРОПИЧЕСКОЙ АТМОСФЕРЫ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ В ПЕРИОД ВНЕЗАПНОГО СТРАТОСФЕРНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ

ЗИМОЙ 2012-2013 гг. © 2015 г. П. Н. Варгин*, И. В. Медведева**

*Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета 141700Долгопрудный, Московская обл., ул. Первомайская, 3 **Институт солнечно-земной физики СО РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 126а, а/я 291 E-mail: p_vargin@mail.ru E-mail: ivmed@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 13.11.2013 г., после доработки 11.12.2013 г.

Главное внезапное стратосферное потепление (ВСП) в начале января 2013 г. привело к значительному росту температуры полярной стратосферы (до 60 К на высоте ~44 км), изменению направления зонального ветра, разделению стратосферного полярного вихря и изменению температурного и динамических режимов мезосферы—нижней термосферы. Используя данные реанализов, наземных спектрометрических и спутниковых наблюдений, анализируются связанные с ВСП изменения термодинамических параметров от тропосферы до нижней термосферы. За две недели до ВСП выявлено усиление потоков волновой активности из тропосферы в стратосферу над Восточной Сибирью—Китаем. Показано, что за неделю до ВСП распространяющиеся на восток в верхней тропосфере волновые цепочки могли внести вклад в усиление антициклона над северо-восточной Атлантикой, которое в ходе ВСП привело к разделению стратосферного полярного вихря на две части.

Ключевые слова: ВСП, стратосфера, тропосфера, волновая активность.

Б01: 10.7868/80002351514060170

ВВЕДЕНИЕ

Особенностями циркуляции средней атмосферы в зимне-весенние сезоны являются стратосферный полярный вихрь (далее — полярный вихрь) с низкими температурами внутри и центром, располагающимся вблизи полюса, а также окружающее и изолирующее его от проникновения воздушных масс из средних широт сильное зональное течение. Известно, что температура полярной стратосферы характеризуется более высокими значениями, чем это следует из расчетов радиационных моделей. Различие обусловлено волновой активностью, которая в зимне-весенние сезоны распространяется из тропосферы в стра-тосферу—мезосферу, перенося потоки тепла и импульса. Из-за различия в распределении поверхности суши и океана волновая активность в Арктике выше, полярный вихрь и окружающее его зональное течение менее стабильны, чем в Антарктике.

Зимняя циркуляция стратосферы Арктики характеризуется сильной межгодовой изменчиво-

стью, отчетливо проявляющейся в последние годы. Так, зимой 2010—2011 г. устойчивый и хорошо изолированный полярный вихрь с низкими температурами внутри (в нижней стратосфере ниже —80°С) наблюдался до весенней перестройки циркуляции в начале апреля. В результате с началом проникновения в полярные широты солнечного света в нижней стратосфере началось активное разрушение озона, ставшее рекордным за все годы наблюдений и сравнимым с разрушением озонного слоя в Антарктике [1]. Следующие зимы 2011—2012 гг. и 2012—2013 гг., а также две предыдущие 2008-2009 гг., 2009-2010 гг., в отличие от "холодной" 2010-2011 гг., характеризовались значительно более возмущенной стратосферой и высокими температурами, менее сильным полярным вихрем и зональным течением, которые в отдельные периоды значительно ослабевали.

Внезапные стратосферные потепления (ВСП) — важнейшие явления, определяющие в зимние сезоны температурный и динамический режим стратосферы полярных регионов и его межгодо-

вую изменчивость. Связанные с ВСП изменения циркуляции являются важнейшим примером динамического взаимодействия тропосферы, стратосферы, мезосферы и нижней термосферы. В ходе ВСП значительно ослабевает зональная циркуляция, а температура стратосферы увеличивается на десятки градусов. Согласно классификации Всемирной метеорологической организации ВСП является главным (на анг. major), если на 10 гПа (~32 км) и 60° N изменяется направление средне-зонального ветра с западного на восточное, и градиент среднезональной температуры между 60° N и полюсом становится положительным. Влияние ВСП на циркуляцию атмосферы не ограничивается высокими и средними широтами — связанное с ВСП усиление меридиональной циркуляции может приводить к снижению температуры верхней тропосферы тропиков. Если в Арктике ВСП наблюдаются часто, то в Антарктике ВСП произошло только в сентябре 2002 г В 1990-х гг ВСП в Арктике наблюдались реже, чем в последнее десятилетие, причины этого изменения неизвестны.

Наиболее часто в ходе ВСП в стратосфере происходит усиление одного антициклона. В результате деформируется форма полярного вихря, а его центр смещается от полюса. Такие ВСП называются типа волны 1. ВСП типа волны 2 характеризуются усилением двух антициклонов, из-за чего полярный вихрь вытягивается и может разделиться на две части. Существуют различия в циркуляции тропосферы перед ВСП с разделением и смещением вихря [2]. ВСП наблюдаются 6—7 раз в 10 лет, при этом с разделением полярного вихря реже, чем со смещением [3].

ВСП могут развиваться за счет усиления распространения волновой активности из тропосферы в стратосферу и ее взаимодействия с зональной циркуляцией [4], а также внутренних динамических процессов стратосферы: осцилляций зональной циркуляции, нелинейного взаимодействия с ней планетарных волн различных масштабов, включая нормальные моды [5, 6].

За последние 15 лет на основе анализа данных наблюдений и моделирования установлено, что периоды ослабления полярного вихря в стратосфере Арктики могут быть связаны с возникающими в последующие два месяца в средних — высоких широтах аномально холодными погодными условиями [7—12]. Среди возможных причин таких "волн холода" — изменение распространения планетарных волн из-за связанных с ВСП изменений циркуляции, например, аномально холодная погода на юго-востоке Канады, наблюдавшаяся две недели после ВСП в марте 2007 г. [9]. Анализ данных реанализа с 1958 по 2009 гг. и расчетов климатических моделей показал, что при ослаблении полярного вихря в ряде регионов (в том числе в Восточной Сибири) вероятность возникновения "волн холода" увеличивается на 50% [12].

Анализ композитов данных наблюдений для ВСП со смещением и разделением полярного вихря с 1958 по 2002 гг. выявил различия во влиянии этих типов ВСП на тропосферный климат, в частности аномалии температуры до —3 К наблюдались на севере Евразии в течение 30—60 дней после ВСП с разделением вихря [13].

При исследовании чувствительности климатических моделей (используя их расчеты до 2100 г.) к стратосферной динамике показано, что отклик таких параметров тропосферы, как давление на уровне моря, активность шторм-треков на севере Атлантики и Тихого океана, осадков и др. на увеличение концентрации СО2, зависит от того, насколько полноценно стратосферные процессы воспроизводятся в модели [14, 15].

Улучшение сезонного прогноза погоды, включая температуру поверхности на севере России, востоке Канады и осадки в регионе Северной Атлантики, было достигнуто в ансамблевых расчетах на моделях с точным описанием стратосферы и инициализируемых в период ВСП [16].

ВСП влияют на термодинамический режим верхней атмосферы — связанные с ними возмущения выявлены и на высотах ионосферы [17, 18]. Состав атмосферы на высотах мезосферы-ниж-ней термосферы (МНТ) во многом определяется солнечным УФ-излучением, кинетикой химических процессов, а также переносом активных газовых компонентов из нижних слоев атмосферы, стимулированным различными метеорологическими явлениями, среди которых ВСП являются наиболее значительными. Результаты моделирования показали, что после ВСП с разделением вихря возмущения температуры и зонального ветра в верхней атмосфере сильнее, чем после ВСП со смещением вихря [19].

Среди влияющих на возникновение ВСП внешних факторов: Тихоокеанское колебание (в годы теплой фазы Эль-Ниньо ВСП наблюдаются чаще) и квазидвухлетнее колебание зонального ветра на экваторе (КДК) (ВСП — чаще в годы восточной фазы). 11-ти летний солнечный цикл модифицирует влияние КДК: главные ВСП чаще возникают в годы минимума этого цикла и восточной фазы КДК, а в годы максимума — при западной фазе КДК. Однако в январе 2009 г главное ВСП произошло с нарушением этих закономерностей [20].

Увеличение концентраций парниковых газов в атмосфере приводит не только к росту температуры на поверхности, но и к более сильному ее снижению в стратосфере—мезосфере. Это снижение через изменение циркуляции влияет на климат у поверхности [14, 21]. Но и изменение климата может повлиять на частоту и период возникновения ВСП [22].

Учитывая особенности возникновения ВСП и их влияние на циркуляцию и химию средней и верхней атмосферы, исследование каждого ВСП

представляет научный интерес. Комплексное исследование ВСП с привлечением данных реана-лизов и экспериментальных данных наземных и спутниковых наблюдений дает возможность получать информацию о взаимодействии нижних и верхних слоев атмосферы.

Цель настоящей работы — исследование особенностей циркуляции внетропической атмосферы Северного полушария зимой 2012—2013 г., в том числе приведших к возникновению главного ВСП, и анализ его проявлений от тропосферы до нижней термосферы.

1. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Для анализа динамических параметров тропосферы—стратосферы в работе использовались следующие данные.

1. Ежедневные данные реанализа NCEP (температура, геопотенциальная высота, зональный и меридиональный ветер) на 17 уровнях давления от 1000 до 10 гПа и с разрешением по долготе-широте 2.5° х 2.5° с ноября 2012 г. по апрель 2013 г., а также для сравнения за зимние сезоны 2009—2010 гг., 2010—2011 гг. и климатический период с 1968 по 1996 гг. Для анализа волновой активности были рассчитаны:

— амплитуды доминирующих планетарных волн с зональными волновыми числами k = 1, 2, 3 в данных геопотенциальной высоты,

— среднезональный меридиональный поток

тепла vT (где штрихи — отклонения от среднезо-нальных значений), характеризующий распространение потока волновой активности из тропосферы в стратосферу,

— трехме

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.

Показать целиком