ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 1, с. 62-73
УДК 551.513
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ГЕНЕРАЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ТРОПОСФЕРЕ
© 2013 г. В. И. Мордвинов, Е. В. Девятова, О. С. Кочеткова, О. А. Ознобихина
Институт солнечно-земной физики СО РАН 664033 Иркутск, Ул. Лермонтова, 126а, а/я 291 E-mail: v_mordv@iszf.irk.ru E-mail: devyatova@iszf.irk.ru E-mail: olgak@iszf.irk.ru E-mail: olesya@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 20.06.2011 г., после доработки 27.12.2011 г.
В работе исследуются низкочастотные возмущения, ответственные за возбуждение крутильных колебаний — вариаций интенсивности среднего зонального потока с характерным временным масштабом 15—20 суток, распространяющихся вдоль меридиана в умеренных и низких широтах обоих полушарий [1]. При обработке данных наблюдений с помощью метода одноточечных корреляций над восточными частями континентов и западной частью океанов выделяются бегущие волны, пересекающие восточную часть континентов с северо-запада на юго-восток, и затем вдоль океанического побережья возвращающиеся на север. В западной части континентов при этом периодически возникают и разрушаются цепочки аномалий, ориентированные в зональном направлении. Моделирование распространения возмущений в геострофическом приближении позволило объяснить особенности одноточечных корреляций над континентами дисперсией двумерных волн Россби от бегущих источников. Был воспроизведен "круговорот" возмущений над Азией и цуги волн к западу от полюса одноточечных корреляций. Крутильные колебания, обусловленные дисперсией двумерных волн Россби, имеют на диаграмме "широта—время" характерный вид наклонных полос, "крутизна" которых определяется скоростью смещения вдоль меридиана источника завихренности.
Ключевые слова: двумерные волны Россби, низкочастотная изменчивость, крутильные колебания, атмосфера, циркуляция.
Б01: 10.7868/80002351512060090
ВВЕДЕНИЕ
Колебания атмосферы в диапазоне временных масштабов от синоптического до сезонного являются важным и пока недостаточно изученным компонентом общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Примером активно исследуемых низкочастотных колебаний ОЦА являются Арктическая и Антарктическая осцилляции, определяющие климатические и погодные аномалии в высоких и умеренных широтах обоих полушарий [2, 3]. Механизм возбуждения этих колебаний неясен. Доминирует представление о том, что раскачка АО и ААО происходит в зонах полярно-фронтовых струйных течений вследствие положительной обратной связи между скоростью зонального потока и вихревым переносом количества движения [3—5]. В работе [1] мы предположили, что за раскачку кольцевых мод ответственны крутильные колебания — распространяющиеся вдоль меридиана вариации интенсивности
среднего зонального потока с характерным временным масштабом 15—20 суток. Крутильные колебания часто возникают в тропосфере вблизи полюсов и при пересечении зоны полярнофрон-товых струйных течений возбуждают колебания индексов АО и ААО.
Вопрос о том, какие возмущения ответственны за возникновение крутильных колебаний, остается открытым. В ряде работ приводятся свидетельства существования собственных колебаний атмосферы в низкочастотном диапазоне [6—12], которые интерпретируют в терминах нормальных мод второго класса [13—15]. Наиболее известными являются моды с периодами 5, 10 и 16 суток. Однако эти моды не могут объяснить крутильные колебания, а их вклад в общую картину низкочастотной изменчивости не превышает 10% [16].
Применение разложений на естественные ортогональные функции, одноточечных корреляций со сдвигом во времени показало более слож-
ную картину колебаний, чем простое зональное распространение нормальных мод [16]. В диапазоне 10—30 суток (intermediate time scales согласно терминологии [11]) динамика колебаний напоминала процесс установления стационарных двумерных волн Россби, обусловленных локализованными источниками завихренности. Для объяснения крутильных колебаний этот механизм, однако, не подходит, так как последовательное усиление вдоль лучевых траекторий знакопеременных барических аномалий в двумерной волне Россби происходит без изменения фазы волны и не сопровождается изменениями знака возмущений средней зональной скорости.
В работе [11] авторы предположили, что возмущения в низкочастотном диапазоне могут возникать вследствие раскачки неустойчивых мод в зонах входа струйных течений. Более продолжительные колебания (месяц и более) могут быть связаны с раскачкой неустойчивых мод в областях выхода (дельты) струйных течений [17, 18]. Результаты модельных расчетов подтвердили предположения относительно важной роли баро-тропной неустойчивости, однако пространственная структура наиболее быстро растущих мод не всегда соответствовала данным наблюдений. Кроме того, время раскачки этих мод (порядка месяца) больше характерного временного масштаба крутильных колебаний [18].
Дымников и Филатов [18] предположили, что причиной раскачки могут быть возмущения конечной амплитуды, и учли квадратичные члены в баротропном уравнении вихря. Однако при этом существенно изменилась пространственная структура колебаний. Сильная зависимость возбуждаемых мод от структуры среднего потока и принятых допущений затрудняет интерпретацию источника низкочастотных колебаний в рамках парадигмы баротропной неустойчивости среднего потока как основной причины низкочастотной изменчивости атмосферы.
Не лишено оснований предположение, что низкочастотные возмущения могут быть следствием генерации волн Россби подвижными источниками. Действительно, синоптические вихри, возникающие в умеренных широтах, как правило, сериями, имеют тенденцию сохранять траекторию перемещения в течение продолжительных интервалов времени. Эта тенденция положена в основу типизаций синоптических процессов. Обычным явлением, особенно в восточной части океанов, являются малоподвижные антициклонические вихри. Предположение о возможности генерации двумерных волн Россби нелинейными вихрями снимает проблему большого времени, необходимого для накачки неустойчивых мод. Среднему потоку в рамках данной гипотезы отводится менее значимая роль
фактора, влияющего на траектории вихрей, и волновода для низкочастотных возмущений. Выделение волн от локальных источников осложняет то обстоятельство, что вихри и волны большой амплитуды могут взаимодействовать со стационарными волнами, создавая вторичные источники низкочастотной изменчивости. В некоторых регионах, таких как восточная часть Азии, запад Северной Америки, вблизи больших горных массивов орографическое возбуждение низкочастотной изменчивости может играть существенную роль.
Ключевое значение для интерпретации низкочастотной изменчивости в рамках гипотезы внешнего возбуждения имеет определение структуры и динамики источников завихренности. Некоторые предположения относительно локализации и динамики источников можно сделать на основе данных метода одноточечных корреляций со сдвигом во времени [12].
МЕТОД
Метод одноточечных корреляций выгодно отличается от разложения Фурье тем, что пространственная структура искомых возмущений априори не задается. Нетрудно показать, что в том случае, когда анализируемые вариации регулярны (или представляют собой суперпозицию регулярных колебаний), пространственная структура распределения полей коэффициентов корреляции, рассчитываемых в методе одноточечных корреляций, совпадает с пространственной структурой самих колебаний. Поэтому в дальнейшем для удобства изложения мы будем трактовать особенности в распределениях коэффициентов корреляции как особенности пространственной структуры самих колебаний.
Исходными данными для анализа были среднесуточные значения высот изобарических поверхностей (HGT) и зональной составляющей скорости ветра (U) в узлах регулярной сетки 2.5° х 2.5° архива NCEP/NCAR Reanalysis [19].
Известно, что в умеренных широтах ряды данных содержат широкий спектр вариаций, в которых чаще всего преобладают колебания на масштабах времени месяц и более, поэтому при анализе процессов с другими характерными масштабами ряды данных подвергают предварительной фильтрации. Специфика крутильных колебаний состоит в том, что они развиваются на масштабах времени менее месяца, но предполагают при этом существование бегущих возмущений. Выделенный в работах [11, 12] диапазон intermediate time scales от 10 до 30 суток, как оказалось, не вполне удобен, так как бегущие возмущения там практически отсутствуют. Бегущие возмущения появляются в диапазоне 2.5—6 суток, где они достаточно уверенно идентифицируются
как бароклинные или циклонические волны. Для выделения бегущих возмущений в intermediate time scales мы, во-первых, изменили диапазон фильтрации — сместили его в область меньших временных масштабов — не 10—30 суток, как в [11], а 5—20 суток, и, во-вторых, "смягчили" способ фильтрации. Реальные возмущения всегда включают широкий спектр Фурье-гармоник, и жесткое исключение части из них, так, как это было сделано, например, в [11], может исказить картину распространения возмущений. Лучше всего условию "мягкой" фильтрации удовлетворяет простое скользящее усреднение. После внесенных изменений в диапазоне intermediate time scales действительно появились бегущие моды, при этом структура основных квазистационарных мод существенно не изменилась. Это дало возможность, не меняя принципиально интерпретацию механизма низкочастотной изменчивости, объяснить появление в этом диапазоне крутильных колебаний. Безусловно, манипулирование способами обработки данных нежелательно. Лучшим подтверждением адекватности выбранного способа обработки было бы выделение бегущих возмущений какими-либо другими независимыми методами. Исследования в этом направлении предполагается продолжить.
Кроме способа предварительной фильтрации была изменена и процедура расчета коэффициентов корреляции. В работе [11] для расчета коэффициентов корреляции использовались предварительно обработанные длинные ряды данных (высоты изобарической поверхности 500 гПа в узлах сетки 5° х 5° за каждые сутки зимних месяцев в течение 18 лет), из которых предварительно
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.