ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 3, с. 314-326
УДК 551.510
МЕРИДИОНАЛЬНЫЕ ПОТОКИ МАССЫ И ЭНЕРГИИ ВБЛИЗИ
ГРАНИЦЫ АРКТИКИ
© 2007 г. А. А. Виноградова
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: anvinograd@yandex.ru Поступила в редакцию 16.02.2006 г., после доработки 22.08.2006 г.
Воздухообмен между арктическими и среднеширотными районами - один из процессов, формирующих климат всего Северного полушария. Анализ ветрового режима вблизи границы Арктики (на широте 70°N) на рубеже XX и XXI столетий (1997-2004 гг.) показал значительные изменения условий меридионального переноса воздуха между арктическими и среднеширотными районами по сравнению с предшествующими годами (1960-1990 гг.). В работе оцениваются ветровые потоки массы, тепловой (внутренней) и кинетической энергии без учета турбулентных и конвективных процессов. Анализируется роль пространственных, сезонных и межгодовых вариаций скорости ветра и температуры воздуха в формировании этих потоков. Показано, что на рубеже веков в нижнем 6-километровом слое тропосферы на широте 70°N почти круглый год происходил адвективный вынос энергии из северных широт. Лишь весной (в апреле) ветровые потоки приносили тепловую энергию с юга. Суммарное количество тепловой и кинетической энергии, уходящей за год из Арктики по этому каналу, вполне сравнимо со средним количеством этих видов энергии, содержащимся во всей атмосфере над территорией, ограниченной широтой 70°N. Приводимые в работе современные пространственные и временны е распределения скорости ветра, а также меридиональных потоков массы и энергии могут служить дополнительной информацией при интерпретации данных различных натурных наблюдений в арктических районах.
ВВЕДЕНИЕ
Предстоящее проведение широкомасштабных работ по изучению природы в Арктике и Антарктике в рамках Международного Полярного года (2007-2008 гг.) делает особенно актуальными исследования общих закономерностей и тенденций изменения в процессах, оказывающих влияние на климат и природные объекты полярных регионов. Потоки тепла и влаги в атмосфере определяют климатические особенности отдельных регионов Земли, поэтому изучение потоков массы и тепловой энергии вблизи границы Арктики чрезвычайно важно для понимания процессов формирования климата северной полярной области. Поскольку Арктику можно рассматривать как своеобразный "холодильник" в общей "тепловой машине" Северного полушария, эти процессы и оценки важны и в глобальном масштабе.
Еще недавно изучение процессов перераспределения воздушных масс и энергии в атмосфере, основанное на данных о характере ветрового режима, было затруднено отсутствием надежных и достаточно полных сведений о ветре в любой точке планеты [1, 2]. И в первую очередь это относится к труднодоступным полярным областям. Однако именно ветровые потоки несут теплый или холодный, влажный или сухой воздух, опре-
деляя, с одной стороны, глобальные и региональные климатические характеристики, а с другой стороны, конкретные условия в экспедициях и экспериментах, проводимых в регионе. В последние годы, в связи с созданием нескольких глобальных баз метеорологических данных, использование результатов реанализа поля ветра открывает широкие возможности для исследования режима ветра и переноса воздушными массами различных составляющих атмосферы и энергии в любом районе планеты. В работах [3, 4] изучались процессы загрязнения и очищения арктической атмосферы за счет меридионального переноса воздуха и содержащихся в нем примесей (по экспериментальным данным о ветровом режиме за 30 лет с 1960 по 1990 гг. непосредственно вблизи границы Арктики). Но изменения циркуляционных процессов, произошедшие в последнее десятилетие XX века, несомненно, должны сказаться на ветровом режиме (и конкретно, на режиме меридионального переноса) между арктическими и средними широтами.
Цели данной работы следующие: 1) анализ пространственных и временных закономерностей в распределении меридиональной составляющей скорости ветра вблизи границы Арктики на рубеже XX и XXI веков; 2) выявление отличий этих распределений от аналогичных результатов
[3, 4] за 1960-1990 гг.; 3) оценка современных меридиональных потоков массы и энергии, а также их временны'х и пространственных изменений, вблизи границы Арктики. Приводимые в работе конкретные данные о скорости ветра, а также меридиональных потоках массы и энергии могут служить дополнительной информацией при интерпретации результатов различных натурных наблюдений в арктических районах.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ОЦЕНОК
В работе изучается режим ветра и температуры воздуха вблизи границы Арктики - на широте 70°К - за 8 лет с 1997 по 2004 год. Вопрос об определении и положении "границы Арктики" различными исследователями понимается неоднозначно. Формальное географическое определение - Полярный круг - имеет мало смысла с точки зрения природных объектов. Различные природные среды "выдвигают" свои критерии для определения этой границы [5]: положение июльской изотермы 10°С в приземном воздухе, северная граница распространения лесов, граница схождения холодных арктических водных масс и более теплых вод из Атлантики и т.д. В этом контексте широта 70°К почти на всем своем протяжении (за исключением атлантического и тихоокеанского секторов) близка к названным природным границам.
Рассматриваются географические точки, расположенные на широте 70°К с интервалом 20° долготы (начиная с Гринвичского меридиана), для которых исходными данными являются скорость и направление ветра на высотах, соответствующих уровням 1000, 925, 850, 700, 500, 400, 300 и 250 гПа, а также температура воздуха для приземного уровня и уровня 850 гПа. Эти характеристики определяются с интервалом 6 часов непрерывно в течение месяца как результат реанализа полей ветра и температуры по материалам [6]. Сезонные различия рассматриваются по данным для четырех месяцев - январь, апрель, июль и октябрь. Изучаются климатические средние месячные величины модуля и меридиональной составляющей скорости ветра, а также температуры для каждого года или для всего 8-летнего периода. Внутримесячные вариации не рассматриваются.
Меридиональные потоки массы и энергии, без учета турбулентных и конвективных процессов, пропорциональны следующим выражениям:
поток массы Рм ~ рУт, (1)
поток кинетической энергии Рк ~ рУ2Ут, (2)
поток тепла РТ ~ 7Ут, (3)
где У (У, S, г, х) - модуль скорости ветра; Ут(У, S, г, х) -меридиональная составляющая скорости ветра;
Т(У, S, z, х) - температура; р^, z) - плотность воздуха; У - номер года; - сезон; г - вертикальная координата; х - горизонтальная координата вдоль широты. Пересчет вертикальной шкалы давлений в линейную шкалу высот в километрах производился по данным справочника [7], откуда также брались сведения о вертикальном распределении плотности воздуха на широте 70°К в разные месяцы.
Везде в дальнейшем положительные значения Ут и потоков соответствуют распространению воздуха и того или иного атмосферного параметра на север (в Арктику), а отрицательные - на юг (из Арктики).
СРЕДНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА
И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ШИРОТЕ 70°N
На рис. 1 и 2 приведены распределения средней (за период 1997-2004 гг.) меридиональной составляющей скорости ветра вдоль широты 70°К на разных высотах для четырех месяцев. Для ориентации внизу даны карты прилегающих территорий. Основные черты этих распределений, сохраняющиеся весь год, - это вынос воздуха из Арктики над канадским сектором (240-280°Е) и, наоборот, его поступление в Арктику над Гренландией. Зимой величины меридиональной составляющей скорости ветра особенно высоки, причем максимумы соответствуют зонам с наибольшими вертикальными и горизонтальными градиентами температуры над Гренландией и Северной Атлантикой, что отмечалось, например, в работе [8]. У побережья Евразии режим меридионального переноса воздуха значительно меняется в течение года. В июле, по сравнению с январем, возрастает число смен знака меридиональной компоненты скорости ветра на широте 70°^ что в целом связано с меньшей устойчивостью полей давления и температуры летом, чем зимой. Кроме того, противопоставляя летние распределения на рис. 1 зимним, следует отметить появление летом мощных потоков воздуха в Арктику над Атлантикой (350-20°Е) и смену направления переноса над северным побережьем Евразии в зонах (60-80°Е) и (140-160°Е). Апрельские и октябрьские распределения (рис. 2) представляют собой промежуточные (но все же ближе к январской) ситуации между зимой и летом.
Рис. 3 характеризует различия распределений средней (в нижнем слое тропосферы до высоты 6 км) величины меридиональной составляющей скорости ветра на рубеже веков и в предшествующие годы (1960-1990 гг. - по данным [4]). Можно выделить следующие изменения, произошедшие в конце XX века, в характере меридионального переноса воздуха в нижней части тропосферы на рассматриваемой широте. В январе изменились направления переноса в атлантическом и тихо-
Ут, м С-1 14
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-10 14 12 10 8
6 4 2 0 -2 -4 -6
-10
1 0 1
и юль - - - .з - -4 5 _ .6 -7 8
__ — - // //
а-г " \к ч Ш 8 * а / г а
/' *
Оч «
70°
/ / л £ ч/ } о 1
о. / ■0 1 ) ¿ * <1 ^ 1 £ I у< г /
í ( 15 / \ с У \ 1
/ ь 1 " У £ 5» 1
< Тг А С, Г". ? л \
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
Долгота восточная, град
Рис. 1. Средние (за 1997-2004 гг.) распределения меридиональной составляющей скорости ветра вдоль широты 70°К на разных высотах (в легенде - высота в километрах) для января и июля. Внизу - карта прилегающих территорий.
океанском секторах (+ на -), а также между 60 и 80°Е (- на +). Это должно препятствовать поступлению в Арктику теплого воздуха из акватор
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.