УДК 551.510.534:551.509.33
Распределение общего содержания озона в конце полярной зимы — ключ к прогнозу экстремальных
сезонов?
А. А. Васильев*, Р. М. Вильфанд*
Рассматривается возможность использования наблюдений за общим содержанием озона в атмосфере (ОСО) в конце полярных зим в качестве индикатора накопления холода в тропосфере и характера ее циркуляции. Сделан вывод о влиянии ОСО над полярными районами в конце зимы на наступление ранних или поздних весенних перестроек циркуляции в стратосфере и последующий характер погоды в весенне-летний сезон.
Наиболее крупными и важными для прогностической метеорологии слоями атмосферы считаются тропосфера и стратосфера. Основной источник нагрева воздуха в тропосфере — поверхность земли, а в стратосфере — озон. Между тропосферой и стратосферой существует тонкий переходный слой, называемый тропопаузой. Этот переходный слой является задерживающим слоем, в связи с чем вертикальный воздухообмен между тропосферой и стратосферой ограничен. В связи с этим возникает ряд положений, против которых вроде бы никто и не возражает, но которые часто остаются в тени.
1. Ограничение обмена между тропосферой и стратосферой не исключает его полностью.
2. Тропосфера является результатом конвективно-турбулентного перемешивания стратосферного воздуха.
3. Атмосфера расслоена не только по вертикали, но и по горизонтали, что приводит к образованию горизонтальных волн разного масштаба и адвекции воздуха как в тропосфере, так и в стратосфере в более низкие и в более высокие широты.
4. Полярной зимой из-за отсутствия Солнца планетарные волны являются основной причиной изменения температуры стратосферы, а следовательно, и изменения общего содержания озона (ОСО).
5. Логично предположить, что распределение ОСО над полярными районами, особенно в конце зимы, может служить индикатором степени охлаждения стратосферы и тропосферы и характера циркуляции.
Первое положение все признают, и оно очевидно. Второе также очевидно, но требует некоторых пояснений, поскольку на первый взгляд кажется странным, что в тропосфере перемешивается воздух стратосферы. Широко известно, что высота тропосферы, а следовательно, и тропопаузы зависит от широты местности. Там, где приток тепла к поверхности земли в сред-
* Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации; e-mail: hmc@mecom.ru.
нем больше, тропосфера выше и, наоборот, где меньше — ниже. В ясные ночи поверхность земли остывает, образуя приземные инверсии, и если бы Земля не нагревалась Солнцем, то тропосферы бы не существовало, так же как и тропопаузы, и стратосфера начиналась бы прямо от поверхности земли!
Справедливо также и то, что при отсутствии озона в стратосфере не было бы и самой стратосферы в том виде, в котором она существует сейчас. Конвективно-турбулентное перемешивание имеет место как в глобальном масштабе, так и в мезомасштабе, например, в зонах активной конвекции. В этом случае кучево-дождевые облака в отдельных местах проникают в стратосферу, перемешивая стратосферный и тропосферный воздух. Именно такое перемешивание вызывает проникновение холодного стратосферного воздуха вблизи тропопаузы в тропосферу и приводит часто к образованию ветра разрушительной силы, нисходящих потоков, шквалов и смерчей.
Третье утверждение — расслоение атмосферы, особенно тропосферы, по горизонтали общепризнано. Факт этого расслоения подтверждается наличием разных воздушных масс, планетарно-высотных фронтальных зон, струйных течений и атмосферных фронтов. Планетарное расслоение существует, как правило, в верхней половине тропосферы между тропическим и субтропическим воздухом, а также между субтропическим и полярным. В местах соприкосновения двух воздушных масс с разной высотой тропосферы тропопауза часто даже терпит разрыв. Вдоль таких разрывов между холодным воздухом тропосферы и более теплым воздухом стратосферы создаются большие контрасты температуры, что приводит к образованию струйных течений и планетарно-высотных фронтальных зон. Такие поверхности раздела называют главными или основными атмосферными фронтами. Поверхности, разделяющие более низкие воздушные массы с меньшими контрастами метеовеличин, называют вторичными фронтами, мезо-фронтами и т. д. [6]. Строго говоря, в тропосфере существует бесчисленное множество "фронтов" разного масштаба, отделяющих воздушные массы разного объема друг от друга как по горизонтали, так и по вертикали. Другое дело, что многие из них не носят погодообразующий характер. В зонах главных (основных) атмосферных фронтов часто наблюдается две тропопаузы: одна более теплого, а вторая — более холодного тропосферного воздуха. В этих зонах происходит также и перемешивание стратосферного воздуха с тропосферным, т. е. проникновение его в тропосферу [4], что было установлено еще в 1960-е годы при анализе случаев попадания из стратосферы продуктов радиоактивного распада при атомных взрывах в стратосфере. Горизонтальное расслоение атмосферы играет важную роль в развитии синоптических процессов, но самое главное то, что оно является причиной развития планетарных волн (волн Россби), которые распространяются в стратосферу и вызывают проникновение холодного (полярного) тропосферного воздуха далеко на юг, а субтропического (теплого) на север. Это означает, что высота тропопаузы над конкретной местностью, в том числе и над полярными районами, может меняться не только из-за интенсивности конвективно-турбулентного перемешивания, но и из-за адвекции, т. е. перемещения ее вместе с воздухом тропосферы в по-
лярные широты, вызывая потепление в тропосфере и похолодание в стратосфере.
Широко известно, что озон в стратосфере возникает в результате фотохимического воздействия на кислород ультрафиолетовой солнечной радиации. Поглощая ее, озон нагревается сам и нагревает воздух стратосферы. При отсутствии солнечных лучей озон не образуется и не нагревается, и его баланс определяется главным образом циркуляционными факторами, т. е. адвекцией, что и происходит зимой над полярными районами. Тепловой баланс стратосферы в это время также становится отрицательным, и ее нагрев также определяется характером циркуляции, т. е. зависит от адвекции воздуха. Поскольку давно установлено, что наибольшая межширотная адвекция наблюдается при сильно развитой меридиональной циркуляции, то должна существовать зависимость между ОСО, температурой стратосферы и формой циркуляции, преобладающей в период полярной зимы.
Действительно, согласно многочисленным исследованиям [8, 9], интенсивность так называемой озоновой дыры в Антарктиде колеблется от года к году в зависимости от температуры стратосферы. При температуре ниже ее средних значений озоновая дыра больше и глубже, а при высокой температуре — меньше. Следовательно, по топографии ОСО в конце полярной зимы можно судить как о температуре стратосферы, так и о характере циркуляции в стратосфере и тропосфере. Ведь планетарные волны образуются на их границе, в районе изгиба или разрыва тропопаузы!
Важно также отметить, что при зональной циркуляции над полярными районами создаются наиболее благоприятные условия для выхолаживания тропосферы, особенно ее нижних слоев, и образования линз холодного воздуха. Эти линзы должны ассоциироваться с зонами максимумов ОСО. Об этом свидетельствуют давно замеченные факты (хотя и редкие) отсутствия (или исчезновения) тропопаузы над полярными районами зимой. Например, в метеорологическом словаре, изданном Американским метеорологическим обществом еще в 1959 г. [7], под словом "тропопауза" читаем: "В полярных районах зимой часто трудно и даже невозможно определить, где находится тропопауза, поскольку при некоторых условиях отсутствует резкое изменение вертикального градиента температуры на какой-либо высоте". Такое отсутствие тропопаузы некоторые авторы отмечали при радиозондировании в полярных районах и ранее, особенно в Антарктиде [3]. Обычно это отсутствие объясняли ошибкой радиозондирования или же не объясняли вообще. Анализ синоптических условий случая потери тропопаузы над Антарктидой, выполненный одним из авторов еще в 1969 г. во время зимовки на американской станции Мак-Мердо, показал, что такое явление происходит при сильно развитом циркумполярным вихре. Полярной зимой воздух в стратосфере выхолаживается, и над полюсом или вблизи него образуется обширный циклон (циркумполярный вихрь). Длительное отсутствие Солнца приводит к охлаждению не только стратосферы, но и тропосферы, особенно ее нижнего слоя. При этом выхолаживание снизу может быть настолько велико, что распределение температуры с высотой в тропосфере и стратосфере становится одинаковым, и тропопауза сливается с приземной инверсией (исчезает). Иногда у поверхности земли температура бывает даже ниже, чем в стратосфере (как известно, полюс
а)
Стратосфера
Субтропи1 возду
Су бтропиче ский воздух
50 ю. ш.
.о
о
50 ю. ш.
.0
б)
Стратосфера
50 ю. ш.
.0
О
50 ю. ш.
.0
Рис. 1. Схема общей циркуляции атмосферы над полярными районами Южного полушария летом (а) и зимой (б).
холода планеты зафиксирован в Южном полушарии на станции Восток с температурой ниже -80оС). Такие условия создаются при максимальном развитии циркумполярного циклона, когда его ось становится квазивертикальной, т. е. при максимально развитой зональной циркуляции. Этому способствуют также высота местности над уровнем моря и форма рельефа, поскольку чем выше местность, тем быстрее слой тропосферы трансформируется в стратосферный воздух. Схематически картинка исчезновения тропопаузы над Антарктидой представлена на рис. 1.
В Северном полушарии эта картина несколько сложнее из-за хаотического расположения континентов, отсутствия континента над полюсом и, как следствие, более сложной общей циркуляции атмосферы. Но и над северными полярными районами наверняка существуют места, где тропопауза в конце полярной зимы исчезает. В первую очередь, это может происходить над наиболее высоким рельефом — Якутией или Гренландией.
Таким образом, из вышеизложенного вытекает и пятое положение, приведенное в начале статьи, о том, что распределение О
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.