ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 4, с. 565-576
УДК 551.510
РЕЗУЛЬТАТЫ РОССИЙСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СРЕДНЕЙ
АТМОСФЕРЫ (2003-2006 гг.)
© 2009 г. А. А. Криволуцкий
Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета 141700 Долгопрудный, Московская обл., ул. Первомайская, 3 E-mail: Alexei.Krivolutsky@rambler.ru Поступила в редакцию 16.03.2009 г.
Представлен обзор результатов российских исследований средней атмосферы в 2003-2006 гг., подготовленный Комиссией по средней атмосфере Секции метеорологии и атмосферных наук Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2-13 июля 2007 г.).*
1. ВВЕДЕНИЕ
Средняя атмосфера - область атмосферы Земли, расположенная между тропопаузой и турбопаузой (в среднем от 10 до 100 км). Важную роль в этой области высот играют, как известно, фотохимические процессы, в результате которых образуются многие малые газовые составляющие, влияющие на содержание озона, который, в свою очередь, поглощая солнечную ультрафиолетовую радиацию, в значительной степени определяет термическую структуру и, таким образом, циркуляцию средней атмосферы. К этому же диапазону высот относится и нижняя ионосфера (область Д), расположенная на высотах 50-100 км, процессы ионообразования в которой тесно связаны как с химией нейтральных составляющих, так и с метеорологическими процессами. Следует отметить, что регулярный режим, определяющийся поглощением солнечной радиации (суточный и годовой ход), иногда нарушается воздействием проникающих из тропосферы крупномасштабных волн, а также процессами, связанными с солнечной активностью (вариации электромагнитной и корпускулярной радиации Солнца).
Данная публикация основана на обзоре результатов российских исследований средней атмосферы в 2003-2006 гг., подготовленном в Комиссии по средней атмосфере Национального геофизического комитета для Национального отчета по метеорологии и атмосферным наукам к XXIV Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (г. Перуджа, 2-13 июля 2007 г.).
* Russian National Report. Meteorology and Atmospheric Sciences. 2003-2006 / Eds.: I.I. Mokhov and A.A. Krivolutsky. National Geophysical Committee RAS. Moscow: MAX Press, 2007. 180 p. См. также: Мохов И.И. Российские исследования в области метеорологии и атмосферных наук в 2003-2006 гг. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. < 2. C. 163.
2. ЦИРКУЛЯЦИЯ В СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЕ И ЕЕ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
2.1. Эмпирическая климатическая глобальная модель преобладающего ветра и мигрирующих
приливов на основе радарных и спутниковых измерений ветра на высотах мезосферы/нижней термосферы (МНТ, 80-100 км)
В Институте экспериментальной метеорологии на основе многолетних данных измерений скорости и направления ветра радарами на сети из 46 станций и спутниковых измерений ветра (спутник UARS, инструменты HRDI и WINDII) были построены эмпирические климатические модели преобладающего ветра и мигрирующих приливов для каждого месяца года и высот 80—100 км (модель GEWM). Данные охватывают в основном период с 1990 по 2001 гг. На рис. 1, 2 приведены высотно-широтные распределения скоростей преобладающего зонального и меридионального ветров для января и апреля, июля и сентября [1-4].
Сравнение модели GEWM с существующими моделями Хедина (HWM-93) и Флеминга (1990) выявило значимое различие в сезонном ходе и широтной структуре зонального и меридионального ветра. На рис. 3 показан сезонный ход скоростей зонального и меридионального ветра по данным различных моделей. Видно, что модель HWM-93 не воспроизводит наблюдаемую перестройку зонального ветра на высоте 90 км. Модель Флеминга значительно отличается от HWM-93 и GEWM в периоды перестройки.
На рис. 4 для 4-х месяцев года приведены климатические распределения скорости зонального ветра по широте. Модель HWM-93 дает сильно сглаженные распределения ветра по широтам, а модель Флеминга в январе и марте неверно воспроизводит широтный ход скорости зонального ветра в окрестности экватора. В работе [5] проведен детальный анализ межполушарных различий параметров вет-
к, км ЯнваРь
Широта
к, км Июль
Широта
Рис. 1. Высотно-широтные разрезы среднемесячного зонального ветра (положительные значения - направление на восток).
рового режима в полярной мезосфере и нижней термосфере.
2.2. Анализ долговременных трендов в параметрах ветрового режима МНТ
В ИЭМ были исследованы также тенденции изменения ветрового режима в МНТ области средних широт Северного полушария на основе данных многолетних измерений ветровых параметров на станциях Обнинск (Россия), Коллм (Германия) и Саскатун (Канада). Впервые учитывались возможные структурные изменения трендов с целью выявить и датировать такие изменения в параметрах трендов ветрового режима за период с 1964 по 2004. Резуль-
таты анализа дают основания предположить, что в течение 1964-2004 гг. произошло изменение тенденций в некоторых параметрах ветрового режима, как по скорости, так и по направлению этих тенденций (увеличение/уменьшение) [6, 7].
На рис. 5 показан ход среднегодовых скоростей преобладающих зонального и меридионального ветров, полученных осреднением данных по трем станциям. Скорость зонального ветра перестает уменьшаться и появляется тенденция к росту. Скорость меридионального ветра перестает расти, значимого тренда с начала 90-х не наблюдается.
На рис. 6 показан ход среднегодовой амплитуды полусуточного прилива [8], полученной осредне-
к, км
Январь
8 -80
к, км 100
-20 0 20 Широта
Июль
80 N
90
80
70
8 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60
Широта
80 N
Рис. 2. Высотно-широтные разрезы среднемесячного меридионального ветра (положительные значения - направление на север).
нием по трем станциям. Как видно, происходит значительное, примерно в 6 раз, уменьшение скорости падения амплитуд полусуточного прилива. В 60-х годах скорость падения амплитуд составляла 1.1-1.4 м/с/год, а после изменения тренда около 0.2 м/с/год.
2.3. Анализ неустойчивости зонального потока в средней атмосфере и нелинейного взаимодействия между планетарными волнами
Теоретически (численное моделирование) и на основе анализа экспериментальных данных о параметрах ветрового режима в МНТ области средних и высоких широт было показано, что межсуточные
колебания ветра с периодами от 2 до 5 суток в периоды солнцестояния могут возникать благодаря неустойчивости зонального потока [9-11] Неустойчивость порождает несколько первичных волн, которые нелинейно взаимодействуют друг с другом и с неоднородностями фоновой атмосферы. Эти взаимодействия порождают спектр вторичных планетарных волн, которые далее также нелинейно взаимодействуют, и, таким образом, возникает каскад нелинейных взаимодействий. Основная тенденция передачи энергии в этом каскаде - в сторону больших зональных и временных масштабов.
Были рассчитаны вейвлет-преобразования данных измерений ветра на ст. Эсрендж летом 2000 г. и данных численного моделирования [9, 11]. Первый
20 10 0 -10 -20
7 8 9 10 11 12
7 8 9 10 11 12
Рис. 3. Сравнение сезонных вариаций среднезонального преобладающего ветра: зонального (а)и меридионального (б) ветра на высоте 90 км в средних широтах Северного полушария по экспериментальным данным: 1 - GEWM-1, 2 - HWM-93, 3 - WINDII, 4 - Флеминг и др. (1990).
Широта Широта
Рис. 4. Сравнение широтных вариаций зонального преобладающего ветра на высоте 90 км по различным экспериментальным данным: 1 - наземные наблюдения, 2 - GEWM-1, 3 - HWM-93, 4 - WINDП, 5 - Флеминг и др. (1990).
всплеск активности квази-двухсуточных колебаний связан с неустойчивостью летнего среднезонального потока и возбуждением двухдневной волны с зональным волновым числом 4. Далее, из-за взаимодействия этого колебания с планетарной волной периода около 9 дней, наблюдаемой в стратосфере по данным Met Office, появляются вторичные волны с зональными волновыми числами 3 и 2. Суперпозиция вторичных волн образует всплески волновой активности, следующие за первым.
3. ЭФФЕКТЫ ВНЕАТМОСФЕРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Действие внеатмосферных факторов, которые приводят к наблюдаемой изменчивости озона сводится, во-первых, к прямому воздействию на озон вариаций УФ радиации Солнца и, во-вторых, к воздействию на химические компоненты, влияющие на фотохимический баланс озона, такие как атомарный кислород, образующийся при диссоциации 02
м/с 12
10
8
6
4
2
(a)
м/с 2
0 1960
1970
1980
1990 Годы
2000
0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
(б)
2010 1960
1970
2000
2010
1980 1990 Годы
Рис. 5. Изменение со временем среднегодового зонального (а) и меридионального (б) ветров на высоте 90 км. Сплошные ломаные показывают тренды.
м/с 24 г
20
16
12
1960 1970 1980 1990
Годы
2000
2010
Рис. 6. Временной ход амплитуд среднегодового полусуточного прилива на высоте 90 км (зональная компонента). Сплошная ломаная линия показывает тренд.
8
УФ радиацией, а также окислы азота и водородосо-держащие радикалы, образующиеся после ионизации атмосферы частицами высоких энергий, попадающими в полярную атмосферу после протонных вспышек на Солнце. Сделанные теоретические оценки эффективности выхода молекул NO и ОН при ионизации атмосферы солнечными протонами показали, что при этом на каждую пару ионов, образованных при торможении энергичных протонов, в результате цепочки ионно-молекулярных реакций в атмосфере образуется 1.27 молекул нечетного азота и приблизительно 2 радикала ОН. Далее интенсифицируются химические каталитические циклы, приводящие к разрушению озона в период вспышки:
H + O3
OH + O2
NO + O3
NO2 + O2
NO2 + O — NO + O2 Net: O3 + O —- O2 + O2
OH + O
H + O2
Net: O3 + O
O2 + O2
Химическое время жизни "семейства" нечетного азота в атмосфере Земли в полярной области велико, поэтому соответствующие эффекты в озоне могут иметь долговременные последствия. Соответствующее "семейство" нечетного водорода имеет гораздо меньшее время жизни, а его роль существенна в мезосфере. Ниже приводятся результаты трехмерного моделирования последствий одного из наиболее мо
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.