ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 5, с. 641-653
УДК 551.524.7;551.510.532:551.510.534(99)
СВЯЗИ МЕЖГОДОВЫХ ВАРИАЦИЙ СТРАТОСФЕРНЫХ ПОТЕПЛЕНИЙ, ЦИРКУЛЯЦИИ ТРОПОСФЕРЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНОВ СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ
© 2008 г. Е. Ä. Жадин*, Ю. Ä. Зшляева*, Е. М. Володин**
*Институт Океанологии им. П.П. Ширшова 117997 Москва, Нахимовский просп., 36 E-mail:ejadin@yandex.ru **Институт Вычислительной Математики 119991 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: volodin@inm.ras.ru Поступила в редакцию 19.05.2006 г., после доработки 24.03.2008 г.
На основе среднемесячных данных NCEP/NCAR реанализа для зимних месяцев 1958-2003 гг. исследованы основные моды межгодовых и долгопериодных вариаций циркуляции стратосферы и тропосферы, общего содержания озона (данные TOMS), а также их связей с аномалиями температуры поверхности океана (ТПО) Северного полушария. Обнаружены значительные корреляции межгодовых вариаций общего содержания озона в области Лабрадора и северной Атлантики с изменениями стратосферного вихря Арктики. Возникновение сильных стратосферных потеплений связано не только с усилением западных ветров на 500 гПа в средних широтах Атлантики, но и с ослаблением ветра тропосферы над севером восточной Сибири и усилением - над Дальним Востоком. В годы с сильными стратосферными потеплениями наблюдаются аномально холодные, чем обычно, зимы в Евразии, особенно в области восточной Сибири и северо-восточного Китая. Рассчитанные одновременные (без временной задержки) корреляции изменений стратосферной циркуляции с явлениями Эль-Ниньо/Ла-Нинью свидетельствуют о небольших корреляциях аномалий ТПО тропического Тихого океана с динамикой стратосферы Арктики. Однако существуют значительные корреляции аномалий ТПО внетропических областей Тихого и Атлантического океанов с межгодовыми вариациями циркуляции тропосферы и стратосферы, причем динамика стратосферы сильнее связана с аномалиями ТПО Тихого океана по сравнению с ТПО Атлантики. Межгодовые изменения циркуляции тропосферы связаны с аномалиями ТПО как Тихого, так и Атлантического океанов. Обсуждаются механизмы долгопериодных изменений в интерактивной системе океан-атмосфера-озоновый слой.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема изменений климата и озонового слоя тесно связана с долгопериодными изменениями (с временны ми масштабами около десяти и более лет) во взаимодействующей системе океан-атмосфера. Глобальное потепление и истощение озонового слоя вызваны не только увеличением парниковых газов и фреонов в атмосфере. Большую роль в наблюдаемых изменениях климата и озонового слоя играют естественные долгопериодные изменения океана и атмосферы [1].
Исследованиям долгопериодных изменений океана и атмосферы посвящено большое количество работ. Мы в основном рассмотрим лишь некоторые результаты, имеющие отношение к вне-тропическим изменениям в Северном полушарии в зимний период. Хорошо известны "дальние связи" геопотенциала тропосферы: Тихоокеанское-Се-веро-Американское колебание (ТОК), Северо-Атлантическое колебание (САК) и др. [2]. Эти корре-
ляции геопотенциала средней тропосферы имеют вполне определенную пространственную структуру и связаны с распространением волн Россби в тропосфере. Тренбет [3] показал, что давление на уровне моря, среднее в области Алеутского циклона, имеет совсем другой режим (уменьшение давления ~на 2 гПа) в зимний сезон (ноябрь-март) 1976-1988 гг., чем в предыдущие 1946-1975 годы. Эти долгопериодные изменения давления хорошо коррелируют с индексом ТОК, и картина корреляций с параметрами тропосферы в этой области согласуется с ТОК структурой геопотенциала на уровне 500 гПа. Межгодовые изменения параметров тропосферы связаны с вариациями температуры поверхности Тихого и Атлантического океанов также определенной пространственной структуры [4], однако до сих пор механизмы влияния долгопериодных вариаций внетропических областей океанов на атмосферную циркуляцию неизвестны [5].
Связи изменений климата Европы и России с межгодовыми вариациями ТПО Атлантики рас-
смотрены в многочисленных работах (например [6, 7]). Анализируя изменения ТПО для зимнего сезона 1900-1988 гг., Дезер и Блэкмон [8] показали, что первая эмпирическая ортогональная функция (ЭОФ) аномалий ТПО Атлантики имеет монопольную пространственную структуру с центром действия в районе Гольфстрима и ее коэффициент имеет вековые изменения с переходом к положительным значениям после 1940-х годов. Вторая ЭОФ ТПО Атлантики имеет дипольную структуру с положительными значениями аномалий ТПО вблизи Ньюфаундленда и отрицательными - вблизи юго-восточного побережья США. Ее коэффициент имеет квазидвухлетние (~2-2.5 года) и долгопериодные изменения (с периодом ~9 лет в 19001944 гг. и ~12 лет в 1945-1988 гг.) с заметным отрицательным трендом после 1940-х годов. Изменения температуры, давления и ветра на уровне моря согласуются с известными механизмами взаимодействия с аномалиями ТПО Атлантики.
В последние несколько лет большое внимание привлечено к исследованиям взаимодействия естественных изменений климата и озонового слоя [1], а также связей стратосферной и тропосферной динамики [9]. Это, в частности, связано с результатами работ Томпсона, Уоллеса и др. [10, 11], где были обнаружены значительные корреляции межгодовых и более долгопериодных вариаций давления на уровне моря Северного полушария внетропиче-ских широт и геопотенциала стратосферы Арктики в зимний период (январь-март), которые они назвали арктической осцилляцией (АО). Индекс АО был определен как межгодовые вариации коэффициента первой ЭОФ давления на уровне моря севернее 20° N [10]. Регрессии межгодовых изменений геопотенциала нижней (но не средней) тропосферы и стратосферы Арктики на индекс АО имеют почти симметричную по долготе структуру и похожи на такую же пространственную структуру стратосферы Южного полушария (антарктическую осцилляцию - ААО) в сентябре-ноябре, поэтому они были названы "круговыми" модами [11]. Таким образом, кроме хорошо известных дальних связей тропосферной циркуляции [2], причиной которых является горизонтальное распространение волн Россби в тропосфере, существуют значительные корреляции тропосферно-стратосферного взаимодействия, которые вызваны влиянием вертикального распространения планетарных волн на атмосферную циркуляцию в зимне-весенний период. Ранее Болдуин и др. [12] обнаружили значимые связи межгодовых вариаций стратосферного вихря Арктики и САК, индексом которого является разность давления на уровне моря между Исландией и Азорскими островами. В атлантическом секторе пространственная структура АО очень близка к САК, также как и межгодовые изменения их индексов [9]. Долгопериодные изменения индекса АО имели положительную тенденцию после конца 1960-х годов
[11], однако в последнее десятилетие происходит уменьшение индекса АО, что трудно понять с точки зрения антропогенных воздействий на изменения климата [13].
Причины арктической и антарктической осцил-ляций и их долгопериодные изменения в настоящее время интенсивно обсуждаются [14]. Возможными причинами может быть нелинейное взаимодействие динамических процессов атмосферы [15], увеличение антропогенных эмиссий в атмосферу парниковых газов [16], истощение озонового слоя [17], влияние межгодовых и долгопериодных аномалий ТПО Атлантики на волновую активность атмосферы и озоновый слой [18, 19].
Целью данной работы является анализ межгодовых вариаций появления стратосферных потеплений, их связей с изменениями циркуляции тропосферы и аномалий ТПО в зимний период (декабрь-март) для разработки физического механизма, который мог бы объяснить естественную изменчивость в системе океан-тропосфера-стратосфера на межгодовых и более долгопериодных временных масштабах.
Для анализа были использованы среднемесячные данные NCEP/NCAR реанализа [20] зонального ветра тропосферы и стратосферы, приземной температуры, аномалий ТПО Тихого и Атлантического океанов для каждого месяца (декабрь-март) 1958-2003 гг., общего содержания озона (спутниковые данные TOMS для 1979-1992 гг. и наземные данные [21]). В отличие от обычно используемых данных геопотенциала [2, 11], мы рассматриваем изменения зонального ветра ввиду их более четко выраженных незональных особенностей в течение декабря-марта. Для того чтобы исключить сезонный ход, были рассчитаны отклонения параметров от среднего за рассматриваемый период (аномалии) для каждого месяца. Поскольку имеются доказательства усиления взаимодействия стратосферы и тропосферы в январе-феврале [22], основное внимание уделено анализу данных для середины зимы. Анализ проведен при помощи разложения по эмпирическим ортогональным функциям и сингулярного анализа связей (SVD), который позволяет найти наибольшие нелокальные корреляции двух изменяющихся во времени полей [23].
МЕЖГОДОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРАТОСФЕРНОЙ ДИНАМИКИ И СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА
Механизм стратосферных потеплений связан с воздействием квазистационарных планетарных волн на зональную циркуляцию стратосферы, в результате чего происходят необычные изменения потенциального вихря стратосферы [24]. Во время стратосферных потеплений планетарные волны приводят к торможению западных ветров в страто-
180°W
ЭОФ-1 (-), ЭОФ-2 (--)
Год
Рис. 1. Первая (а) и вторая (б) эмпирические ортогональные функции (ЭОФ) аномалий зонального ветра на 30 гПа для января 1958-2003 гг., выраженные в виде корреляций (в %) аномалий ветра в каждой точке сетки с межгодовыми изменениями их коэффициентов (в относительных единицах). Здесь и далее корреляции, статистически значимые на 95%-ном уровне достоверности заштрихованы. Сплошная линия показывает изменения коэффициента первой ЭОФ, пунктир - второй ЭОФ (в).
сфере Арктики, возникают сильные нисходящие вертикальные движения и происходит потепление, которое в стратосфере может достигать десятков градусов в течение нескольких суток. Одним из необходимых условий возникновения стратосферных потеплений является фокусировка планетарных волн в полярную область стратосферы [25], что может зависеть от широтного распространения границы линии между западными и восточными ветрами (критической линии) в
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.