ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 387-403
УДК 550.385.21,551.513
ВНЕЗАПНЫЕ СТРАТОСФЕРНЫЕ ПОТЕПЛЕНИЯ: РОЛЬ НОРМАЛЬНЫХ АТМОСФЕРНЫХ МОД
© 2014 г. А. И. Погорельцев1, Е. Н. Савенкова1, Н. Н. Перцев2
1Российский государственный гидрометеорологический университет, г. Санкт-Петербург 2Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, г. Москва e-mail: apogor@rshu.ru Поступила в редакцию 05.12.2012 г. После доработки 10.04.2013 г.
На основе расчетов с использованием модели общей циркуляции средней и верхней атмосферы исследована роль нормальных атмосферных мод в возникновении и развитии событий внезапных стратосферных потеплений (ВСП). Анализ влияния фазы квазидвухлетних колебаний на динамику внетропической стратосферы показал, что при восточной фазе этих колебаний ситуация для возникновения событий ВСП более благоприятная, а сами события ВСП более интенсивные по сравнению с западной фазой. Сделан вывод, что основные нормальные атмосферные моды могут регистрироваться в поле температуры на высотах мезопаузы при наземных измерениях оптическими методами.
DOI: 10.7868/S0016794014020163
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее ярких процессов, во время которых проявляется динамическое взаимодействие тропосферы, стратосферы и верхних слоев атмосферы, являются события внезапных стратосферных потеплений (ВСП) [Holton, 1980; Mcln-tyre, 1982]. По существующим представлениям [Stan and Straus, 2009] события ВСП могут развиваться за счет двух причин: усиления волновой активности в нижней атмосфере, которое сопровождается ростом потока волновой активности из тропосферы в стратосферу (так называемый классический сценарий, предложенный в работе [Matsuno, 1971]), и/или из-за внутренних динамических процессов, т.е. в результате нелинейного взаимодействия планетарных волн со средним потоком на высотах стратосферы [Scott and Pol-vani, 2006; Погорельцев, 2007]. В последние годы интерес к изучению событий ВСП существенно возрос. Это связано в первую очередь с тем фактом, что результаты исследований, полученные в последние годы, показали существенное влияние стратосферных событий на формирование аномалий погоды и климат в тропосфере [Baldwin and Dunkerton, 2001; Baldwin et al., 2007; Sun and Robinson, 2009; Woollings et al., 2010]. Кроме этого, было получено, что события ВСП влияют на динамику и энергетику верхней атмосферы (мезосферы и даже термосферы) [Siskind et al., 2010; Kurihara et al., 2010; Fuller-Rowell et al, 2010; Funke et al., 2010; Liu et al, 2011; Yuan et al., 2012], т.е. формирование "космической" погоды. Они также проявляются в возмущениях ионосферных характеристик [Pe-datella and Forbes, 2010; Pancheva and Mukhtarov,
2011], что необходимо учитывать при решении задач радиосвязи, радиолокации и навигации. В последние десятилетия отмечается рост активности стационарных планетарных волн (СПВ) в стратосфере [Pogoreltsev et al., 2009] и, как следствие, усиление их нелинейного взаимодействия со средним потоком, которое приводит к возрастанию интенсивности нерегулярных колебаний, так называемых стратосферных васцилляций [Holton and Mass, 1976; Погорельцев, 2007].
Несмотря на отмеченное возрастание интереса к изучению ВСП и их влияния на погоду, климат и верхнюю атмосферу, включая ионосферу, авторы, как правило, ограничиваются анализом особенностей событий, наблюдаемых в последние годы (см., например, [Labitzke and Kunze, 2009; Ayarzaguena et al., 2011; Kuttippurath and Nikulin,
2012]). Вопрос об источнике и/или причине возникновения ВСП остается открытым [Sun et al., 2011]. Выполненный нами на основе данных UK Meteorological Office [Swinbank and O'Neill, 1994] анализ динамических процессов в стратосфере показал, что с точки зрения климатической изменчивости за последние десятилетия (1992— 2012 гг.) происходит переоценка относительной роли различных механизмов возникновения событий ВСП, и внутренние процессы, связанные с нелинейными взаимодействием СПВ со средним потоком, начинают играть преобладающую роль [Pogoreltsev et al., 2009]. На недостаточное внимание к внутренним динамическим процессам при анализе событий ВСП было указано также в недавней работе, посвященной анализу ВСП в январе 2009 г. [Labitzke and Kunze, 2009].
387
7*
Атмосфера Земли представляет собой колебательную систему, в которой могут возбуждаться собственные (резонансные) глобальные колебания, так называемые нормальные атмосферные моды (НАМ) [Longuet-Higgins, 1968; Дикий, 1969; Salby, 1984; Volland, 1988; Madden, 2007]. В настоящее время имеется много работ, посвященных изучению характеристик НАМ в тропосфере и нижней стратосфере на основе анализа глобальных распределений метеорологических полей [Delan, 1964; Eliasen and Machenhauer, 1965; Dikii and Golitsyn, 1968; Madden, 1978; Ahlquist, 1982; Lindzen et al., 1984]. Экспериментальные результаты, полученные в этих работах, суммированы в обзорах [Madden, 1979; Salby, 1984]. В работе [Weber and Madden, 1993] с целью изучения климатологии СПВ и НАМ в нижней атмосфере были проанализированы глобальные распределения метеорологических полей в тропосфере за 10 лет, ассимилированные в модели, ECMWF( (European Center for Medium-Range Weather Forecasts). Аналогичный анализ для стратосферы был выполнен в работе [Fedulina et al., 2004]. Исследования глобальной структуры бегущих планетарных волн в верхней стратосфере, мезосфере и нижней термосфере основаны главным образом на ограниченных во времени рядах наблюдений, полученных из спутниковых измерений [Rodgers, 1976; Hirota and Hirooka, 1984; Hirooka and Hirota, 1985, 1989; Wu et al, 1994; Talaat et al., 2001], и наши знания о глобальных свойствах планетарных волн в этих областях являются отрывочными до настоящего времени. Имеются достаточно длинные временные ряды измерений горизонтальных составляющих скорости ветра в мезосфере и нижней термосфере, полученные с помощью наземных радарных установок [Vincent, 1984], и сравнительный анализ характеристик планетарных волн в различных пунктах наблюдения позволяет делать оценки зонального волнового числа и определять широтную структуру волновых полей [Clark et al, 2001; Роgoreltsev et al., 2002a, b]. Дальнейший прогресс в понимании глобальных динамических процессов в средней атмосфере может быть достигнут, только если результаты анализа спутниковых, а также наземных спектрофотометриче-ских и радарных измерений в мезосфере и нижней термосфере будут дополнены детальным анализом динамической ситуации в стратосфере с использованием глобальных распределений метеорологических полей ассимилированных в моделях общей циркуляции атмосферы [Pogoreltsev et al., 2002b; Talaat et al., 2002; Fedulina et al., 2004]. Наиболее перспективными в этом плане являются данные, ассимилированные в модели UK Met Office [Swinbank and O'Neill, 1994], поскольку в последние годы верхняя граница этой модели была поднята до уровня 0.01 гПа, что позволяет анализировать характеристики планетарных волн на различ-
а- ных высотах, включая мезосферу. Альтернативой ся являются данные, ассимилированные в системе а- NOGAPS-ALPHA (Navy Operational Global Atmo-ые spheric Prediction System — Advanced Level Physics >9; High-Altitude), которые охватывают даже больший о- диапазон высот (0—92 км) и были успешно ис-ых пользованы для изучения характеристик нор-и мальных атмосферных мод в течение последних ь- зим [Sassi et al., 2012]. Наряду с планетарными волей нами приливные и гравитационные волны участву-kii ют в формировании отклика области мезосфера — 2; нижняя термосфера на стратосферные потепления. ь- Так, в работе [Перминов и Перцев, 2013] показано, I в что повышение температуры области мезопаузы e- после стратосферных потеплений сопровождается о- заметным усилением внутрисуточной гравитаци-ли онно-волновой дисперсии температуры. Таким об-ия разом, только комбинация эмпирических и асси-ет, милированных данных с различным временным an разрешением может дать более или менее реали-а- стичную картину реакции мезосферы и термосфе-ен ры на стратосферные потепления. о- Несмотря на то, что НАМ являются неотъем: в лемой частью крупномасштабной атмосферной о- динамики, к сожалению, при моделировании об-н- щей циркуляции атмосферы им уделяется недо-ых статочное внимание. В частности, модели не ана-ta лизируются на возможность воспроизведения 9; глобальных резонансных свойств атмосферы, нет [ о тестирования воспроизведения внутрисезонной их изменчивости, которая в значительной степени го зависит от правильного воспроизведения соб-н- ственных колебаний атмосферы [Погорельцев, о- 2007]. Кроме этого, как отмечалось в работе о- [Madden, 2007], генерация НАМ может быть обу-р- словлена активными погодными образованиями, й интенсивными осадками и другими локальными
3- процессами в тропосфере, которые не воспроизво-ть дятся в механистических моделях атмосферной ть циркуляции. Таким образом, для адекватного опи-al, сания собственных колебаний при моделировании о- циркуляции атмосферы с использованием механи-их стических моделей, необходима разработка эффек-о- тивных схем их параметризации (подобно тому, как и- параметризуются эффекты внутренних гравитаци-е- онных волн, воспроизведение которых невозмож-ей но при существующем разрешении моделей).
эм В настоящей работе предпринята попытка
о- учесть эффекты НАМ путем введения в модель
и- общей циркуляции дополнительных источников
ей нагрева на высотах тропосферы. Эти источники
!b; имеют широтную структуру НАМ (функций Хафа)
ее и периоды, соответствующие основным модам
е, собственных колебаний атмосферы, локализова-
ce ны по высоте, а их интенсивность подбирается та-
д- ким образом, чтобы рассчитанные амплитуды
д- НАМ соответствовали наблюдаемым [Pogoreltsev
о- et al., 2002a,b, 2009; Fedulina et al., 2004; Sassi et al.,
4- 2012].
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для моделирования общей циркуляции атмосферы и оценки роли НАМ в возникновении и развитии событий ВСП использовалась трехмерная нелинейная модель средней и верхней атмосферы (МСВА) [Погорельцев, 2007; Pogoreltsev et al., 2007], разработанная на основе модели CO
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.