Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 247-258
Роль озонового слоя в формировании зимнего струйного течения в средней атмосфере
Б.Г. Шпынев
1 , Д.С. Хабитуев
1 , М.А. Черниговская
1 1 Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия
Одобрена к печати: 11.03.2019
DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-2-247-258
В работе рассмотрены физические механизмы, ответственные за создание плоско-слоистых струйных течений в зимней стратосфере, которые переносят энергию и импульс из экваториальной области в полярный регион и обеспечивают глобальную циркуляцию Брюера – Добсона. Показано, что в отличие от традиционного представления о балансе между энергией солнечного ультрафиолетового излучения, поглощаемого озоном в стратосфере в полосе Хартли, и энергией потерь вследствие инфракрасного излучения молекул СО2, О3 и Н2О такой баланс в действительности не выполняется. Отмечено, что дисбаланс этих энергий, наблюдаемый в спутниковых экспериментах, может быть объяснён динамическим механизмом, увеличивающим гравитационный потенциал воздуха в тропической стратосфере и формирующим бароклинную неустойчивость «экватор/зимний полюс», которая генерирует струйное течение. Струйные течения переносят энергию и импульс из летней тропической области в зимнюю полярную и обеспечивают нисходящую ветвь глобальной циркуляции Брюера – Добсона. Выделение потенциальной энергии при опускании стратосферного струйного течения составляет ~1018 Вт/сут, масса воздуха, доставляемого струйным течением в область тропопаузы, оценивается как ~1014 кг/сут. На основе данных реанализа ECMWF ERA-Interim проведено исследование движения пробных частиц стратосферного воздуха из области генерации избытка гравитационного потенциала на высотах озонового слоя летней тропической стратосферы (40–50 км) до высот зимней тропопаузы, где стратосферный воздух завершает движение, участвуя в циклогенезе. Продолжительность нисходящей части циркуляции Брюера – Добсона в зимней стратосфере/тропосфере составляет в среднем 50–70 дней.
Выделение потенциальной энергии при опускании стратосферного струйного течения составляет ~1018 Вт/сут, масса воздуха, доставляемого струйным течением в область тропопаузы, оценивается, как ~1014 кг/сут. На основе данных реанализа ECMWF ERA-Interim проведено исследование движения пробных частиц стратосферного воздуха из области генерации избытка гравитационного потенциала на высотах озонового слоя летней тропической стратосферы (40-50 км) до высот зимней тропопаузы, где стратосферный воздух завершает свое движение, участвуя в циклогенезе. Продолжительность нисходящей части циркуляции Брюера-Добсона в зимней стратосфере/тропосфере составляет в среднем 50-70 дней.
Ключевые слова: циркуляция средней атмосферы, стратосферное струйное течение, энергетический баланс в стратосфере и тропосфере, циркуляция Брюера – Добсона
Полный текстСписок литературы:
- Варгин П. Н., Медведева И. В. Исследование температурного и динамического режимов внетропической атмосферы северного полушария в период внезапного стратосферного потепления зимой 2012–2013 гг. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 1. С. 20–38. DOI: 10.7868/S0002351514060170.
- Шпынев Б. Г., Черниговская М. А., Хабитуев Д. С. Спектральные характеристики атмосферных волн, генерируемых зимним стратосферным струйным течением северного полушария // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 120–131. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-120-131.
- Baldwin M. P., Dunkerton T. J. Stratospheric harbingers of anomalous weather regimes // Science. 2001. V. 294. P. 581–584.
- Brasseur G., Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere. Dordrecht: Springer, 2005. 644 p.
- Cohen N. Y., Gerber E. P., Bühler O. Compensation between resolved and unresolved wave driving in the stratosphere: Implications for downward control // J. Atmospheric Sciences. 2013. V. 70. No. 12. P. 3780–3798.
- Dee D. P., Uppala S. M., Simmons A. J., Berrisford P., Poli P., Kobayashi S., Andrae U., Balmaseda M. A., Balsamo G., Bauer P., Bechtold P., Beljaars A. C.M., van de Berg L., Bidlot J., Bormann N., Delsol C., Dragani R., Fuentes M., Geer A. J., Haimberger L., Healy S. B., Hersbach H., Hólm E. V., Isaksen L., Kållberg P., Köhler M., Matricardi M., McNally A. P., Monge-Sanz B. M., Morcrette J.-J., Park B.-K., Peubey C., de Rosnay P., Tavolato C., Thépaut J.-N., Vitart F. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system // Quarterly J. Royal Meteorological Society. 2011. V. 137. P. 553–597. DOI: 10.1002/qj.828.
- Gille J. C., Russell J. M. III The limb infrared monitor of the stratosphere: Experiment description, performance, and results // J. Geophysical Research. 1984. V. 89. P. 5125–5140.
- Kolstad E., Breiteig T., Scaife A. The association between stratospheric weak polar vortex events and cold air outbreaks in the Northern Hemisphere // Quarterly J. Royal Meteorological Society. 2010. V. 136. P. 886–893.
- Labitzke K. On the Mutual Relation between Stratosphere and Troposphere during Periods of Stratospheric Warmings in Winter // J. Applied Meteorology and Climatology. 1965. V. 4. P. 91–99.
- Liu H.-L., Roble R. G. A study of a self-generated stratospheric sudden warming and its mesospheric-lower thermospheric impacts using the coupled TIME-GCM/CCM3 // J. Geophysical Research. 2002. V. 107. No. D23. P. 4695. DOI: 10.1029/2001JD001533.
- Matsuno T. A dynamic model of the stratospheric sudden warming // J. Atmospheric Sciences. 1971. V. 28. P. 1479–1494. DOI: 10.1175/1520-0469(1971)028<1479:ADMOTS>2.0.CO;2.
- Maute A., Hagan M. E., Yudin V., Liu H., Yizengaw E. Causes of the longitudinal differences in the equatorial vertical E × B drift during the 2013 SSW period as simulated by the TIME-GCM // J. Geophysical Research Space Physics. 2015. P. 1–20. DOI: 10.1002/2015JA021126.
- Mlynczak M. G., Mertens C. J., Garcia R. R., Portman R. W. A detailed evaluation of the stratospheric heat budget, 2. Global radiation balance and diabatic circulations // J. Geophysical Research. 1999. V. 104. P. 6039–6066.
- Namias J. Seasonal persistence and recurrence of European blocking during 1958–1960 // Tellus. 1964. V. 16. P. 394–407.
- Pogoreltsev A. I., Vlasov A. A., Fröhlich K., Jacobi Ch. Planetary waves in coupling the lower and upper atmosphere // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2007. V. 69. P. 2083–2101. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.05.014.
- Reber C. A., Trevathan C. E., McNeal R. J., Luther M. R. The Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) mission // J. Geophysical Research. 1993. V. 98. P. 10643–10647.
- Richmond A. D., Ridley E. C., Roble R. G. A thermosphere/ionosphere general circulation model with coupled electrodynamics // Geophysical Research Letters. 1992. V. 6. P. 601–604.
- Shpynev B. G., Churilov S. M., Chernigovskaya M. A. Generation of waves by jet stream instabilities in winter polar stratosphere/mesosphere // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2015. V. 136. P. 201–215. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.07.005.
- Taguchi M. Is There a Statistical Connection between Stratospheric Sudden Warming and Tropospheric Blocking Events? // J. Atmospheric Sciences. 2008. V. 65. No. 4. P. 1442–1454.
- Thompson D. W. J., Baldwin M. P., Wallace J. M. Stratospheric connection to Northern Hemisphere wintertime weather: Implications for predictions // J. Climate. 2002. V. 15. P. 1421–1428.
- Tomassini L., Gerber E. P., Baldwin M. P., Bunzel F., Giorgetta M. The role of stratosphere troposphere coupling in the occurrence of extreme winter cold spells over northern Europe // J. Advances in Modeling Earth Systems. 2012. V. 4. M00A03. DOI: 10.1029/2012MS000177.
- Yiğit E., Aylward A. D., Medvedev A. S. Parameterization of the effects of vertically propagating gravity waves for thermosphere general circulation models: Sensitivity study // J. Geophysical Research. 2008. V. 113. D19106. DOI: 10.1029/2008JD010135.
- Yiğit E., Knížova P. K., Georgieva K., Ward W. A review of vertical coupling in the Atmosphere–Ionosphere system: Effects of waves, sudden stratospheric warmings, space weather, and of solar activity // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2016. V. 141. P. 1–12. DOI: 10.1016/j.jastp.2016.02.011.