Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 5. С. 307-316
Циркуляционные структуры в полярной стратосфере Северного полушария во время зим 2019–2021 гг.
Д.С. Хабитуев
1 , Б.Г. Шпынев
1 1 Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия
Одобрена к печати: 18.09.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-5-307-316
Работа посвящена исследованию особенностей циркуляции верхней стратосферы в спокойные и возмущённые периоды. Проводится сравнительный анализ блокирующих свойств полярного стратосферного вихря во время декабря и января 2019–2021 гг. на основе траекторного анализа. В качестве исходных данных использованы данные реанализа European Reanalysis 5-го поколения (ERA5). Для определения внутренней границы полярного вихря используется метод запуска пробных частиц в трёхмерном поле значений скорости ветра, которые формируют замкнутые циркуляционные структуры. Рассмотрены основные различия формирования и динамики таких структур для разных периодов. Показано, что во время развития главной фазы внезапного стратосферного потепления, которое протекало в январе 2021 г., циркуляционная структура вихря разрушается, что способствует значительному «меридиональному» перемешиванию полярной стратосферы. Зафиксировано появление спорадических дополнительных внутренних циркуляционных колец внутри основной структуры полярного вихря. Проведены оценки средней вертикальной скорости перемещения пробных частиц.
Ключевые слова: полярный стратосферный вихрь, внезапные стратосферные потепления, лагранжевы когерентные структуры
Полный текстСписок литературы:
- Варгин П. Н., Володин Е. М., Карпечко А. Ю., Погорельцев А. И. О стратосферно-тропосферных взаимодействиях // Вестн. Российской акад. наук. 2015. Т. 85. № 1. С. 39–46. DOI: 10.7868/S0869587315010181.
- Варгин П. Н., Гурьянов В. В., Лукьянов А. Н., Вязанкин А. С. Динамические процессы стратосферы Арктики зимой 2020–2021 г. // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57. № 6. C. 651–664. DOI: 10.31857/S0002351521060109.
- Зуев В. В., Савельева Е. С., Павлинский А. В. Анализ динамики арктического полярного вихря во время внезапного стратосферного потепления в январе 2009 г. // Проблемы Арктики и Антарктики. 2021. Т. 67. № 2. С. 134–146. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2021-67-2-134-146.
- Мордвинов В. И., Латышева И. В. Теория общей циркуляции атмосферы, изменчивость крупномасштабных движений. M.: Изд-во ИГУ, 2013. 193 с.
- Савельева Е. С. Динамика антарктического полярного вихря во время внезапного стратосферного потепления в 2002 г. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 1. С. 50–55. DOI: 10.15372/AOO20200107.
- Baldwin M. P., Dunkerton T. J. Propagation of the Arctic Oscillation from the stratosphere to the troposphere // J. Geophysical Research. 1999. V. 104. P. 30937–30946.
- Baldwin M. P., O’Sullivan D. Stratospheric effects of ENSO-related tropospheric circulation anomalies // J. Climate. 1995. V. 4. P. 649–667.
- Baldwin M. P., Hirooka T., O’Neil A., Yoden S. Major stratospheric warming in the Southern Hemisphere in 2002: Dynamical aspects of the ozone hole split // SPARC Newsletter. 2003. V. 20. P. 24–26.
- Bowman K. Large-scale isentropic mixing properties of the Antarctic polar vortex from analyzed winds // J. Geophysical Research. 1993. V. 98. P. 23013–23027. DOI: 10.1029/93JD02599.
- Brasseur G., Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere. Springer, 2005. 646 p.
- Butchart N. The Brewer-Dobson circulation // Reviews of Geophysics. 2014. V. 52. P. 157–184. DOI: 10.1002/2013RG000448.
- Douville H. Stratospheric polar vortex influence on Northern Hemisphere winter climate variability // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. No. 18. Article L18703. DOI: 10.1029/2009GL039334.
- Goncharenko L. P., Chau J. L., Liu H.-L., Coster A. J. Unexpected connections between the stratosphere and ionosphere // Geophysical Research Letters. 2010. V. 37. No. 10. Article L10101. DOI: 10.1029/2010GL043125.
- Harvey V. L., Randall C. E., Bailey S. M. et al. Improving ionospheric predictability requires accurate simulation of the mesospheric polar vortex // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2022. V. 9. DOI: 10.3389/fspas.2022.1041426.
- Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA5 global reanalysis // Quarterly J. Royal Meteorological Society. 2020. V. 146. P. 1999–2049. DOI: 10.1002/qj.3803.
- Jadin E. A. Stratospheric “wave hole” and interannual variations of the stratospheric circulation in late winter // Natural Science. 2011. V. 3. No. 4. P. 259–267. DOI: 10.4236/ns.2011.34033.
- Klimenko M. V., Klimenko V. V., Koren’kov Yu. N. et al. Modeling of response of the thermosphere-ionosphere system to sudden stratospheric warmings of years 2008 and 2009 // Cosmic Research. 2013. V. 51. No. 1. P. 54–63. DOI: 10.1134/S001095251301005X.
- Pancheva D., Mukhtarov P. Stratospheric warmings: The atmosphere – ionosphere coupling paradigm // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2011. V. 73. No. 113. P. 1697–1702. DOI: 10.1016/j.jastp.2011.03.006.
- Pedatella N. Ionospheric variability during the 2020–2021 SSW: COSMIC-2 observations and WACCM-X simulations // Atmosphere. 2022. V. 13. No. 3. Article 368. DOI: 10.3390/atmos13030368.
- Pertsev N., Dalin P. Lunar semimonthly signal in cloudiness: lunar-phase or lunar-declination effect? // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2010. V. 72. P. 713–717. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.03.013.
- Petkov B., Vitale V., Di Carlo P. et al. The 2020 Arctic ozone depletion and signs of its effect on the ozone column at lower latitudes // Bull. Atmospheric Science and Technology. 2021. V. 2. Article 8. DOI: 10.1007/s42865-021-00040-x.
- Serra M., Sathe P., Beron-Vera F., Haller G. Uncovering the Edge of the Polar Vortex // J. Atmospheric Sciences. 2017. V. 74. No. 11. P. 3871–3885. DOI: 10.1175/JAS-D-17-0052.1.
- 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.
- Shpynev B. G., Khabituev D. S., Chernigovskaya M. A., Zorkaltseva O. S. Role of winter jet stream in the middle atmosphere energy balance // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2019. V. 188. P. 1–10. DOI: 10.1016/j.jastp.2019.03.008.
- Smith M. L., McDonald A. J. A quantitative measure of polar vortex strength using the function M // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2014. V. 119(10). P. 5966–5985. DOI: 10.1002/2013JD020572.
- Waters J. W., Froidevaux L., Harwood R. S. et al. The Earth Observing System Microwave Limb Sounder (EOS MLS) on the Aura satellite // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2006. V. 44. P. 1075–1092. DOI: 10.1109/TGRS.2006.873771.
- Waugh D. W., Polvani L. M. Stratospheric polar vortices // The Stratosphere: Dynamics, Transport, and Chemistry. Geophysical Monograph Ser. 2010. V. 190. P. 43–57. https://doi.org/10.1029/GM190.
- Yasyukevich A. S., Chernigovskaya M. A., Shpynev B. G. et al. Features of Winter Stratosphere Small-Scale Disturbance during Sudden Stratospheric Warmings // Remote Sensing. 2022. V. 14. Article 2798. DOI: 10.3390/rs14122798.