Тренды вертикальной составляющей потока волновой активности в Северном полушарии

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

Динамика тропосферы и стратосферы принципиально неразделима, а их динамическое взаимодействие наблюдается в зимний сезон. При этом механизмы, определяющие генерацию и поддержание циркуляции, в этих атмосферных слоях различаются так же, как и протяженность и сила влияния одного атмосферного слоя на другой [Baldwin and Dunkerton, 2001; Chan and Plumb, 2009; Baldwin et al., 2019]. В отличие от тропосферной циркуляции, сложность которой обусловлена большим количеством процессов разных масштабов, связанных с взаимодействием атмосферы с поверхностью Земли, стратосфера в известной степени геострофична, а ее динамика определяется главным образом взаимодействием среднего потока с волновыми и вихревыми структурами [Haynes et al., 1991; Haigh et al., 2005; Haigh and Blackburn, 2006]. Генерируемые орографией и разницей нагрева океанов и материков, планетарные волны распространяются от своих источников в тропосфере, переносят энергию и импульс, вызывая вариации стратосферной циркуляции. Эти вариации, особенно вариации интенсивности стратосферного полярного вихря, вызывают отклик в тропосфере и включают механизм обратной связи, посредством которого стратосфера оказывает влияние на тропосферу [Charney and Drazin, 1961; Chen and Robinson, 1992; Reichler et al., 2005].

Исследования тропосферно-стратосферных связей уже давно занимают центральное место в работах по атмосферной динамике и посвящены анализу как динамического, так и радиационного взаимодействия [Baldwin et al., 2019; Solomon et al., 2010]. Это обусловлено тем, что межгодовые изменения этих связей являются не только индикаторами изменений озонового слоя и климата, но и могут быть использованы в качестве предикторов экстремальных погодных явлений в зимнее время [Robock, 2001; Jadin et al., 2010; Смышляев и др., 2016]. Например, усиленный вертикальный поток волновой активности, приводящий к блокирующему режиму взаимодействия стратосфера–тропосфера, благоприятен для возникновения внезапных стратосферных потеплений (ВСП). Их развитие определяет вариации температурного режима обычно слабоизменчивой стратосферы, а также влияют на температурный режим тропосферы и циклогенез [Polvani and Waugh, 2004; Scott and Polvani, 2006; Погорельцев и др., 2014; Варгин и др., 2015; Гечайте и др., 2016]. В настоящее время прогнозирование ВСП, как явления, наиболее ярко влияющего на динамику стратосферы, лучшими прогностическими численными моделями в среднем ограничено ~10 сут [Karpechko et al., 2018]. Поэтому исследования динамики стратосферы в целом и влияния на нее динамики тропосферы в частности в последние годы остаются актуальными и связаны с возможностью совершенствования сезонных прогнозов, путем улучшения воспроизведения динамики стратосферы в моделях.

В работе [Rakushina et al., 2018] с использованием данных реанализов был проведен анализ климатической изменчивости амплитуд стационарных планетарных волн с разными зональными волновыми числами от уровня тропосферы до нижней мезосферы. Различные наборы данных показали статистически значимую внутрисезонную изменчивость амплитуд стационарных планетарных волн с зональным волновым числом m = 2 (СПВ2), которая увеличивается в последние десятилетия в стратосфере средних широт. Анализ изменений стационарных планетарных волн с зональным волновым числом m = 1 (СПВ1) продемонстрировал существенный рост амплитуд в декабре и их ослабление в январе−феврале в стратосфере высоких и средних широт. Роль взаимодействия атмосферных волн с зональными волновыми числами 1 и 2 в динамическом взаимодействии стратосферы и тропосферы, а также его внутрисезонные особенности были исследованы в работе [Wei et al., 2021]. В частности показано, что наблюдаются различия в распространении волновой активности и в межволновом взаимодействии в первой и второй половине зимнего сезона.

Анализ изменчивости амплитуд планетарных волн и их влияния на динамический и температурный режимы также проводился по результатам численного моделирования глобальной атмосферной циркуляции [Liu et al., 2004; Koval et al., 2022a; 2023]. Результаты показали, что учет планетарных волн с различными периодами при проведении численных экспериментов приводит к существенным изменениям скорости среднезонального ветра, компонент меридиональной циркуляции и, как следствие, фоновой температуры. Вариации стратосферно-тропосферного взаимодействия являются следствием наблюдаемых и моделируемых изменчивостей амплитуд планетарных волн [Thompson et al., 2006; Pogoreltsev et al., 2009; Koval et al., 2022b].

Целью данной работы является исследование межгодовой изменчивости стратосферно-тропосферного динамического взаимодействия. Для этого было проанализировано распространение планетарных волн в атмосфере с использованием трехмерных потоков волновой активности, рассчитанных с применением подхода Пламба, которые являются индикатором и важным фактором вышеупомянутого взаимодействия, на основе данных реанализа JRA-55 [Kobayashi et al., 2015]. Вертикальная составляющая потока волновой активности была усреднена по трем широтно-долготным секторам Северного полушария для месяцев с декабря по март, построены временные ряды и оценена значимость обнаруженных трендов.

2. МЕТОДОЛОГИЯ

Потоки волновой активности с применением подхода, предложенного Р.А. Пламбом, обычно рассматриваются при анализе дивергенции потока в горизонтальной плоскости распространения планетарных волн в атмосфере и их воздействия на зональную циркуляцию [Andrews and McIntyre, 1976; Plumb, 1985]. Этот подход подразумевает расчет направления распространения волнового пакета в трехмерной системе координат, что успешно применяется в изучении вертикального распространения волн из стратосферы и тропосферу [Zyulyaeva and Zhadin, 2009; Гечайте и др., 2016] и их отражения в обратном направлении [см., например, Vargin et al., 2022]. Трехмерный поток волновой активности Пламба по сравнению с двумерным потоком Элиассена−Пальма позволяет анализировать региональное динамическое взаимодействие стратосферы и тропосферы, а также региональные особенности распространение волновой активности [Wei et al., 2021; Gečaitė, 2021]. Трехмерный вектор потока волновой активности описывает распространение планетарных волн вдоль долготы (Fx), широты (Fy), высоты (Fz):

$F_s=\left(\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\end{array}\right)=\frac{P}{P_0}\cos \phi \left(\begin{array}{c}{v^{\text{'}}}^2-\frac{1}{2\Omega a\sin 2\phi }\frac{\partial \left(v^{\text{'}}{\varphi }^{\text{'}}\right)}{\partial \lambda }\\ -u^{\text{'}}{v}^{\text{'}}+\frac{1}{2\Omega a\sin 2\phi }\frac{\partial \left(u^{\text{'}}{\varphi }^{\text{'}}\right)}{\partial \lambda }\\ \frac{2\Omega \sin \phi }{S}\left[v^{\text{'}}{T}^{\text{'}}-\frac{1}{2\Omega a\sin 2\phi }\frac{\partial \left(T^{\text{'}}{\varphi }^{\text{'}}\right)}{\partial \lambda }\right]\end{array}\right)$, (1)

где P – давление; P₀ – давление, равное 1000 гПа; Ω – угловая скорость вращения Земли; λ – долгота; φ – широта; a – радиус Земли; S – параметр статической устойчивости; u′ – возмущение зональной скорости (отклонение от усредненного по долготе значения); v′ – возмущение меридиональной скорости; T′ – возмущение температуры; ϕ' – возмущение геопотенциала. Параметр статической устойчивости определяется следующим образом:

$S=\frac{\partial \widehat{T}}{\partial z}+\frac{k\widehat{T}}{H}$, (2)

где $\widehat{T}$ – температура, усредненная по территории к северу от 20° N; k – коэффициент теплопроводности; H – масштаб высоты.

3. ДАННЫЕ И ПОТОКИ ВОЛНОВОЙ АКТИВНОСТИ В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ

Данные температуры воздуха, скорости зонального и меридионального ветра, давления и геопотенциальной высоты взяты из базы данных JRA-55 и усреднены за каждый месяц с 1958 по 2021 гг. Эти данные использовались для расчета потоков волновой активности Пламба, характеризующих распространение планетарных волн и стратосферно-тропосферное динамическое взаимодействие. Усредненные значения вертикальной составляющей потока за все годы наблюдений для декабря, января, февраля и марта в Северном полушарии на 20 км представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Вертикальная составляющая трехмерного потока волновой активности (м2/с2), усреднeнная за 64 года (1958−2021 гг.): (а) – декабрь, (б) – январь, (в) – февраль, (г) – март, высота 20 км. Данные JRA-55.

 

Результаты показывают зону распространения восходящего потока волновой активности над Дальним Востоком России и отсутствие заметной зоны распространения нисходящего потока. В первые зимние месяцы наблюдаются наибольшие значения вертикальной составляющей потоков волновой активности Пламба из тропосферы в стратосферу – рис. 1а и 1б.

Для примера, на рис. 2 показаны усредненные за 10 лет (2008−2017 гг.) значения вертикальной компоненты потока волновой активности для месяцев с декабря по март. Нисходящие потоки волновой активности из стратосферы в тропосферу наблюдаются над Гренландией и севером Канады, но значения практически на порядок меньше в сравнении со значениями восходящих потоков.

 

Рис. 2. Вертикальная составляющая трехмерного потока волновой активности (м²/с²), усреднeнная за 10 лет (2008−2017 гг.): (а) – декабрь, (б) – январь, (в) – февраль, (г) – март, высота 20 км. Данные JRA-55.

 

Полученное усреднение позволило определить области разделения территории Северного полушария на широтно-долготные сектора для дальнейшего исследования межгодовой изменчивости вертикальной составляющей потока, построения и оценки линейного тренда. Выбранные сектора представлены на рис. 1а. К первому сектору (I) относится большая часть Европы, север Африки, европейская часть России и Ближний Восток, ко второму (II) – азиатская часть России и страны Азии (где наблюдается максимум восходящего потока волновой активности), к третьему (III) – Канада, Гренландия, США и Северная Атлантика (где наблюдается максимум нисходящего потока волновой активности).

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

С целью исследования межгодовой изменчивости стратосферно-тропосферного взаимодействия, среднемесячные значения вертикальной составляющей потока волновой активности были усреднены в каждом секторе в областях ее наблюдаемых вариаций, т.е. в полосе 37.5−77.5° N. Усреднения проводились для уровня 20 км (50 гПа), и результаты получены отдельно для каждого месяца с декабря по март за период с 1958 по 2021 гг. Расчеты были также выполнены для более высоких уровней, и полученные тенденции при этом сохраняются. Для временных зависимостей построены линейные тренды и определялась их статистическая значимость. Значения уровней значимости для всех секторов и месяцев за период с 1958 по 2021 гг. представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Уровни значимости трендов в каждом секторе для исследуемых месяцев за период с 1958 по 2021 гг.

Сектор	Декабрь	Январь	Февраль	Март
I	не значим	5%	не значим	не значим
II	не значим	5%	не значим	10%
III	не значим	5%	не значим	не значим

 

На рис. 3 представлены временные изменчивости вертикальной составляющей потока волновой активности в каждом секторе для декабря. Ожидалось, что наиболее интересные результаты будут во II секторе, где наблюдаются максимальные значения восходящего потока волновой активности, и особое внимание нужно уделить III сектору, где в некоторые годы наблюдаются отрицательные значения вертикальной компоненты потока Пламба. Значения потока волновой активности во II секторе в 2 раза больше значений в III секторе и в 3−4 раза больше значений в I секторе, что характерно для всех рассматриваемых месяцев.

 

Рис. 3. Временная изменчивость вертикальной составляющей потока волновой активности за 64 года (1958−2021 гг.) для декабря на уровне 20 км, усредненной для: (а) – I сектора, (б) – II сектора, (в) – III сектора в полосе 37.5−77.5° N. Данные JRA-55.

 

Из рис. 3в видно, что в III секторе в декабре наблюдается незначительное увеличение волновой активности за период с 1958 по 2021 гг., но статистическая значимость полученных результатов низкая. Статистически значимых трендов в остальных секторах не наблюдается. Однако было решено отдельно рассмотреть межгодовую изменчивость вертикальной составляющей потока, усредненную по тем же параметрам за период с 1980 по 2021 гг. (рис. 4), так как с 1980 г. данные реанализов, в том числе используемого в этой работе, были значительно улучшены посредством использования при ассимиляции спутниковых данных [Gelaro et al., 2017]. Значения уровней значимости для всех секторов и месяцев за этот период представлены в табл. 2.

 

Рис. 4. Временная изменчивость вертикальной составляющей потока волновой активности за 1980−2021 гг. для декабря на уровне 20 км, усредненной для: (а) – I сектора, (б) – II сектора, (в) – III сектора в полосе 37.5–77.5° N. Данные JRA-55.

 

Таблица 2. Уровни значимости трендов в каждом секторе для исследуемых месяцев за период с 1980 по 2021 гг.

Сектор	Декабрь	Январь	Февраль	Март
I	10%	20%	не значим	25%
II	не значим	1%	не значим	5%
III	не значим	не значим	не значим	не значим

 

Результаты расчета и усреднения по секторам вертикальной составляющей потока волновой активности с 1980 г. для декабря на рис. 4 показывают, что во II секторе также не наблюдается статистически значимого тренда, но и в III секторе линейный тренд не значим. Значимым становится тренд в I секторе (уровень значимости 10%), в котором наблюдается уменьшение потока волновой активности из тропосферы в стратосферу. Стоит отметить, что в декабре в III секторе наблюдается один из максимумов (для этого сектора) усредненного восходящего потока волновой активности в 2017 г., хотя в этой области нисходящие потоки наблюдаются чаще.

На рис. 5 показаны результаты для января. Как и ожидалось, максимальные значения восходящей составляющей потока волновой активности наблюдаются во II секторе, но межгодовое усиление характерно не для каждого месяца. В январе, в свою очередь, увеличение потока волновой активности из тропосферы в стратосферу характерно для всех секторов и тренд статистически значим при уровне значимости 5%.

 

Рис. 5. Временная изменчивость вертикальной составляющей потока волновой активности за 64 года (1958−2021 гг.) для января на уровне 20 км, усредненной для: (а) – I сектора, (б) – II сектора, (в) – III сектора в полосе 37.5−77.5° N. Данные JRA-55.

 

При анализе усредненных значений с 1980 г. увеличивается значимость линейного тренда во II секторе, т.е. наблюдается усиление восходящей ветви вертикальной составляющей потока Пламба. В I секторе статистическая значимость становится низкой (уровень значимости 20 %), а в III – тренд не значим. Кроме этого, в январе, наряду с декабрем, наблюдаются максимальные (для этого сектора) значения восходящего потока волновой активности в III секторе в 1980 и 1994 г.

Отсутствие статистически значимых трендов в феврале за период с 1958 по 2021 гг. показано на рис. 6. Выводы не меняются при анализе результатов расчета с 1980 г. Здесь стоит отметить, что за все исследуемые годы и месяцы, в феврале в I и III секторе наблюдаются максимальные значения нисходящего потока волновой активности в 2015 г. и 2017 г. соответственно; максимальные значения потока волновой активности из тропосферы в стратосферу во II (1973 г. и 1989 г.) и в III секторах (2015 г.).

 

Рис. 6. Временная изменчивость вертикальной составляющей потока волновой активности за 64 года (1958−2021 гг.) для февраля на уровне 20 км, усредненной для: (а) – I сектора, (б) – II сектора, (в) – III сектора в полосе 37.5−77.5° N. Данные JRA-55.

 

Результаты для марта на рис. 7 показывают увеличение восходящего потока волновой активности во II секторе за период с 1958 по 2021 гг. В I и III секторах линейный тренд статистически не значим. Значимость во II секторе увеличивается при анализе результатов с 1980 г., т.е. уровень значимости с 10% изменяется до 5%. Кроме этого, увеличивается статистическая значимость тренда в I секторе, но этого недостаточно для выводов о каких-либо климатических изменениях. В марте наблюдается пик восходящего потока волновой активности Пламба в I секторе в 2013 г.

 

Рис. 7. Временная изменчивость вертикальной составляющей потока волновой активности за 64 года (1958−2021 гг.) для марта на уровне 20 км, усредненной для: (а) – I сектора, (б) – II сектора, (в) – III сектора в полосе 37.5−77.5° N. Данные JRA-55.

 

5. ВЫВОДЫ

С целью исследования межгодовой изменчивости стратосферно-тропосферного взаимодействия, на основе данных реанализа была проанализирована вертикальная составляющая трехмерного потока волновой активности, рассчитанная с использованием подхода Пламба. Эта составляющая характеризует вертикальное распространение планетарных волн в атмосфере и является индикатором стратосферно-тропосферного обмена энергией и импульсом. Вертикальная компонента потока была усреднена по трем регионам Северного полушария для месяцев с декабря по март, и была проанализирована за 64-летний период с 1958 г. по 2021 г.

Статистические оценки рассчитанных трендов потоков волновой активности показали увеличение восходящей из тропосферы в стратосферу волновой активности в январе и марте над Дальним Востоком России. Здесь стоит отметить, что второй регион (из рассмотренных трех) характеризуется самыми высокими значениями вертикальной компоненты потока волновой активности. В связи с этим, полученное увеличение этой компоненты в данном регионе может приводить к возрастанию частоты формирования волн холода в тропосфере средних широт в январе и в феврале (в случае долгих ВСП) над умеренными широтами Восточной Азии [Huang et al., 2021]. Увеличение волновой активности в марте также подтверждается развитием минорных и главных, т.е. сопровождающихся изменением направления среднезонального ветра, ВСП в этом месяце, которые стали чаще наблюдаться в этом столетии. Чаще эти ВСП являются финальными, т.е. наблюдается динамический переход стратосферы в летний режим. В таких ситуациях наблюдается ранее разрушение стратосферного полярного вихря и как следствие восполнение озонового слоя над полюсом. Межгодовое уменьшение восходящей компоненты потока с 1980 г. наблюдается только в декабре над европейской частью России, Европой и Ближним Востоком. Это, в свою очередь, может приводить к тому, что волны холода, как реакция на ослабление полярного вихря в момент ВСП в декабре, наблюдаются реже над Северной Европой [Kolstad et al., 2010; Tomassini et al., 2012]. Нисходящие потоки волновой активности наблюдаются над севером Северной Америки, но в некоторые годы регистрируются и в первом секторе, над Европой, с января по март.

Для анализа регионального влияния изменчивости потока волновой активности на температурный и ветровой режим необходимо учитывать различные фазы естественных долгопериодных осцилляций, например квазидвухлетнее колебание (КДК) зонального ветра в экваториальной стратосфере и/или Эль-Ниньо Южное колебание (ЭНЮК). Кроме этого, следствием анализа в работе среднемесячных данных является сглаживание возможных кратковременных периодов резкого изменения волновой активности на разных стадиях ВСП, а также исключение влияния гравитационных волн. Последние, в свою очередь, вносят вклад в “подготовку” стратосферного полярного вихря при формировании ВСП [Cullens and Thurairajah, 2021]. Поэтому для того, чтобы расширить исследование, для более детального изучения трендов волновой активности в дальнейшем планируется использовать результаты численного моделирования общей циркуляции атмосферы, в том числе с учетом различных комбинаций КДК и ЭНЮК.

6. ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда РНФ, грант № 20-77-10006-П, https://rscf.ru/project/20-77-10006/.

7. КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

К. А. Диденко

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН; Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: didenko@izmiran.ru
Россия, Троицк; Санкт-Петербург

Т. С. Ермакова

Санкт-Петербургский государственный университет; Российский государственный гидрометеорологический университет

Email: taalika@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

А. В. Коваль

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: a.v.koval@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Е. Н. Савенкова

Российский государственный гидрометеорологический университет

Email: savenkova.en@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы