Влияние межгодовых вариаций температуры поверхности океана на циркуляцию стратосферы и озоновый слой (1097496), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Ситуация аналогична интерференции двухисточников света в оптике, где интерференционная картина сильнозависит от расстояния между источниками. Этот сигнал долженнаиболее ясно проявляться в стратосфере зимой-весной, поскольку втропосфере он сильно замаскирован высокочастотным погоднымшумом.Последующие главы диссертации посвящены анализу данныхнаблюдений с целью подтвердить реальность механизма волновойгипотезы. Для этого были использованы среднемесячные данныеспутниковых измерений общего содержания озона TOMS (19791992 гг.), зонального ветра банка данных НациональногоМетеорологического Центра США (NMC) для расчетовстратосферного момента импульса (Stratospheric Angular Momentum- SAM) в слое от 100 гПа до 0,4 гПа, реанализа NCEP/NCAR ианомалий температуры поверхности Тихого, Атлантического иИндийского океанов COADS (NOAA). Стратосферный моментимпульса, описывающий супервращение стратосферы в целомотносительно Земли, является полезным индикатором как дляизучения воздействия планетарных и гравитационных волн назональную циркуляцию стратосферы, так и для исследования связейс изменениями содержания озона.
Выражение для среднеглобального стратосферного момента импульса может бытьзаписано в видеSAM= 2π a3g− 1∫u cos2ϕ d ϕ dpгде u – среднезональный ветер стратосферы, a - радиус Земли, g ускорение свободного падения, интегрирование распространяется повысоте от 100 гПа до 0,4 гПа (~15-50 км) в глобальном масштабе.Воздействие планетарных и гравитационных волн на динамикустратосферы проявляется в изменениях зонального ветра, поэтомувариации SAM отражают изменения волновой активностистратосферы и косвенным образом соответствуют принципу Хейнса[Haynes, P.H., et al., J.
Atm. Sci., 47, 651-678, 1991], согласнокоторому изменения циркуляции на данной высоте зависят отинтегрального воздействия волн выше этого уровня.Для выделения главных мод изменчивости полей и исследованиянелокальных связей изменяющихся во времени двух полей былоиспользовано разложение по эмпирическим ортогональнымфункциям (ЭОФ) и сингулярный (Singular Value Decomposition 9SVD) метод разложения двух изменяющихся во времени полей длянахождения наиболее сильно связанных мод этих полей.Были рассчитаны отклонения рассматриваемых полей от ихсреднего за 1979-1992 гг. (аномалии) для каждого из месяцев, удаляятаким образом сезонный ход каждого из переменных. Описаниебанков данных и методов анализа содержится в главе 4диссертации.Глава 5 посвящена исследованию изменений атмосферногомомента импульса (Atmospheric Angular Momentum - AAM) и связейвариаций AAM с изменениями скорости вращения Земли илипродолжительности суток (Length Of Day - LOD) на коротких (отсуток до 2-3 лет) и более длительных временных масштабах.
Ранеебыло установлено хорошее соответствие вариаций тропосферного(в слое 1000-100 гПа) момента импульса AAM(100) ипродолжительности суток на коротких временных масштабах[Hide,R., and J.O.Dickey, Science, 253, 629-637, 1991]. Однако, внекоторые годы наблюдались заметные рассогласования междуAAM(100) и LOD. Включение стратосферы в расчеты атмосферногомомента импульса привело к почти полному совпадению измененийполного атмосферного момента AAM (в слое 1000 гПа-0,4 гПа) ипродолжительности суток на коротких временных масштабах. Этоозначает, что на этих временных масштабах изменения скоростивращения Земли вызваны атмосферным воздействием [23].Для проверки надежности данных измерений зонального ветраатмосферы было проведено сравнение изменений полногоатмосферного момента импульса с высокоточными измерениямиизменений скорости вращения Земли или продолжительности суток.Сравнение показало, что на коротких временных масштабах (отсуток до 2-3 лет) причиной изменений скорости вращения Землиявляется воздействие атмосферы, а на более длительных масштабахмедленные процессы внутри Земли дают большое рассогласование всвязьизмененийатмосферногомоментаимпульсаипродолжительности суток.
Таким образом, было получено еще однонезависимое подтверждение точности используемых данныхатмосферных динамических параметров. Рассчитанные для каждогодня изменения полного атмосферного момента показываютсущественное увеличение AAM и LOD во время явлений Эль-Ниньо1982/83, 1986/87 и 1991/92 годов, а также значительные различиямежду AAM и LOD на длительных временных масштабах, которыевызваны воздействием процессов внутри Земли на измененияскорости вращения Земли.10Расчеты среднемесячных аномалий глобально-средних значенийтропосферного AAM(100) и стратосферного моментов показали, чтоглобально-средняя тропосферная циркуляция наиболее сильнореагирует на явления Эль-Ниньо/Ла-Нина [Rosen,R.D., et al., Science,225, 411-414, 1984], что также свойственно и глобально-среднейстратосферной циркуляции.
Однако, в [5,6] показано, чтосуществуют большие различия межгодовых и долгопериодныхвариаций тропосферной и стратосферной динамики (рисунок 1).Если в течение 1979-1992 гг. в вариациях AAM(100) нет заметногодолгопериодного тренда, то в изменениях глобально-среднего SAMнаблюдался резкий переход от сильных отрицательных (восточных)аномалий в 1979 году к большим положительным (западным)аномалиям летом 1980 года. Анализ аномалий зонального ветрастратосферы показал, что этот переход связан с резким усилениемзападного зонального ветра летом 1980 года в субтропиках нижнейстратосферы как в Южном, так и в Северном полушариях [5,6] Этизападные аномалии сохранялись в течение последующих лет,распространяясь в течение десятилетия из субтропиков в средние ивысокие широты, следуя так называемой V - структуредолгопериодного распространения аномалий тропосферногоатмосферного момента [Dickey,J.O., S.L.Marcus, and R.Hide, Nature,357, 484-488, 1992].
На рисунке 1 видна южная ветвь V – образногораспространения западных аномалий SAM от экватора к полярнымширотам Южного полушария в течение октябрей 1980-1992 годов.После 1980 года наблюдался долгопериодный тренд глобальногостратосферного момента с квазидвухлетними вариациями ипостепенным затуханием сильных западных аномалий, которыевозникли летом 1980 года.Таким образом, в начале 1980-х годов произошел резкий переходциркуляции стратосферы к новому долгопериодному режиму, чтопривело к формированию динамического "барьера" как всубтропиках, так и в приполярных широтах Антарктики и Арктики взимне-весенний период.В главе 6 исследованы связи межгодовых вариаций содержанияозона и стратосферного момента импульса как сезонно - широтных,так и их долготных особенностей для января Северного и октябряЮжного полушарий в 1979-1992 гг.11Рис.1.
Годовое скользящее среднее аномалий глобальноготропосферного момента импульса AAM(100) (сплошная кривая - sl),стратосферного момента (пунктирная кривая - dh) в 1979-1991 гг.(a). Аномалии стратосферного момента (зонально-средних) (b) исодержания озона (c) для октябрей 1979-1991 гг. Аномалиисреднезонального содержания озона на 75°ю.ш. (е.Д.) истратосферного момента на 50°ю.ш. для октябрей 1979-1991 гг.
(d).Единицы относительные, r указывает коэффициент их корреляций.На рисунке 1 показано также распространение по широте аномалийстратосферного момента и содержания озона для октябрей 1979121991 гг. Видно близкое соответствие межгодовых вариацийсодержания озона над Антарктикой и стратосферного момента всредних 40°ю.ш. - 60°ю.ш. южных широтах, где наблюдаетсявысокая межгодовая изменчивость стратосферной циркуляции: положительные (западные) аномалии SAM соответствуютуменьшению озона, в то время как отрицательные (восточные)аномалии SAM - увеличению озона, например, в октябре 1988 года[4,5,7] Коэффициент корреляции между эволюцией озоновой дыры иизменениями стратосферной динамики в окрестности полярноговихря Антарктики очень большой (-0,91) и статистически значим на95% уровне достоверности. Преобладание западных аномалий SAMв средних широтах Южного полушария и V - образноераспространение (южная ветвь) западных аномалий от экватора квысоким широтам в течение десятилетия привело к cильнойизолированности стратосферного вихря Антарктики после начала1980-х годов и создало термодинамические условия (низкиетемпературы в полярном вихре Антарктики, формированиеполярных стратосферных облаков, уменьшение вихревого обменаозоном со средними широтами) для химических механизмовразрушения озонового слоя над Антарктикой в зимне-весеннийпериод.
Анализ сезонно-широтного хода зонального ветрастратосферы показал, что межгодовые вариации стратосфернойциркуляциивызваныизменениямиволновойактивностистратосферы, а не влиянием изменений радиационного режима из-зауменьшения озона. Например, наибольшее усиление западныхветров в нижней стратосфере Южного полушария происходило виюне-августе перед появлением озоновой дыры в Антарктике, чтоне может быть вызвано влиянием уменьшения озона нарадиационный режим и динамику стратосферы [14].
Аналогичнаякартина связей межгодовых зонально средних вариацийстратосферной циркуляции и содержания озона наблюдается вСеверном полушарии в январе-марте с несколько меньшимикорреляциями,чтосвязаносбольшимидолготныминеоднородностями изменений содержания озона в Северномполушарии.Проведен спектральный фурье-анализ межгодовых вариацийстратосферного момента и содержания озона с выделениемквазидвухлетних колебаний в спектральном интервале 18-32 месяцаи долгопериодных колебаний в интервале более 39 месяцев.
В этихспектральных интервалах также наблюдаются сильные корреляциивариаций среднезональных значений стратосферного момента вокрестности полярного вихря Антарктики и соответствующихкомпонентов изменений антарктической озоновой дыры. Ранее13[Garcia,R., and S.Solomon, Geoph. Res. Lett., 14, 848-851, 1987] былиобнаружены связи вариаций озоновой дыры в Антарктике для 19791986 гг. c экваториальным квазидвухлетним циклом (КДЦ)зонального ветра нижней стратосферы: при западной фазе КДЦпроисходило уменьшение озона над Антарктикой, а при восточнойфазе - относительное увеличение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
