Влияние межгодовых вариаций температуры поверхности океана на циркуляцию стратосферы и озоновый слой (1097496), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Анализ межгодовыханомалий ТПО отдельно для Тихого и Атлантического океановпоказал, что пространственная структура первой SVD моды(рисунок 3с) в Тихом океане близка к структуре ЭОФ3 (12,7%изменчивости) аномалий ТПО Тихого океана, а в Атлантикепрактически совпадает со структурой ЭОФ1 ТПО отдельно дляАтлантики. Для совместных аномалий ТПО как структура SVDмоды, так и поведение ее коэффициента разложения почтисовпадают с характеристиками ЭОФ3 (11%изменчивости)совместных ТПО аномалий. Это означает, что лишь очень тонкиечерты аномалий ТПО Тихого океана и главные черты ТПОАтлантики сильно связаны с межгодовыми вариациямистратосферного вихря Арктики, который имеет дипольнуюструктуру в западном и восточном полушариях, и содержания озонав высоких широтах Северного полушария.
Отметим, что СевероАтлантическое Колебание, описывающее дипольные измененияприземного давления между Исландским циклоном и Азорскимантициклоном, тесно связано с первой ЭОФ аномалий ТПОАтлантики [Wallace,J.M., C.Smith, and Q.Jiang., J. Climate, 3, 990998, 1990].Большую роль в межгодовых изменениях стратосферного вихряАрктики и озона в высоких широтах играют стратосферныепотепления. Причиной стратосферных потеплений являетсявоздействие планетарных волн на средний зональный поток, врезультате которого температура стратосферы Арктики повышаетсяна 20-30°C, а западный зональный ветер стратосферы испытываетсильное торможение и даже может происходить реверс на восточноенаправление.
Действительно, рассчитанная первая ЭОФ (43%изменчивости) аномалий зонального ветра на 30 гПа показываетсильное изменение западного ветра в высоких широтах и надАтлантикой на восточные ветры во время сильных стратосферныхпотеплений в январе 1985 и 1987 гг. Анализ связей измененийзонального ветра стратосферы и тропосферы показал, что в областиполярного струйного течения изменения зонального ветратропосферы происходят когерентно со стратосферным ветром, т.е.они имеют баротропный характер.
Однако, над Атлантикой в20верхней тропосфере сильное торможение ветра во времястратосферных потеплений не наблюдается, а в средней и нижнейтропосфере появляется дипольная по широте структура измененийзонального ветра с ослаблением западных ветров над Исландией иусилением - над Гренландией и Азорами. Кроме того, в верхнейтропосфере над Тихим океаном исчезает усиление западногостратосферного ветра во время сильных стратосферных потеплений.Вопрос, который рассмотрен в диссертации - какие областианомалий ТПО Тихого и Атлантического океанов севернее 20° с.ш.наиболее сильно связаны с вариациями ветра на 30 гПа, т.е. свозникновением стратосферных потеплений? Проведенный SVDанализ обнаружил дипольную структуру аномалий ТПО в Тихомокеане (с уменьшением ТПО в районе Куросио и увеличением – вАлеутском течении во время сильных стратосферных потеплений) иструктуру в виде "сэндвича" в Атлантике (с уменьшением ТПОвблизи Ньюфаундленда, увеличением - в районе Гольфстрима иуменьшением - вблизи побережья Африки).
Эта структура оченьблизка к показанной на рисунке 3, что может свидетельствовать о еебольшой роли в возбуждении стратосферных потеплений.Результаты, приведенные выше, имеют непосредственноеотношение к Арктической Осцилляции [Thompson, D.W.J., andWallace, J.M., Geoph. Res. Lett. 25, 1297-1300, 1998]. Томпсон иУоллес показали, что первая ведущая мода (ЭОФ1) межгодовыхвариаций давления и геопотенциала на 1000 гПа в области севернее20°с.ш. тесно связана с ведущей модой изменчивостистратосферного вихря Арктики, поэтому эта мода была названаАрктической Осцилляцией (АО). В атлантическом секторе основныеособенности этой моды на 500 гПа совпадают с чертами Северо Атлантического Колебания, а их межгодовые изменчивостиподобны друг другу.
Таким образом, Арктическая Осцилляция иСеверо-Атлантическая Колебание очень близки и, вероятно,являются основными модами, которые контролируют межгодовую идолгопериоднуюизменчивостьциркуляциивнетропическойтропосферы и стратосферы Арктики. Томпсон и соавторы показалитакже, что индекс АО, определенный как коэффициент первой ЭОФвариаций давления на уровне моря, приземной температуры иосадков, сильно изменился после конца 1960-х годов. Такихизменений не наблюдалось с начала 20-го века.
Положительнаятенденция индекса АО в последние 4 десятилетия свидетельствует означительных изменениях современного климата по сравнению спрошлымиодновременнобольшуюизолированностьстратосферного вихря Арктики. Была также обнаружена сильнаядолготная симметрия пространственных структур первых ЭОФ (так21называемых круговых мод) изменчивости геопотенциала на 1000гПа и на стратосферных уровнях в высоких широтах Северного иЮжного полушарий.
Несмотря на большие различия циркуляцииатмосферы в Северном и Южном полушариях, связанных сразличиями волновой активности, поведение стратосферного вихряАрктики подобно сильно изолированному вихрю Антарктики(Антарктической Осцилляции) в последние десятилетия. Причина ифизический механизм Арктической и Антарктической Осцилляцийдо сих пор неизвестны.Поскольку Арктическая Осцилляция тесно связана смежгодовыми вариациями стратосферного вихря Арктики, былпроведен SVD анализ связей SAM севернее 58° с.ш.
(SAMPV),cодержания озона севернее 40° с.ш. и аномалий ТПО Тихого иАтлантического океанов севернее 20° с.ш. для январей 1979-1992 гг.[12] Результаты практически совпадают с показанными на рисунке3с большими вкладами в изменчивость (61%) первой модыстратосферного момента вихря Арктики. Таким образом, причинойАрктической Осцилляции может быть внешнее возбуждение АОаномалиями ТПО Тихого и Атлантического океанов, особенно вдиполе через Скалистые горы, что хорошо согласуется смеханизмом волновой гипотезы. Поскольку первая ЭОФ аномалийТПО Атлантики связана с Северо-Атлантическим Колебанием,становится ясным близость Арктической Осцилляции ватлантическом секторе и Северо-Атлантического Колебания.Рисунок 3 показывает также, что АО не является круговой модой(т.е. зонально-симметричной) даже в стратосфере, межгодовыеизменения стратосферной динамики в Арктике имеют дипольнуюструктуру в западном и восточном полушариях, с которой связаныдипольные изменения содержания озона между, например,Лабрадором и восточным побережьем Тихого океана по крайнеймере в 1979-1992 гг.
Эффекты стратосферных потеплений натермодинамику стратосферы Арктики и озоновый слой имели такжепротивоположный характер в западном и восточном полушариях.Главные (ведущие) моды связей межгодовых вариаций аномалийТПО Тихого, Атлантического океанов, циркуляции стратосферы исодержания озона и их вклады в изменчивость показаны на этойсхеме:Северное полушариеЭОФ 3 (12%) ТПО>>>ЭОФ 1 (61%) SAMPV>>>ЭОФ 2(29%) О322Для Южного полушария результаты аналогичного анализапоказаны на рисунке 4 [20,21]. Первая SVD мода озона связейаномалий ТПО Южных океанов и содержания озона совпадает спервой ЭОФ (65,8%) и описывает эволюцию озоновой дыры вАнтарктике.
Соответствующая SVD мода аномалий ТПО (14,3%)имеет сложную пространственную структуру, наиболее заметнымичертами которой являются дипольные изменения ТПО Тихого иАтлантического океанов в диполе через Анды, Атлантики иИндийского океанов в диполе через Африку. Расчеты ЭОФаномалий ТПО показали, что эта мода близка ко второй ЭОФ(16,4%). Главные моды связей межгодовых вариаций аномалий ТПОТихого, Атлантического и Индийского океанов, циркуляциистратосферы и содержания озона в Южном полушарии и их вкладыв изменчивость показаны на этой схеме:Южное полушариеЭОФ 2 (16%) ТПО>>>ЭОФ 1 (36%) SAM>>>ЭОФ 1 (63%) О3Рисунок 4 иллюстрирует также связи разности аномалий ТПО вдиполе через Анды, стратосферного момента в окруженииполярного вихря Антарктики и содержания озона на станции ХаллиБей (76° ю.ш.,27° з.д.), где была открыта озоновая дыра.
Такимобразом, и в Южном полушарии вероятным механизмомвозбуждения Антарктической Осцилляции может быть механизмволновой гипотезы и это объясняет подобие Арктической иАнтарктической Осцилляций.Рис.4 Первые SVD моды связей аномалий содержания озона (a) иТПО Южных океанов (b), выраженные в виде корреляций (в%)23аномалий соответствующего поля с межгодовыми изменениямикоэффициента первой SVD моды cвязей аномалий ТПО исодержания озона (сплошная кривая,c). Пунктиром показанкоэффициент SVD моды аномалий содержания озона.В главе 8 представлены результаты эмпирических оценокотносительной роли динамических и химических факторов вистощении озонового слоя.
[8,18]. Эти оценки основаны наобнаруженных сильных корреляциях изменчивости озонового слоя смежгодовыми вариациями динамики стратосферы. Было проведеноразделение наблюдаемых изменений содержания озона на"динамические" и "химические" вариации при помощи линейногорегрессионного анализа. Реальные аномалии содержания озонапроектировались на сумму нескольких SVD мод аномалийстратосферногомомента,остаточныйчленрегрессииинтерпретировался как влияние "химических" факторов. Анализпоказал, что для реконструкции "динамических" аномалий озонадостаточно использовать 5-10 SVD мод стратосферного момента,поскольку вклад высших мод пренебрежимо мал.
Послереконструкции были рассчитаны линейные тренды "динамических"и "химических" вариаций содержания озона для января Северного иоктября Южного полушарий в 1979-1992 ггБезусловно, этот простой метод оценок относительной ролиантропогенных и естественных факторов в истощении озоновогослоя имеет большие недостатки, связанные с неучетом обратныхположительных и отрицательных связей изменений химическогосостава, радиационного режима и динамики стратосферы.
Поэтомуэмпирические оценки, полученные в данной работе нужнорассматривать как предварительные и имеющие не количественный,а качественный характер. Для среднезональных измененийэмпирические оценки показали, что относительный вклад"химических" факторов не превышает 40% в наблюдаемых трендахсодержания озона, остальная часть вызвана динамическимиизменениями атмосферы. Эти оценки по порядку величины близки коценкам, полученным совершенно другими методами, например,cвязей изменений содержания озона с индексом АрктическойОсцилляции в марте 1979-1993 гг. [Thompson, D.W.J., Wallace,J.M.,and G.C.Hegerl, J.Climate, 13, 1018-1035, 2000]. Также былообнаружено близкое соответствие долготно-широтной структуры"динамических" трендов озона и проекции на индекс АО. В январеСеверного полушария наибольшее влияние "химических" факторов(~50%) было обнаружено над Европой и восточным побережьемСША, а большое уменьшение озона над Тихим океаном имеетдинамическую природу. В Южном полушарии (октябрь) влияние24динамики, как не удивительно, наиболее сильно проявляется вобласти станции Халли Бей, а "химических" факторов (~60-90%) над тихоокеанским побережьем Антарктики.Большая роль естественных динамических факторов в истощенииозонового слоя подтверждается неожиданным увеличением озонанад Антарктикой и сильным уменьшением площади озоновой дырыосенью 2002 года [13].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
