Диссертация (1145308), страница 50
Текст из файла (страница 50)
January 2005.-160°a)020°-35160°40°-120°-40-45120°60°-5080°-55-60°- 80°80-79-65-70-75- 40°40°-80°0°CTemperature gradient. 20 hPa. January 2005.-160°b)0°20°160°1.240°-120°120°60°180°0.8- 80°80°0.60.4- 40°40°0.20°°C/100 kmРис.4.21. Распределение среднемесячных значений температуры (а) и модуля горизонтальногоградиента температуры (б) на уровне 20 гПа в январе 2005 г. (белым отмечена точка минимуматемпературы в центре вихря; черная линия показывает максимальное значение градиентатемпературы на данной долготе).Поскольку циркумполярный вихрь представляет собой циклоническую циркуляцию,формирующуюся в полярной атмосфере выше уровня 500 гПа, он хорошо виден как областьусиления зонального ветра (точнее, его U-компоненты, направленной с запада на восток) вполярной стратосфере в холодное для данного полушария полугодие (рис.4.22).
Данные поскорости ветра получены из архива реанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996].221Zonal wind, m/s. January 2005.501040Pressure, hPa203030502070100101500200300-10400500-207008501000-30-80-60-40-20020406080Latitude, deg.Zonal wind, m/s. July 2005.108070Pressure, hPa206030505040703010020150102000300-104005007008501000-20-30-80-60-40-20020406080Latitude, deg.Рис.4.22. Среднемесячные значения скорости (м·с−1) зонального ветра (U-компонента) наразных уровнях атмосферы в январе (а) и июле (б) 2005 года.Циркумполярный вихрь играет важную роль в целом ряде атмосферных процессов, в томчислевформировании“озонных”дыр,Северо-АтлантическойОсцилляции(NAO),Арктической Осцилляции (АО), межгодовой и более длительной изменчивости климата (напр.,[Гирс, 1974; Solomon, 1990; Tompson and Wallace, 1998; Baldwin and Dunkerton, 2001; Walter andGraf, 2005; Фролов и др., 2007а; Гудкович и др., 2009] и др.).
В частности, охлаждение воздуха вобласти вихря до низких (−80°С) температур способствует формированию полярныхстратосферных облаков (ПСО). Химические процессы на частицах ПСО ведут к образованиюатомарного хлора, каталитически разрушающего озон, и с ними связано образование “озонных”дыр в Антарктике [Solomon, 1990]. Положение и характеристики вихря влияют на развитиекрупномасштабных динамических процессов в тропосфере (напр., [Гирс, 1974]). В рядеисследований показана связь между состоянием вихря и Северо-Атлантической (NAO) иАрктической (AO) Осцилляциями, которые рассматриваются как доминирующие модыизменчивости давления в Северной Атлантике и над всем северным полушарием,соответственно.
Согласно данным [Baldwin and Dunkerton, 2001], при сильном циркумполярном222вихре индексы NAO и АО увеличиваются. Состояние NAO влияет на траектории циклонов (приположительных значениях NAO траектории циклонов смещаются к северу), что в свою очередьоказывает влияние на температуру и выпадение осадков в Европе [Baldwin and Dunkerton, 2001;Walter and Graf, 2005]. С эволюцией циркумполярного вихря связывают чередование холодныхи теплых эпох, а также изменения морского ледяного покрова Арктики и Антарктики [Гудковичи др., 2009; Фролов и др., 2007а, 2007б].
Результаты, полученные Лабицке и соавторами,предполагают важную роль циркумполярного вихря в формировании эффектов солнечнойактивности в циркуляции нижней атмосферы. Согласно данным, приведенным в работах[Labitzke, 1987; van Loon and Labitzke, 1989], отклик характеристик тропосферы и стратосферына проявления солнечной активности зависит от фазы квазидвухлетних осцилляций (КДО)атмосферы. Фаза КДО определяется направлением стратосферных ветров в экваториальнойобласти и оказывает влияние на интенсивность вихря (тенденция к усилению вихря призападной фазе КДО обнаружена Холтоном и Таном [Holton and Tan, 1980]).
В областиформирования арктического циркумполярного вихря обнаружены наиболее статистическизначимые эффекты солнечной активности в вариациях атмосферного давления (раздел 4.3.1).Таким образом, циркумполярный вихрь является важным элементом крупномасштабнойциркуляции атмосферы, оказывающим существенное влияние на изменчивость климата. Этопозволяет предположить наличие возможной связи между долговременными вариациямиэффектов СА/ГКЛ в развитии динамических процессов в атмосфере и эволюцией вихря.4.4.2. Временные вариации эффектов СА/ГКЛ в развитии динамических процессов ватмосфере и эволюция циркумполярного вихря по данным реанализа NCEP/NCARСогласно данным, приведенным в разделе 4.3, временные вариации коэффициентовкорреляции между давлением тропосферы во внетропических широтах и числами Вольфахарактеризуются достаточно четко выраженной ~60-летней периодичностью.
Обращения знакакоэффициентов корреляции обнаружены в 1890-х гг., начале 1920-х гг., 1950-хх гг. и в начале1980-х при изменении характера эволюции крупномасштабной меридиональной циркуляции(формы С по классификации Вангенгейма-Гирса). Обращения корреляции совпали также спереходамимеждуклиматическимирежимами,характеризуемымиповерхностнымитемпературами и давлением, в северной части Тихого океана и над Северной Америкой[Minobe, 1997], а также с переходами между холодными и теплыми эпохами в Арктике [Фролови др., 2009; Гудкович и др., 2009], которые также характеризуются ~60-летней периодичностью.В работах [Фролов и др., 2009; Гудкович и др., 2009] было показано, что указанные вышеклиматические изменения соответствуют вариациям состояния северного циркумполярноговихря.223Сопоставим временные вариации эффектов СА/ГКЛ в давлении тропосферы и эволюциюциркумполярного вихря. Поскольку инструментальные данные (скорости счета нейтронныхмониторов), показывающие интенсивность потоков ГКЛ, имеются только с середины XX-говека, для расчета коэффициентов корреляции использовались относительные числа солнечныхпятен (числа Вольфа).
Как было показано выше (рис.4.10), потоки ГКЛ обнаруживают высокуюотрицательную корреляцию с числами Вольфа в 11-летнем цикле, но в отличие от последнихявляются физическим агентом, непосредственно проникающим в атмосферу Земли. С учетомтого, что в корреляции атмосферных характеристик с числами Вольфа могут давать вклад идругие физические агенты, обусловленные вариациями солнечной активности, корреляциидавления с числами Вольфа рассматриваем как эффекты СА/ГКЛ.На рис.4.23а представлены коэффициенты корреляции R(SLP, Rz ) между среднегодовымизначениями приземного давления SLP в высокоширотной области 60-85ºN и числами ВольфаRz для скользящих 15-летних интервалов (красная сплошная линия).
Исследуемые значениядавления рассчитывались на основе среднемесячных данных архива, представленных в архивеMSLP (Climatic Research Unit, ftp://ftp.cru.uea.ac.uk) для периода 1873-2000 гг., осреднялись совзвешиванием по площади по указанному району, после чего из них вычиталсяполиномиальный тренд. С середины XX-го века на рис.4.23а показаны также рассчитанныеаналогичным образом коэффициенты корреляции R(GPH700, NM) (синяя штриховая линия)между давлением в высокоширотной области, характеризуемым геопотенциальными высотамиизобарического уровня 700 гПа (GPH700), и интенсивностью потока ГКЛ, характеризуемойскоростью счета NM нейтронного монитора в Клаймаксе (жесткость геомагнитного обрезанияRc=2.99 ГВ).
Исходные среднемесячные значения GPH700 были взяты из архива данныхреанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996]. Значения скорости счета нейтронного монитора вКлаймаксе за период 1953-2005 гг. были взяты из архива Международного Центра Данных посолнечно-земной физике (ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/ STP/SOLAR_DATA/COSMIC_RAYS/). Дляувеличения периода корреляции использовались также данные реконструкции скорости счетанейтронного монитора в Клаймаксе [McCraken and Beer, 2007] за 1948-1952 гг.Временной ход коэффициентов корреляции R(SLP, Rz ) на интервале с конца XIX-го поконец XX-го века обнаруживает четко выраженную вариацию с периодом ~60 лет и несколькообращений знака корреляции.
В отдельные периоды коэффициенты корреляции достигаютабсолютных значений 0.5−0.7, статистически значимых на уровне 0.95-0.99 согласно оценкампо методу Монте-Карло. Коэффициенты корреляции R(GPH700, NM) противоположны по знакукоэффициентам корреляции R(SLP, Rz ) в связи с отрицательной корреляцией между интен-224Correlation coefficient0.8a)0.40-0.4R(SLP, Rz)R(GPH700, NM)-0.830b)∆H, gp.m20500 hPa100-10∆H (40-65°N)Polynomial fit-20-30Temperature, °C2.51.550 hPac)0.5-0.5T (60-90°N)Polynomial fit-1.5200120d)16010012080CEW80401880Frequency (C), daysFrequency (W,E), days-2.560190019201940196019802000YearsРис.4.23.
а) временной ход коэффициентов корреляции между среднегодовыми значениямидавления атмосферы в высокоширотной области 60-85ºN и солнечно-геофизическимииндексами: R(SLP, Rz) (сплошная красная линия) и R(GPH700, NM) (штриховая синяя линия);б) аномалии (отклонения от климатического среднего) разности геопотенциальных высот ∆Hуровня 500 гПа между широтами 40-65ºN (среднегодовые значения); c) аномалии (отклоненияот климатического среднего) среднегодовой температуры на уровне 50 гПа в области 60-90ºN;d) частоты повторяемости (число дней в году) основных форм крупномасштабной циркуляциипо Вангенгейму-Гирсу (15-летние скользящие средние). Вертикальные штриховые линиипоказывают годы обращения коэффициентов корреляции.225сивностью ГКЛ и числами Вольфа. Отметим, что после обращения знака корреляции в начале1980-х гг.
наиболее высокие (по абсолютной величине) коэффициенты корреляция междудавлением в тропосфере высоких широт и характеристиками СА/ГКЛ имели место в 1990-х гг.,после чего начали уменьшаться.Нарис.4.23бхарактеризующихипредставлены4.23cинтенсивностьвариациициркумполярногометеорологическихвихря.Посколькувеличин,формированиециклонической циркуляции начинается на высотах средней тропосферы [Гирс, 1974] в качествеодной из характеристик вихря рассматривалась разность (∆H) зонально осредненных значенийгеопотенциальной высоты уровня 500 гПа между широтами 40 и 65ºN. Так как циклоническийвихрь препятствует воздухо- и теплообмену между высокими и средними широтами, егоусилениеприводитхарактеристикикпонижениюинтенсивноститемпературывихрявиспользовалисьполярнойтакжеобласти,значенияпоэтомудлястратосфернойтемпературы на уровне 50 гПа (высота ~20 км) в области широт 60-90ºN.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
