Диссертация (1145308), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Таким внешним фактором может быть солнечная активность (вариации ГКЛ идругих явлений, связанных с процессами на Солнце), характеризуемая ярко выраженной ~11летней периодичностью.Таким образом, результаты, представленные в данном разделе, подтверждают следующее.1)Положительная корреляция аномалий облачного покрова в умеренных широтах обоихполушарий с вариациями потока ГКЛ, наблюдавшаяся в период 1982-2000 гг., былаобусловлена эффектами ГКЛ в вариациях внетропического циклогенеза, т.е. усилениемциклонических процессов при увеличении потоков ГКЛ и ослаблением при уменьшении этихпотоков в ~11-летнем цикле солнечной активности.2)Изменение характера корреляционных связей между развитием циклоническойдеятельности и вариациями ГКЛ, произошедшее в начале 2000-х гг.
привело к обращениюзнака корреляции между аномалиями облачности и потоками ГКЛ.2605.5.Вариацииинтенсивностициркумполярноговихря каквозможная причинанарушения корреляционных связей между аномалиями нижней облачности и вариациямиГКЛРезультаты, приведенные в данной главе, показали, что корреляционные связи междуоблачностью и потоками ГКЛ, обнаруженные на десятилетней шкале (напр. [Svensmark andFriis-Christensen, 1997; Marsh and Svensmark, 2000]), не являются прямым результатоминтенсификации микрофизических процессов в облаках, а опосредованыизменениямициклонической деятельности. Как известно, эффекты солнечной активности и связанных с неюгеофизических процессов в циркуляции нижней атмосферы характеризуются временнойизменчивостью (обзор проявлений временной изменчивости солнечно-атмосферных связейприведен в разделе 4.1).
Таким образом, обнаруженное в начале 2000-х гг. нарушениекорреляционных связей между циклоническими процессами (и, соответственно, аномалиямиоблачности) и потоками ГКЛ может быть очередным проявлением временной изменчивостисолнечно-атмосферных связей.Как было показано в главе 4, динамический отклик атмосферы на изменения потока ГКЛ в11-летнем солнечном цикле зависит от временного периода (эпохи крупномасштабнойциркуляции). Интенсификация внетропического циклогенеза (понижение давления) наполярных фронтах умеренных широт при росте потока ГКЛ наблюдается только в эпохуусиления меридиональной циркуляции (рис.4.4, 4.23).
В свою очередь, эпохи циркуляциисвязаны с изменениями состояния стратосферного циркумполярного вихря (ЦПВ). Согласнорезультатам, полученным на основе данных реанализа NCEP/NCAR (с 1948 г.) и АрктическойОсцилляции (с конца XIX века), изменения состояния вихря, сопровождавшиеся изменениямизнака корреляции между давлением атмосферы и характеристиками СА/ГКЛ, имели место в~1890-х гг., начале 1920-х гг., ~1950-х гг. и в начале 1980-х гг. Это предполагает ~50-60летнюю периодичность в вариациях состояния вихря и, соответственно, в характере эффектовСА/ГКЛ в циркуляции атмосферы (рис.4.23 и 4.27). Исходя из этого можно предположить, чтов начале 2000-х гг. произошло очередное изменение интенсивности ЦПВ, повлекшее за собойнарушение корреляционных связей, наблюдавшихся в период с ~1980-2000 гг.Рассмотрим временные вариации состояния вихря в период изменения знака корреляцииLCA/ГКЛ в начале 2000-х годов.
Поскольку циклоническая циркуляция в вихре наиболееинтенсивна на высотах 20-30 км, т.е. на изобарических уровнях 50-10 гПа (см. рис.4.22), будемхарактеризовать силу вихря зональными значениями западной U-компоненты скорости ветра науровне 50 гПа. На рис.5.12 представлены вариации (отклонения от линейных трендов) среднейскорости ветра в широтном поясе 60−80°N(S) в холодное полугодие (октябрь-март в северномполушарии и апрель-сентябрь в южном), когда вихрь наиболее интенсивен.261Данные на рис.5.12 показывают, что в период с 1980-х по конец 1990-х гг.
полярныевихри в Арктике и Антарктике действительно были заметно усилены, о чем свидетельствуютувеличение скорости западных ветров в стратосфере. Наибольшие по амплитуде вариациискорости ветра наблюдались в северном полушарии (отклонения скорости ветра в отдельныегоды составляли до ~4−6 м/с относительно среднего значения за холодное полугодие, т.е.
до~30−40%). В южном полушарии, где вихрь более устойчив, вариации скорости ветра меньше поамплитуде (наибольшие отклонения ~ 2−3 м/с), тем не менее, можно видеть, чтоантарктический циркумполярный вихрь в 1980-1990-х гг. также был усилен по сравнению спредыдущим периодом.Wind velocity, m/s8Northern hemisphere50 hPaOctober-Marcha)40-4∆U, 60-80°N-81940195019601970198019902000201020204Wind velocity, m/sb)Southern hemisphere50 hPaApril-September20-2∆U,60-80°S-419401950196019701980Years1990200020102020Рис.5.12. Вариации средней скорости зонального ветра (U-компоненты) на уровне 50 гПа встратосфере высоких широт 60-80° северного (а) и южного (б) полушарий в холодноеполугодие. Толстые линии показывают скользящие средние по 11-ти годам, штриховыекрасные линии – полиномиальное сглаживание вариаций скорости.262Как можно видеть из данных на рис.5.12, резкое уменьшение скорости ветра в полярнойстратосфере произошло около 2000 г.
в обоих полушариях, после чего скорость ветра в течение~2000-2010-х гг. оставалась пониженной, что свидетельствует об ослаблении циркумполярныхвихрей. Таким образом, высокая корреляция между интенсивностью циклоническойдеятельности в умеренных широтах северного и южного полушарий и потоками ГКЛ (~19832000 гг.) наблюдалась в период, когда циркумполярные вихри обоих полушарий были усилены.Резкое ослабление вихрей около 2000 г.
сопровождалось изменением характера эффектов ГКЛв вариациях внетропического циклогенеза и, соответственно, состояния облачности.О вариациях интенсивности циркумполярных вихрей свидетельствуют также изменениятемпературыввысокоширотнойстратосфере.Усилениециклоническойциркуляциисопровождается ослаблением теплообмена между умеренными и высокими широтами, чтоприводит к понижению температуры в области вихря. Данные на рис.5.13 показывают4Northern hemisphere50 hPaOctober-Marcha)Temperature, °C20-2-4∆T, 65-90°N-6194061950196019701980200020102020Southern hemisphere50 hPaApril-Septemberb)4Temperature, °C199020-2∆T, 65-90°S-419401950196019701980Years1990200020102020Рис.5.13. Вариации температуры на уровне 50 гПа в стратосфере высоких широт 65−90°северного (a) и южного (б) полушарий в холодное полугодие (после вычета линейных трендов).Толстые линии показывают скользящие средние по 5-ти годам, штриховые красные линии –полиномиальное сглаживание вариаций температуры.263понижение температуры высокоширотной стратосферы (усиление вихря) в 1990-х гг.
и еерезкое повышение (ослабление вихря) около 2000 года в обоих полушариях.Обнаруженные изменения интенсивности циркумполярного вихря хорошо согласуются сданными, приведенными другими исследователями [Ivy et al., 2014; Reichler et al., 2012].Согласно результатам [Ivy et al., 2014] в северном полушарии период с конца 1980-х по конец1990-х гг. характеризовался отсутствием мощных внезапных стратосферных потеплений (ВСП)в зимнее время, разрушающих вихрь, тогда как начиная с 2000-го года эти события сталипроисходить практически ежегодно. Данные из работы [Ivy et al., 2014] приведены на рис.5.14.Видно, что в период ~1990-2000 гг.
имело место увеличение индекса NAM, характеризующегоинтенсивность вихря, в верхней стратосфере (на уровне 10 гПа), а также понижениетемпературы на всех уровнях стратосферы от 200 до 30 гПа. Начиная с ~2000 года индекс NAMуменьшается, а температура в стратосфере увеличивается. Данные, приведенные [Reichler et al.,2012] также подтверждают практически полное отсутствие ВСП, указывающее на сильныйРис.5.14. Вариации индекса NAM (обратные значения) и температуры стратосферы в полярнойшапке северного полушария в феврале согласно [Ivy et al., 2014]. Данные обозначены чернымикружками для лет без мощных ВСП и квадратиками – при наличии мощных ВСП. Периоды безмощных ВСП отмечены также серым фоном. Сплошная черная кривая показвает линейныйтренд для лет без мощных ВСП.264вихрь, в 1990-х гг. в северном полушарии, а также увеличение повторяемости ВСП (ослаблениевихря) начиная с ~2000 года.
Таким образом, обнаруженные выше вариации скорости ветра итемпературы в стратосфере высоких широт, а также повторяемости мощных ВСП [Ivy et al.,2014; Reichler et al., 2012] свидетельствуют об усилении циркумполярного вихря в период~1980-1990-х гг. и о его резком ослаблении после 2000 года.На рис.5.15 и 5.16 временной ход коэффициентов корреляции R( LCA, FCR ) иR( GPH700, FCR ) в северном и южном полушарии сопоставлены с вариациями скоростизонального ветра в стратосфере. Как видно из рис.5.15, отрицательная корреляция давления вумеренных широтах и интенсивности ГКЛ появляется с началом перехода вихря в болеесильное состояние в середине 1970-х гг.
(вариации скорости ветра стали положительными) ирезко усиливается в 1980-х гг., когда происходит резкое увеличение скорости ветра.Максимальные по абсолютной величине коэффициенты корреляции R( LCA, FCR ) иR( GPH700, FCR ) наблюдаются в период наибольшей интенсивности вихря (с середины 1980-хпо середину 1990-х гг.). Затем скорость ветра начинает уменьшаться (вихрь слабеет), чтосопровождается ослаблением корреляций давления и облачности с потоками ГКЛ. Как тольковихрьпереходитвболееслабоесостояние(вариациискоростиветрастановятсяотрицательными), коэффициенты корреляции R( LCA, FCR ) и R( GPH700, FCR ) резкоуменьшаются до нуля и меняют знак.
Аналогичная картина наблюдается для южногополушария (рис.5.16).Таким образом, приведенные выше данные показывают, что корреляционные связи междуоблачностью в умеренных широтах и вариациями потока ГКЛ зависят от состоянияциркумполярного вихря в данном полушарии. Положительная корреляция аномалий нижнейоблачности с потоками ГКЛ наблюдается в ~1983-2000 гг. при усилении вихрей в обоихполушариях. Резкое ослабление вихрей в начале 2000-х гг. сопровождается изменением знакакорреляции между облачностью и ГКЛ. При этом наблюдалось и изменение характеракорреляционных связей между интенсивностью циклонической деятельности в умеренныхширотах и вариациями ГКЛ.
Обнаруженные закономерности свидетельствуют о том, что надлительных временных шкалах мы наблюдаем не прямое влияние вариаций ГКЛ наформирование облачности, а влияние, опосредованное эффектами ГКЛ в тропосфернойциркуляции, которые зависят от состояния циркумполярного вихря.Приведенные выше результаты не исключают прямого воздействия космических лучей напротекание микрофизических процессов в облаках, которое могло бы привести к болееинтенсивному облакообразованию согласно электрическим механизмам и механизму иониндуцированной нуклеации, предлагаемым в работах [Tinsley and Deen, 1991; Tinsley, 2008;265Рис.5.15. Вверху: Вариации средней скорости зонального ветра (U-компоненты) на уровне 50гПа в стратосфере высоких широт 60-80° северного полушария в холодное полугодие.Внизу: коэффициенты корреляции по скользящим 11-летним интервалам: красная сплошнаялиния – между аномалиями давления и потоками ГКЛ R( GPH700, FCR ) ; синяя штриховаялиния – между аномалиями нижней облачности и потоками ГКЛ R( LCA, FCR ) в умеренныхширотах 30-60°N.
Вертикальные штриховые линии показывают переходы между различнымисостояниями вихря.Yu and Turco, 2000, 2001, и т.д.]. Однако масштабы прямого воздействия представляютсясущественно меньшими, нежели воздействие потоков ГКЛ на облачность посредствомизменения циркуляции. В противном случае не наблюдалось бы нарушений корреляции междуаномалиями облачности и потоками космических лучей, т.е. характер эффектов ГКЛ ввариациях состоянии облачности оставался бы постоянным.Как отмечалось выше (раздел 5.1), интенсификацию микрофизических процессов воблаках, связанную непосредственно с изменением скорости ионизации за счет вариаций ГКЛ266Рис.5.16.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
