Диссертация (1145308), страница 60
Текст из файла (страница 60)
То же, что и на рис.5.15, для южного полушария.можно наблюдать, по-видимому, только на очень коротких временных шкалах (от несколькихчасов до 1−2 суток). На более длительных временных шкалах по мере развития облачностиизменяется радиационно-тепловой баланс в нижней атмосфере, что может оказывать влияниена эволюцию синоптических объектов, усиливая их собственные облачные поля. Например, взимнее время в высоких широтах, когда радиационный баланс отрицателен, облачностьослабляет главным образом, уходящую длинноволновую радиацию и тем самым способствуетповышению температуры в циклоне. Это приводит к сохранению в течение более длительноговремени адвекции холода, способствующей углублению циклона, в результате чего циклонызимой существует дольше, чем летом [Матвеев, 1991].Таким образом, на длительных временных шкалах непосредственное влияние ГКЛ намикрофизические процессы в облаках, по всей видимости, маскируется эффектами,проистекающими из долговременных изменений циркуляции, обусловленных вариациями ГКЛ267и модулируемых интенсивностью циркумполярного вихря.
Поскольку эволюция вихряобнаруживает ~50-60-летнюю периодичность (глава 4), это должно приводить к периодическимобращениям корреляционных связей, наблюдаемых между атмосферными характеристиками(давлением, температурой, облачностью и т.д.) и вариациями ГКЛ, а также другими солнечногеофизическими факторами.
Исходя из вышеизложенного, обращение корреляции LCA/ГКЛ вначале 2000-х гг. является вполне закономерным явлением и не означает отсутствия влиянияГКЛ на процессы облакообразования на микрофизическом уровне.Возможные причины изменения характера связи атмосферной циркуляции с потокамиГКЛ будут обсуждаться в главе 6. Тем не менее, следует отметить, что результаты,представленные в настоящей главе, хорошо согласуется с результатами главы 4, и еще разподтверждают предположение, что состояние стратосферного циркумполярного вихря можетсущественно влиять на развитие динамического отклика атмосферы в ответ на проявлениясолнечной активности и вариации ГКЛ. Обращение знака корреляции между интенсивностьюциклонической деятельности и вариациями ГКЛ, а также межу соответствующимиизменениями облачности вариациями ГКЛ, обнаруженное при переходе вихря из сильного вслабое состояние, свидетельствует о существенном вкладе динамического механизма вформирование солнечно-атмосферных связей на длительных временных шкалах.
Изменениероли и вклада ГКЛ в развитие внетропического циклогенеза при изменениях состояния вихряможет быть причиной временной изменчивости солнечно-климатических связей.5.6. Выводы к главе 5Результаты исследования, проведенного в настоящей главе, позволяют сделать выводы:1)Связи, наблюдаемые между нижней облачностью и потоками ГКЛ в умеренных широтахсеверного и южного полушарий в масштабе 11-летнего солнечного цикла, обусловленыизменениями интенсивности циклонической деятельности.2)Положительная корреляция между аномалиями нижней облачности в умеренныхширотах северного и южного полушарий и потоками ГКЛ наблюдалась в период 1983-2000 гг.,когда стратосферные циркумполярные вихри в Арктике и Антарктике были усилены и при этомувеличение потока ГКЛ сопровождалось интенсификацией циклонических процессов.3)Возможной причиной нарушения корреляции между облачностью и потоками ГКЛ вначале 2000-х гг.
является резкое ослабление циркумполярных вихрей северного и южногополушарий, которое привело к изменению роли и вклада ГКЛ в развитие внетропическогоциклогенеза.4)Изменения состояния стратосферного циркумполярного вихря могут быть причинойвременной изменчивости солнечно-атмосферных связей на длительных временных шкалах.268Глава 6.
О возможных физических механизмах эффектов солнечнойактивности и вариаций космических лучей в тропосферной циркуляции6.1. Формирование эффектов кратковременных вариаций космических лучей винтенсивности внетропических барических системКак было показано в главах 2 и 3, вариации космических лучей на временных шкалахпорядканесколькихсутоксопровождаютсястатистическизначимымиизменениямициклонической деятельности в умеренных широтах. Сравнительный анализ эффектовсолнечных протонных событий (СПС) и Форбуш-понижений ГКЛ в вариациях атмосферногодавления и эволюции внетропических барических образований был проведен в разделе 3.3 длясеверного полушария и его результаты представлены в Таблице 3.Результаты сравнительного анализа вариаций КЛ показывают, что имеется существенноеразличие в энергиях солнечных и галактических космических частиц, диапазоне достигаемыхими высот и амплитуде изменений скорости ионизации на этих высотах.
Эффекты исследуемыхвариаций КЛ в эволюции барических систем зависят главным образом от знака измененийскорости стратосферной ионизации. Увеличение скорости ионизации в верхней тропосфере входе СПС сопровождается усилением циклонических процессов, уменьшение скоростиионизации в нижней стратосфере во время Форбуш-понижений ГКЛ – антициклонических.Различие в энергиях частиц определяет, в основном, локализацию максимальных эффектовисследуемых вариаций КЛ. Всплески солнечных протонов с энергиями ≥ 108 эВ способствуютболее интенсивной регенерацией полярно-фронтовых циклонов на арктических фронтах у юговосточных берегов Гренландии, попадающих в область высыпаний частиц с указаннымиэнергиями (жесткость геомагнитного обрезания Rc ≤ 0.4 ГВ).
Понижения интенсивности болееэнергичных частиц ГКЛ (~109−1010 эВ) сопровождаются интенсификацией блокирующихантициклонов в тех областях пояса умеренных широт ~40-65ºN, где жесткость геомагнитногообрезания составляет ~1−3 ГВ.Наряду с энергиями высыпающихся частиц на локализацию областей, где наблюдалисьнаибольшие изменения в эволюции барических систем, оказывали влияние атмосферныеусловия. Для области наблюдаемого в ходе СПС углубления циклонов характерны высокиеконтрасты температуры на границе холодной ледниковой поверхности Гренландии и болеетеплого океана, что создает условия для адвекции холода, а также расходимость изогипс всредней тропосфере, способствующей оттоку воздуха из углубляющегося циклона. В областинаиболее интенсивного развития блокирующих антициклонов в ходе Форбуш-понижений ГКЛимеет место прогретость атмосферы над теплым Северо-Атлантическим течением (условия дляадвекции тепла), а также характерная для зимнего периода сходимость изогипс над269континентальной поверхностью (северная часть ЕТР), способствующая динамическому ростудавления.
Таким образом, региональный характер изменений давления (эволюции барическихсистем) в связи с исследуемыми вариациями КЛ определяется совместным влияниемгеофизических и атмосферных условий.Интенсификация циклонов (антициклонов), наблюдаемая в ходе СПС (Форбушпонижений ГКЛ), свидетельствует, по всей видимости, о формировании более благоприятныхусловий для их эволюции в указанных выше областях. Возможной причиной интенсификациивнетропических барических образований может быть изменение структуры термобарическогополя в связи с изменением радиационно-теплового баланса в атмосфере, которые могут бытьобусловленыизменениямисостоянияоблачностивходеисследуемыхсобытий.Экспериментальные данные, свидетельствующие об изменениях состояния облачности в связис кратковременными вариациями КЛ, были получены в работах Пудовкина и Веретененко[Веретененко и Пудовкин, 1994, 1996; Pudovkin and Veretenenko, 1995], а также Тодда иНайвтона [Todd and Kniveton, 2001, 2004].
Результаты указанных работ предполагают, чтовариации КЛ оказывают влияние преимущественно на верхнюю облачность в высоких иумеренных широтах. Также возможно влияние на температурный режим атмосферы измененийсодержания стратосферного озона в высокоширотной области, наблюдаемых во время СПС иФорбуш-понижений ГКЛ (напр., обзор [Криволуцкий и Репнев, 2012]).Как уже отмечалось в разделе 5.1, наиболее эффективным регулятором радиационнотеплового баланса в нижней атмосфере является облачность. Облачность оказываетсущественное влияние на радиационные потоки в атмосфере, уменьшая как приходящеекоротковолновое солнечное излучение, так и уходящее тепловое излучение Земли и атмосферы.Результирующий эффект облачности в вариациях притока радиации к земной поверхности иатмосфере и, соответственно, в изменениях температуры атмосферы зависят от широты, сезона,характера подстилающей поверхности, типа облаков.
В холодный период, когда поступлениесолнечной радиации в умеренные и высокие широты уменьшается, облачность регулирует внаибольшей степени тепловые потоки, способствуя потеплению атмосферы [Матвеев, 1991].Поле длинноволновой (4-40 мкм) тепловой радиации в атмосфере можно характеризоватьинтегральными восходящими ( U ) и нисходящими ( G ) потоками радиации, а такжеэффективным потоком Ф , равным их разности: Ф = U − G .
Приток тепловой радиации кединице объема определяется дивергенцией эффективного потока∂ФR = −divФ = −∂z(6.1)Изменение температуры воздуха со временем связано с радиационным притоком следующейзависимостью:27011 ∂ФdT,=R=−dt c p ρc p ρ ∂z(6.2)где c p − теплоемкость воздуха при постоянном давлении, ρ − плотность воздуха. Восходящиеи нисходящие потоки в безоблачной атмосфере, как правило, убывают с высотой, однако Uубывает медленнее, чем G , вследствие чего эффективный поток Ф с высотой возрастает[Матвеев, 2000]. Таким образом, длинноволновое излучение в среднем приводит к охлаждениювоздуха, при этом скорость радиационного выхолаживания в тропосфере составляет в среднем0.7−1ºС/сут.Образование облачности приводит к изменению высотного профиля эффективного потока(градиенты восходящих и нисходящих потоков могут меняться на 20-30%) и, соответственно,скорости охлаждения атмосферы. Радиационное выхолаживание увеличивается в верхних слояхоблачности и надоблачной атмосфере вследствие резкого увеличения эффективного излучения.В нижнем слое облачности и подоблачном слое наблюдается радиационное нагревание.
Нарис.6.1а представлены вертикальные профили радиационных изменений температуры приперистой облачности согласно результатам расчетов в работе Горчаковой [Горчакова, 1991].Расчеты тепловых потоков в атмосфере проводились на основе данных измерений высотыграниц перистой облачности, вертикального профиля коэффициента ослабления в облаке,оптической толщи τ λ на длине волны 10 мкм и данных аэрологических зондирований.
Каквидно из рис.6.1а, вблизи нижней границы облачности и в подоблачном слое имеет местохарактерное уменьшение радиационного выхолаживания. Сравнение скоростей радиационногоохлаждения атмосферы при безоблачных условиях и для одного из случаев перистойоблачности (в слое 6.3−7.6 км), проведенное в работе [Горчакова, 1989], показывает, чтотепловое излучение выхолаживает облако в средней и верхней части со скоростью ~3−7ºС/сут(рис.6.1б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
