Диссертация (1145308), страница 63
Текст из файла (страница 63)
При слабом вихре планетарные волны свободнораспространяются вверх, и при этом только тропосфера оказывает влияние на стратосферу.Таким образом, сильный вихрь создает более благоприятные условия для передачи сигнала,создаваемого в полярной стратосфере солнечно-геофизическими факторами, в тропосферу,влияя на условия для распространения планетарных волн.
В частности, если вариации СА/ГКЛизменяют состояние уже сильного вихря, увеличивая скорость зонального потока до Vкр , болееинтенсивное отражение планетарных волн может способствовать преобразованию полядавления в тропосфере и усилению циклонических процессов. Если вихрь слабый, влияниеСА/ГКЛ на процессы в стратосфере может оказаться недостаточным для увеличения скоростивихря до критического значения, так чтобы он мог заметно повлиять на распространениепланетарных волн и способствовать развитию динамического отклика в тропосфере.
Действиеданного механизма возможно на временных шкалах от месяца и больше, так как развитиеотклика тропосферы на изменения состояния вихря может занять несколько недель [Baldwinand Dunkerton, 2001].Зависимость эффектов СА/ГКЛ от интенсивности вихря на мультидекадной временнойшкале аналогична, по всей видимости, зависимости от фазы квазидвухлетних осцилляций(КДО), определяемой по направлению зонального ветра в экваториальной стратосфере.Влияние фазы КДО на характер связи между солнечной активностью и атмосфернымихарактеристиками на декадной временной шкале было впервые обнаружено Лабицке [Labitzke,1987]. Согласно результатам Лабицке, корреляция между средней зимней температуройполярной стратосферы и числами Вольфа оказалась существенно выше при западной фазе КДО(R ~ 0.8, уровень значимости 0.999), тогда при восточной фазе коэффициент корреляции имелдругой знак и был статистически незначим.
Аналогичные результаты были получены впоследующих работах для вариаций температуры и давления в нижней атмосфере северногополушария [Labitzke and van Loon, 1989; van Loon and Labitzke, 1988]. Поскольку интенсивностьциркумполярного вихря модулируется КДО и имеет тенденцию к усилению в западную фазу[Holton and Tan, 1980], эффекты СА/ГКЛ оказываются более четко выраженными именно в этойфазе.
Так, в работе [Tinsley, 1988] было обнаружено смещение траекторий североатлантическихциклонов к северу в минимуме солнечной активности (т.е. при максимальных значениях потокаГКЛ) в годы с западной фазой КДО. Согласно [Labitzke and van Loon, 1989] уменьшение числациклонов в западной части Северной Атлантики в максимуме солнечной активности(минимуме потока ГКЛ) также наблюдается при западной фазе КДО. Аналогичная зависимостьот фазы КДО была обнаружена для эффектов ГКЛ и других солнечно-геофизических явлений винтенсивности зональной циркуляции [Pudovkin and Veretenenko, 1996], а также в вариациях280полугодовых сумм суммарной радиации в умеренных и высоких широтах [Veretenenko, 2003].Таким образом, приведенные выше данные свидетельствуют о том, что эффекты СА/ГКЛоказываются более четко выраженными при сильном вихре как на декадной шкале(зависимость от фазы КДО), так и на мультидекадной (зависимость от ~60-летних колебанийинтенсивности вихря).Таким образом, результаты данного исследования указывают на важную рольциркумполярного вихря как связующего звена между явлениями солнечной активности идинамическими процессами в нижней атмосфере внетропических широт.
Действительно,высокоширотное расположение ЦПВ благоприятно для работы различных физическихмеханизмов влияния солнечной активности на погоду и климат. В связи с низким порогомгеомагнитного обрезания в области формирования вихря (полярные широты) высыпаютсячастицы в широком диапазоне энергий и, соответственно, наблюдаются более высокиезначения потока частиц и скорости ионизации по сравнению со средними и низкими широтами(рис.1.9). На рис.6.5 приведено распределение среднемесячной температуры в стратосфере науровне 20 гПа (высота ~25 км), показывающее положение вихря как области понижениятемпературы. Там же нанесены изолинии вертикальной жесткости геомагнитного обрезаниясогласно расчетным данным [Shea and Smart, 1983].
Видно, что бóльшая часть вихря лежит вобласти, где геомагнитное обрезание практически отсутствует ( Rc < 0.5 ГВ). В то же времяхарактерное положение границ ЦПВ достаточно хорошо совпадает с областью максимальнойповторяемости полярных сияний – авроральной зоной (рис.6.6).На рис.6.7а высотные профили характеристик арктической воздушной массы, в которойформируется вихрь, сопоставлены с профилем скорости ионизации в высокоширотнойатмосфере согласно [Bazilevskaya et al., 2008]. Характеристики воздушной массы рассчитаныдля января 2005 г. на основе данных реанализа NCEP/NCAR (среднемесячных значенийтемпературы) [Kalnay et al., 1996]. Синей линией показана минимальная температура в областивихря, красной линей – максимальное значение модуля горизонтального градиентатемпературы на границе вихря. Видно, что температура области формирования вихряуменьшается с высотой и достигает минимума на изобарических уровнях 50−30 гПа (20−25 км).Градиенты температуры на границах вихря в стратосфере увеличиваются с высотой, начиная суровня 150 гПа, и достигают наибольших значений на уровнях 50−10 гПа (20−30 км).
Втропосфере градиенты температуры на границах арктической воздушной массы максимальнывблизи земной поверхности и соответствуют арктическим фронтам, отделяющим ее отвоздушных масс умеренных широт. Данные на рис.6.7б показывают, что с углублением вихря(понижением температуры в его центре) градиенты температуры на его границахувеличиваются.281Temperature. 20 °hPa. January 2005.-160°11020°160°-3540°-4073-120°20.560°120°-451-5080°-550.5- 80°-79180°3-65157- 40°-60211-7040°-75°0°CРис.6.5. Распределение среднемесячной температуры на уровне 20 гПа в январе 2005 г. поданным реанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996]. Белой звездочкой отмечено минимальноезначение температуры в вихре. Красные линии показывают вертикальные жесткостигеомагнитного обрезания (в ГВ) согласно [Shea and Smart, 1983].Рис.6.6. Прогноз вероятности наблюдения полярных сияний для геомагнитной бури,начавшейся 27 февраля 2014 года [http://www.swpc.noaa.gov/ovation/].2823010a)TemperatureTemperature gradientIon-pair production rate202520507015100150200Height, kmPressure, hPa301030040050057008501000-900.4-800.8-701.2-60-50Temperature, °C1.622.4-402.80-20-303.23.64Temperature gradient, °C/100 kmTemperature gradient,°C/100 km010203040Ion-pair production rate, cm-3s-12b)50 hPa1.61.20.80.4R = - 0,80-64-68-72-76-80-84Temperature, °CРис.6.7 а) Зависимость от высоты минимальной температуры в арктической воздушной массе имаксимальных значений модуля градиента температуры на ее границах (среднемесячныезначения для января 2005 г.) и скорости ионизации в полярной области (жесткостьгеомагнитного обрезания Rc = 0−0.6 ГВ) согласно [Bazilevskaya et al., 2008];б) связь максимальных значений модуля градиента температуры на границе вихря иминимальной температуры в его центре на уровне 50 гПа в январе (1948−2011 гг.).283Сопоставление данных на рис.6.7а показывает, что максимальные значения скоростиионизации за счет ГКЛ достигаются в нижней части вихря на высотах 10−20 км, т.е., в тойобласти, где происходит усиление вихря с высотой и увеличение градиентов температуры наего краях.
Как было отмечено в разделе 1.2.3 (рис.1.8), вариации потоков ГКЛ в 11-летнемсолнечном цикле максимальны в стратосфере полярной области на высотах ~20−25 км.Согласно данным на рис.6.7а, в этой области ЦПВ наиболее интенсивен: наблюдается минимумтемпературы в его центре и наибольшие значения градиентов температуры на его границах.Следует отметить, что на высотах 15−25 км наблюдается максимальное содержание озона вполярной стратосфере (напр., [Александров и др., 1992]), что создает также благоприятныеусловия для работы ряда механизмов, связанных с вариациями содержания озона. При этомважную роль играет совпадение области формирования вихря с областью наиболее вероятногоположения аврорального овала, где имеют место высыпания авроральных электронов.
Вчастности, понижение концентрации озона в стратосфере в связи с образованиемдополнительногонечетногоазота,обусловленноговысыпаниямизаряженныхчастиц(солнечных протонов, авроральных электронов и электронов радиационных поясов), приводит,согласно модельным расчетам [Baumgaertner et al., 2011; Rozanov et al., 2012], к усилению вихряи формированию соответствующих аномалий приземного давления (раздел 1.2.3.4.). Такжеследует отметить, что область формирования вихря совпадает с областью, где в связи свариациями межпланетного магнитного поля могут иметь место значительные измененияионосферного потенциала, влияющего на интенсивность электрических токов в атмосфере. Этосоздает условия для работы электрических механизмов, включающих, в частности, изменениясостояния облачности и соответствующие изменения радиационно-теплового баланса ввысокоширотной атмосфере, влияющие на атмосферную циркуляцию.Такимобразом,перечисленныевышеособенностиобластиформированияциркумполярного вихря подтверждают высокую вероятность того, что механизм влияниясолнечной активности на циркуляцию нижней атмосферы включает изменения состояния вихряпод действием различных факторов (вариаций ГКЛ, высыпаний заряженных частиц, вариациймежпланетного магнитного поля, ультрафиолетового излучения и т.д.).
В свою очередь,эволюция вихря играет важную роль при передаче возмущения, создаваемого явлениямисолнечной активности, из стратосферы в тропосферу. Изменения характера эффектов СА/ГКЛпроисходят, как показано выше, при переходе вихря из сильного в слабое состояние и наоборот.Данные, полученные в настоящем исследовании, позволяют сделать вывод, что причинойвременной изменчивости эффектов СА/ГКЛ в циркуляции нижней атмосферы являютсядолгопериодные изменения состояния циркумполярного вихря, модулирующие передачусолнечного сигнала в нижнюю атмосферу.284Следует отметить, что природа ~60-летних колебаний интенсивности вихря остается кнастоящему времени невыясненной.
В качестве возможных причин указываются как внешниевлияния (долговременные вариации солнечной постоянной), так и внутренние (колебания всистеме океан-атмосфера) [Minobe, 1997]. Действительно, в работе [Гудкович и др., 2009]отмечено достаточно хорошее согласие между ~60-летними колебаниями приземнойтемпературы в Арктике и величинами TSI, восстановленными в работе [Hoyt and Shatten, 1991].В то же время Рейчлер и соавторы [Reichler et al., 2012] показали, что аномалии стратосфернойциркуляции могут посредством NAO влиять на меридиональную термохалинную циркуляцию вСеверной Атлантике (Atlantic Meridional Overturning Circulation – AMOC).
Измененияокеанической циркуляции в свою очередь оказывают обратное влияние на атмосфернуюдинамику (напр., [Gastineau et al., 2013]). Таким образом, взаимодействие в системе океанатмосфера может играть важную роль в формировании эффектов солнечной активности втропосферной циркуляции на мультидекадной временной шкале.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
