Режим ветра в экваториальной стратосфере. Квазидвухлетняя цикличность (КДЦ)

Подготовил Малахов О.
Опубликовано 03-02-2010

В общих словах, квазидвухлетняя цикличность (КДЦ) – это режим ветра восточных и западных направлений в экваториальной стратосфере, охватывающий высоты примерно от 16 до 50 км, распространяющийся в стратосфере из верхних слоев в более низкие с периодом, составляющим около 28 месяцев. Несмотря на то, что КДЦ наблюдается в экваториальной зоне, она в значительной мере влияет на циркуляцию во внетропической стратосфере. Например, с КДЦ связывают феномен так называемых внезапных стратосферных потеплений, наблюдаемых в полярной зимней стратосфере. С ними, в свою очередь, связано формирование температурных аномалий в тропосфере, выражающихся в погодных аномалиях, наблюдаемых у поверхности Земли.

Изучение природы КДЦ неразрывно связано с исследованием движения атмосферных волн, которые, с одной стороны, являются механизмом формирования и поддержания КДЦ, с другой – порождаются ею. Отдельные атмосферные волны распространяются из экваториальной стратосферы на мезосферу – на высоты около 85 км, где, в свою очередь, формируется свой квазидвухлетний режим ветра – мезосферная квазидвухлетняя цикличность (МКДЦ). С КДЦ связывают и интенсивность тропических циклонов, достигающих силы ураганов в Атлантике и тайфунов в Тихом океане.

От себя добавим, что интересно исследовать вероятную зависимость между повторяемостью и интенсивностью мезосферных облачных образований, именуемых серебристыми облаками, наблюдаемых в летней мезосфере, и МКДЦ.

История открытия. 27 августа 1883 года на Земле произошло одно из самых мощных за историю человечества извержений вулкана Кракатау. Огромное количество вулканического вещества было выброшено в атмосферу. Попав в экваториальную стратосферу, выброшенное из жерла вулкана вещество, в течение двух недель обогнуло с востока на запад весь земной шар. Отметив данный факт, метеорологи получили первое представление о ветрах в нижней стратосфере, дующих с востока на запад. Эти ветры получили название ветров Кракатау.

Запуская метеозонды из тропической Африки, в 1908 году немецкий метеоролог А.Берсон обнаружил ветры западных направлений, дующих на высотах около 15 км (вблизи тропопаузы). Эти ветры получили название ветров Берсона. Но в первой половине XX века запуски метеозондов носили спорадический характер, и разрозненных данных не хватало для того, чтобы обнаружить наслоение друг на друга ветров восточных (Кракатау) и западных (Берсона) направлений в тропической стратосфере. И только в 50-х годах прошлого столетия, в результате анализа радиозондажа верхней атмосферы после ядерных испытаний на Маршалловых островах, была обнаружена изменчивость направлений ветра на высотах, когда из месяца в месяц и из года в год ветры Кракатау сменялись ветрами Берсона (и наоборот). Накопив достаточный ряд наблюдений, к 1959 году начала вырисовываться двухлетняя цикличность ветра на высотах, причем метеорологи обратили внимание на то, что изменения направления ветра между восточным и западным постепенно распространяется из высоких слоев стратосферы в более низкие.

В январе 1960 года на конференции Американского метеорологического общества была представлена работа Р.Д. Рида (США) и Р.А. Эбдона (Англия) «Стратосферная циркуляция», в которой была описана изменчивость фазы (направления) ветра на высотах и ее распространение с высот более 30 км вниз со скоростью около 1 км в месяц. Рид указал, что полный цикл смены ветров происходит примерно за 26 месяцев. Так было открыто явление КДЦ, а сам термин «квазидвухлетней циркуляции» был введен в 1964 году. К началу 70-х годов было установлено, что средняя продолжительность КДЦ составляет 28 месяцев.

Объяснение возникновения КДЦ. Не может быть особых сомнений в том, что КДЦ возбуждается взаимодействием между средним потоком и распространяющимися вертикально экваториальными волнами, генерируемыми в тропосфере (главным образом волны Кельвина и смешанные гравитационные волны Россби), хотя распространяющиеся поперечно стационарные моды волн Россби внетропического происхождения могут генерировать значительную часть ускорения восточных ветров. Считается общепринятым, что в экваториальной зоне эти волны возбуждаются конвективными возмущениями.

Динамические модели экваториальной КДЦ, как правило, описывают источники тропосферных волн постоянными во времени, так что любая изменчивость периода колебаний может быть только результатом внутренней изменчивости в стратосферной осцилляции. С тех пор как впервые Линдзеном и Холтоном была предложена теория КДЦ, основанная на взаимодействии волн со средним потоком, различные ее аспекты были изучены теоретически. В большинстве теоретических исследований КДЦ используются одномерные модели, в которых зависимость среднего зонального ветра от высоты задается как функция времени, причем на нижней границе задано условие возбуждения стационарных волн Кельвина и смешанных гравитационных волн Россби. Первой такой моделью была модель Холтона и Линдзена.

Совместное рассмотрение результатов численного моделирования, данных наблюдений и лабораторного моделирования оставляет мало сомнений в том, что экваториальная КДЦ генерируется экваториальными взаимодействиями волн со средним потоком.

В 1992 году была предложена трехмерная модель КДЦ, которая хорошо показала явление КДЦ в нижней стратосфере. Однако амплитуды волн Кельвина и гравитационных волн Россби по данным модели оказались больше, чем реально наблюдаемые.

Динамические эффекты во внетропической стратосфере. Любая связь между экваториальной КДЦ и внетропической атмосферой должна рассматриваться с учетом сезонных циклов и изменений внетропической стратосферы. По сравнению с тропосферой, средняя зональная циркуляция во внетропической стратосфере испытывает значительно большие сезонные изменения с четкой сменой направления ветров на обратное при переходе от зимнего полугодия к летнему, и наоборот. В течение зимних месяцев стратосфера над полярными широтами сильно выхолаживается, поэтому здесь формируется полярный вихрь – стратосферный циклон, обуславливающий перенос воздуха с запада на восток. С увеличением высоты Солнца над горизонтом полярная стратосфера начинает нагреваться, при этом изменяется форма циркуляции на обратную, что приводит к смене западных ветров на восточные.

В обоих полушариях Земли на эту сезонную циркуляцию оказывают влияние планетарные волны (волны Россби), которые формируются благодаря контрастам между океаном и материком, а также топографии. Эти волны распространяются в зимнюю стратосферу, возмущая ее. В Северном полушарии Земли контрасты между океаном и материком намного более значительны, чем в Южном; здесь же расположены основные горные цепи. Таким образом, зимняя стратосфера над Северным полушарием под действием планетарных волн более возмущенная, нежели над Южным. Волны большой амплитуды приводят к возмущениям полярного вихря даже в середине зимы, приводя к ослаблению западных ветров, а в отдельных случаях – их смены на восточные. При подобных динамических воздействиях наступают внезапные стратосферные потепления, приводящие к истощению озонового слоя, а также к значительным циркуляционным изменениям в тропосфере.

Весной сезонная смена зимних западных ветров во внетропической стратосфере на летние восточные происходит не только при термическом воздействии солнечной радиации на стратосферу, но и при участии планетарной волны. Такое стратосферное потепление называется заключительным. В северном полушарии заключительное потепление происходит в марте – апреле, а в Южном – в ноябре – декабре.

Итак, теперь нам известно, что в Северном полушарии стратосфера более чувствительна к вертикально распространяющимся планетарным волнам, чем в Южном. Поэтому интенсивность полярного вихря здесь может меняться из года в год в значительных пределах. Интересно то, что анализ высотных данных в Северном полушарии в зимний период показал, что геопотенциал над высокими широтами значительно ниже при западной фазе ветров ЦДЦ, а при восточной фазе – выше. В последнем случае полярный вихрь может быть возмущен сильнее, а чем сильнее его возмущенное состояние, тем выше вероятность стратосферного потепления. Значительное влияние на зимнюю стратосферу (с января по февраль) оказывают и вариации солнечной активности в пределах ее 11-летнего цикла.

Циркуляции в атмосферах других планет. Явления, сходные по своей природе с КДЦ, присущи, по-видимому, и другим планетам, обладающим атмосферами. Так, например, на Юпитере существует квазичетырехлетняя цикличность (КЧЦ) экваториальной атмосферы. КЧЦ охватывает экваториальную зону этой гигантской планеты в пределах 7° северной и южной широты. А в атмосферах Венеры и Сатурна присутствуют околополярные вихри, подобные земному. Поэтому исследования циркуляционных механизмов в верхней атмосфере Земли важны и с точки зрения лучшего понимания сходных процессов в атмосферах других планет, о существовании которых мы постепенно узнаем все больше и больше. Вероятно, что спустя еще какое-то время в метеорологии появится отдельное направление, которое будет специализироваться на исследованиях атмосферных циркуляций других планет, в том числе и экзопланет, обращающихся вокруг других звезд.

Заключение. Итак, за свою почти полувековую историю исследования показали, что КДЦ является важнейшим стратосферным процессом, влияющим не только на циркуляцию стратосферы в целом, но и на ее химические свойства, например, на вариации озонового слоя. Сигналы, генерируемые в экваториальной стратосфере, распространяются и вверх, и вниз, и вдоль меридиана, что вовлекает во взаимодействие тропосферу, стратосферу и мезосферу в глобальных масштабах. Установлены временные масштабы распространения сигналов из тропосферы в стратосферу, и наоборот, что в дальнейшей перспективе предполагает разработку новых подходов к долгосрочному прогнозировании погоды и моделированию климата Земли. И говоря про тропосферу, как про кухню погоды, мы, вероятно, когда-нибудь будем называть стратосферу (и, возможно, мезосферу) кухней климата Земли. Нельзя недооценивать и влияние изменчивости солнечной активности, ведь земная атмосфера очень чувствительна к ней.

К сожалению, пока мы не обладаем надежными средствами моделирования климата будущего. Существующие модели далеки от совершенства. Не существует и модели, надежно моделирующей КДЦ. Но, принимая во внимание то, что гравитационные волны, генерируемые экваториальной конвекцией, являются основой для формирования КДЦ, более точное моделирование динамики мезомасштабных конвективных систем, а также волн синоптического масштаба, в которые эти конвективные системы вовлечены, позволит более точно моделировать саму КДЦ.

На рисунке слева: КДЦ за 1953 – 2009 гг. Серой заливкой выделены ветры западного направления (дующие на восток).

Список литературы:

1. Reviews of Geophysics, 39, 2, May 2001.
2. Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере. «Мир». 1988.

Ссылки:

Стратосфера и ее связь с тропосферой. Часть вторая. Стратосферные потепления.
Стратосфера и ее связь с тропосферой. Часть первая.
Стратосфера
Об истории исследования верхних слоев атмосферы Земли
Строение атмосферы Земли

Назад в раздел